Artículo Proyecto Final Master Edificación UA Rubén Romero Vivancos

2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE

ESTUDIO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Y VIABILIDAD PARA LA IMPLANTACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE CLIMATIZACIÓN MEDIANTE GEOTERMIA EN LA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR IV DE ALICANTE ROMERO VIVANCOS, RUBÉN UNIVERSIDAD DE ALICANTE. DEPARTAMENTO DE EDIFICACIÓN Y URBANISMO rubens-romero@hotmail.com Palabras clave: Rehabilitación energética, Eficiencia energética, Simulación energética, Edificación sostenible, Geotermia, CALENER GT, GEO2.

RESUMEN La Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante es un edificio de protección integral por el Ayuntamiento de San Vicente del Raspeig, que tiene un programa de aulas y despachos de uso docente e investigador desarrollado en una superficie útil próxima a 6650 m2 distribuida en dos plantas de aulas y dos plantas de despachos, inscrito en un solar rectangular de 80 x 70 metros aprox., rodeado por una extensa superficie de solar ajardinada 1.55 veces superior a la superficie de solar construida y orientado 17 grados hacia el Oeste.

El edificio es singular, con gran parte de la superficie de sus cerramientos en contacto con el aire exterior, en el que se ha apostado por un mayor aprovechamiento de la superficie del solar para permitir la actividad en contacto con el ambiente fuera de las aulas, la iluminación natural y la ventilación cruzada de los espacios.

Dadas las condiciones del edificio, se genera un consumo eléctrico anual considerable próximo a 560 MWh/año, donde cerca del 70% proviene de la instalación de climatización.

Como respuesta para la mejora de la eficiencia energética del edificio, se pretende conocer si una instalación de climatización híbrida, con bombas de calor geotérmicas acopladas al terreno en circuito cerrado, en combinación con las bombas de calor aerotérmicas y fan-coils que dispone la instalación de climatización del edificio, pudiera generar grandes ahorros energéticos tal que fuera viable su implantación en el edificio como método activo de ahorro energético.

En este proyecto se parte de una base previa de resultados de un proyecto final de grado del mismo autor1, donde se realiza un estudio detallado de la demanda térmica y consumos eléctricos del edificio por cálculo por simulación en el programa CALENER GT, por cálculos estimados según los consumos de la instalación de iluminación, equipamientos en función del consumo unitario de las instalaciones y de su factor de uso, a su vez definido por las horas de uso y la media de personas por cada espacio del edificio; y por cálculos basados en los consumos eléctricos reales mensuales registrados por el Servicio de Infraestructuras de la Universidad, entre el año 2011 y 2014, junto con facturas eléctricas de la Universidad para conocer la evolución del precio €/kWh eléctrico.

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Romero Vivancos, Rubén (27 de Agosto de 2015). Estudio y evaluación de la eficiencia energética de la Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante para la propuesta de su rehabilitación energética. Obtenido de Proyecto Final de Grado en Arquitectura Técnica Universidad de Alicante: http://hdl.handle.net/10045/48922

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE Una vez conocido detalladamente el comportamiento energético del edificio, se realiza el estudio de implantación de la instalación geotérmica, que comprende, el estudio hidrogeológico del subsuelo de la Universidad de Alicante, el predimensionado de los sistemas de la instalación geotérmica con el programa GEO2, el presupuesto de ejecución material de la instalación geotérmica para diferentes posibilidades de ejecución de los intercambiadores geotérmicos aplicables al sistema de climatización actual del edificio, un segundo modelo de cálculo en CALENER GT donde se define la instalación geotérmica y que permite cuantificar los ahorros en el consumo eléctrico en climatización, acompañado del certificado energético del edificio, y un estudio de viabilidad económica a largo plazo, teniendo en cuenta la variación del precio de la electricidad en la Universidad de Alicante.

1.

INTRODUCCIÓN

Este proyecto final de máster tiene carácter investigador y profesional, desarrollado en solitario a través de la investigación y experimentación propia, junto de conocimientos previos adquiridos en el cálculo de la eficiencia energética de edificios y energías renovables aplicadas a la edificación.

El proyecto parte de un previo proyecto final de grado realizado por el autor, donde se estudia con detalle y describe la metodología de cálculo empleado para el cálculo de la demanda térmica y consumos eléctricos actuales y futuros del edificio para múltiples propuestas de mejora de su eficiencia energética aplicables, mediante un modelo de simulación de cálculo energético por los programas LIDER-Calener GT, con la finalidad de buscar soluciones que generen un mayor ahorro energético de forma rentable.

En el estudio se analiza la viabilidad económica de cada propuesta y de sus posibles combinaciones en función de los ahorros energéticos generados y del coste de su implantación, en el cuál se incluyen los resultados de cálculo para la implantación de una instalación geotérmica, cuya capacidad de ahorro energético en climatización observado ha motivado su investigación en este proyecto final de máster, a la vez que curiosidad por su desconocimiento, al menos en la Escuela Politécnica de Alicante.

En concreto, las diferentes propuestas de mejora de su eficiencia energética analizadas el proyecto final de grado son, el aislamiento térmico de fachadas y cubiertas, la sustitución de vidrios de carpinterías con menor transmitancia térmica y factor solar adecuado, el control de apertura de la protección solar de lamas horizontales, la estanqueidad de carpinterías junto a un sistema de recuperación de calor en las aulas, la sustitución de luminarias por tipo LED, la instalación fotovoltaica sobre la cubierta de los módulos, y un sistema de climatización híbrido mediante bombas de calor geotérmicas acopladas al terreno y al sistema de climatización del edificio.

Por tanto, de partida inicial se espera que una instalación geotérmica con bombas de calor geotérmicas con un campo de sondas geotérmicas combinada al sistema actual de climatización del edificio compuesto por bombas de calor aerotérmicas aire-agua y fan-coils, sea una alternativa de gran ahorro energético; por lo que mediante este proyecto se pretende descubrir y cuantificar con los programas disponibles, Calener GT y GEO2, si los ahorros de consumo en climatización pudieran ser tan elevados como para ser viable económicamente y técnicamente su implantación en el edificio.

La ventaja principal de la instalación geotérmica con bombas de calor, es la capacidad de aprovechar el intercambio térmico con el subsuelo y con ello reducir el trabajo de “calentar y/o 2

2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE enfriar” el fluido a las bombas de calor, por lo que se consigue incluso incrementar el rendimiento instantáneo (COP: 3.5-4) de las bombas geotérmicas, además de que las bombas geotérmicas requieren de una menor potencia térmica para su funcionamiento, lo que conlleva a una reducción del consumo eléctrico de las bombas de calor y las bombas recirculadoras del circuito hidráulico de todo el sistema de climatización, y a un ahorro extra generado en la tarifa eléctrica por un menor consumo en las horas punta. Además, los costes de mantenimiento de la instalación son muy reducidos casi nulos para su vida útil de 25 años o durante un periodo de explotación, que suele ser entre 20 y 40 años, aunque se debe garantizar una durabilidad de la instalación de al menos 50 años.

La energía geotérmica está disponible para su aprovechamiento en cualquier parte, mediante bombas de calor geotérmicas acopladas al terreno, apenas se generan pérdidas térmicas por transporte porque su aprovechamiento es local, no depende de las condiciones climatológicas sino de las características del subsuelo, su producción térmica es segura, previsible, medible, controlable, dosificable, y además respetuosa con el medio ambiente, porque las sondas geotérmicas varían algunos grados la temperatura del subsuelo pero el flujo de calor la equilibra, las bombas de calor geotérmicas utilizan menos cantidad de refrigerante destructor de la capa de Ozono que casi nunca se recarga, y por otra parte las emisiones de CO2 de efecto invernadero se deben al consumo eléctrico de la instalación, que son muy inferiores a las instalaciones tradicionales.

En concreto, las instalaciones geotérmicas en edificación destacan considerablemente en climas con condiciones extremas o variaciones de temperatura importantes respecto las bombas de calor que utilizan aire a temperatura de ambiente exterior, debido a la estabilidad de las temperaturas del subsuelo y a la mayor diferencia de temperaturas límite entre el subsuelo y las temperaturas límite de entrada del fluido caloportador a la bomba de calor geotérmica; es por eso que la instalación de climatización impulsada únicamente con geotermia en edificación de Gran Terciario, no suele ser efectiva en el clima mediterráneo, según indican las investigaciones.

En cambio, la instalación geotérmica híbrida, con bomba de calor geotérmica acoplada al terreno con un sistema de intercambiadores verticales en circuito cerrado, como sistema de apoyo, combinada con las bombas de calor aire-agua y fan-coils, de uso extendido en el clima mediterráneo, permite incrementar el rendimiento estacional de la instalación de climatización, con COP superior a 4, teniendo en cuenta que se considera fuente de energía renovable, cuando su rendimiento medio estacional es superior a un mínimo establecido, de COP 3.63 para la zona climática de Alicante.

Por tanto, la instalación geotérmica híbrida, se presenta como una de las posibles instalaciones que puedan conseguir que el edificio tenga un consumo energético reducido y calificación energética de las más favorables por el aprovechamiento térmico gratuito del subsuelo, normalmente con resultado de calificación B porque genera consumo eléctrico, y hasta máxima calificación A o A+, si se combinara además con otras instalaciones de energía renovable, como la energía solar; pues la energía solar térmica incrementaría su rendimiento en calefacción, mientras que con la energía solar fotovoltaica se compensaría en parte la electricidad que consume la instalación de climatización geotérmica.

Sin embargo, el porcentaje de uso de este tipo de instalaciones de energía renovable en edificación es de los menos extendidos, en principio porque la instalación geotérmica requiere alta 3

2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE especialización, alta inversión inicial, excavaciones de profundidad variable en solar de propiedad si los intercambiadores geotérmicos no estuviesen dentro de la cimentación de la propia edificación, y una amplia sala de máquinas que suele ubicarse en sótano, y no en los exteriores del edificio, como es habitual con las instalaciones con bombas de calor aerotérmicas.

Por lo general, según diversas investigaciones de la Universidad de Valencia y simulación energética mediante el software TRNSYS, para edificación de Gran Terciario, se puede esperar que una instalación geotérmica híbrida con bombas de calor geotérmicas, genere un ahorro energético mínimo en climatización entre el 20-40%, por lo que los ahorros permitirían que la inversión inicial se amortice entre los 15 y 19 años, respecto de una instalación con bombas de calor aerotérmicas y fan-coils.

También se conoce que se podría optimizar la instalación geotérmica híbrida para ahorrar un 40% del consumo eléctrico, mediante dispositivos de almacenamiento térmico, como son los tanques o depósitos acumuladores térmicos de agua estratificada, porque permiten distribuir la energía térmica en vez de generarla con electricidad cada vez que se vaya a usar.

No obstante, recientes obras de edificación pública en España, demuestran que un perfecto diseño de la instalación geotérmica con un sistema de control avanzado, puede incrementar mucho más el rendimiento de la instalación de climatización, tal que el periodo de amortización más óptimo pudiera quedar reducido entre 8 y 11 años.

Se reconoce que un plazo de amortización superior a un límite de diez años, el cliente no lo ve claro y no apuesta por la geotermia, además de que las ayudas y/o subvenciones del programa GIT establecen ese límite para su financiación. En este proyecto se considera que la Universidad asumiría la inversión inicial, para que el coste total y periodo de amortización sea menor, y el ahorro total de la factura eléctrica lo aproveche la Universidad y se pueda destinar para otros fines como pudieran ser la docencia, investigación y rehabilitación energética de los edificios del campus universitario.

El reto de la geotermia estará en las políticas y en la visibilidad de su importante potencial en edificación pública, privada y rehabilitada, por lo que los arquitectos deben conocer la geotermia, lo cuál se pretende de alguna manera con este proyecto.

En ese sentido, se lamenta un RITE que integre la implantación de energías renovables en la arquitectura y reconozca las ventajas de la geotermia de baja entalpía, y que además se disponga de Documentos Reconocidos como Calener GT y Calener VyP, más rigurosos para configurar el funcionamiento de la instalación geotérmica y reflejar el ahorro energético en el certificado energético.

Sin embargo, se comprueba que Calener GT permite simular el efecto del consumo energético de una instalación geotérmica híbrida con bombas de calor, por lo que, en este proyecto, los resultados de cálculo de Calener GT, se editarán y darán un uso extendido laborioso para hallar los ahorros energéticos estimados que generaría la instalación geotérmica híbrida y poder estudiar su viabilidad económica.

1.1. OBJETIVOS Estimar y conocer, con los medios disponibles de simulación energética en Calener GT y predimensionado de la instalación geotérmica con GEO2, si una instalación de climatización híbrida, que combine una nueva instalación geotérmica con bombas de calor geotérmicas agua-agua 4

2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE acopladas al terreno con un campo de sondas geotérmicas en circuito cerrado, junto con el sistema de climatización actual del edificio de la Escuela Politécnica Superior IV de Alicante, compuesto por bombas de calor aire-agua y fan-coils, pudiera generar grandes ahorros energéticos, al menos un ahorro del 30% de energía térmica en climatización, tal que la implantación de la instalación geotérmica fuera viable económicamente y el periodo de amortización sea máximo 15 años.

Así mismo, se pretende poner a prueba los Documentos Reconocidos de cálculo energético por método general del Ministerio de Energía de España, LIDER-Calener GT, para la aplicación de la energía geotérmica en edificación, y aportar una metodología de cálculo para el estudio de viabilidad de su implantación en edificios de Gran Terciario.

La finalidad última es ampliar el conocimiento sobre la posible implantación de una instalación geotérmica con bombas de calor para incluirse dentro de un plan de proyecto para la rehabilitación energética del edificio de la Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante, que pueda ser útil para la toma de decisiones del Servicio de Infraestructuras de la Universidad de Alicante.

Para el cumplimiento de los objetivos generales, los objeticos específicos marcados son, definir un modelo de simulación energética del edificio válido y ajustado al funcionamiento real, estudiar las demandas térmicas y consumos eléctricos simulados y reales del edificio en base a los datos disponibles del curso 2013/14, predimensionar la instalación geotérmica para su aplicación en el edificio mediante GEO2 y cálculos complementarios, simular el consumo energético con la nueva instalación geotérmica mediante Calener GT, realizar un presupuesto de la instalación geotérmica para las diferentes posibilidades de su ejecución y seleccionar la más adecuada para el edificio, y finalmente un estudio de viabilidad económica a largo plazo para los diferentes supuestos.

1.2. METODOLOGÍA La metodología empleada en este proyecto es en parte de elaboración propia, para resolver la cuestión de si sería viable implantar la instalación geotérmica en el edificio. La metodología de investigación es por una parte hipotética-deductiva porque inicialmente y durante el desarrollo del proyecto se emiten diferentes hipótesis de soluciones al problema planteado y después se comprueba con los datos disponibles si éstos son coherentes con aquéllas, es decir, se sabe qué resultado se quiere y se va descubriendo cómo llegar a éste a base de hipótesis, pruebas y comprobaciones con referencias del estado del arte.

Las hipótesis son abstractas porque consisten en predecir los ahorros energéticos, en magnitudes de kWh-kWh/m2, que no son observables y requieren de sistemas teóricos que simulen o se aproximen la realidad, bajo una amplia variedad de parámetros de cálculo que deben ser conocidos, medidos y comprobados previamente.

Por otra parte, la metodología es sintética de simulación por ordenador, porque consiste en reconstruir, simular o aproximarse a la realidad actual de consumo energético del edificio, para un año concreto, conociendo al detalle las características técnicas y constructivas del edificio e instalaciones y bajo múltiples condiciones de cálculo que pueden ser variables con el tiempo, de forma que la precisión de las mismas con la realidad pueda conducir a un modelo de simulación capaz de predecir con cierta precisión la realidad actual y futura bajo otras condiciones, como es el uso de una instalación geotérmica en el edificio.

Las diferentes partes de desarrollo del proyecto se dividen de forma general en: 1. Estudio energético actual del edificio, para el curso 2013-2014.

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE 2. Estudio del precio de la energía eléctrica de la Universidad de Alicante y el coste del consumo eléctrico del edificio.

3. Estudio de dimensionamiento y cálculo de parámetros básicos de funcionamiento de una instalación geotérmica con bombas de calor.

4. Simulación energética estimada de un sistema geotérmico aplicado al sistema de climatización del edificio.

5. Cálculo energético comparativo del estado actual y futuro del edificio.

6. Presupuesto de ejecución material de la instalación geotérmica.

7. Estudio de viabilidad económica para la implantación de la instalación geotérmica.

2.

DESARROLLO DEL PROYECTO

El proyecto se desarrolla en dos apartados, el primero es el Estudio energético de la Escuela Politécnica Superior IV Universidad de Alicante, que consiste en estudiar las demandas térmicas y consumos eléctricos del edificio, cuyo estudio permite aportar los datos de cálculo necesarios para predimensionar la instalación geotérmica y realizar una comparativa de ahorro energético generado en cuanto a calefacción, refrigeración, bombas de recirculación de agua y ventiladores del sistema de climatización del edificio.

La segunda parte es el Estudio de implantación de la instalación geotérmica, que consiste en estudiar la viabilidad para implantar la instalación geotérmica, en el que partiendo del estudio hidrogeológico para conocer las propiedades térmicas del subsuelo de la Universidad de Alicante mas el estudio energético del edificio, se puede predimensionar o estimar qué disposiciones de los intercambiadores geotérmicos serían los más adecuados al solar ajardinado además de conocer los supuestos rendimientos estacionales de la instalación geotérmica. Tras definir las diferentes alternativas de ejecución de los intercambiadores enterrados se realiza un presupuesto comparativo y se propone la solución a estudiar energéticamente en Calener GT. Conociendo los ahorros energéticos y la variación del precio de la electricidad a largo plazo, se estima la viabilidad del proyecto.

2.1. Estudio energético EPS IV. Demanda térmica Para realizar el cálculo energético del estado actual del edificio se realiza una exhaustiva toma de datos, mediciones y cálculos de los parámetros de cálculo necesarios para definir el edificio en los programas LIDER-Calener. De entre los trabajos previos al cálculo se destaca el estudio del proyecto del edificio, la medición in situ de las carpinterías e iluminancia media con luxómetro de todo el edificio, el estudio de las características técnicas de las instalaciones de climatización, la base de datos de uso horario y de personas de cada espacio durante el curso académico 2013-14, y la elaboración de planos de superficies útiles del edificio.

La definición del edificio se realiza en el programa LIDER y posteriormente se exporta a Calener GT, se corrige el modelo y se redefine con los nuevos parámetros de cálculo. En cuanto a la demanda térmica, los resultados válidos para el estudio son los obtenidos mediante Calener GT, y LIDER para la comprobación del cumplimiento de la demanda térmica según el CTE vigente.

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Gráfica 1. Demanda y carga térmica mensual (kWh) Fuente: Elaboración propia a partir de resultados de cálculo de Calener GT Teniendo en cuenta que el edificio es del año 2000 y la normativa que regulaba la limitación de la demanda energética era la NBE-CT-79, el edificio cumple con la demanda térmica del CTE 2013, según el uso actual del edificio.

Esto se debe a que la ocupación media de las aulas es del 43% con un promedio de 27 personas por aula, para un aforo medio de 64 personas y hasta 112 en las aulas grandes. Cumple la demanda térmica en calefacción por muy poco y la demanda térmica en refrigeración es más favorable, es decir, si el aforo aumentara no cumpliría la limitación de la demanda térmica y la demanda en refrigeración sería mucho más desfavorable.

El comportamiento térmico del edificio en general es más favorable en refrigeración por las aulas y al contrario sucede en los despachos de los módulos, pero con 15 diferencias notables de comportamiento térmico entre los diferentes espacios del edificio.

Sin embargo, las demandas térmicas totales anuales son balanceadas y elevadas, con demanda en calefacción de 728.426,13 KWh/año y 105,2 KWh/m2*año, y demanda de refrigeración 657.450,69 kWh/año y 103,0 KWh/m2*año; con calificación energética B en la demanda térmica.

De forma general, la demanda térmica se genera en un 70% debido a las infiltraciones de aire exterior, en un 17% por la transmisión térmica de los vidrios y en un 13% por la transmisión térmica de los muros exteriores. Es decir, la mayor parte de la energía térmica se pierde a través de las puertas y ventanas porque hay una elevada renovación de aire natural, sin control de aire interior por medios de ventilación mecánica.

2.2. Estudio energético EPS IV. Consumo eléctrico El edificio durante el curso académico 2013-14 tuvo un consumo de 557,75 MWh/año según el informe de consumo eléctrico del Servicio de Infraestructuras de la Universidad de Alicante. Tras definir el edificio en Calener GT con el máximo rigor, resulta un consumo eléctrico anual simulado de 560,46 MWh/año, por lo que existe una diferencia de cálculo de 2,7 MWh/año y variación del 7

2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE 0,49%, lo cuál se ajusta al comportamiento energético real del edificio y se considera válido el modelo de cálculo de Calener GT para el estudio energético actual y futuro con propuestas de mejora.

Gráfica 2. Comparativa consumos mensuales eléctricos totales Reales y cálculos de Calener GT Fuente: elaboración propia según cálculos reales y simulados Sin embargo, los porcentajes de consumo en iluminación y equipamiento se reajustan con un cálculo manual intermedio de consumos, que se adaptan mucho más al consumo real del edificio, resultando un consumo del 68,75% en climatización, un 16,94% en iluminación y un 14,31% en equipamiento.

También cabe señalar que, según el uso actual de la instalación de climatización, sólo se cubre entre 1/2 y 1/3 de la demanda térmica existente, por lo que sólo se pone en funcionamiento cuando hay una falta de confort térmico insoportable.

Teniendo en cuenta que el precio medio de la electricidad en la Universidad fue de 14 cent.€/KWh, el edificio facturó en electricidad 77.434,19€/año, llegando hasta facturar 9.600€ el mes de mayor consumo, suponiendo un 3,17% del consumo total de la Universidad de Alicante.

Cabe destacar que todos los edificios de la Universidad y alumbrado exterior, facturan cerca de 2.5 millones de euros anuales.

En comparación al consumo eléctrico del resto de edificios, la Escuela Politécnica Superior IV está en el puesto 9° en consumo total de kWh/año y en el puesto 22° si se relaciona el consumo entre la superficie útil del edificio KWh/m2.

Como dato adicional, las mediciones realizadas con luxómetro muestran una deficiencia energética en iluminación que no cumple con la limitación del CTE, pues resulta un VEEI medio de 4.05, siendo el límite 3.5 para el uso de los espacios habitables acondicionados.

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2.3. Estudio energético EPS IV. Calificación energética Los resultados de la calificación energética son calificación B con índice 0.64 y 31.4 kg CO2/m²año, justo al límite inferior de la calificación C-0.65 y teniendo en cuenta que el edificio no dispone de A.C.S., de lo contrario resultaría entre calificación C-D. También cabe señalar una calificación B con índice 0.56 en Climatización, resultado muy eficiente debido al sistema de bombas de calor aire-agua y fan-coils con COP 2,25 aprox.

Por otra parte, la calificación en iluminación es D con índice 1.07, no cumple el CTE y cuyo consumo eléctrico es bastante Gráfica 3. Etiqueta Calificación mejorable. Por último, la calificación energética en el consumo energética. Fuente: Calener GT de energía primaria (electricidad) es C con índice 0.67, y actualmente el CTE requeriría calificación B en ese aspecto.

2.4. Implantación instalación geotérmica. Propiedades térmicas del subsuelo Partiendo del estudio geotécnico hasta 8 metros de profundidad y un estudio hidrogeológico hasta 100-500 metros, facilitado por la Universidad de Alicante, se estratifica el subsuelo y se hayan sus propiedades térmicas.

Se realizan cálculos según un manual de diseño de intercambiadores geotérmicos en circuito cerrado2, para una profundidad de 150 metros, resultando una conductividad térmica k de 1,81 W/Mk, una capacidad térmica Cρ de 2,27 mj/m3k y una difusividad térmica α de 1,25E-06 m2/s.

Figura 1. Estratigrafía subsuelo Universidad de Alicante.

Fuente: elaboración propia según estudio hidrogeológico

Además, si se considera una temperatura media anual de San Vicente del Raspeig de 17.7°C y una temperatura media del terreno de 19.7°C, la oscilación de la temperatura superficial del terreno sería de 12,75°C, resultando por cálculo una temperatura estable de 19,98°C durante todo el año a los 127 metros de profundidad.

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IDAE, ATECYR y Javier Urchueguía. Guía técnica de diseño de sistemas de intercambio geotérmico de circuito cerrado.

Guía nº 14 de la serie ”Ahorro y Eficiencia Energética en Climatización”, Junio 2012.

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2.5. Implantación instalación geotérmica. Temperatura del fluido caloportador Siguiendo el manual de diseño de intercambiadores geotérmicos, se calculan las temperaturas de entrada y salida de la bomba de calor geotérmica considerando que la temperatura de entrada al circuito hidráulico de climatización del edificio es a 45°C en modo calefacción y a 12°C en modo refrigeración.

Los resultados de cálculo son un salto de temperatura de entrada-salida de 2.5°C aprox., un salto térmico en calefacción de 8.36°C y de 11.18°C en refrigeración, considerando que las Figura 2. Esquema instalación climatización híbrida con sondas geotérmicas a 125 metros de bombas de calor geotérmicas, aerotérmicas y fan-coils. profundidad estarán a 20°C. Cuanto Fuente: edición del esquema instalación híbrida de la mayor sea el salto térmico, mayor Politécnica de Valencia. Tesis T.Magraner (2010) aprovechamiento térmico del subsuelo porque menos temperatura debe calentar/enfriar la bomba de calor. 3

2.6. Implantación instalación geotérmica. Predimensionado Para estimar los requerimientos mínimos de la instalación geotérmica, se realiza un predimensionado utilizando el programa GEO2. La selección de la bomba de calor geotérmica es el modelo DYNACIAT ILG 300V del catálogo CIAT, que es reversible y de mayor potencia, con rendimientos en modo calefacción COP 4.15 y en modo refrigeración EER 3.67.

A través del fichero oculto de cálculo de Calener GT *-usu.SIM, en su apartado PS-D Circulation Loop Loads, se determinan las cargas térmicas punta de cada circuito hidráulico de climatización del edificio. Existen dos circuitos de climatización para dar servicio a las aulas, y un circuito por cada uno de los tres módulos de despachos.

Se determina por cálculo que la instalación geotérmica debería cubrir como mucho el 80% de la demanda térmica del edificio, para que fuera óptima en rendimiento y en longitud de intercambiadores geotérmicos, de lo contrario la instalación no generaría el suficiente ahorro energético y se elevaría el coste de ejecución material. En concreto, para el cálculo se ha reducido la carga punta en calefacción a 253,34 kW con factor de uso del 22,16% y por una carga punta de 198,60 kW en refrigeración y factor de uso 18,69%.

Finalmente, la única opción óptima y materialmente ejecutable por disponibilidad de superficie de solar ajardinada es el campo de sondas geotérmicas, con los intercambiadores geotérmicos en

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Magraner Benedicto, María Teresa y Urchueguía Schölzel, Javier F. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Valencia.

Departamento de Física Aplicada. Validación Experimental de los Métodos de Diseño de Instalaciones de Bomba de Calor Acoplada al Terreno. 25 de Noviembre de 2010.

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE disposición vertical, frente al sistema horizontal, que requeriría realizar una excavación de toda la superficie ajardinada colindante hasta 4.5 metros de profundidad y disponer los intercambiadores geotérmicos horizontales en 4 capas separadas una distancia mínima.

La solución propuesta requiere un circuito de 15 sondas por cada circuito de climatización de servicio a las Aulas, y un circuito de 15 sondas para los tres circuitos de los Despachos, siendo necesarios un total de 45 sondas geotérmicas a profundidad de 125 metros, con una separación de 5 metros entre éstas.

El predimensionado óptimo de cálculo del circuito hidráulico enterrado son, sondas geotérmicas con 32 mm diámetro y colectores geotérmicos de 63 mm diámetro de material PE100 a presión nominal de 25 Pa. Los rendimientos estacionales medios de cálculo son, COP: 3.75 y EER: 3.93 en los circuitos de Aulas, y COP: 4.03 y EER: 2.27 en el circuito de Despachos.

Figura 3. Esquema y plano del trazado instalación geotérmica.

Fuente: plano de elaboración propia y esquema del software GEO2

2.7. Implantación instalación vertical/horizontal

Las dimensiones del solar ajardinado del Este del edificio son perfectas para implantar la instalación geotérmica y además está lo más cerca posible de las bombas de calor de cubierta de los módulos. La instalación requiere un cuarto de máquinas con una superficie estimada de 8x15 metros, que pudiera quedar enterrado y accesible desde el patio exterior de planta sótano junto al talud de terreno.

geotérmica.

Presupuestos

sistema

geotérmico

En el proyecto se estudia en conjunto el presupuesto para aulas, despachos y edificio, tanto para intercambiadores en disposición vertical como en horizontal. Finalmente se compara el presupuesto de ejecución material para implantar la instalación geotérmica en sistema vertical y horizontal aplicado a todo el sistema de climatización del edificio.

Se descarta la geotermia con intercambiadores geotérmicos horizontales, debido a un presupuesto excesivo de 732.590,35€ frente a un presupuesto de 487.912,16€ en sistema vertical con sondas geotérmicas. El sistema horizontal pudiera ser interesante, aunque en este caso requiere un elevado coste en excavaciones, rellenos de terreno y obras de urbanización, siendo la única ventaja en el sistema horizontal, un mayor ahorro en los intercambiadores geotérmicos.

En concreto, para el sistema vertical, el 66,17% del presupuesto se concentra en la instalación geotérmica y el 31,25% en excavaciones, mientras que en el sistema horizontal, el 41,51% del presupuesto se debe a excavaciones y movimiento de tierras, la instalación geotérmica sólo el 31,90% y además las obras de urbanización de la parcela se elevan cerca del 9%.

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2.8. Implantación instalación geotérmica. Estudio energético y viabilidad económica

Figura 4. Esquema instalación geotérmica acoplada al sistema aerotérmico del edificio

La instalación geotérmica con bombas de calor se define en Calener GT como un sistema acoplado al sistema de bombas de calor aire-agua y fan-coils, compuesto por una bomba de calor geotérmica tipo agua-agua como planta enfriadora de condensación por agua, conectada a un circuito hidráulico bitérmico de dos tubos y a un circuito de condensación de tipo Agua Bruta, que simula los pozos geotérmicos.

Se realizan tres pruebas de cálculo energético en Calener GT, con el sistema geotérmico acoplado solo al circuito Consumo Energía Eléctrica Estado actual Propuesta Edificio hidráulico de climatización de (kWh/año) Edificio Consumo Ahorro% aulas, despachos y edificio Iluminación 94.488,69 94.488,69 0,00 completo. Como resultado, se Equipamiento 79.789,78 79.789,78 0,00 descarta la aplicación en solo Calefacción 139.960,25 104.375,06 25,43 aulas o despachos porque el Refrigeración 97.695,97 70.754,94 27,58 ahorro energético es insuficiente Bombas y Auxiliares 61.318,91 47.366,20 22,75 para observar un mínimo de Ventiladores 84.499,40 88.234,92 -4,42 rentabilidad económica, por lo 13,04% Consumo total (kWh/año) 557.753,00 485.009,60 que se produce mayor ahorro 13,04% Ahorro energético (kWh/año) 72.743,40 energético si se aplica la Índice – Calif. Energética 0.64 - B 0.54 - B instalación geotérmica a todo el Ahorro factura eléctrica 1ºaño (€) 10.344,44 sistema de climatización del PEM Presupuesto Ejecución Material € edificio.

487.912,16 Fuente: elaboración propia en Calener GT.

Inversión inicial €

624.527,56

Mantenimiento instalación € (25años)

24.395,61

La instalación geotérmica permite generar ahorros Periodo estudio viabilidad (años) 25 energéticos del 25,42% en Periodo amortización (años) 21 calefacción, 27,58% en Ahorro total generado € (cash flow) 360.290,12 refrigeración y 22,75% en VAN € Valor Actual Neto* 88.512,83 bombas recirculadoras hidráulicas, cuyos resultados de TIR% Tasa Interna Retorno/Rentab.

2,71% cálculo están dentro del rango de Tabla 1.Resumen consumos, ahorros energéticos y su viabilidad económica ahorros energéticos esperables, Fuente: elaboración propia a partir de cálculos energéticos en Calener GT entre el 20-40%.

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE El ahorro energético anual generado en el edificio corresponde a un 13,04%, lo que mejoraría el índice de calificación energética B a 0.54.

Los ahorros energéticos generados permiten ahorrar un total de 10.344,44€ en la factura eléctrica de la Escuela Politécnica Superior IV, en el primer año de la implantación de la instalación geotérmica.

La inversión inicial estimada sería de 624.527,56€, y considerando un periodo de explotación de 25 años con un incremento anual del precio de la energía eléctrica del 10%, y con un coste total de mantenimiento de 24.395,61€, el periodo de amortización resultante es de 21 años, con una rentabilidad TIR del 2,71%.

Concepto energía Consumo eléct. MWh/año Ahorro consumo % Calif.Energética-índice Presupuesto € Periodo amort. años

Prop.básica LED+aislam. +vidrios +lamas

Prop.básica +recup.calor +estanq.

Rehab. envolvente +inst.fotovoltaica

Rehab. envolvente +inst.geotérmica

Rehab. integral

470,77 16,00% B-0.50 439.500 11

534,54 4,63% A-0.34 541.820 45

534,54 4,63% A-0.30 722.696 17

465,17 17,00% A-0.28 1.166.348 26

464,91 17,05% A-0.24 1.347.224 24

Tabla 2.Resumen diferentes propuestas de rehabilitación energética del edificio.

Fuente: proyecto final de grado del autor4 En el proyecto final de grado se propone la instalación geotérmica junto con la rehabilitación energética integral de la envolvente, cuyos ahorros de consumo eléctrico serían como mínimo del 17%, con un presupuesto que asciende a 1.166.348,08€ y periodo de amortización máximo de 26 años y calificación energética A con índice 0.28. Sin embargo, al rehabilitar la envolvente térmica, es probable que apenas se requiera de climatización durante el año, por lo que la instalación geotérmica no generaría ahorros energéticos visibles, porque la instalación geotérmica alcanza mayor rendimiento cuando el funcionamiento es continuado.

3.

CONCLUSIONES

El modelo simulación energética en Calener GT es más preciso de lo esperado, aunque la dificultad de manejo para simular consumos de una instalación geotérmica con bombas de calor junto con varios sistemas de climatización con bombas de calor aire-agua y fan-coils, es elevada.

Los resultados de cálculo energético indican que para la Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante, la instalación geotérmica híbrida generaría al menos un 13% de ahorro de la factura eléctrica anual del edificio y sus ahorros energéticos en climatización estarían dentro del rango de ahorro mínimo esperado de 20-40%, pero por debajo del 30% de ahorro marcado inicialmente como objetivo mínimo.

En cuanto a su viabilidad económica, el presupuesto ascendería a 624.527,56€ y su periodo de amortización sería como mucho 21 años, por lo que tampoco cumple con el objetivo de un máximo de 15 años para el retorno de la inversión inicial. Sin embargo, se estima que la instalación

4

Romero Vivancos, Rubén (27 de Agosto de 2015). Estudio y evaluación de la eficiencia energética de la Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante para la propuesta de su rehabilitación energética. Obtenido de Proyecto Final de Grado en Arquitectura Técnica Universidad de Alicante: http://hdl.handle.net/10045/48922

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE geotérmica con un sistema de acumulación térmica pudiera incrementar ahorro eléctrico real del edificio en torno al 25%, resultando un periodo de amortización de 15 años.

Teniendo en cuenta que Calener GT no es un programa de cálculo que contemple una instalación geotérmica que se pueda configurar con detalle, permite emular los ahorros energéticos debido a la conexión de un circuito hidráulico cerrado en contacto con una fuente de calor o frío a una temperatura, y realizar el certificado energético del edificio; siendo los resultados aparentemente coherentes con las investigaciones realizadas sobre instalaciones geotérmicas híbridas. Sin embargo, un cálculo profesional con un sistema avanzado de gestión, pudiera optimizar la instalación geotérmica, reducir sus costes y conseguir mayores ahorros energéticos.

Se concluye que la implantación de una instalación geotérmica no sería viable en la Escuela Politécnica Superior IV, porque existe una elevada demanda térmica que provoca que los costes de la instalación sean elevados, por requerir un mayor nº de sondas de mayor longitud. Además, la instalación geotérmica no funcionaría a su máximo rendimiento, porque se requiere que la instalación de climatización esté en funcionamiento continuo para no disiparse la energía térmica generada, por lo que los ahorros energéticos no serían tan significantes para recuperar la inversión inicial con mayor rapidez.

Sin embargo, se ha comprobado que la instalación geotérmica híbrida con bombas de calor es capaz de generar un ahorro energético mayor que otras propuestas de mejora de eficiencia energética aplicables en el edificio. En cambio, si se mejorase la envolvente térmica del edificio, la instalación geotérmica sería menos rentable, porque se reduciría considerablemente el uso del sistema de climatización del edificio, pues lo ideal sería que no fuera necesaria para mantener una temperatura y humedad de confort.

El desarrollo de este proyecto pudiera aportar una metodología útil y práctica para la profesión, porque el cálculo energético con geotermia apenas está documentado en la actualidad.

4.

BIBLIOGRAFÍA CIATESA, Departamento de I+D+i; Zamora, Miguel. 2008. El Instalador. 449. Proyecto Geocool.

Empleo de bombas de calor acopladas a intercambiadores geotérmicos. [En línea] 2008. [Citado el: 11 de Febrero de 2014.] http://www.grados.com.es/sites/default/files/Proyecto_geocool%5B1%5D.pdf. ISSN 02104091.

Comité Técnico AEN/CTN 100 Climatización. 2014. UNE 100715-1:2014. Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical. Madrid : AENOR, 2014. pág. 40.

IDAE, ATECYR y Javier Urchueguía. 2012. Guía técnica de diseño de sistemas de intercambio geotérmico de circuito cerrado. Guía nº 14 de la serie ”Ahorro y Eficiencia Energética en Climatización”. [En línea] Junio de 2012. [Citado el: 3 de Marzo de 2014.] http://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_14_Guia_tecnica_diseno_de_sistema s_de_intercambio_geotermico_de_circuito_cerrado_1a7cff37.pdf. ISBN: 978-84-96680-60-9.

IFTec GeoEnergía S.L.;Termoterra S.L. 2011. Informe de Gestión de un sistema geotérmico cerrado de gran escala. Hospital de Mollet. [En línea] 2011. [Citado el: 13 de Abril de 2015.] http://www.iftec.es/files/IFTec_GeoEner2012-mgReiH.pdf.

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE Maciá Oliva, Claudia. 2012. Aprovechamiento de la geotermia de muy baja energía para climatización de edificios. Caso práctico para el centro socio-asistencial Dr. Esquerdo (Sant Joan d'Alacant). Proyecto final de carrera. Ingeniería Geológica Universidad de Alicante.

Magraner Benedicto, María Teresa. 2008. Optimización de sistemas geotérmicos mediante la implementación de sistemas híbridos. I Congreso de Energía Geotérmica en la edificiación y en la industria. [En línea] 16 de Octubre de 2008. [Citado el: 16 de Febrero de 2014.] http://geoener.es/pdf/2008/teresa-magraner-optimizacion-de-sistemas-geotermicosmediante-implementacion-sistemas-hibridos.pdf.

Magraner Benedicto, María Teresa y Urchueguía Schölzel, Javier F. 2010. Tesis doctoral.

Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Física Aplicada. Validación Experimental de los Métodos de Diseño de Instalaciones de Bomba de Calor Acoplada al Terreno. [En línea] 25 de Noviembre de 2010.

[Citado el: 18 de Abril de 2014.] https://riunet.upv.es/handle/10251/8682.

N. Pardo, Á. Montero, J. Martos, J.F. Urchueguía. 2010. Optimization of hybrid – ground coupled and air source – heat pump systems in combination with thermal storage.

Departamento de Física Aplicada, Universidad Politécnica de Valencia. [En línea] 28 de Enero de 2010. [Citado el: 30 de Abril de 2015.] http://ac.els-cdn.com/S1359431110000281/1-s2.0S1359431110000281-main.pdf?_tid=c9e8ce00-f5bb-11e4-8aa900000aacb362&acdnat=1431114942_eda515129afaf6eefd94415002db255e.

Pardo García, Nicolás y Urchueguía Schölzel, Javier F. 2009. Energy efficiency improvement of hybrid ground coupled HVAC systems from thermal energy generation and storage management. Tesis. Applied Physics Department UPV. [En línea] 2009. [Citado el: 30 de Abril de 2015.] https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/6065/tesisUPV3117.pdf?sequence=1.

Romero Vivancos, Rubén. 2015. Estudio y evaluación de la eficiencia energética de la Escuela Politécnica Superior IV de la Universidad de Alicante para la propuesta de su rehabilitación energética. Proyecto Final de Grado en Arquitectura Técnica Universidad de Alicante. [En línea] 27 de Agosto de 2015. http://hdl.handle.net/10045/48922.

Servicio de Infraestructuras Universidad Alicante. 2015. Informe de Consumos energéticos y agua de los edificios de la Universidad de Alicante. [En línea] Enero de 2015. [Citado el: 21 de Marzo de 2015.] http://is.ua.es/es/documentos/oficina-tecnica/archivos-consumosua/consumos-por-edificios-ua.pdf.

Sesma Baquedano, Alejandro. 2012. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno. Proyecto Final de Carrera. Ingeniería Técnica Industrial. [En línea] Diciembre de 2012. [Citado el: 13 de Junio de 2014.] http://zaguan.unizar.es/record/9752/files/TAZ-PFC2012-739.pdf.

T. Magraner, Á. Montero, S. Quilis, J.F. Urchueguía. 2010. Comparison between design and actual energy performance of a HVAC-ground coupled heat pump system in cooling and heating operation. [En línea] 10 de Marzo de 2010. [Citado el: 30 de Abril de 2015.] http://ac.elscdn.com/S037877881000085X/1-s2.0-S037877881000085X-main.pdf?_tid=2bac6ae2-f5bd11e4-9bf1-00000aab0f01&acdnat=1431115535_1b08ed30682e389e4bd4758583bd1e50.

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2° ACTO MEJORES PROYECTOS FINALES DEL CURSO 2014/15 PROYECTO FIN DE MÁSTER EN GESTIÓN DE LA EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE ALICANTE University Polytechnic of Valencia. 2014. GROUND-MED Project 5 University of Valencia, Spain. Advanced ground source heat pump systems for heating and cooling in Mediterranean climate. [En línea] 4 de Diciembre de 2014. [Citado el: 3 de Abril de 2015.] http://groundmed.eu/uploads/media/D7.1_-_5_VALENCIA_MONITORING_REPORT_2013__2014_01.pdf / También consultable en: http://groundmed.eu/demonstration_projects/ground_med_project_5/.

X.Q. Zhai, M. Qu, X. Yu, Y. Yang, R.Z. Wang. 2011. A review for the applications and integrated approaches of ground-coupled heat pump systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 15, Issue 6. [En línea] 11 de Abril de 2011. [Citado el: 27 de Abril de 2015.] http://ac.els-cdn.com/S1364032111001687/1-s2.0-S1364032111001687main.pdf?_tid=0b909982-f5ad-11e4-823500000aab0f27&acdnat=1431108610_1d8d48d8eb111f60df8dff00475869cd.

Yi Man, Hongxing Yang, Jinggang Wang. 2009. Study on hybrid ground-coupled heat pump system for air-conditioning in hot-weather areas like Hong Kong. Applied Energy, Volume 87, issue 9. [En línea] 26 de Mayo de 2009. [Citado el: 29 de Abril de 2015.] http://ac.elscdn.com/S0306261909001767/1-s2.0-S0306261909001767-main.pdf?_tid=1997b2fc-f5b411e4-976f-00000aab0f02&acdnat=1431111640_fcf376bfa605a8f50cfd041f2edd99b3.

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