Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autor
- Moisés Odriozola-Maritorena, Grupo de Investigación ENEDI, UPV/EHU
- Carlos García-Gáfaro, Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco
- Iñaki Gómez-Arriaran, Grupo de Investigación ENEDI, UPV/EHU
- Santiago Pascual, Dirección Comercial, Siber Zone
- Ivan Agudies, Jefe de Área Noroeste, Siber Zone
Resumen
El proyecto de rehabilitación del bloque de viviendas en Zaramaga (Vitoria-Gasteiz) ha tenido un alcance global en el que las actuaciones de renovación buscaban actualizar a la normativa vigente las condiciones de accesibilidad y de ventilación, así como la mejora de su calificación energética. Para conseguir una mejor eficiencia energética al tiempo que se aseguraba la prevención de patologías por falta de ventilación, se instaló un sistema de ventilación individual con recuperación en cada vivienda. Este trabajo tiene como objetivo valorar el comportamiento energético del sistema de ventilación instalado y la calidad del aire interior resultante. Para ello, se han realizado mediciones de temperaturas, velocidades de aire y potencia consumida en el recuperador de calor, y de la concentración de CO2 y temperatura en los locales habitables de una de las viviendas. Los resultados muestran un gran comportamiento del sistema de ventilación, siendo el valor de la eficiencia del recuperador de calor de 86,6% durante el periodo de medición. En cuanto a la calidad del aire interior, el valor promedio de la concentración de CO2 es de 721 ppm, y el acumulado de la concentración por encima de los 1.600 ppm ha sido de 17 ppm·h, estos valores se refieren al local más desfavorable. Los valores se encuentran muy por debajo de los valores límite fijados por el DB HS 3 del Código Técnico de la Edificación.
Palabras clave
Rehabilitación, Eficiencia Energética, Recuperador de Calor, Calidad de Aire, Ventilación Inteligente
Introducción
El consumo energético en edificios residenciales supone gran parte del consumo de energía total en los países de la OCDE (IEA, 2010). Las directivas europeas fomentan la eficiencia en los edificios situados en los Estados miembro, estableciendo los requisitos mínimos de eficiencia energética, planes para aumentar el número de edificios de consumo casi nulo y el marco común de una metodología para el cálculo de la eficiencia energética en los edificios (Parlamento europeo y Consejo de Europa, 2006 y 2010). Mediante su aplicación se estima un ahorro para el año 2020 en el conjunto de los edificios del sector residencial de la UE del 27% (Commission of the European Communities, 2010).
En el caso de España, el consumo del sector edificatorio representa el 29% del total (Secretaría de Estado de Energía, 2010), siendo el consumo energético del hogar medio de 10.521 kWh en el año 2010 (IDAE, 2010). Siendo esto así, la calefacción es el servicio que mayor consumo presenta, en torno al 47%, aunque este reparto varía significativamente en función del clima, pudiendo alcanzar el 55% en la Zona Continental.
La mala calidad del aire interior es el origen de un gran número de problemas de salud de los ocupantes de los edificios (Smith, B.J. et al., 2000; World Heath Organization, 2010). Ventilar es necesario para mantener la concentración de los contaminantes generados en el interior de las viviendas dentro de unos límites aceptables.
Como consecuencia de la necesidad de ventilar, se produce un aumento de la demanda energética. Las pérdidas de calor por renovación de aire han sido cuantificadas por diferentes autores, concluyendo que las mismas se encuentran en torno al 50% de las pérdidas totales de calor en viviendas (Awbi H.B., Chapter 7, 1998) Siendo esto así, este valor depende de las condiciones climáticas, las características de la vivienda y su ocupación. Cabe señalar que a medida que se reducen las pérdidas de calor a través de los cerramientos, el porcentaje de pérdidas que corresponde a la renovación de aire aumenta.
Descripción de la solución
La rehabilitación energética del bloque de viviendas situado en el barrio de Zaramaga de Vitoria-Gasteiz, busca actualizar las viviendas en los términos definidos por las nuevas políticas edificatorias. Para ello, además de revestir térmicamente la envolvente del edificio, se incorporan equipos mecánicos de ventilación que tienen como objetivo mejorar la calidad del aire interior, ver Figura 1.
El sistema de ventilación instalado es un sistema de ventilación mecánico con recuperación de calor. El aire del interior de la vivienda se expulsa a través de locales húmedos, no sin antes hacerlo pasar por un recuperador de calor con el objetivo de precalentar el aire de ventilación que llega desde el exterior, ver Figura 2. Para la ubicación del recuperador se han aprovechado los espacios comunes de escaleras, construyendo un falso techo que alberga los equipos y conductos. El sistema de ventilación está dotado de un sistema de “bypass” que permite evitar el sobrecalentamiento de la vivienda en verano.
Metodología
Se han realizado mediciones de los parámetros necesarios para caracterizar el comportamiento energético del sistema de ventilación con recuperación de calor instalado. Los datos corresponden al sistema de ventilación instalado en la vivienda 1º Izq. del portal Nº2 del bloque de viviendas de la calle Cuadrilla Laguardia-Rioja Alavesa (Vitoria- Gasteiz). Los datos recogidos han sido los siguientes, ver Figura 2:
- Temperatura del aire: en la impulsión, en la entrada del recuperador (T1) y en la salida del recuperador (T2); y en la extracción, en la entrada del recuperador (T3) y en la salida del recuperador (T4).
- Velocidad del aire: la velocidad en la entrada del recuperador para el aire de impulsión (V1), y en la salida del recuperador para el aire de extracción (V4).
- La potencia activa del sistema de ventilación.
Además de los parámetros necesarios para caracterizar energéticamente el comportamiento del sistema de ventilación, también se valora la calidad del aire interior en la vivienda como consecuencia de la instalación del sistema de ventilación. Para ello, se ha medido la concentración de CO2 en los locales habitables (habitaciones y salas de estar).
Utilizando los datos registrados se ha calculado la eficiencia del recuperador de calor, y con base en esta caracterización se ha ampliado el estudio para analizar el comportamiento para todo el año mediante simulación.
Resultados y datos obtenidos
Los datos que se presentan en este trabajo corresponden al periodo comprendido entre el 20 de febrero y el 4 de abril de 2017. A lo largo de este periodo, durante el 70% del periodo total el sistema de ventilación trabaja en modo “intercambio de calor”, el resto del tiempo lo hace en modo “bypass”. La Figura 3 muestra los registros de la temperatura del aire de impulsión a la entrada del recuperador (T1) y a la salida del recuperador (T2).
Como se aprecia en dicha Figura 3, hay un incremento notable de la temperatura del aire de ventilación que se impulsa al interior de la vivienda, lo que supone una reducción de la demanda de calefacción. Considerando únicamente los datos cuando el sistema se encuentra funcionando en modo “intercambio de calor”, el valor promedio del incremento de temperatura es en torno a los 7 ºC (σ = 2,4), el valor de la temperatura mínima a la que el aire entra en la vivienda se encuentra en torno a los 16 ºC.
La Figura 4 muestra la evolución de la eficiencia del recuperador de calor durante el periodo de medición, solamente se consideran los valores cuando el sistema de ventilación funciona en modo “intercambio de calor”. La eficiencia del recuperador de calor se calcula mediante la siguiente expresión:
En la Figura 4 se pueden observar una serie de mínimos que corresponden a los pasos del modo “bypass” al modo “intercambio de calor”. Tomando el conjunto de los datos presentados en esta figura, se obtiene que el valor promedio de la eficiencia del recuperador de calor es igual al 86,6% (σ = 3,5).
La potencia consumida presenta un comportamiento que depende de la programación de los usuarios y la suciedad de los filtros. La Figura 5 muestra los registros del consumo de potencia del sistema de ventilación durante la primera semana de marzo de 2017 y la tercera semana de mayo de 2017.
Por una parte se comprueba que el sistema de ventilación modifica su régimen de funcionamiento en base a un horario determinado, modificando el caudal aproximadamente entre 75 y 100 m3/h. Además de eso, se detecta un aumento en el consumo de potencia con el paso del tiempo. Esto se debe a que las pérdidas de carga aumentan debido a la acumulación de suciedad en los filtros del sistema. Las mediciones de la potencia consumida durante el periodo de medición indican que la energía consumida durante tal periodo es igual a 44,3 kWh. Si este resultado se amplía a un año completo, el consumo total anual sería igual a 377,9 kWh.
Simulación para un año completo
Los resultados obtenidos corresponden a unas condiciones meteorológicas concretas, las ocurridas durante el periodo de medición. Las condiciones climáticas son cambiantes, por lo que la severidad del clima varía de año en año. Para que este factor no invalide el estudio, se ha ampliado el estudio utilizando un año meteorológico tipo para Vitoria-Gasteiz, junto con los siguientes resultados recogidos de la mediciones:
- Eficiencia del recuperador de calor: 86,6%
- Temperatura del aire interior: 20 ºC
- Gasto de aire:
- Velocidad 1: 75 m3/h
- Velocidad 2: 100 m3/h
Estos datos se emplean para comparar el comportamiento del sistema de ventilación con recuperación (HRV) de calor con el sistema de simple de extracción continua (SEC). La Tabla I presenta las expresiones empleadas para el cálculo de la demanda de calefacción, el consumo de energía final en calefacción y operación del sistema de ventilación, y el consumo de enegía primaria en calefacción y operación. Los subindices empleados en esta Tabla I se corresponden con la nomenclatura definida para las entradas y salidas del recuperador indicadas en la Figura 2 anteriormente mencionada. El rendimiento de la caldera se considera igual al 92%. El consumo anual de energía final por operación del sistema SEC, es decir, la energía eléctrica requerida para el movimiento del aire, se define como la mitad que la determinada para el sistema con recuperación de calor que ha sido de 377,9 kWh. El consumo de energía primaria se calcula a partir del consumo de energía final, empleando para ello los siguientes factores de conversión: 1,2 para gas natural, y 2,37 para electricidad. Los resultados se presentan en la Tabla II.
A la vista de los resultados presentados en la Tabla II, es notable la diferencia entre los indicadores evaluados, por lo que claramente es ventajosa la instalación de sistemas de ventilación con recuperación de calor en edificios de viviendas situados en ciudades como Vitoria-Gasteiz.
Calidad del aire interior
Los sistemas de ventilación se instalan para mantener una adecuada calidad del aire interior en las viviendas. En este caso, la calidad del aire interior se valora mediante las mediciones de concentraciones de CO2 realizadas en los locales de admisión. La Figura 6 muestra la evolución de la concentración de CO2 durante un día laborable y un día festivo.
El Documento Básico HS3 del Código Técnico de la Edificación establece que la concentración media anual de CO2 sea menor que 900 ppm, y que el acumulado anual de CO2 que exceda 1.600 ppm sea menor que 500.000 ppm·h. La Tabla III presenta los valores medios y máximos registrados a lo largo de 6 meses en la vivienda.
Se comprueba que el valor medio de la concentración de CO2 es muy inferior al límite fijado. En cuanto al valor del acumulado anual, aunque el valor máximo de la concentración supere los 1.600 ppm en “Habitación NO” y “Habitación SE”, lo hace durante 10 y 30 minutos respectivamente.
CONCLUSIONES
La rehabilitación energética realizada sobre el bloque de viviendas situado en Vitoria-Gasteiz ha supuesto incorporar un sistema de ventilación en cada vivienda. El objetivo del sistema de ventilación es mantener una adecuada calidad del aire interior, pero la renovación de aire supone un aumento de la demanda energética. Para reducir en la medida de lo posible este inconveniente, se optó por un sistema de ventilación con recuperación de calor.
Las medidas de temperaturas, velocidades del aire y potencia consumida por el sistema de ventilación han servido para valorar el comportamiento del sistema de ventilación. Desde el punto de vista energético, el sistema de ventilación con recuperación de calor es claramente ventajoso. Según los resultados simulados para un año tipo, el ahorro con respecto al sistema de ventilación simple con extracción continua es del 74% si se considera el consumo de energía final, y del 63,3% en el caso del consumo de energía primaria.
En cuanto a la calidad del aire interior, tomando como referencia el DB HS3 del CTE, el sistema cumple con las limitaciones exigidas. De todas formas, sería necesario ampliar el estudio a otros contaminantes para completar el estudio de calidad de aire interior, e igualmente interesante hacer un contraste con la calidad de aire obtenida con sistemas SEC a partir de una monitorización de este último.
REFERENCIAS
- Awbi H.B., Chapter 7-Ventilation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol2, 157-188, 1998.
- Commission of the European Communities, Action Plan for the energy efficiency, Brussels, 2006.
- IDAE, Análisis del consumo energético del sector residencial en España, 2011.
- International Energy Agency, Energy balances of OECD countries, IEA Statistics, 2010.
- Parlamento europeo y Consejo de Europa, Directiva 2006/32/CE, 5 de abril de 2006.
- Parlamento europeo y Consejo de la Unión Europea, Directiva 2010/31/UE, 19 de mayo de 2010.
- Secretaría de Estado de Energía, La energia en España, Ministerio de Industria, 2010.
- Smith, B.J. et al., Health effects of daily, European Respiratory Journal, Vol. 16, pp. 879-885, 2000.
- World Heath Organization, WHO guidelines for indoor air quality: selected pollutants, 2010.