Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Francisco Serna, Jefe de proyectos, Departamento de Energética Edificatoria, CENER
- Marta Sampedro, Arquitecto, Departamento de Energética Edificatoria, CENER
Resumen
Los avances tecnológicos en los últimos años, y las últimas políticas en eficiencia energética y energías renovables aprobadas en España y Europa principalmente, hacen pensar, sin ningún tipo de duda, que el futuro de la energía a medio plazo pasa por un consumo muy mayoritariamente eléctrico, en todos los ámbitos, dejando los combustibles fósiles para usos residuales o industrias específicas donde estos combustibles todavía sean rentables. Por otro lado, y a falta de tener una definición oficial por parte de la UE del estándar de edificio de energía positivo, cabe pensar que el modo mas rentable en un futuro inmediato de conseguir dicho estándar, pase mayoritariamente por el diseño de edificios “todo eléctricos” y con un aporte de energía solar fotovoltaica muy considerable. Además, las nuevas políticas energéticas en España (y en Europa) relacionadas con el sector eléctrico, van en la línea de la implantación del autoconsumo, y en especial el autoconsumo compartido. En esta línea, se desarrolla el proyecto Solarhaus, que la promotora Construcciones Domeño, está haciendo realidad en el barrio de Ripagaina (Pamplona).
Palabras clave
Edificios Energía Positiva, Aerotermia, Solar Fotovoltaica, Autoconsumo, Eficiencia Energética
Promoción Solarhaus – Más allá del CTE 2019
Antecedentes
Se está viviendo un cambio de modelo energético a nivel mundial, con mayor intensidad en unos sectores que en otros. En el sector de la edificación la tendencia tanto normativa como tecnológica, está motivando que los edificios de energía casi nula estén empezando a implantarse en el mercado. Sin embargo, a pesar de su incipiente incorporación, ya hay voces que abogan por ir más allá, promoviendo el desarrollo y ejecución de edificios de energía positiva. Es precisamente, en este contexto, en el que se desarrolla la promoción que aquí se presenta.
La promoción Solarhaus estará ubicada en el barrio de Ripagaina de Pamplona, y consta de dos bloques de viviendas, uno en régimen de VPT y otra en régimen libre, con un total de 72 viviendas, y se ha diseñado para genere al menos la misma energía que la necesaria para satisfacer las necesidades de calefacción, ACS y electricidad para zonas comunes (no hay refrigeración), mediante una solución tecnológica fundamentada en la idea del edificio “todo eléctrico”. Esta nueva promoción supera sobradamente los requisitos establecidos para los edificios de consumo de energía casi nulo que se deberán de cumplir con el próximo CTE.
Estos edificios serán promovidos y construidos por Construcciones Domeño, cuenta con la colaboración del Departamento de Energética edificatoria de CENER (Centro Nacional de Energías Renovables), la participación de NAVEN como Ingenieros y han sido proyectados por el estudio de Arquitectura Tabuenca y Saralegui.
Definición PEB
Actualmente no hay definición oficial del estándar PEB por parte de la Comisión Europea, aunque hay una variedad de propuestas diferentes en toda Europa, que hace que sea difícil de entender lo que realmente se está caracterizando como un PEB.
Se pueden tener en cuenta, diferentes niveles de ambición, desde incluir solo la energía para satisfacer los mínimos niveles de confort del edificio, hasta incluir la energía embebida en los materiales de construcción, y todos los consumos energéticos del mismo. En función del grado de ambición que se desee adoptar al estándar, el GBPN [1] propone la siguiente clasificación:
Asimismo, deberían fijarse unos límites que establezcan, el origen y la tipología de las fuentes de energía renovable, que puedan ser admitidos en la definición del estándar, así el JRC [2] propone la siguiente distinción, donde se considera razonable incluir sólo las energías renovables “On-site” (Zona sombreada en azul), para el cómputo, en este caso, del estándar ECCN:
Por último, es fundamental establecer el indicador energético con el que se va a evaluar el estándar. En relación con los edificios EECN, la UE [3] recomienda a los estados miembros utilizar al menos un indicador de energía primaria para la evaluación de este estándar, expresado en kWh/(m2/año), y en concreto, el de energía primaria neta, entendida como la energía primaria necesaria para satisfacer las necesidades energéticas del edificio, menos la autoconsumida junto con la exportada a la red proveniente de las fuentes de energía renovable in situ [4].
Estrategia energética
“Domeño Solarhaus”, es una promoción de viviendas que consume fundamentalmente energía eléctrica, la cual es suministrada por una gran instalación solar fotovoltaica situada en la cubierta, dimensionada para generar al menos, la misma cantidad de energía que los edificios van a consumir en calefacción, ACS y los servicios comunes de los mismos (ventilación, iluminación, ascensores, etc.
Para poder cumplir con estos exigentes objetivos, se ha realizado un gran esfuerzo en el diseño, tanto desde el punto de vista de envolvente como de sistemas, con un altísimo grado de eficiencia en todos sus elementos.
Sistema de Generación
Como sistema de generación de energía eléctrica se ha propuesto una instalación fotovoltaica en la cubierta de sus dos edificios, priorizando la producción de electricidad frente a la rentabilidad económica. Con este objetivo de obtener la máxima energía generada posible, y utilizando el software de dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas PVsol 2018, se han analizado diferentes configuraciones, en las que se han empleado diferentes inclinaciones de los paneles, diferentes tamaños y potencias (de 60 células y de 72 células) y diferentes disposiciones geométricas, teniendo en cuenta, entre otros factores, la superficie útil disponible, las sombras de los elementos en cubierta (shunts y casetones de ascensores), y la normativa urbanística aplicable.
Con esta configuración se obtiene una instalación de 99.3kWp con una producción estimada al año de 126.800 kWh.
Por otro lado, para satisfacer las necesidades de calor de los vecinos (calefacción y ACS), se ha propuesto el uso de bombas de calor aire-agua de muy alta eficiencia. Normalmente, los elementos exteriores de estas bombas de calor se sitúan en unos casetones situados en las cubiertas de los edificios. En este caso, al haber priorizado la instalación del campo solar en la cubierta, se ha optado por reubicar los sistemas de climatización, recurriendo a una solución novedosa, muy ventajosa desde un punto de vista de eficiencia energética, que es situarlas en los garajes. Con esta configuración, el sistema utilizará el calor existente en el flujo de aire necesario para la ventilación del garaje, antes de expulsarlo al exterior, con lo que se está mejorando la eficiencia de estos equipos respecto a si estuvieran en la cubierta del edificio (el aire del garaje está algo más atemperado que el aire exterior). No obstante, a pesar de que el sistema principal es eléctrico, para asegurar la fiabilidad del sistema, sobre todo en condiciones climáticas muy adversas donde las bombas de calor podrían ver disminuida su capacidad de suministro, el sistema se refuerza con una caldera de gas natural de alta eficiencia, por si fuera necesaria su utilización en dichas situaciones.
Dado que la energía eléctrica que se genera es gratuita, se priorizará su autoconsumo, haciendo funcionar las bombas de calor en los momentos de máxima producción y utilizando, siempre que se pueda, los excedentes fotovoltaicos para calentar los depósitos de inercia, como si fuera un sistema de acumulación de energía intradiario. El sistema contará para ello, con dispositivos de control inteligente que garanticen el funcionamiento optimizado tanto desde un punto de vista energético como económico.
Comportamiento pasivo – Confort
Desde el punto de vista del comportamiento pasivo del edificio, Solarhaus consigue ir más allá del estándar de edificios de consumo casi nulo, incorporando un elevado índice de aislamiento en su envolvente, vidrio triple en todas las orientaciones, un tratamiento especial de puentes térmicos y recuperadores de calor individuales de muy alta eficiencia, que junto con una cuidada puesta en obra (sobre todo en aspectos de hermeticidad) dotarán a los edificios de un comportamiento térmico excelente.
El sistema de ventilación cuenta con recuperadores de calor individuales de aire de doble flujo y caudal variable y ajustable. Este sistema extrae el aire viciado del interior de las viviendas, extrayendo previamente la energía contenida en él, e incorporándola al aire nuevo y limpio procedente del exterior. Además, de la reducción significativa del CO2 del aire interior, el sistema incorpora filtros del tipo f7 que reduce elementos externos contaminantes que filtran el 100% del polen, el 100% de las esporas de moho, el 75% de los virus y el 90% de las bacterias. Se estima que estos recuperadores de calor, pueden llegar a disminuir las demandas energéticas en calefacción hasta un 40%.
Balance energético
El cálculo de los consumos energéticos esperados del edificio es complejo, ya que depende de muchos factores (climatología, grado de ocupación de las viviendas, regulación de los sistemas de climatización, pérdidas en la instalación, comportamiento del usuario, etc.) Los programas de certificación y de simulación energética de edificios, suelen tener en cuenta todas estas variables, pero suelen fijar unos valores estándar (o normativos según los casos) para poder homogeneizar resultados y poder obtener comparativas o bien establecer una calificación energética en los programas de certificación. En algunos programas estos valores pueden ser modificados por el evaluador, pero en otros no (normalmente en los programas de certificación hay variables que no pueden ser modificadas). La realidad es, que rara vez coinciden los valores fijados por los programas con los valores reales de estas variables. Así, la climatología varía todos los años, produciendo veranos, e inviernos más o menos rigurosos; la regulación no siempre es la idónea y las pérdidas en las instalaciones varían enormemente en función del diseño y de la ejecución; la ocupación de las viviendas es muy dispar (sobre todo en promociones muy nuevas), y el comportamiento del usuario en relación al uso de los sistemas de climatización y del agua caliente sanitaria, no es fácilmente predecible. Por ello, en este caso, teniendo en cuenta que uno de los objetivos del proyecto era establecer el grado de autonomía energética de los edificios de la promoción Solarhaus, se ha optado por utilizar como punto de partida, datos reales de monitorización (consumos reales basados en facturas, tanto de gas como de electricidad) de promociones anteriores y en simulaciones energéticas calibradas con estos datos reales, mediante el software Energy Plus. Este procedimiento permite obtener resultados más fiables en cuanto a las previsiones futuras de consumos energéticos de las viviendas. Los resultados obtenidos de las simulaciones calibradas pueden verse en la siguiente figura:
La estimación de los consumos de gas se ha realizado en base a que este sistema cubra estrictamente los picos horarios de potencia, que las bombas de calor no son capaces de dar. No obstante, en este cálculo no se ha tenido en cuenta los efectos de los sistemas inteligentes de gestión de la energía, anteriormente citados, y su efecto sobre la atenuación de dichos picos a través de los depósitos de acumulación. Por ello, en la práctica, se espera que la caldera de gas entre en funcionamiento de forma ocasional y por tanto que la aportación de ese sistema sea menor del 6%.
Si nos centramos en los consumos de electricidad, se estima que los consumos teóricos y de producción de energía anuales para los nuevos edificios SOLARHAUS sean:
- Consumo eléctrico en ACS: 31.578 kWh al año ≈ 4.9 kWh/m2
- Consumo eléctrico de calefacción: 62.659 kWh al año ≈ 9.7 kWh/m2
- Consumo de ventilación Garajes + consumo portales: 24.140 kWh al año ≈ 3.8kWh/m2
El total de estos consumos anuales estimados ascienden a 118.377kWh/año. Teniendo en cuenta que la producción anual estimada de energía eléctrica, proveniente del campo fotovoltaico asciende a 126.852 kWh, el superávit energético, en términos globales superaría los 8.000kWh (sin contar el consumo energético para otros usos, como electrodomésticos, equipamiento o iluminación en las viviendas).
Analizando conjuntamente los datos de generación y consumo eléctrico, mediante la aportación de los valores horarios de los consumos eléctricos obtenidos de las simulaciones calibradas de Energy Plus, en el software PVsol 2018, se obtienen una estimación de los diferentes flujos de energía que se van a producir en los edificios (energía se autoconsumida, exportada a la red, adquirida de la red…). En la siguiente imagen se puede observar estos flujos de energía en términos mensuales:
De los datos mostrados anteriormente, se extrae que el porcentaje de energía autoconsumida está alrededor del 32.5%, exportándose a la red el 67.5% restante. Puede parecer que el dimensionamiento del sistema fotovoltaico sea excesivo, pero hay que recordar que el objetivo de este proyecto es el de alcanzar el estándar PEB, y no el de obtener la máxima rentabilidad a la instalación fotovoltaica.
Análisis comparativo
Se ha realizado un análisis comparativo de la promoción SOLARHAUS en relación con las normativas edificatorias actualmente en vigor, así como con la futura normativa en edificación CTE 2019.
A día de la redacción de este artículo, la calificación energética oficial en España se rige mediante el cálculo de dos indicadores, Epnr (Energía primaria no renovable en kWh/m2 año) y emisiones de CO2 (kgCO2/m2 año). Para la certificación de la promoción SOLARHAUS, y para la obtención de los valores de estos indicadores se ha utilizado el programa CE3X. En el análisis se han comparado los consumos de energía primaria no renovable, en tres casos:
- El edificio con un consumo máximo de energía primaria no renovable con la calificación A, según el CTE en vigor
- El edificio con un consumo máximo de energía primaria no renovable que cumpla con el CTE 2019
- El edificio Solarhaus
Los resultados pueden verse en los siguientes gráficos:
Puede verse, que en el edificio SOLARHAUS, el indicador de energía primaria no renovable se sitúa prácticamente en cero y muy alejado del límite que la nueva normativa CTE 2019, va a fijar para la zona climática correspondiente (el valor de 0.6 kWh/m2 corresponde a la energía primaria correspondiente al consumo residual de gas, para ACS y calefacción). Señalar que el indicador de energía primaria no renovable (Epnr) tanto en el caso del CTE 2019 como en el caso del edificio SOLARHAUS, se ha calculado de acuerdo a la norma PNE-EN ISO 52000-1, teniendo en cuenta en dicho cálculo, tanto la energía fotovoltaica autoconsumida como la inyectada en la red.
Gestión energética
En esta tipología de edificios, donde existe una sala de calor centralizada y un sistema de producción fotovoltaica de una potencia considerable, la gestión energética de la instalación, así como de los excedentes fotovoltaicos es clave para poder obtener la máxima rentabilidad de la instalación, y poder reducir la factura eléctrica con el consiguiente ahorro económico para los propietarios.
Desde el punto de vista de la generación de energía térmica en la sala centralizada, la instalación contará con sistemas de control inteligente, que actúen sobre los sistemas de producción de agua caliente, para optimizar los recursos y obtener mayores ahorros energéticos y económicos.
Desde el punto de vista de la generación de energía eléctrica, el proyecto está ligado íntimamente a la normativa regulatoria en materia de autoconsumo. De este modo, tras la aprobación del Real Decreto 244/2019, se abren las puertas para la implantación de este tipo de actuaciones con diferentes modalidades de autoconsumo (e incluso autoconsumo compartido).
Llegado el momento de la puesta en funcionamiento del edificio, se analizará la situación normativa en vigor y se estudiarán las diferentes modalidades de conexión (modalidad de autoconsumo sin excedentes o con excedentes con o sin compensación de dichos excedentes), para establecer el modelo idóneo para los intereses de los usuarios.
Actualmente se está en contacto con diversas comercializadoras de energía, para analizar, en función de las peculiaridades de esta promoción, las opciones de gestión más adecuadas para el usuario.
Referencias
- Golbal Buildings Performace Network. “Defining Positive Energy – A Spectrum Approach”
- JRC. Development of NZEBs concept in Member States, Joint Research Centre (JRC)—European Commission
- Recomendación (EU) 2016/1318 de la Comisión de 29 de Julio de 2016. Punto 2.2
- Recomendación (EU) 2016/1318 de la Comisión de 29 de Julio de 2016. Punto 2.1.1