Comunicación presentada al V Congreso de Edificios Energía Casi Nula
Autores
- María Ibáñez Puy, Responsable de Proyectos de I+D, Construcciones ACR
- Jesús Miguel Alonso Pérez, Director de Innovación, Construcciones ACR
- Manolo González Díaz, Director Técnico, Construcciones ACR
Resumen
El sector de la edificación es responsable del 40% del consumo total de energía de la Unión Europea. La reducción del consumo energético en la edificación y el incremento en la utilización de fuentes de energía renovables son la clave para garantizar el aumento de la sostenibilidad y la calidad de vida asociada a la edificación. La climatización mediante termoelectricidad se postula como una gran alternativa a los sistemas de climatización actuales ya que permite calentar y refrigerar con una única instalación, elimina el consumo energético asociado a combustibles fósules y la utilización de líquidos refrigerantes, del mismo modo que promueve la producción energética mediante energías renovabes. Además, se puede configurar como un sistema que trabaje como Plug&Play, totalmente integrado en la fachada y descentralizado, que reduce el volumen de la instalación y, por tanto, los materiales y recursos asociados. Desde 2016 Construcciones ACR y la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Navarra, han estado trabajando en el desarrollo del proyecto iACTIV. Esta iniciativa ha consistido en el diseño, montaje, validación y monitorización de un producto innovador de fachada activa termoeléctrica que presenta una alternativa industrializada, sostenible e integral para la climatización de los edificios de consumo casi nulo. El prototipo ha sido monitorizado tanto en régimen de verano como de invierno, demostrando que es posible climatizar un espacio con esta tecnología. El desarrollo de este prototipo se puede considerar como un primer acercamiento a la solución final deseada.
Palabras clave
Fachada Activa, Termoelectricidad, Fachada Ventilada, Prototipo, Integración, Energías Renovables, Sin Líquidos Refrigerantes, Plug&Play
Introducción
La reducción de la demanda energética asociada a los edificios y el incremento de la utilización de fuentes de energía renovables son la clave para garantizar el aumento de la sostenibilidad y la calidad de vida asociada a la edificación. Aunque los Edificios de Consumo Casi Nulo son ya una realidad del panorama edificatorio español, es necesario apoyarse en la investigación de nuevos materiales, productos y sistemas de construcción que faciliten la consecución de la transformación que implica la aplicación de los nuevos estándares. El uso de la termoelectricidad ya ha sido desarrollado y aplicado por muchas industrias, como por ejemplo en electrónica [1], la militar [2], la automovilística [3] e, incluso, como sistema de climatización en los edificios [4], principalmente relacionado con aplicaciones donde la durabilidad y el control de temperatura son imprescindibles. Sin embargo, continúa siendo una tecnología innovadora que necesita de una mayor investigación y desarrollo para convertirse en una solución competitiva en cualquiera de sus aplicaciones [5]. El estudio de nuevos materiales semiconductores para configurar las células Peltier, la optimización de los sistemas de control y la reducción de los costes de producción y montaje son los puntos clave para conseguir una tecnología competitiva. En este contexto, la climatización mediante termoelectricidad se postula como una gran alternativa a los sistemas de climatización.
El proyecto iACTIV ha diseñado, construido y analizado un producto innovador de fachada activa termoeléctrica que presenta una alternativa industrializada, sostenible e integral para la climatización de los edificios. Basándose en la experiencia previa por parte de la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Navarra (UNAV) en el campo de la climatización termoeléctrica aplicada a la edificación [6], [7] y con la experiencia y conocimiento del mercado edificatorio por parte de ACR, se ha construido un nuevo prototipo. El sistema se basa en la combinación de las células Peltier conectadas a la red eléctrica y la colocación de disipadores de calor en ambas caras para incrementar la superficie captadora y disipadora de calor, todo ello, integrado en fachada.
Este artículo se basa en el diseño y montaje de este tercer prototipo donde sus objetivos principales son, por un lado, describir detalladamente el proceso de construcción del módulo termoeléctrico integrado en una fachada y, por otro lado, analizar su funcionamiento. El módulo está pensando para ser replicado en función de las necesidades térmicas del local donde vaya a ser instalado.
Antecedentes
La termoelectricidad es la parte de la física que trata de los fenómenos de producción de energía eléctrica por la acción del calor y viceversa. El efecto Peltier se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de dos tipos diferentes de semiconductores (célula Peltier). La corriente eléctrica provoca la transferencia de calor de una unión a otra: mientras una se calienta la otra se enfría. Si se cambia el sentido de la corriente eléctrica, también se invierte la dirección de la transmisión de calor. De este modo, las células Peltier se pueden usar como una bomba de calor. La climatización termoeléctrica se postula como una gran alternativa a los sistemas de climatización actuales porque elimina el consumo energético asociado a combustibles fósiles, elimina la utilización de líquidos refrigerantes y promueve la producción energética mediante energías renovables (tabla I).
Tal y como se ha descrito el sistema de climatización está pensado para ser integrado en la fachada por lo que debe cumplir con los requisitos y exigencias propias de cualquiera de las dos funciones tal y como se observa en la tabla II.
En resumen, como sistema de climatización el control del salto térmico entre las caras, el consumo eléctrico y la disipación son los factores fundamentales para conseguir un alto rendimiento del sistema. En cuanto a sistema de fachada, entre otros aspectos, es importante tener en cuenta que al tratarse de un sistema activo la transmitancia de la fachada variará en función de si el sistema de climatización está activo o no.
Diseño y montaje del prototipo
Diseño del prototipo
Como se ha comentado anteriormente, el sistema se basa en la transmisión de calor entre el ambiente interior y el exterior generado por el fenómeno termoeléctrico. Para ello es necesario disponer de células Peltier y dado que, en este caso, se van a utilizar las células no sólo para refrigerar sino también para calentar es necesario colocar disipadores de calor tanto en la cara interior como en la cara exterior de las células.
Para el diseño del prototipo se ha tomado como referencia las experiencias realizadas en este campo por el equipo investigador, pero en este caso caben destacar algunos aspectos. Por un lado, se ha diseñado específicamente un disipador de calor de aluminio para la disipación hacia el interior, que evite sobrecalentamientos y satisface los requerimientos estéticos propios de cualquier elemento interior visible. Por otro lado, es la primera vez que se utiliza disipación por agua hacia el exterior, utilizando disipadores de calor propios de aplicaciones informáticas, debido a que rendimiento y tamaño encajan perfectamente para esta aplicación. La combinación de los componentes anteriores (una célula Peltier y sus disipadores) configuran una unidad básica denominada equipo termoeléctrico (Tabla III).
Montaje experimental
La unión de seis equipos termoeléctricos compone un módulo que, para poder integrarlo en la fachada, se dispone de una subestructura compuesta de una parte fija que trabaja a forma de premarco y de una móvil que permite extraer el módulo completo para realizar labores de mantenimiento o reparación desde el interior. De esta forma, los disipadores exteriores quedan albergados en la cámara de aire de la fachada y, por su parte, el disipador interior de aluminio hace de elemento visible en la parte interior (Fig. 1). El prototipo final dispuesto se compone de cuatro módulos que trabajan de forma conjunta.
Para controlar las condiciones de la cámara y hacer que el salto térmico entre las caras de la célula sea el menor posible, la hoja exterior de la fachada se compone de un panel sándwich y unas rejillas de ventilación, especialmente pensadas para la disipación de calor en verano. Con el fin de conseguir un óptimo funcionamiento termoeléctrico y al ser, al mismo tiempo, la fachada del edificio es necesario garantizar un adecuado nivel de aislamiento. Para ello, cada uno de los equipos ha sido integrado en un panel rígido de aislamiento, aunque es imposible evitar el puente térmico que las células Peltier provocan cuando el sistema de climatización está apagado. Además, es importante descatar dos novedades de este prototipo. En primer lugar, es la primera vez que el prototipo se instala en un edificio existente y, por otro lado, también es la primera ocasión que se ha integrado con fotovoltaica. De hecho, se ha dispuesto una instalación fotovoltaica compuesta por dieciséis paneles en cubierta y doce baterías para alimentar el sistema termoeléctrico.
Sistema de control
Una de las mejoras fundamentales de esta versión del prototipo ha sido su sistema de control. Se trabaja con elementos termoeléctricos sensibles y delicados, cuyos parámetros deben estar perfectamente controlados para obtener un funcionamiento eficiente. Por ello se ha optado por utilizar unas tarjetas electrónicas que, reguladas por un software, y basadas en el control de la temperatura de las caras de los módulos termoeléctricos, permiten un control preciso de su funcionamiento.
Esta tecnología permite reducir el fallo de las células, ya que incluyen los elementos de seguridad necesarios y, además, facilitan el control a través de un programa de ordenador donde se introducen los valores que se desean obtener. Debido al gran número de módulos termoeléctricos (24) el número de tarjetas asciende a 13, con sus correspondientes fuentes de alimentación. Además, para desarrollar la investigación cada Peltier necesita dos sondas de temperatura y todo el sistema debe ir conectado al ordenador, aumentando considerablemente la complejidad de la instalación.
Análisis
Además de realizar un análisis a nivel global, se han realizado ensayos de períodos cortos de tiempo con el objetivo de calcular la transmisión de calor y el COP del sistema. El flujo de calor en calefacción (1) y en refrigeración (2) y el rendimiento (3) de cada módulo se calcula utilizando las siguientes fórmulas:
Tanto en régimen de verano como en régimen de invierno, se han realizado varios ensayos disponiendo el sistema a diferentes voltajes (4, 6, 8, 10, 12 V). El proceso consiste en analizar el comportamiento de las células hasta que la diferencia de temperaturas entre las caras se estabiliza. En modo calefacción, estos ensayos se han realizado dos veces, en primer lugar, con los ventiladores exteriores encendidos y, en segundo lugar, con los ventiladores apagados. Sin embargo, en modo refrigeración los ensayos se han realizado únicamente con los ventiladores encendidos.
En ambos casos, modo calefacción y modo refrigeración, los resultados muestran que cuanto mayor es el voltaje aportado mayor es la diferencia de temperatura conseguida entre las caras y, por tanto, mayor será el flujo de calor conseguido (Fig.2).
Destaca que, en modo calefacción, los ensayos realizados sin ventiladores muestran una diferencia de temperaturas mayor que los realizados con los ventiladores activos. Sin embargo, en modo refrigeración, con los ventiladores activos, las diferencias de temperatura conseguidas son mucho menores que las obtenidas para esas mismas condiciones en modo calefacción.
Tal y como se deduce de las fórmulas cuanto mayor es el salto térmico entre las caras, mayor es también el flujo de calor que se transfiere. Es decir, la relación entre el voltaje aplicado y el flujo de calor generado es lineal y, este último es siempre menor con los ventiladores activos. Además, los flujos de calor conseguidos son menores para el modo refrigeración que para el de calefacción (Fig. 3).
No obstante, aunque el flujo aumente con el voltaje, también aumenta, en la misma proporción, la potencia eléctrica consumida, y por tanto el rendimiento conseguido es menor. Al consumo eléctrico propio de las células Peltier hay que añadir el consumo de los ventiladores, cuando estos están activos (Fig. 4).
En términos generales, los resultados obtenidos cuando el sistema funciona en modo calefacción son coherentes y demuestran que es posible calentar un espacio utilizando únicamente un sistema de climatización termoeléctrico. Los rendimientos varían entre 1,1 y 2,2 cuando los ventiladores están encedidos. Sin embargo, los resultados no muestran la misma coherencia cuando el sistema funciona en modo refrigeración. De hecho, aunque se intuye la relación lineal entre el flujo y el voltaje, los datos obtenidos son más dispersos. Además, el rendimiento varía entre 0,4 y 1,7.
Los resultados obtenidos llevan a concluir que es necesario aumentar el nivel de aislamiento global del módulo y la hermeticidad de este, aunque, ante todo, es imprescindible aumentar el aislamiento de la hoja exterior para conseguir controlar la temperatura de la cámara de aire y reducir así el salto térmico entre la cámara y el interior y, por tanto, mejorar el rendimiento. Esto confirma que el principal reto está relacionado con la integración del sistema como elemento de fachada, siendo necesario mejorar el diseño, no sólo del módulo, sino del entorno en general, para que el módulo pueda comportarse de forma óptima como un elemento de fachada.
Ciertamente se trata de valores inferiores a los actuales sistemas de climatización, pero es necesario evaluar estos resultados asociados a edificios con una demanda de calefacción baja o prácticamente nula. Por ejemplo, las demandas exigidas actualmente por el CTE para los edificios de consumo casi nulo no deben exceder los 10 W/m2 de pico de demanda. Para establecer una relación con los resultados obtenidos, para la climatización de una habitación de 15 m2 sería suficiente con la instalación de un único módulo trabajando a 8 V.
Conclusiones
De acuerdo con la literatura científica, y hasta donde han podido averiguar los responsables del presente proyecto acudiendo a diferentes congresos internacionales y en reuniones con investigadores de otras universidades, no se ha encontrado un prototipo equivalente al que actualmente se ha conseguido montar, lo cual creemos que debe ser motivo de satisfacción. Este prototipo ha supuesto un salto cualitativo con respecto a los prototipos anteriores, confirmando el potencial que la termoelectricidad tiene en este campo, aunque siguen existiendo algunos puntos que precisan de cierto desarrollo para ser optimizados para, finalmente, poder comercializar el sistema.
En términos generales, es necesario optimizar la parte electrónica. El análisis también demuestra que es posible reducir el número de células. Las diferentes posibilidades de conexión eléctrica (serie y paralelo) de las Peltier puede jugar un papel fundamental para alcanzar esta mejora permitiendo disminuir el cableado y la complejidad técnica asociada. Es necesario continuar trabajando en la integración del sistema en la fachada y en su industrialización. Actualmente, ha sido concedida la segunda parte del proyecto que va a permitir optimizar todos estos aspectos.
Asimismo, uno de los puntos clave de la investigación ha sido la incorporación de una instalación fotovoltaica, que ha permitido que el sistema sea autónomo de la red eléctrica durante al menos un día completo. Esto refuerza el potencial de la utilización de bombas de calor termoeléctricas asociadas a los edificios de consumo de energía casi nulos.
Sin lugar a duda, nos encontramos ante una solución única en el mercado actual que puede llegar a representar una alternativa perfecta para la incorporación en los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo, donde la demanda energética será mínima y deberá alimentarse con energía renovable.
Referencias
- -S. Huang, Y.-C. Weng, Y.-W. Chang, S.-L. Chen, and M.-T. Ke, “Thermoelectric water-cooling device applied to electronic equipment,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 37, no. 2, pp. 140–146, Feb. 2010.
- Donaldson, Batteries, fuel cells, and alternative energy sources for military vehicles. Zeitschriftenaufsatz, 2015.
- Yang and F. R. Stabler, “Automotive Applications of Thermoelectric Materials,” J. Electron. Mater., vol. 38, no. 7, pp. 1245–1251, 2009.
- Martin-Gomez, M. Ibanez-Puy, J. Bermejo-Busto, J. A. Sacristan Fernandez, J. C. Ramos, and A. Rivas, “Thermoelectric cooling heating unit prototype,” Build. Serv. Eng. Res. Technol., vol. 37, no. 4, pp. 431–449, Jul. 2016.
- Gayner and K. K. Kar, “Recent advances in thermoelectric materials,” Prog. Mater. Sci., vol. 83, pp. 330–382, 2016.
- Ibañez-Puy, J. Bermejo-Busto, C. Martín-Gómez, M. Vidaurre-Arbizu, and J. A. Sacristán-Fernández, “Thermoelectric cooling heating unit performance under real conditions,” Appl. Energy, vol. 200, 2017.
- Ibañez-Puy, C. Martín-Gómez, J. Bermejo-Busto, J. A. Sacristán, and E. Ibañez-Puy, “Ventilated Active Thermoelectric Envelope (VATE): Analysis of its energy performance when integrated in a building,” Energy Build., vol. 158, 2018.