Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Elisabet Uson Maimó, Arquitecta, Estudiante del Master “Arquitectura y Sostenibilidad” de la School of Professional & Executive Development, (UPC) Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona TECH
- Ezequiel Uson Guardiola, Dr. Arquitecto, Profesor del Master “Arquitectura y Sostenibilidad” de la School of Professional & Executive Development, (UPC) Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona TECH
- Carles Guillen Amigó, Ingeniero Industrial, Profesor del Master “Arquitectura y Sostenibilidad”de la School of Professional & Executive Development, (UPC) Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona TECH
Resumen
Este documento se basa en la tesina elaborada por la autora principal como trabajo académico en el Máster de la UPC” Arquitectura y sostenibilidad: Herramientas de diseño y técnicas de control ambiental”. Se trata de una investigación aplicada que tiene como objeto el análisis y la evaluación energética del proyecto de un Centro de atención para persona mayores, residencia y centro de día” que ha sido proyectado como un edificio EECN para dar cumplimiento a la directiva europea 2010/31/EU “EU Directive on the Energy performance of Buildings”. La ponencia analiza las estrategias y evalúa las tecnologías utilizadas en el proyecto para conseguir los dos grandes objetivos genéricos de un edificio EECN: reducción del consumo de energía fósil y producción de energía a partir de fuentes renovables en el propio edificio. La investigación se ha llevado a cabo utilizando una amplia variedad de herramientas de software de simulación y evaluación energética: Meteonorm, Climate Consultant, ArchiWIZARD y DesignBuilder.
Palabras clave
Directiva Europea 2010/31/EU, Edificio EECN, Softwares de Simulación y Evaluación Energética
Introducción
En la Unión Europea el 36 % del total de las emisiones de gases de efecto invernadero proviene del sector de la edificación. Los edificios consumen un 40% de la energía total, por encima de los sectores del transporte (32%) y la industria (28%). Dos tercios de la energía consumida en los edificios se destinan a la calefacción y refrigeración. La UE considera que este consumo es excesivo y genera demasiadas emisiones. El consejo europeo se ha propuesto para el año 2020 reducir las emisiones de efecto invernadero en un 20%, disminuir el 20% el consumo energético e incorporar las energías renovables en un 20% en el mix energético. Para conseguir estos objetivos se elaboró la directiva 2010/31/EU. Por ello, en los estados miembros, todos los edificios de nueva planta deberán ser EECN a partir del 31 de diciembre de 2020.
En nuestro país, la normativa de aplicación que establece las exigencias mínimas que deben cumplir los edificios en cuanto a la limitación del consumo energético y producción de energía a partir de fuentes renovables para reducir las emisiones se detalla en el Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) del Código Técnico de la Edificación (CTE). Desafortunadamente la normativa española es menos exigente que la de otros países de la UE para dar cumplimiento a la directiva 2010/31/UE y aunque el DB-HE ha ido incorporando algunas actualizaciones a lo largo de estos últimos años, ninguna de ellas ha sido substancial.
El edificio EECN
En este contexto y de acuerdo con la definición de la Directiva europea 2010/31/UE, un edificio de energía casi nula EECN, (nearly Zero Energy Building, nZEB, en inglés) es un edificio con un alto nivel de eficiencia energética en el que la ya reducida cantidad de energía requerida para su funcionamiento debería proceder casi en su totalidad de fuentes renovables. Es evidente que la definición de EECN presenta algunas ambigüedades: no se establecen indicadores principales para definir un edificio EECN (Fig 1) ni tampoco la metodología de cálculo para evaluar el consumo energético. Tampoco nada se dice sobre el proceso a seguir en las construcciones ya existentes para su reconversión en EECN. Según un informe del BPIE (Buildings Performance Institute Europe), quince países europeos ya han precisado estos extremos, sin embargo, este todavía no es el caso de España.
Objetivos y metodología de la investigación
En esta investigación se pretende primero evaluar las demandas y consumos resultantes de la aplicación de las estrategias pasivas y activas en el proyecto del edificio y posteriormente evaluar la capacidad de producción de energía eléctrica para autoconsumo a partir de fuentes renovables (en este caso con una planta fotovoltaica situada en la cubierta del edificio). Ello permitirá calcular el porcentaje de la energía total que el edificio es capaz de producir. Al tratarse de un edificio “estándar” no diseñado específicamente para producir energía fotovoltaica, este dato nos facilitará información práctica sobre el grado de cumplimiento de la directiva europea en el entorno climático de nuestro caso de estudio.
Caso de estudio: Centro de atención a personas mayores, residencia y centro de día en Mequinenza
El proyecto elegido para realizar esta investigación es una residencia asistida para la tercera edad que dispone de servicio de residencia con una capacidad de 76 plazas y de un centro de día. La superficie construida total del edificio es de 4.164,60m2. En las plantas baja y primera se ubican el centro de día y las dependencias de servicio, en las plantas segunda y tercera la residencia (zona de dormitorios). El proyecto adjudicado mediante concurso público, cumple con los requisitos del Pliego de prescripciones técnicas, así como las indicaciones señaladas por los SS. TT. del Ayuntamiento de Mequinenza. (Fig 2)
Reducción de la demanda energética: consumo final
Entorno climático
El edificio está situado en Mequinenza (Zaragoza), 41,37 LATITUD [ºN], 0’30 LONGITUD [ºE], 74 ALTITUD [msnm]. Se encuentra en la zona climática C3. Según la tabla B.1 del DB HE del CTE. Los inviernos son fríos y húmedos y pueden registrarse temperaturas de varios grados bajo cero. Los veranos son muy cálidos y secos y la temperatura puede alcanzar valores superiores a los 40º. (Fig 3). Se trata de un clima continental seco en el que se disfruta de una temperatura situada dentro del rango de confort térmico solamente el 22% de las horas del año. Por tanto, se necesitarán sistemas de calefacción y refrigeración.
Sistemas pasivos
La envolvente se ha diseñado de acuerdo con el entorno climático y para dar cumplimiento a las exigencias del DB-HE 1del Código Técnico de la Edificación (CTE) y a los requerimientos del estándar Passivhaus. (Tabla I) Se ha proyectado una fachada ligera ventilada con máximo aislamiento y estanqueidad. La regulación de la radiación solar se ha resuelto con persianas venecianas de lamas orientables, cuyas dimensiones y orientación permiten regular la radiación solar evitando las cargas térmicas indeseadas en el periodo estival y permitiendo al mismo tiempo la visión y la iluminación natural. Para la iluminación natural de los pasillos interiores de las dos plantas de habitaciones se han diseñado unos pozos de luz que sobresalen en la cubierta.
Comprobación del cumplimiento de los requerimientos del estándar Passivhaus:
Comprobación del cumplimiento de las exigencias del DB HE 1
Sistemas activos
- Renovación del aire mediante ventilación mecánica: Se ha proyectado un sistema de renovación de aire, con unidades de recuperación de calor de doble flujo y de alta eficiencia (80%), con regulación electrónica y motor EC. Dispone de un intercambiado de contraflujo, bypass total dos filtros en aspiración clases F-7 y control de regulación. También se dispone como sistema de apoyo de una batería de agua (calor/frío). Con este sistema, en invierno el aire de entrada se introducirá a una temperatura superior a la del ambiente exterior y en verano, debido al sistema de climatización del edificio, este aire podrá ser refrescado.
- Calefacción, refrigeración y ACS: En el proyecto se ha previsto un sistema de producción de calor y frío mediante aerotermia con bombas de calor Aire-Agua para un circuito de calefacción y refrigeración (suelo radiante y refrescante) que también permitirá producir agua caliente para la red doméstica (ACS). Las bombas de calor propuestas son de alto rendimiento con un COP de 4,6, por lo que por cada kWh eléctrico consumido podríamos obtener hasta 4,6kW térmicos, y un SEER de 6,1, por ello se consideran energéticamente eficientes. Para garantizar el rendimiento de las bombas de calor cuando las temperaturas exteriores son muy frías, se han incorporado como apoyo dos calderas de gas. El uso de estas calderas, según los datos de demandas de calefacción obtenidos, no parece necesario. Aun así, es conveniente disponer de ellas, sobre todo para la generación de ACS en momentos puntuales.
- Demandas y consumos resultantes: Se han utilizado los softwares ArchiWIZARD y Design Builder para la evaluación energética del edificio en el entorno climático de Mequinenza para evaluar los sistemas pasivos y activos ya definidos, obteniéndose resultados similares. (Fig. 4)
Según los resultados obtenidos con el Software DesignBuilder, el consumo anual del edificio asciende a 102.578,56 kWh/a por lo que al tratarse de un edificio de 4164’60 m2 resulta un consumo de 24’63 kWh/m2.
Producción de energía a partir de fuentes renovables: planta solar fotovoltaica en la cubierta
Para realizar el cálculo y el dimensionado del campo de energía solar fotovoltaica previsto en la cubierta del edificio se ha utilizado el programa de software ArchiWIZARD.
Dimensionado y características del campo solar fotovoltaico
Tipo de panel: silicio policristalino, medidas 0,99 x 1,96m. Inclinación: (según la fórmula para la inclinación óptima anual en función de la latitud) βopt = 3,7 +0,69. Latitud = 3,7 + (0,69 x 41,37) = 32,25º. Orientación: (ángulo azimud) 0º.Rendimiento: 17,0%.Potencia pico: 330 Wp/panel. Potencia pico total del campo fotovoltaico: 60,1 KWp (183 paneles). Coeficiente de temperatura: -0,46%/ºC. Distancia ente filas de módulos: Se ha realizado el cálculo con el programa ArchiWIZARD, para el día más desfavorable (21 diciembre 13h) la distancia mínima entre paneles es 5 m. (Fig. 5)
La producción anual de energía del campo fotovoltaico de la cubierta del edificio asciende a 80.075Kwh/a. Dado que el consumo anual del edificio edificio es de 102.578,56kWh/a. Por ello si toda la energía producida se consumiera y no hubiese excedentes en ningún mes, un 78% del consumo energético del edificio procedería de fuentes de energía renovable. (Fig.6)
Conclusiones
Se ha comprobado la validez y utilidad de los programas de software para evaluar el comportamiento energético de los edificios en fase de proyecto. En este caso de estudio se han realizado dos simulaciones del edificio con dos programas de Software diferentes (ArchiWIZARD y DesigBuilder) y los resultados obtenidos han sido muy similares.
Escogiendo los sistemas pasivos y activos adecuados pueden obtenerse consumos y demandas por debajo de las exigencias del DB-HE 1 del Código Técnico de la Edificación (CTE). En este caso, las demandas resultantes obtenidas en el edificio, objeto de estudio, cumplen además los requerimientos del estándar Passivhaus para clima mediterráneo (estándar elaborado para países con climas mucho más fríos que España) y cuyas exigencias son mucho más restrictivas que las de la normativa vigente española.
Con los niveles de radiación solar de nuestro país, (zona IV en el caso de estudio) son viables los edificios EECN, puesto que a partir de fuentes renovables se puede generar casi la totalidad de la energía que consume el edificio. En nuestro caso, un campo fotovoltaico situado en la cubierta permitiría producir un 78% del consumo eléctrico anual.
Finalmente, y tal y como han hecho otros países de la UE, sería deseable que se actualice el CTE incorporando una definición propia y más detallada de los edificios EECN. Especialmente importante es la concreción del porcentaje mínimos obligatorio de energía que debe producirse “in situ” a partir de fuentes renovables.
Referencias
- ArchiWIZARD. Programa de software. Herramienta de simulación energética de edificios.
- ClimateConsultant. Programa de software. Permite a partir de un fichero de clima, visualiza y analizar los datos climáticos, además de proporcionar un método de elección de las estrategias pasivas más idóneas.
- Código Técnico de la Edificación, Documento Básico de Ahorro de Energía.
- DesignBuilder. Programa de software. Herramienta de simulación energética de edificios más destacados del panorama actual.
- Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19th May 2010 on the energy performance of buildings, official Journal of the European Union.
- Máster Arquitectura y sostenibilidad: Herramientas de diseño y técnicas de control ambiental. School of profesional & Executive Development, (UPC) Universidad Politècnica de Catalunya. Curso académico 2018-2019.
- Meteonorm. Programa de software. Proporciona datos meteorológicos para cualquier sitio del mundo mediante valores mensuales, diarios u horarios.
- VOSS K., SARTORI I. LOLLINI R. ,2012, “Nearly-zero, NetZero and Plus Energy Buildings-How definitions & regulations affect the solutions.” REHVA journal- December 2012, p.24
- R.D. Ley 15/2018. Agencia Estatal Boletín Oficial del Estado.
- https://ec.europa.eu/energy /eu/topics /energy-efficiency /buildings (consulta abril 2019)