Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Iván Castaño Simón, Application Manager, Uponor
- Israel Ortega, Director de Formación y Servicio Técnico, Uponor Iberia
Resumen
Las soluciones de Termoactivación de estructuras de hormigón aprovechan la inercia térmica del hormigón a través de la incorporación en la estructura del edificio de circuitos de tuberías a través de las cuales circula agua que se calentará o enfriará previamente según se desee calefactar o refrigerar el edificio, según la época del año en la que nos encontremos. Con estos sistemas, los ahorros de energía empleada para climatizar edificios oscilan entre el 30% y el 90% respecto a los sistemas tradicionales. Estas soluciones son compatibles con todo tipo de fuentes de energía, tanto convencionales, como renovables como es el caso de la geotermia. Combinando ambos sistemas de generación y emisión de energía se logra una temperatura óptima de confort en el interior de los edificios con un menor consumo de energía además de una reducción de los costes de inversión y un incremento del confort.
Introducción
Es fundamental reducir las necesidades energéticas en los edificios como parte de un consumo racional de los recursos energéticos. Para lograrlo es fundamental plantearse incorporar sistemas de climatización que aporten un ahorro energético notable, aumentando el confort, con menores costes de instalación y mantenimiento. Las soluciones de Climatización Invisible mediante sistemas radiantes, como suelo, pared y techo radiante son una magnífica opción al aportar numerosas ventajas:
- Menor consumo de energía y compatibilidad con energías renovables
- Fiabilidad durante toda la vida útil del edificio y menor mantenimiento
- Crear ambientes más saludables y confortables
Una variante de dichos sistemas son las soluciones de Termoactivación de las estructuras de hormigón, también conocida como TABS (Thermally Active Building System) están presentes en más de 1000 edificios representativos en Europa y se caracterizan por llevar a la máxima expresión el uso de la inercia térmica de la masa del propio edificio.
Sistema de emisión
Descripción
La Climatización Invisible mediante la Termoactivación de estructuras de hormigón, es capaz de ahorrar entre un 30% y 90% de energía en comparación con los sistemas tradicionales, siendo compatibles con todo tipo de fuentes de energía: solar térmica, geotermia, microgeneración o absorción. Este sistema aprovecha la inercia térmica del hormigón a través de la incorporación en la propia estructura del edificio, de los entramados de circuitos de tuberías con barrera antidifusión de oxígeno, a través de las cuales circula el agua. De este modo, los techos, suelos y las paredes contribuyen a refrigerar el ambiente de forma perceptible, además de servir de complemento a la calefacción básica del edificio.
Estos sistemas utilizan agua cercana a los 28ºC en calefacción y en torno a los 18ºC en refrigeración, cercana siempre a la temperatura ambiente. Esto incrementa la eficiencia de las fuentes de energía renovables y reduce las pérdidas de energía a través de los cerramientos, factor de gran importancia en edificios con envolvente acristalada. Mediante los sistemas radiantes no se genera ningún tipo de estratificación de temperaturas, de este modo se logra climatizar alturas próximas a los 3 m. Permite generar espacios diáfanos y sin obstáculos por lo que se incrementa la superficie útil del edificio entre un 3% y un 5%, y al no estar a la vista, proporciona libertad total de espacios.
Modo de funcionamiento
En modo refrigeración, el sistema por la noche, cuando el edificio está vacío y el coste de la energía es menor, enfría el núcleo de hormigón del edificio. De día, cuando los usuarios de las instalaciones están en su interior y se encuentra el edificio a pleno rendimiento, la losa del techo, que estaba fría, acumula la carga térmica del interior o de la radiación solar, enfriándose de nuevo por la noche y repitiéndose el ciclo.
Fuente de energía
Sistema de bomba de calor
La geotermia es sencillamente el aprovechamiento de la energía almacenada en forma de calor en el terreno. La energía se obtiene mediante captadores geotérmicos mediante captadores plásticos avanzados y bombas de calor, empleados en calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria e industrial entre otros. Se utiliza desde hace más de 50 años para calefacción y refrigeración. La solución tratada, se compone entonces por una fuente de calor, una bomba de calor y un sistema de emisión. Hablamos de geotermia cuando se usa el terreno como fuente de dicho calor.
Valores de referencia
La temperatura en el terreno aumenta una media de 3 °C cada 100m de profundidad. En invierno a unos metros de profundidad la temperatura del suelo alcanza ya un valor medio de 15 °C. En verano la temperatura a unos metros de profundidad presenta una temperatura casi constante de 15 °C. Esto es aplicable en la mayoría de los casos a los periodos de transición en primavera y otoño. La evolución de la temperatura del suelo a poca profundidad pone de manifiesto que la geotermia es una fuente de energía constante que está siempre disponible.
Sistemas de captación de energía geotérmica
Como captadores de geotermia (intercambiadores de calor) podemos distinguir entre captadores horizontales y verticales.
- Captadores horizontales geotérmicos: instalados en posición horizontal en los 5m superiores del terreno
- Pilotes termoactivos y muros de cimentación: prefabricados o como estructuras de cimentación
- (Los circuitos del captador se sitúan sobre las estructuras y después el conjunto se rellena de hormigón)
- Captadores verticales o sondas geotérmicas: instalados en posición vertical en el interior de un sondeo perforado en el terreno a profundidades de entre 80 y 200 m. Cestas de energía: instaladas verticalmente en el terreno a niveles más bajos.
Diseño
Contar con esta combinación de sistemas de emisores y captadores de energía en un edificio, requiere su consideración desde la etapa originaria del proyecto, recomendándose preferentemente en aquellos edificios que por su tipología tengan una ocupación temporal a lo largo del día y cuenten con más de una planta en altura, como es el caso de los edificios de oficinas, centros comerciales, universidades, etc.
Inicialmente se estimará la ocupación en función del horario y las cargas sensibles que se generarán por la actividad desarrollada, para posteriormente poder calcular el rendimiento de la instalación en función de factores como:
- La geometría del edificio y su orientación
- La actividad a desarrollar
- Las fuentes de energía
- La posición de los circuitos dentro del propio forjado del edificio
- Dimensionamiento de los circuitos (diámetro y longitud de la tubería)
- Hormigón seleccionado
- Pavimento final
El proceso de instalación es perfectamente compatible fabricadas que incluyen los circuitos en su interior o mediante módulos prefabricados que se instalan previamente al vertido del hormigón. A continuación se realizan las pruebas de estanqueidad y mecánicas en los circuitos, según norma UNE ENV 12108. Posteriormente cada circuito se conecta a un colector desde donde se regulará el caudal de agua necesario; este colector se alimentará a través de unas tuberías de distribución de agua, que transportarán el agua acondicionada a la temperatura necesaria (18 – 28°C).
La regulación y funcionamiento de la instalación podrá llevarse desde puestos centralizados para un correcto funcionamiento de la instalación con rendimientos en torno a los 50W/m2 (calefacción/refrigeración) y controlando:
- Temperatura exterior / interior / superficial del pavimento
- Humedad relativa
Referencias de reciente construcción (Termoactivación de estructuras / Sistema Geotérmico)
- Edificio ICTA de la Universidad Autónoma de Bellaterra – Barcelona (España)
- Remodelación del Archivo General del Banco de España – Madrid (España)
- Mercat de Sant Antoni – Barcelona (España)
- Centro Multifuncional Daoíz y Velarde – Madrid (España)
- Universidade de Aveiro – Aveiro (Portugal)
- Museu dos Coches – Lisboa (Portugal)
Descripción estudio comparativo
Sistemas a comparar
Comparativa de diferentes sistemas de climatización:
- Forjados Activos + UTAS encargadas de cubrir la carga latente, mantener los niveles de humedad relativa exigidos y atender a la renovación de aire, incorporando recuperación de calor. (Calderas de condensación y enfriadoras para producir agua caliente y fría.)
- Forjados Activos + Geotermia + UTAS encargadas de cubrir la carga latente, mantener los niveles de humedad relativa exigidos y atender a la renovación de aire, incorporando recuperación de calor.(Bombas de calor agua-agua, para la producción de agua caliente y fría.)
- Fan-Coil. (Calderas de condensación y enfriadoras para producir agua caliente y fría.)
- UTAS. (Calderas de condensación y enfriadoras para producir agua caliente y fría.)
Edificio y Localización
Para tal fin se ha elegido un edificio de oficinas, situado en Madrid y Barcelona, con el objetivo de demostrar la validez de los sistemas de Termoactivación de estructuras de hormigón, tanto para la calefacción como para la refrigeración de cualquier tipo de edificio, independientemente de la zona climática en el que se encuentre localizado. Siendo las características del mismo:
- Edificio de 4 plantas con atrio central para uso de oficinas
- Espacio a climatizar: 1.000 m2
- Dimensiones 29x11x12m
- Nº de plantas y altura de techos: 4 m / 2,8 m
Cálculo de cargas térmicas en calefacción y refrigeración (Madrid y Barcelona)
Las consideraciones iniciales son:
- Temperatura Operativa en verano / invierno: 25 °C / 21 °C.
- Volumen de renovación de aire en el área de oficinas: 12 l/s/persona.
- Cargas por equipos, ocupación, iluminación: 20W/m² / 90 W/persona / 10 W/m².
Cálculo para la ciudad de Madrid
Los datos climatológicos para la localidad de Madrid son:
- Latitud: 43,4537º N / Longitud 3,55º W.
- Altitud: 582 m.
- Temperatura Seca / Temperatura Húmeda en Verano: 37,1 ºC / 21,2ºC.
- Percentil Verano: 1%.
- Temperatura Seca Invierno: -3 ºC.
- Percentil Invierno: 99%.
Cálculo para la ciudad de Barcelona
- Los datos climatológicos para la localidad de Madrid son:
- Latitud: 41,28º N / Longitud 2,07 E.
- Altitud: 6 m.
- Temperatura Seca / Temperatura Húmeda en Verano: 30,2 ºC / 24,1ºC.
- Percentil Verano: 1%.
- Temperatura Seca Invierno: 2 ºC.
- Percentil Invierno: 99%.
Conclusión del estudio
A continuación se muestra el resumen de todos los costes implicados en la instalación y funcionamiento de estos sistemas durante un periodo de 15 años considerado la hipótesis de un incremento de la tarifa del gas y la electricidad del 3%. En ambos casos la solución de Forjados Activos se presenta como el mejor sistema de climatización, independientemente de la fuente de energía y de la localización geográfica, en comparación con los sistemas más habituales para la climatización de edificios de uso terciario: Fan-Coils y UTAS. Los Sistemas de Forjados Activos, se presentan como la solución que menos consumo energético requiere y menores costes en inversión tiene, siendo al mismo tiempo el sistema que proporciona un mayor confort térmico para los usuarios, facilitando el cumplimiento de normas como la UNE EN ISO 7730 para el cálculo del bienestar térmico.
- Ahorros de energía de hasta el -68% en combinación con Geotermia
- Los costes de inversión se reducen hasta un -33%
- El confort se incrementa en un +20%
Agradecimientos
Agradecemos en estas breves líneas a todas aquellas compañías con diferentes perfiles que han trabajado para integrar este tipo de soluciones en sus proyectos, obteniendo excelentes resultados. En especial a IDOM, Eneres y Sacyr Industrial.
Referencias
- Equa Simulation Oy y Mott MacDonald Limited, 2013. Estudio comparativo Costes del ciclo de vida. Sistema de Forjados Activos y otros sistemas de climatización.
- Fundación de le Energía de la Comunidad de Madrid, 2014. Guía sobre estructuras termoactivas y sistemas inerciales en la climatización de edificios.
- Uponor. Manual de instalación de sistemas radiantes. 2013.