Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Alberto Ortiz de Elgea, Responsable de Innovación y Sostenibilidad, VISESA
- David Grisaleña, Técnico de Innovación y Sostenibilidad, VISESA
- Patxi Hernández, Investigador Eficiencia Energética, TECNALIA
- Julen Hernández, Investigador Eficiencia Energética, TECNALIA
- Íñigo Urra, Investigador Eficiencia Energética, TECNALIA
Resumen
Este artículo presenta un Análisis de Costes de Ciclo de Vida de distintas soluciones para calefacción y ACS en un bloque de 32 viviendas sociales en Santurtzi, Bizkaia. Las viviendas incluyen criterios ya habituales en la promoción de vivienda pública del Gobierno Vasco en cuanto a alto nivel de aislamiento y reducción de puentes térmicos e infiltraciones, resultando demandas térmicas muy bajas. El análisis de soluciones activas teniendo en cuenta el ciclo de vida completo, nos permite seleccionar las opciones más adecuadas para el promotor y/o el usuario. Un adecuado comisionado y monitorización de la instalación complementa el análisis para poder ofrecer garantía de comportamiento tanto al futuro propietario (gestor público de alquiler social) como a los usuarios de las viviendas.
Palabras clave
Reducción de Costes, Viviendas Sociales, Edificios Energía Casi Nulo, Bombas de Calor, Análisis Económico, Ciclo de Vida, Ciclo de Costes, Comisionado, Medida, Verificación
Introducción
En las últimas décadas los sistemas de calefacción y agua caliente de los edificios residenciales, en particular para vivienda social en el País Vasco, han venido alimentándose crecientemente con gas natural. Los actuales estándares de construcción, con reducidas demandas energéticas, permiten la oportunidad de explorar nuevas soluciones que van más allá del gas natural, por ejemplo, hacia la electrificación del suministro térmico (Agua Caliente Sanitaria y calefacción) a través del uso de bombas de calor. La visión de un mix eléctrico que progresivamente irá reduciendo su impacto ambiental mediante la incorporación de una proporción cada vez mayor de energías renovables; y el potencial para la generación in situ que ha evolucionado en los últimos años hacia un coste asequible (principalmente con el uso de paneles fotovoltaicos), anticipan un aumento del uso de las bombas de calor en el futuro inmediato. En este escenario se vuelve, si cabe, más importante asegurar el rendimiento de las instalaciones mediante procesos de Comisionado y protocolos de Medida y Verificación aplicados de forma sistemática.
Caso de estudio: Santurtzi B-87
Aprovechando la promoción de un nuevo edificio residencial por parte de VISESA (promotora de vivienda social del Gobierno Vasco) enfocado a su uso en alquiler social, se han estudiado una serie de tecnologías alternativas para calefacción y Agua Caliente Sanitaria (ACS) con el fin último de contribuir a un aumento de la asequibilidad de estas viviendas tanto en sus fases de construcción como de uso y mantenimiento.
El nuevo edificio está situado en Santurtzi (Bizkaia), con un clima templado (clasificación climática de Köppen-Geiger Cfb) y 1.023 grados día de calefacción (15 grados de temperatura base). El programa del edificio comprende 32 apartamentos en 6 pisos, con un total de 2.885 m2 de superficie útil y una orientación Norte-Sur. La construcción se terminó en verano de 2019 y será entregada a ALOKABIDE (empresa de Gobierno Vasco encargada de gestionar el alquiler social) a finales de 2019 para su entrega a los usuarios a lo largo de los primeros meses de 2020.
El edificio ha sido diseñado para cumplir altos estándares de eficiencia energética, más allá de las actuales regulaciones nacionales (CTE 2006), e incluso por encima de lo contemplado en el borrador del futuro CTE. Esto es posible gracias a un detallado diseño para la reducción de infiltraciones y puentes térmicos, la instalación de ventilación mecánica de doble flujo con recuperación de calor y unas excelentes características térmicas para la envolvente. La demanda de calefacción calculada para una vivienda de estas características y zona climática es, en consecuencia, muy baja: sólo 6 kWh/m2·a, por debajo de la demanda esperada para ACS que es de 12 kWh/m2·a. En lo relativo a sistemas de refrigeración, no se han instalado dado que la demanda es muy baja en esta zona climática y la ventilación natural, especialmente nocturna, es suficiente para alcanzar los valores de confort.
Estas demandas energéticas tan bajas, abren la puerta a la reconsideración de las estrategias para suministro de energía en este tipo de edificios, dado que una de las principales ventajas del gas natural es el suministro de una potencia base elevada e inmediata podría no ser necesaria para edificios de bajo consumo energético con picos de demanda igualmente bajos.
Diferentes opciones de sistemas de ACS y calefacción
La tabla I describe los diferentes sistemas de ACS y calefacción que han sido considerados para el edificio, los cuales combinan el uso de la tecnología de Bombas de Calor (BdC) con diferentes fuentes de obtención del calor (aire, geotermia y mixta).
La opción 1 con calderas de gas, incluye una instalación solar térmica con 14 paneles de 2,52 m2 cada uno, lo que cubriría el 32% de la demanda anual de ACS, ya que esto ha sido un requisito de la normativa para cumplir la contribución mínima de renovables. La opción 2 utiliza bombas de calor aire-agua y la opción 4 bombas de calor geotérmicas. La opción 3 es una opción mixta que puede aerotermia y geotermia según cuál sea la temperatura de la fuente de calor (aire exterior o terreno). La opción 5 se refiere a instalaciones individuales en cada vivienda.
Para todas las bombas de calor, y suponiendo unos coeficientes de rendimiento estacional (SCOP) como los definidos en la Tabla I, los requerimientos de contribución de energía renovable quedarían suficientemente cubiertos, dado que la energía renovable de las bombas de calor se calcula según lo establecido en la Directiva de Energía Renovable [1]. Además, es necesario tener en cuenta que el rendimiento de la bomba de calor dependerá del rendimiento de la instalación de la que forman parte, incluyendo varios depósitos de inercia y de almacenaje, numerosas bombas e intercambiadores de calor y una lógica de control que deberá ser programada. Por tanto, los valores de rendimiento estacional, emitidos por los fabricantes de acuerdo a procedimientos de testeo estándares como el EN 14825 [2], necesitarán ser ajustados al rendimiento real de la instalación de la que forman parte y a las demandas estimadas. Los valores mostrados en la Tabla I parten de cálculos realizados con la herramienta de certificación energética HULC [3], ajustada posteriormente a las particularidades de esta instalación que el software no es capaz de modelar, como por ejemplo las pérdidas de los distintos sistemas de almacenamiento y distribución.
A partir de estas estimaciones acerca del rendimiento energético de los diferentes sistemas, se han calculado, y se presentan en la Tabla II, los consumos finales de energía para calefacción y ACS para este edificio. En esta tabla no se añaden los consumos de energía auxiliar dado que el sistema de distribución, que es prácticamente estándar en este tipo de edificios, se ha mantenido en todas las opciones.
Resultados para el Análisis de Ciclo de Vida medioambiental y de costes
Este estudio pretende servir de ejemplo sobre cómo las decisiones sobre sistemas energéticos pueden tener en cuenta una perspectiva de ciclo de vida. El rendimiento económico y medioambiental ha sido evaluado desde la perspectiva de ciclo de vida conforme a la norma EN 15978:2011 [4], y a la norma EN 16627:2015 [5]. El análisis considera el impacto de los productos (A1 – A3, fabricación de los sistemas), el proceso de instalación in situ (A4 – A5) y la etapa de uso (B1 – B7, incluyendo operación y mantenimiento). El periodo de tiempo de estudio para este análisis ha sido de 15 años. La unidad funcional seleccionada para el análisis ha sido 1kWh de calor entregado a las viviendas, para calefacción y agua caliente.
Evaluación medioambiental
Se ha usado la base de datos ECOINVENT LCA [6], con el fin de atribuir un valor de impacto medioambiental a cada uno de los diferentes productos que conforman las instalaciones planteadas, como calderas de gas, paneles solares, bombas de calor, pozos de geotermia, depósitos, etc.; así como los impactos relacionados con el consumo de electricidad y gas. Se han calculado distintos indicadores medioambientales de acuerdo al estándar EN 15978. La Figura 2 muestra los resultados para el indicador de potencial de calentamiento global.
Se puede observar de forma clara cómo el principal impacto medioambiental es, como era esperable, el relativo al consumo de energía en la etapa de uso (B6), y cómo el impacto de la etapa de producto (A1 – A5) es relativamente bajo. Los resultados para las soluciones con bomba de calor, incluso cuando el actual mix eléctrico (considerado constante para los 15 años de periodo de estudio), se muestran favorables para este indicador.
Evaluación económica
Para cuantificar los indicadores de coste sobre el periodo de estudio, es necesario desarrollar una serie de escenarios y hacer determinadas asunciones en algunas variables. Este análisis considera una tasa de descuento real del 3%, e incrementos conservadores en el precio del 0.5% en la electricidad y el 1% para el gas. Los costes para cada opción se han desagregado en la Tabla III (costes de producción e instalación), y en la Tabla IV (costes de mantenimiento).
Una instalación centralizada de bombas de calor de aerotermia necesita contratar una potencia estimada de 45 kW para los periodos pico, comparado con los 25 kW contratados para instalaciones centralizadas de bombas de calor de geotermia. Para instalaciones de bombas de calor individuales, cada vivienda necesitaría contratar una potencia adicional, que se ha estimado en 3kW, lo que incrementa de forma importante los costes fijos de operación para los usuarios. Por su parte, las instalaciones de gas tienen la ventaja de unos costes fijos muy bajos. La Figura 3 muestra los resultados para los costes operacionales para las opciones consideradas, exponiendo los costes fijos y variables (energía) por kWh de calor entregado.
Del análisis de costes puede extraerse que los bajos costes fijos de la opción de caldera de gas hace de esta solución una opción interesante desde un punto de vista de costes operacionales de energía, solo por detrás de la opción de bombas de calor de geotermia. Las bombas de calor individuales, debido a los costes fijos y variables, se destacan como la opción más cara en este caso. Para poder comparar todas las tecnologías en el periodo de estudio seleccionado de 15 años, es necesario añadir a los costes operacionales de energía costes de otras etapas del ciclo de vida.
Debido a una menor inversión inicial y un coste operacional competitivo, las instalaciones de gas apoyadas por sistemas de calentamiento de agua solar son las más económicamente favorables para el edificio caso de estudio. Las instalaciones de geotermia ofrecen el coste operacional de energía más bajo, y el coste más bajo para los usuarios considerando también el mantenimiento, pero por el contrario requieren de inversiones iniciales elevadas, de forma que el coste toral de ciclo de vida es mayor que las opciones de gas y aerotermia centralizada. Si bien, es necesario subrayar que si se considera el valor residual de los pozos de geotermia, que tienen una vida estimada de 50 años muy por encima de los 15 años del estudio, los resultados en cuanto a coste de ciclo de vida serían similares a los de las estaciones centralizadas de aerotermia. Por su parte, las instalaciones individuales de aerotermia son la solución más cara para este edificio en todas las categorías de coste (instalación, mantenimiento y operación).
Discusión de los resultados y conclusiones
La mayoría de los impactos de ciclo de vida para entregar calor ocurren durante la fase de operación. El total de emisiones de CO2 del ciclo de vida han demostrado que el gas, que frecuentemente se cita como un combustible de transición y de bajo carbono y todavía hoy es uno de los principales combustibles para calefacción en España, tiene mayores emisiones de CO2 que soluciones alternativas basadas en la tecnología de bombas de calor, incluso con el actual mix eléctrico. Del estudio de los costes de ciclo de vida, se desprende un resultado muy diferente. La instalación de gas, respaldada por un sistema de calentamiento de agua solar, destaca como la opción más coste – efectiva para el suministro de ACS y calefacción en el edificio considerado. La baja inversión inicial sumado a su contenido coste energético operacional, sólo cuestionado por soluciones de bomba de calor geotérmica más eficientes, deja clara la dificultad de competir únicamente en términos de coste con esta solución estándar.
Comparando las soluciones de bomba de calor, la aerotermia centralizada destaca como la más competitiva, aunque con un periodo de estudio mayor (p.ej.: 50 años), la solución geotermal sería competitiva en términos de coste. Las bombas de calor individuales son la opción más cara, debido a la inversión inicial elevada y un mayor coste operacional.
Como conclusión final, las bombas de calor pueden ser una buena solución para reducir las emisiones de CO2, por la posibilidad de usar, de manera creciente, energía eléctrica de origen renovable, también de generación in situ. Aunque económicamente todavía cuentan con una fuerte competencia desde el suministro de gas.
Las grandes dosis de incertidumbre al calcular el coeficiente de rendimiento estacional de las instalaciones subrayan la necesidad de establecer protocolos robustos de comisionado y Medida y Verificación para edificios que incorporen tecnología de bombas de calor, procedimientos que en este caso ya se están implementando en el edificio utilizado como caso de estudio.
Agradecimientos
Los autores agradecen la financiación recibida del programa Horizon 2020 de la UE, dentro del contrato nº 754174, correspondiente al proyecto AZEB “Affordable Zero Energy Buildings” en el que se enmarca ese análisis.
Referencias
- DIRECTIVE (EU) 2018/2001 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 11 December 2018, on the promotion of the use of energy from renewable sources (recast)
- EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION (2016), EN 14825:2016 Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling. Testing and rating at part load conditions and calculation of seasonal performance
- HULC (2016). Herramienta unificada LIDER-CALENER, versión 1.0.1493.1049. Disponible en: http://www.codigotecnico.org/
- EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION (2011), EN 15978
- EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION (2015), EN 16627:2015
- Wernet, G., Bauer, C., Steubing, B., Reinhard, J., Moreno-Ruiz, E., and Weidema, B., 2016. The ecoinvent database version 3 (part I): overview and methodology. The International Journal of Life Cycle Assessment 21 (9), pp.1218–1230.