Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Bruno Arballo, Becario CONICET/UNSJ, Instituto Regional de Planeamiento y Hábitat (IRPHa)
- Ernesto Kuchen, Investigador CONICET, Instituto Regional de Planeamiento y Hábitat (IRPHa)
- Alción Frank, Becaria CONICET, Instituto Regional de Planeamiento y Hábitat (IRPHa)
- Yesica Alamino, Becaria CONICET/UNSJ, Instituto Regional de Planeamiento y Hábitat (IRPHa)
Resumen
El sector edilicio es responsable del 40% del consumo de energía mundial y del 51% en la Provincia de San Juan, Argentina. El objetivo del trabajo es evaluar estrategias de reducción del consumo energético mediante la introducción de conceptos de energía casi nula en edificios existentes. En este trabajo se estudia el Edificio del Rectorado de la Universidad Nacional de San Juan (UNSJ), el comportamiento del usuario, los costos de operación y gestión de energía y el potencial uso de energías renovables. A través de la aplicación de las estrategias de bajo costo, la demanda energética llega a cubrirse en un 80%. La incorporación de energía renovable, permite cubrir el 100% de la demanda energética, alcanzando la meta de energía casi nula con una recuperación de la inversión en 4 años.
Introducción
Según datos recientes de la Secretaría de Energía de la Nación Argentina (SEN), el 87% de la energía primaria del país, proviene de hidrocarburos. Como medida de ahorro el Decreto 140/2007, propone la reducción del 10% del consumo de energía en edificios públicos. Aunque esta medida es para el corto plazo, es un primer paso en cuidado de recursos energéticos. A nivel mundial, las edificaciones representan alrededor del 40% del uso de energía, constituyéndose naturalmente en potenciales escenarios de ahorro de energía y emisiones.
Un edificio con una alta eficiencia energética genera bajo impacto ambiental (EnBop, 2008, en Toranzo et al., 2012). En Edificios Energía Casi Nula (del inglés Net Zero Energy Buildings, NZEB), la gestión del uso de la energía se basa en reducir al mínimo la demanda del edificio combinando estrategias de costo cero en la fase de ocupación (adaptación del usuario) y de bajo costo en la fase de operación (control y optimización), con mejoras constructivas de la envolvente del edificio e implementación de energía renovable generada in situ.
Según estudios en edificios locales llevados a cabo en proyecto PICT2009-0014 Res.ANPCyT-304/2010, “EEC, Eficiencia Energética y Confort en Espacios de Trabajo», el usuario es responsable del mal uso de la energía y los ítems climatización y aparatos de consumo eléctrico (ACE), sobre los cuales debe aplicarse estrategias de uso racional y eficiente de la energía (URE).
De considerar la elevada radiación solar en la región (San Juan, Argentina), el creciente aumento del costo energético (incremento >300% en 2016), se llega a justificar el empleo de tecnología fotovoltaica, en pos de alcanzar la meta NZEB. En este contexto, el objetivo de la investigación es definir potenciales de ocupación, operación y gestión para aplicar el potencial NZEB en edificios públicos. Para ello, se toma el Edificio de la Sede Central de Rectorado de la Universidad Nacional de San Juan, Argentina en adelante “ECU”, se detectan potenciales de reducción del consumo energético, se implementan estrategias de bajo costo y se estudia el potencial empleo de energía solar. Finalmente, se fundamenta una propuesta de mejora para el edificio, definida en términos de viabilidad económica y aplicación en el contexto local.
Metodología
Para el análisis, se consideran los fundamentos NZEB desarrollados en Hootman (2013). Los datos del edificio en análisis, se toman mediante trabajo de campo. Se realizan mediciones y encuestas simultáneas en el edificio de Rectorado de la UNSJ, en las tres estaciones (invierno, verano y período transitorio). La observación del edificio es de tipo transversal y la cantidad de datos relevados (25 espacios), permite conseguir una distribución normal. Se releva la potencia instalada en climatización y artefactos de consumo eléctrico, se relevan datos de consumo y se detectan potenciales de ahorro energético de baja y elevada inversión. Se elabora una propuesta de NZEB para el edificio ECU.
Desarrollo
Concepto NZEB
Un edificio NZEB se define como aquel en que el balance energético está en equilibrio. En estos, la cuota económica del costo de energía es cero durante un período de tiempo (anual). En general presentan alto rendimiento energético, la gestión de la energía es racional y parte de ella se cubre mediante el uso de fuentes renovables. Estos aspectos se pueden expresar holísticamente en la ecuación conceptual de la Figura 1, en la cual se consideran variables de análisis de tipo subjetivas y objetivas y en donde la propuesta de un diseño pasivo, sumado a la eficiencia del sistema energético y la aplicación del potencial renovable minimizan y equilibran un proceso integrado por la ocupación, operación y gestión del edificio durante su vida útil (ver Hootman, 2013).
Edificio ECU
El objeto de estudio es el Edificio de Rectorado de la Universidad Nacional de San Juan, Argentina (ECU), construido entre 1949 y 1952, diseñado con criterios bioclimáticos, situado en zona bioambiental IIIa (Norma IRAM 11603), con altitud de 630 metros, Latitud 31,6° Sur y Longitud 68,5° Oeste, clima templado cálido seco, con temperatura exterior media anual de 17,2°C, humedad relativa media de 53%, elevada radiación solar anual de 2239.64 kW/m2, 3300 horas de sol/año, amplitud térmica anual y diaria elevada >14K (Kelvin) y vientos del sector sud-este.
Estos condicionantes se resuelven en una propuesta arquitectónica de tipo pasivo en la que se destacan aspectos como: inercia térmica en muros, parasoles horizontales/verticales, variación del porcentaje de vidrio según la orientación de fachada, desarrollo longitudinal en sentido este-oeste, con ventajas en ventilación, ganancia solar y retardo/amortiguación de la onda de calor (ver Kuchen et al. 2011).
Estrategia de Ocupación
Los datos de comportamiento energético del usuario de ECU, obtenido de encuestas durante la jornada laboral por estación de análisis, en relación a su actitud ante el control de la temperatura para alcanzar el confort térmico, permiten construir la Figura 3. Se destacan tres estrategias pasivas que los usuarios emplean: la adaptación de la ropa, la apertura de puertas y apertura de ventanas. En promedio, el 67% de las estrategias empleadas por el usuario para restituir su condición de confort, son de tipo pasiva.
Esto indica un elevado potencial de adaptación de los usuarios al clima local y con ello a la posibilidad de considerar su adaptación como estrategia de eficiencia energética. A raíz de este estudio, se encuentra que el usuario es responsable de 33% sobre el mal empleo de la energía (ver Alonso-Frank et. al., 2015) y se comienza con la instrumentación del proyecto de investigación MUEEE, Manual de Usuario para la Eficiencia Energética en Edificios. Estos aspectos se resumen en un análisis de viabilidad económica para identificar al usuario como una variable económica en el funcionamiento del edificio.
Estrategia de Operación
El funcionamiento del ECU exige considerar la potencia instalada y los valores de consumo energético. En cuanto a la demanda de energía, ECU posee un sistema de climatización mixto. La potencia de calefacción está dada por una caldera de gas (baja demanda de energía). La potencia de refrigeración es por bomba de calor de 33,9kW, cuatro sistemas de tipo splits central de 13,9 kW y siete equipos splits individuales de 2 kW, llegando a un total de 103,5kW de potencia eléctrica. En el sector de oficinas, el ítem Artefactos de Consumo Eléctrico (ACE) representa el 33% de la potencia instalada en el edificio. Los ACE se distribuyen en PC (43%), Estufa Eléctrica (20%), Lámpara compacta (14%), Lámpara fluorescente (10%), Teléfonos (5%), Otros (8%). La demanda de energía final del edificio asciende a un total de 153,64 kWh/m²a.
En cuanto al consumo de energía final para un año de referencia (2012), el edificio consume 438856 kWh. El consumo final del sector de oficinas es de 393386,87 kWh (EPRE, 2012), alcanzando un índice de eficiencia de 161,1 kWh/m²a. El consumo de energía en el sector de oficinas se distribuye en función de los siguientes ítems: Climatización (39%), Aparatos de Consumo Eléctrico (33%), Iluminación (14%) y Ventilación (7%), según estudios en Toranzo et. al. (2012).
Estrategia de Gestión
En Alamino et. al. (2015), se destacan medidas con inversiones (bajo costo) y sin inversiones (costo cero), para edificios públicos, a fin de disminuir el consumo energético manteniendo el bienestar del usuario dentro del espacio de trabajo. La Figura 4, expone diferentes porcentajes de ahorro sobre el consumo general, que pueden gestionarse durante la vida útil del edificio, contabilizando control del set-point de temperatura de climatización, programación y control en modo eficiente de ACE (PC), control de fugas en aberturas, control de iluminación artificial y un plan de recambio de ACE de tipo eficiente en el tiempo. De aplicar estas estrategias se alcanzaría un óptimo de reducción de consumo energético del 47%. En conjunto con las estrategias de ocupación y operación del 33% se conduce una eficiencia energética del 80% en el edificio. Dentro de la estrategia de gestión, plantear la meta NZEB exige considerar la incorporación de tecnologías en el uso de renovables producidas in situ. El nivel de eficiencia propuesto como meta, no tiene precedentes en la región.
Estrategia uso de Energía Renovable
Se analiza el potencial uso de renovable mediante la generación de energía eléctrica de origen solar. Se lleva a cabo un dimensionamiento y se simula un sistema fotovoltaico. Se emplea un esquema geométrico y el software de simulación Solarius-PV (v.7.00g). Los datos de radiación solar sobre plano horizontal son cargados a partir de la base de datos de la planilla de cálculo desarrollada por el CEEMA, para el cálculo de radiación solar sobre el plano, para días claros y cielo promedio (Gonzalo 2002). La selección tecnológica, se basa en disponer de un módulo fotovoltaico tipo “AS-6P30”, de dimensiones: 1650 x 991 x 46mm, comercializado por Aldar S.A. y fabricado por Amerisolar. Este, posee 60 celdas de silicio policristalino, potencia nominal máxima de 255W y nivel de eficiencia máxima del 15,9%. El costo aproximado es de 261,6 EUROS (en Europa). La misma tecnología en Argentina cuesta pesos argentinos ($) 7000.
Dimensionamiento y Rendimiento del Sistema
La superficie de captación total considerada para la instalación de módulos es: 9 x 43m, con ángulo de inclinación de 12° para optimizar el uso del espacio. De esta manera es posible colocar 200 módulos, a modo de techo sombrilla, con funciones bioclimáticas, como se observa en la Figura 5.
La generación de energía prevista mediante tecnología fotovoltaica asciende a 91400 kWh/a, llegando a picos mensuales con radiación acumulada de 20931 kWh. La inversión en este sistema es elevada y exige considerar su viabilidad económica en el contexto local.
Viabilidad Económica y Gestión
En este apartado se lleva a cabo un estudio de los consumos de energía e inversiones en tecnología solar fotovoltaica, a fin de alcanzar la meta NZEB para ECU. El análisis de viabilidad parte de considerar la evolución del precio de la energía $/kWh, que se viene dando en el último tiempo bajo el modelo europeo. Siempre en aumento (Eurostat, 2016), constituye la tendencia del pronóstico del precio de la energía en Argentina. La Figura 6, muestra el incremento que se produce en España. Argentina con un precio de $0,53/kWh en 2015 (T3-BT EPRE, 2015), sufre un incremento del 300% en 2016, llegando a $1,59/kWh. Es política de Estado el URE y junto a ello un incremento paulatino hasta llegar a nivelar el valor europeo (ver Figura 6).
De aplicarse en ECU, las estrategias de ocupación, operación y gestión, en 2016, se alcanzaría un ahorro del consumo energético del 80%, en 2018, es decir que el consumo bajaría drásticamente de 438856 kWh/a a 87771 kWh/a. El ahorro potencial en el período 2016-2017 permitiría cubrir la primera fase de inversión ocupada en estrategias de costo cero (educación del usuario) y de bajo costo (operación y gestión de la energía), consistente en educación del usuario, control de fugas, setting de temperatura de climatización, control de iluminación, recambio de ACE y mantenimiento de edificio, que asciende a $160000,00.
El ahorro potencial del período 2017-2018 permite alcanzar el beneficio necesario para abordar la segunda fase de inversión en el sistema solar fotovoltaico. Esta segunda fase conduce al ahorro del más del 100% de la energía, obteniendo el mayor beneficio a partir del año 2020 con recupero total de la inversión realizada y permitiendo alcanzar la meta NZEB (ver Figura 6). El ahorro potencial desde el año 2020, permitiría cubrir ampliamente aspectos de mantenimiento, operación y gestión de la energía a futuro.
Conclusiones
El costo de la energía en Argentina de los últimos años ha determinado el rumbo de las políticas y estrategias para abordar la eficiencia energética y el cuidado de recursos. En el tiempo se pronosticaron incrementos del precio de la energía que hoy se ven reflejados en un 300% en el último año y posibles aumentos en los próximos. Se prevé una nivelación del precio con los países europeos que se sitúan en factor 6,5 sobre el de Argentina.
A partir del trabajo de campo en ECU se detectan estrategias de ocupación de costo cero y de bajo costo que conducen enormes ahorros potenciales, en el orden del 80% en el corto plazo. Alcanzar estas mejoras en la eficiencia energética del edificio, con recuperación total de la inversión en el primer año, no tiene precedentes en estudios de eficiencia energética en edificios públicos en la provincia de San Juan, Argentina.
La aplicación del potencial solar lleva a evaluar su viabilidad económica en el tiempo. Con la evolución del precio de la energía actual, de aplicarse dicho potencial, se reduce el consumo en más del 100% logrando la meta NZEB con recuperación de la inversión total en 4 años (mediano plazo). Incorporar potencial solar adicional permitiría alcanzar el edificio Energy Plus, con características de innovación en el campo de la arquitectura a nivel local. Los aspectos legales sobre el uso de una red en la que los usuarios generan e inyectan energía al sistema se encuentra en tratamiento en el país.
El presente trabajo sienta un referente de estudio en el impulso de políticas locales y en la implementación de conceptos NZEB en edificios públicos. Finalmente disponer de estos avances lleva a reducir las emisiones e impacto ambiental y aportar a un proceso de concientización del uso adecuado de la energía por parte de los usuarios.
Referencias
- Toranzo, E., Kuchen, E., & Alonso, A. (2012). Potenciales de eficiencia y confort para un mejor funcionamiento del Edificio Central de la Universidad Nacional de San Juan. Avances En Energías Renovables Y Medio Ambiente, 16, 157–164.
- EnBop, (2008). Energie Betriebsoptimierung.
- Hootman, T., (2013). Net Zero Energy Design: A Guide For Commercial Architecture. John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 978-1-118-01854-5.
- Alonso-Frank, A.; Kuchen, E.; Alamino, Y., (2015). DEVELOPING AN ENERGY EFFICIENCY ASSESSMENT TOOL FOR BUILDINGS ACCORDING TO USER BEHAVIOUR INDOORS. PLEA, Passive and Low Energy Architecture. Bologna, Italia.
- Kuchen, E. (2008). Spot-Monitoring zum thermischen Komfort in Bürogebäuden. Tesis de Doctorado. ISBN: 978-3-89959-783-7. Der Andere Verlag, S. 203. Tönning, Deutschland.
- Secretaría de Energía de la Nación (2012). Proyecto de Eficiencia Energética en Argentina – GEF.
- Alamino, Y., Kuchen, E., Gil Rostol, C., & Alonso Frank, A. (2015). Monitoreo de funcionamiento y estrategias de eficiencia energética para el edificio público de Obras Sanitarias Sociedad del Estado, San Juan, Argentina. Revista Hábitat Sustentable, 5, 14–23.
- Good, C., Andresen, I., & Hestnes, A. G. (2015). ScienceDirect Solar energy for net zero energy buildings – A comparison between solar thermal, PV and photovoltaic – thermal (PV/T) systems. SOLAR ENERGY, 122, 986–996.
- G. E. Gonzalo, (2002). Programa para el cálculo de radiación solar para cualquier orientación del plano, para días claros y para cielos promedios. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente (CEEMA) – IAA – FAU – UNT.