Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- César Bartolomé Muñoz, Director Área de Innovación, Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA)
- Arturo Alarcón Barrio, Jefe Área de Sostenibilidad y Construcción Sostenible, Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA)
Resumen
El sector de la edificación representa un porcentaje relevante de las emisiones totales de CO2. Por este motivo, las políticas de la Unión Europea están dirigidas a reducir estas emisiones. Además de estos esfuerzos regulatorios, los expertos apuntan a la necesidad de electrificar los edificios con el fin de aumentar la penetración de las renovables en la generación eléctrica y conseguir así la descarbonización paulatina del sector de la edificación. Sin embargo, la mayor presencia de renovables en la generación eléctrica implica un grado elevado de incertidumbre que únicamente se puede reducir o eliminar mediante el almacenamiento energético en los edificios con sistemas como la activación térmica de estructuras.
Palabras clave
Activación Térmica, Renovables, Hormigón, Inercia Térmica
Introducción
Los objetivos de la Unión Europea para el año 2030 se centran en tres puntos:
- Reducir en un 40% la emisión de gases de efecto invernadero con respecto al año 1990.
- Mejorar la eficiencia energética en un 27%.
- Incrementar la penetración de las energías renovables en un 27%.
El objetivo de reducción de las emisiones de GEI está condicionado al cumplimiento de los otros dos objetivos, por lo que es esencial centrarse en ellos.
En lo relativo a edificación, para los edificios de nueva construcción, los desarrollos tecnológicos actuales permiten una mejora de la eficiencia energética superior al 27%, con el diseño y construcción de ECCN, debiéndose centrar los esfuerzos en el parque construido, que no es objeto de esta comunicación.
Sin embargo, cuando hablamos de incrementar la penetración de las energías renovables, alcanzar el 27% no es tan sencillo, ni siquiera para edificios de nueva construcción, por lo que es necesario avanzar en diseños novedosos de edificios que permitan la consecución de dicho objetivo.
Electrificación
La mayor parte de los expertos coinciden en que la única vía para descarbonizar completamente la economía es la electrificación de todos los sectores. La generación eléctrica ha iniciado un proceso de descarbonización que continuará en los próximos años, con un escenario de cero emisiones para el año 2050. Por este motivo, la utilización de electricidad en el entorno final supondrá necesariamente un incremento de la penetración de las energías renovables.
Sin embargo, el sector de la edificación no puede delegar toda la responsabilidad en otros sectores y debe también tomar las medidas necesarias para alcanzar los objetivos planteados con sus propios recursos. Si bien es cierto que hay un porcentaje muy significativo del consumo que ya está electrificado: luminarias, electrodomésticos o incluso los sistemas de refrigeración; la calefacción sigue siendo la asignatura pendiente, ya que según datos del IDAE, más del 50% de los sistemas de calefacción en España continúan siendo calderas de combustión. A esto hay que añadir gran parte de los sistemas de calefacción que ya están electrificados se basan en radiadores eléctricos de muy baja eficiencia, los cuales no cumplirían con el objetivo de eficiencia energética previamente expuesto.
Es por tanto necesario avanzar en soluciones que permitan, por un lado, electrificar el consumo, como se ha dicho, pero también integrar energías renovables en el propio edificio.
En este sentido, la activación térmica de estructuras se ha convertido en una solución idónea que permite combinar los sistemas de climatización con energías renovables en el propio edificio (geotermia y aerotermia) y superar los problemas que presentan las energías renovables presentes en la red (incertidumbre en la generación).
¿Qué es la activación térmica de estructuras?
Un edificio de gran inercia térmica es un edificio que, independientemente de su diseño, será capaz de mantener la temperatura interior más estable que en un edificio que no posea esta propiedad. En edificios de uso continuo, aumentar la inercia térmica significa reducir los consumos sin necesidad de ninguna medida adicional.
La activación térmica consiste en la búsqueda de diseños que, mediante la circulación de aire o agua sea capaz de calentar o enfriar la estructura cuando el usuario quiera.
Existen sistemas de activación “naturales” basados en la radiación solar o en la ventilación cruzada. En estos casos, el diseño debe permitir que tanto la radiación solar como la ventilación natural incidan sobre los elementos masivos para calentarlos o enfriarlos. Ahora bien, como se trata de sistemas que dependen de la climatología exterior, presentan bastante incertidumbre. Además, el intercambio de calor no es tan eficiente como en los conocidos como forjados activados térmicamente. Independientemente de estas limitaciones, este tipo de diseños han demostrado ser muy eficaces en climas con un gradiente térmico relevante entre el día y la noche, con ahorros de hasta el 60% en los consumos de climatización.
El último escalón en la activación térmica de edificios es forzar la circulación de agua por unos tubos embebidos en la estructura, controlando su temperatura mediante una caldera o bomba de calor exterior, mientras esta estructura, gracias a su inercia térmica, actúa como sumidero o fuente de calor en función de las necesidades, y estabiliza la temperatura interior del edificio.
En principio, se puede activar cualquier elemento masivo de hormigón, ya sean forjados, cerramientos o particiones interiores. Sin embargo, hasta la fecha la única solución realmente comercial que existe son los forjados activados térmicamente (TABs por sus siglas en inglés), no conociendo el autor de este artículo la existencia de cerramientos prefabricados de hormigón activados térmicamente, si bien sí se están haciendo pruebas en este sentido.
La colocación de los tubos en el interior de la estructura es una operación relativamente sencilla, ya que es posible atarlos con bridas a las armaduras tanto si se construye con elementos prefabricados, como si se realiza in situ. Previamente es necesario determinar la densidad de los tubos por metro cuadrado para garantizar que la temperatura de activación de la estructura es uniforme.
Por lo general, los tubos están fabricados con un material plástico, son estables dimensionalmente, poseen una elevada capacidad de carga y resultan flexibles. Además, deben proporcionar una resistencia mínima y una durabilidad acorde a la estructura en la que se van a embeber.
En función de las dimensiones en planta del forjado, el sistema se modula y se independiza, de manera que no sea necesario activar todo el forjado, flexibilizando su uso. Además, si se produce una avería, es posible aislarla y repararla de forma previa al hormigonado. Este es un punto muy delicado, hay que hacer pruebas de estanqueidad y asegurarse que el sistema no tiene fugas, ya que una vez que el hormigón ha endurecido, las reparaciones son muy complicadas y costosas.
Funcionamiento de los forjados activados térmicamente
La principal característica de un sistema de activación térmica de forjados es el desacoplamiento del consumo y de la demanda energética. Los TABs acumulan energía térmica de manera constante, eliminando picos y, por lo tanto, reduciendo el tamaño y la potencia de los equipos de climatización. Esto se traduce en una mayor economía y una reducción del consumo.
En la figura 3 se puede observar el principio de funcionamiento de una estructura activada térmicamente cuando funciona en modo refrigeración.
En este caso concreto, durante la noche se hace circular agua fría por el forjado para enfriar tanto la estructura como el ambiente hasta una temperatura de confort (20º). Durante el día, el edificio se calienta debido al incremento de las temperaturas externas y a las cargas internas de uso del edificio (usuarios, equipos, etc.). Este calor generado, lo absorbe el forjado incrementando su temperatura en aproximadamente 2 ºC y, de esta manera, consigue mantener la temperatura ambiente en el rango de confort (23-24 ºC) sin necesidad de refrigeración adicional. Al final del día, el forjado vuelve a enfriarse hasta los 20 ºC y así de manera cíclica.
En este modo de funcionamiento, si la temperatura externa nocturna es lo suficientemente baja, no es necesario utilizar una enfriadora y es suficiente con una torre de refrigeración que permita el intercambio de calor del fluido con la bóveda celeste. En el caso de que la temperatura exterior no descienda, se utiliza una enfriadora que trabajará de manera continua durante varias horas a muy baja potencia y, por lo tanto, con bajos consumos.
Cuando el sistema funciona en modo calefacción, es necesario circular por los tubos agua caliente, para lo que se tiene que conectar el circuito de agua a una caldera de condensación o a una bomba de calor.
Las estructuras activadas térmicamente y el cumplimiento de los objetivos europeos
El principal inconveniente de las energías renovables es la incertidumbre en su producción, lo que, unido a las limitaciones tecnológicas para el almacenamiento de energía eléctrica, supone un problema crítico que es necesario resolver previo a incrementar la penetración de las energías renovables en el mix eléctrico nacional. Dado que las baterías de acumulación actuales son caras, no proporcionan un respaldo suficiente y tienen grandes dimensiones; la solución pasa por soluciones a gran escala (bombeo de agua en centrales hidroeléctricas) o por la descentralización del almacenamiento en los puntos de consumo.
Es en este punto donde los forjados activados térmicamente aportan una solución a gran parte del problema, ya que los forjados térmicamente activos trabajan como baterías térmicas que se puede cargar cuando el coste de la energía es menor o cuando hay disponibilidad de energías renovables, utilizándose dicha energía cuando es necesario. Además, como el sistema es muy estable en el tiempo, se reducen los consumos significativamente. Es decir, se consigue un menor consumo, más barato y con menos incertidumbre.
Por otro lado, las energías renovables, geotermia o aerotermia combinadas con una bomba de calor, tienen una baja exergía. La exergía se puede definir de manera simplificada como la parte de la energía de un sistema que es capaz de realizar trabajo con su entorno. Se puede decir que es la calidad de la energía.
A efectos prácticos, esta baja exergía afecta al rendimiento del sistema. Las bombas de calor tienen un alto rendimiento cuando la temperatura que es necesario alcanzar en el circuito secundario es baja, mientras que el rendimiento decae drásticamente a altas temperaturas. Por este motivo, la combinación de una bomba de calor con sistemas de radiadores tradicionales a 60-70º C carece de sentido, mientras que se trata de una solución óptima en el caso de sistemas radiantes o de forjados térmicamente activos con temperaturas de impulsión en torno a los 30 – 40ºC.
A modo de ejemplo, si se utiliza energía geotermia para calentar el agua del circuito, el sistema cuenta con una bomba de calor eléctrica que alcanza rendimientos (coefficient of performance, COP) de hasta 5. Esto quiere decir que por cada kWh eléctrico consumido por la bomba de calor, el sistema es capaz de generar 5 kWh térmicos, es decir, el 80% de la energía de calefacción necesaria es gratis y renovable. Si se utiliza la geotermia junto con un sistema de calefacción tradicional en base a radiadores, el rendimiento del sistema (COP) se reduce a 2.
En el caso de utilizar energía solar, es necesario disponer de un sistema de apoyo tradicional (caldera), si bien se estiman ahorros de entre un 30 y un 40% gracias a la activación térmica de la estructura (Fenercom, 2014).
En resumen, la activación térmica de estructuras ayuda a reducir la incertidumbre en la generación inherente a las energías renovables y permite una mayor eficiencia de los sistemas cuando se alimentan con este tipo de energía.
Las estructuras activadas térmicamente en el futuro
La activación térmica de las estructuras también tiene limitaciones para la gestión de las energías renovables, siendo la más relevante la capacidad de almacenamiento de la estructura. La cantidad de energía térmica que se puede almacenar en un forjado está limitada por el volumen de hormigón y por su calor específico, lo que en general implica que este tipo de sistemas funcionen en ciclos diarios.
Sin embargo, hay trabajos en marcha para desarrollar cerramientos, particiones interiores e incluso falsos techos activados térmicamente o nuevos materiales en base cemento con una mayor capacidad de almacenamiento térmico. El objetivo es alargar el ciclo de funcionamiento a dos o tres días o incluso a una semana. De esta manera, se conseguirían edificios con una autonomía de climatización de una semana, lo que permitiría prácticamente eliminar la incertidumbre en la generación de energías renovables y facilitaría la producción eléctrica in situ, permitiendo la independencia del edificio de la red.
Esta mayor capacidad de almacenamiento debería combinarse con los nuevos desarrollos tecnológicos de gestión de datos o inteligencia artificial para lograr que el edificio interactuara de manera automática con la red, cargándose y descargándose de manera automática en función de la predicción meteorológica o del comportamiento del usuario. Los algoritmos de interacción con la red y la contribución de la inercia térmica de los edificios a sistemas inteligentes de gestión de la demanda son la base del proyecto europeo SABINA que actualmente se encuentra en desarrollo.
Guías para la utilización de la activación térmica de forjados
Como se ha visto en el punto anterior, los forjados activados térmicamente son una solución óptima, si bien hay que tener en cuenta ciertos aspectos:
- Los sistemas inerciales son óptimos para climas con un gradiente térmico alto y cíclico entre el día y la noche, y con un uso del edificio estable (oficinas, residencial, hospitales, etc.). Por el contrario, es menos eficiente en zonas climáticas con una temperatura exterior muy estable y no tiene sentido en edificios de ocupación ocasional, residencias de fines de semana, por ejemplo.
- Los elementos masivos que se activen, ya sean forjados o muros, deben estar en contacto directo con el ambiente, ya que en caso contrario no se produce un intercambio de calor eficiente. Si se trata de cerramientos, el aislamiento debe ser exterior, y por el interior es preferible que el muro quede visto o, a lo sumo, que tenga un enlucido de muy poco espesor, 1 ó 2 mm.
- El elemento de activación más eficiente es el techo, porque tiene una superficie expuesta muy grande sin ningún tipo de elemento intermedio como ocurre en el suelo: alfombras, muebles, etc.
Existe la creencia de que sólo funcionan los techos fríos y los suelos calientes porque la convección del aire hace subir el calor y bajar el frío. Esta creencia es errónea porque la influencia de la convección en la eficiencia del sistema es baja y el intercambio de calor se hace principalmente por radiación (Friembichler et al., 2017).
El confort térmico
Por último, es importante indicar que, desde un punto de vista de confort térmico, estos sistemas proporcionan paramentos fríos o cálidos, mucho más agradables que las corrientes de aire procedentes de otros sistemas de climatización, tal y como se muestra en la Figura 5, y es muy común en edificios de oficinas.
Por el contrario, en los sistemas inerciales, las temperaturas son mucho más estables, como se muestra en la Figura 6.
Conclusiones
El hecho de que las estructuras térmicamente activas funcionen como baterías permiten al usuario:
- Consumir energía en los momentos que más le interese.
- Disponer de un sistema de calefacción agradable de alto confort térmico.
- Aumentar el espacio útil del edificio por la eliminación de los sistemas tradicionales de climatización y por la disminución del tamaño de los equipos.
- Incrementar la penetración de energías renovables en la climatización de edificios.
Agradecimientos
Se agradece la información suministrada sobre el comportamiento de los forjados activados térmicamente a Antonio Villanueva Peñalver de IDOM. Dicha información ha sido imprescindible para la elaboración de este artículo.
Referencias
- “Guía sobre estructuras termoactivas y sistemas inerciales en climatización de edificios”, Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid, Madrid, 2014.
- “Thermal component activation”, Felix Friembichler et al., bmvit y VŌZ, primera edición inglesa, Viena, febrero 2017.