Comportamiento energético de las bombas de calor en los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo

Comunicación presentada al V Congreso de Edificios Energía Casi Nula

Autor

• Manuel Herrero, Adjunto a Dirección, Asociación de Fabricantes de Equipos de Climatización (AFEC)

Resumen

Las Bombas de Calor suponen una de las soluciones más efectivas para la climatización y la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) de los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN), ya que son equipos altamente eficientes que hacen uso de energía procedente de fuentes renovables. En la presente Propuesta se muestra cuál es el protagonismo que los equipos Bomba de Calor tienen en los citados edificios gracias a su favorable comportamiento energético, desde la perspectiva del borrador, ya publicado, del Documento Básico DB-HE del Código Técnico de la Edificación CTE, que marca los requisitos que deben cumplir los citados EECN. Dentro del citado borrador, en su sección HE 0 “Limitación del consumo energético”, se fijan los valores máximos de una serie de indicadores sobre el funcionamiento energético de los edificios, obtenidos a partir de sus necesidades de Energía Final (Energía Producida y Energía Suministrada). Se muestra una estimación de estos indicadores para el caso de las Bombas de Calor, utilizando la metodología de la herramienta VisorEPBD, publicada por el Ministerio de Fomento, que realiza una evaluación de los mencionados indicadores mediante la introducción de los “Componentes Energéticos” que tiene el edificio, dentro de los cuales se definen los “Vectores Energéticos” empleados. Se indica qué Vectores Energéticos son asignables a las Bombas de Calor, así como los resultados de la simulación, mostrándose cómo la utilización de los citados equipos contribuye, en gran medida, que los edificios alcancen la calificación de EECN.

Palabras clave

EECN, CTE, Bomba de Calor, Visor EPBD, Indicadores Energéticos, Renovable

Climatización en los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo

Definición de EECN

El Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico DB HE, define Edificio de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN), como edificio que cumple con las exigencias reglamentarias establecidas para edificios de nueva construcción en las diferentes secciones de este Documento Básico.

Asimismo, la Directiva 2010/31 relativa a la eficiencia energética de los edificios (EPBD), en su Artículo 2 lo define como edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto, en el que la cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno.

Requisitos para la climatización

En base a lo anterior, lo que puede aseverarse es que los EECN deben cumplir una serie de premisas indispensables:

• Una elevada calidad del edificio en sí, en cuanto a muy bajos coeficientes de transmisión de los cerramientos, impermeabilidad de la envolvente térmica y de los huecos, capacidad de control solar de la envolvente, etc.
• Una elevada calidad de todas las instalaciones, haciendo uso de las energías renovables y de las energías residuales disponibles.

Consecuentemente, en lo que respecta a la climatización, dado su elevado peso específico en el consumo energético de los edificios, deben cumplirse dos condicionantes:

• Instalaciones con equipos altamente eficientes y, en el caso de edificios de los sectores terciario e industrial, gobernados de manera integrada por un sistema de gestión que optimice su uso, en particular desde el punto de vista energético.
• Utilización de la recuperación de calor, en especial en zonas con climas extremos, e imposición de sistemas que usen energía procedente de fuentes renovables.

Demanda energética debida a la climatización en los edificios

Consumo energético de los edificios

De la información obtenida a partir de los informes publicados por IDAE en su página Web, se obtiene que casi el 60% del consumo de energía final en el año 2016 correspondió al Sector Residencial, según se muestra en la gráfica siguiente:

Datos del sector residencial

En España, prácticamente el 99% de los edificios existentes están destinados a viviendas (fuente: INE). Y ya se ha visto en la gráfica anterior el elevado peso específico que tiene el sector residencial en el consumo energético, por lo que es necesario que una gran parte de los esfuerzos dedicados al ahorro energético, se centren en este sector.

Basándose en los informes antes referenciados, puede comprobarse como la climatización de los edificios residenciales supone un elevado porcentaje en su consumo de energía, ascendiendo a algo más del 60% de la energía total final del edificio.

En lo que respecta a las fuentes energéticas que se utilizan para la climatización en los edificios residenciales, entendiendo como tal la calefacción la refrigeración, el ACS y la ventilación, los combustibles de origen fósil representan un porcentaje muy alto del total, en torno al 60%, debido al elevado peso de la calefacción.

La gráfica muestra el % de utilización de las fuentes energéticas en los citados edificios y su evolución desde el año 2010, comprobándose cómo las energías procedentes de fuentes renovables representan un valor sensiblemente constante de alrededor del 30% del total de energía final destinada a la climatización.

Demanda y consumo energéticos en los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo

Ante el mandato impuesto por la mencionada Directiva EPBD, que señala que:

• a más tardar el 31 de diciembre de 2020, todos los edificios nuevos sean edificios de consumo de energía casi nulo
• después del 31 de diciembre de 2018, los edificios nuevos que estén ocupados y sean propiedad de autoridades públicas sean edificios de consumo de energía casi nulo

Se van a implementar una serie de factores que van a modificar las tendencias en las líneas antes mostradas de energía final dedicada a la climatización:

• A medida que se mejora la calidad de la envolvente de los edificios, se reducirán las cargas térmicas que haya que combatir, y con ello la demanda energética relacionada con la climatización.
• La disminución de la potencia necesaria de los equipos de climatización, unida a su creciente eficiencia, traerá como consecuencia un menor tamaño de los equipos y de las instalaciones de climatización y, con ello, una disminución de sus servidumbres en cuanto a acometidas, conducciones, etc.
• La demanda de ACS cobrará cada vez mayor relevancia frente a la de calefacción, al no depender la primera de cargas externas, sino prácticamente solo de la ocupación.

En relación a la fuente energética que se utiliza para la climatización, asistiremos a una disminución paulatina del uso de los combustibles fósiles en favor del uso de energías procedentes de fuentes renovables y de la electricidad. Ello se debe:

• Por un lado, a las políticas de descarbonización impulsadas desde el seno de la Unión Europea, enfocadas al aumento de la proporción de las energías procedentes de fuentes renovables, tanto en la producción térmica como en la eléctrica.
• Por otro lado, a la tendencia creciente a la demanda de refrigeración en los edificios residenciales, en los que las bombas de calor con alimentación eléctrica representan una de las soluciones más extendidas en el mercado.

Y la razón no es solo el aumento de las necesidades de confort en época estival asociado al progreso, especialmente en países con numerosas regiones con climatología cálida, como es el nuestro, sino también por mejora de salubridad, dado que los sistemas que incorporan bombas de calor, son capaces de mantener las condiciones termohigrométricas óptimas y contribuir a una alta calidad de aire durante todo el año en el interior de los recintos ocupados.

Estos factores tendrán como efecto una reducción del consumo energético en los edificios EECN, así como un “acercamiento” entre las líneas debidas a los diferentes usos, cuya evolución se muestra en la gráfica adjunta.

También tendrán como consecuencia una disminución de las grandes oscilaciones que tienen estas líneas a lo largo del año debidas al efecto estacional.

Evaluación energética de las Bombas de Calor en los EECN

Introducción

Todos estos requisitos para lograr que los edificios sean EECN son consecuencia de la necesidad de disminuir la demanda global de energía para lograr la imprescindible reducción del consumo energético, dentro del que, como hemos visto anteriormente, una parte muy importante corresponde a la climatización.

De igual modo, será prescriptivo hacer un uso extendido de las energías procedentes de fuentes renovables. Por esta razón, los edificios con sistemas de climatización convencionales que utilicen combustibles como fuente energética requerirán que una parte importante del aporte proceda de fuentes renovables, como única posibilidad de cumplir con los valores cada vez bajos niveles de Consumo de Energía Primaria No Renovable (kWh/m²).

Las Bombas de Calor cumplen con todos los requisitos para satisfacer las necesidades de climatización de los EECN y, de hecho, en el citado borrador del CTE-HE, se reconoce a estos equipos en su justa medida.

La evaluación de la eficiencia energética de los edificios se basa en una serie de indicadores energéticos. En la sección Sección HE 0 Limitación del consumo energético del citado borrador del Documento base HE Ahorro de Energía del CTE, figuran los siguientes:

• Consumo de energía primaria renovable Cep,nren [kWh/m².a]
• Consumo de energía primaria total Cep,tot [kWh/m².a]

Cuyos valores límites se indican de manera esquemática, en función del tipo de edificio y de la zona climática de invierno, en la tabla siguiente:

Para la evaluación de la eficiencia energética de los edificios puede utilizarse la herramienta VisorEPBD, que permite, a partir de las necesidades de energía final (energía producida y suministrada), obtener los valores de consumo de energía primaria.

Para ello se introducen los Componentes Energéticos del edificio, cada uno de ello conteniendo:

• El Vector Energético empleado, es decir, la fuente energética
• El tipo de componente (consumo/producción) y Subtipo
• El Servicio al que se destina
• Los valores mensuales de Energía Final del componente y la curva de la Energía Final consumida

A partir de esta entrada de datos, el Visor facilita los valores de Consumo de Energía Primaria Total y de Consumo de energía primaria renovable antes señalados.

En el caso de Bombas de Calor, es habitual introducir tres tipos de componentes energéticos:

• Líneas del vector energético Medioambiente para servicio de Calefacción y ACS.
• Una línea con el de combustible o electricidad que use el sistema para calefacción.
• Una línea con el de combustible o electricidad que use el sistema para refrigeración.

Caso de aplicación

El siguiente caso de aplicación ser refiere a una vivienda unifamiliar, ubicada en la provincia de Madrid (Zona Climática C), realizada con los requisitos del CTE actual. Se realizará un comparativo entre los valores obtenidos de los dos parámetros antes indicados, Consumo de energía primaria renovable Cep,nren y Consumo de energía primaria total Cep,tot, para cuatro posibles opciones de climatización:

• Opción a (CC+CST+BdC): Caldera de Condensación para calefacción y producción de ACS, con apoyo de Colectores Solares Térmicos para el ACS (cobertura del 60%) y refrigeración por Bomba de Calor
• Opción b (BdC): Bomba de Calor para Calefacción, Refrigeración y ACS
• Opción c (BdC+CST): Bomba de Calor para Calefacción, Refrigeración y ACS con apoyo de Colectores Solares Térmicos para el ACS (cobertura del 60%)
• Opción d (BdC+PV): Bomba de Calor para Calefacción, Refrigeración y ACS con alimentación eléctrica de Paneles Solares Térmicos (cobertura del 75% en refrigeración y del 5% en calefacción y ACS)

Las cargas y demandas térmicas se han obtenido con un el software 3D para el diseño, cálculo integrado y simulación de las instalaciones de los edificios, los coeficientes de paso son los facilitados por los Ministerios de Industria, Comercio y Turismo y de Fomento.

Siguiendo la metodología de cálculo de la herramienta VisorEPBD antes señalada, se obtienen los siguientes resultados, detallados en Tabla II.

Se ha marcado en color verde los valores que están por debajo de los máximos reglamentarios, y en color rojo los que están por encima.

A la vista de los resultados presentados, se observa que:

• La opción que está más lejos de los valores requeridos es la Opción a (CC+CST+BdC), aunque con el CTE vigente sí cumple con los requisitos establecidos.
• Hay poca diferencia entre los valores obtenidos con la Opción b (BdC) y la Opción c (BdC+CST). En ambos casos quedarían fuera del cumplimiento el parámetro Cep,nren
• La única opción que cumpliría con los requisitos del borrador, y muy distanciada de las demás, es la Opción d (BdC+PSF). Esto se debe al efecto “multiplicador” de las Bombas de Calor, que convierten la energía absorbida, en este caso energía eléctrica de paneles fotovoltaicos.

Conclusión

Los nuevos requisitos de reducción de la demanda energética de los edificios (mayor aislamiento térmico, estanqueidad frente a las infiltraciones, control solar, etc.), favorecerán la posibilidad de utilizar diferentes opciones para la climatización y la producción de ACS.

Pero, en cualquier caso, con vistas a la calificación energética de los edificios, los sistemas basados en bombas de calor, y más aún con apoyo de energía fotovoltaica, supondrán una de las propuestas más directas y eficaces, desde el punto de vista práctico, para mejorar la calificación energética de los edificios hasta sus valores más altos y cumplir con los requisitos de los EECN.

En aquellos casos en los que se requiere refrigeración, cada vez más habitual, la opción más favorable será el uso de bombas de calor reversibles, puesto que con un mismo equipo pueden satisfacerse las demandas de calefacción y de refrigeración, e incluso de ACS en el caso de las Bombas de Calor Multitarea.

Referencias

• Balances energéticos.
• “Informe Anual de consumos Energéticos. Año 2016”.
• “Consumos de Energía Final por usos del sector Residencial (ktep). Años 2010 a 2016”.
• Ministerio de Fomento. VisorEPBD.
• La Bomba de Calor. Fundamentos, Tecnología y Casos Prácticos. Asociación de Fabricantes de Equipos de Climatización.