Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Octavio Caballero Villalobos, Project Manager, Zeroaplus
- Manuel Sánchez Iturbe, Ingeniero Instalaciones, Interventgroup
Resumen
En 2011 se puso en funcionamiento el edificio cero emisiones de Zaragoza.Para conseguir los objetivos energéticos, se actuó en cuatro grandes líneas; Diseño bioclimático para reducir demandas; Eficiencia energética para reducir los consumos; Gestión energética eficaz para racionalizar los consumos; Empleo de energías renovables como compensación de emisiones.Para aumentar la eficiencia de la climatización se utilizó la geotermia aire-suelo, más conocida como tubos canadienses. Se enterró un “peine” de 18 tubos de 50 metros de longitud cada uno, a una profundidad de 6 metros por el que se hace circular el aire del exterior previo a su entrada en la climatizadora. Desde su funcionamiento se ha monitorizado este sistema y el resultado ha sido un completo éxito. Saltos térmicos de hasta 17 grados y grandes ahorros en el sistema de climatización.
El Proyecto
El edificio Centro Municipal para Vivero de Empresas Emisiones Cero, se encuentra en el Parque Equipado de la Milla Digital de Zaragoza. Fue promovido por el Ayuntamiento de Zaragoza con el objetivo de proporcionar un espacio a jóvenes emprendedores para que pudiesen iniciar sus proyectos en campos relacionados con la innovación tecnológica o la eficiencia energética. Desde junio de 2011 está en funcionamiento y en la actualidad alberga 45 proyectos empresariales en los que están trabajando unas 80 personas.
El edificio incluyó dentro de sus objetivos tanto conseguir la máxima certificación energética como que el mismo fuese un edificio Cero Emisiones, es decir, que el saldo neto entre la energía consumida en su funcionamiento y la energía que es capaz de producir a través de fuentes renovables fuese cero.
El edificio es de planta cuadrada y cuenta con una superficie construida total de 2.700 m2, distribuidos en planta baja donde se localizan el hall, la recepción y el salón de actos, tres plantas alzadas dedicadas a oficinas (incubación) con zonas comunes (coworking) y una planta semisótano donde se encuentra el garaje y las zonas de instalaciones. Destaca el patio central interior alrededor del cual están las todas las estancias, así como una doble fachada que envuelve a el edificio.
Para cumplir los objetivos energéticos se actuó en cuatro grandes líneas:
- Diseño bioclimático para reducir demandas.
- Eficiencia energética de las instalaciones para reducir los consumos.
- Gestión energética eficaz para racionalizar los consumos.
- Empleo de energías renovables como compensación de emisiones.
El edificio combina la arquitectura bioclimática con el uso de la domótica y control en las instalaciones, de tal manera que se consigue proporcionar el adecuado confort para el usuario a la vez que se cumplen los objetivos energéticos del mismo.
Diseño bioclimático
El diseño persiguió la reducción al mínimo de la demanda energética del edificio, para ello, se adoptaron las siguientes medidas en su diseño:
- Volumen cúbico, maximizando volumen de uso con mínima evolvente.
- Huecos en fachada acordes con orientación. Norte pequeños y sur grandes.
- Doble fachada en todo el perímetro del edificio. La fachada sur hace de efecto invernadero, ambas actúan de colchón térmico con el exterior.
- Gran inercia térmica mediante forjados de losa maciza de hormigón armado y fachadas interiores de bloque de termoarcilla.
- Alto nivel de aislamiento térmico favorecido por doble fachada y reforzado por capa de aislamiento colocada por la cara exterior de la fachada interna evitando puentes térmicos.
- Doble acristalamiento en la fachada interior con control solar.
- Patio interior: Este patio, cubierto, unifica el espacio interior del edificio, creando un espacio alrededor del que giran las comunicaciones y al que dan las distintas estancias y oficinas. Ilumina con luz natural el interior del edificio; se cierra en cubierta con una claraboya que cubre toda su superficie; un difusor tamiza la luz y evita deslumbramientos; un sistema de toldos exteriores permite oscurecerlo y reducir la entrada de radiación solar en verano; y crea un efecto invernadero en invierno que es aprovechado para recircular el aire caliente al climatizador a través de una chimenea de cristal.
- El garaje situado en planta semisótano, se cierra con lamas que proporcionan la iluminación y ventilación natural que requiere, lo que evita la instalación de sistemas mecánicos y minimizan de día la iluminación necesaria.
Eficiencia energética
Para aumentar la eficiencia se han utilizado diferentes sistemas que aprovechan la energía del entorno o la propia sobrante del edificio para reducir el salto térmico del volumen del aire a tratar y por lo tanto aumentar la eficiencia de la climatización:
- Los tubos canadienses (Geotermia por aire) que explicaremos en detalle más adelante y que consiste en un “peine” de 18 tubos de 50 metros de longitud cada uno, enterrados a una profundidad de 6 metros por el que se hace circular el aire del exterior previo a su entrada en la climatizadora.
- Bomba de calor (Geotermia por agua) que aprovecha la temperatura del agua del freático a través de un intercambiador de placas como circuito primario de la bomba de calor y en verano alimenta una batería de frío de la climatizadora.
- Recuperación de la energía del edificio a través de un recuperador entálpico que enfrenta (sin mezcla) el aire de retorno antes de su expulsión al exterior con el que vamos a introducir cediendo la energía residual de este aire al que entra.
- Enfriamiento adiabático: en verano se pulveriza agua en la salida del aire por la doble fachada sur, el agua cambia de estado a vapor, absorbiendo calor lo que provoca que reduzca la temperatura de la fachada y facilita que la misma se comporte como colchón térmico con el exterior.
- Sistema de difusión por desplazamiento de frío y calor: el aire se impulsa a muy baja velocidad a través de difusores situados en los suelos técnicos a temperatura de confort envolviendo a las personas: aproximadamente 22º en verano y 26º en invierno. Este rango de temperaturas es sensiblemente menor que el que necesita impulsar un sistema de aire tradicional y a la vez mucho más efectivo.
La eficiencia en iluminación se consigue potenciando la iluminación natural a través del patio interior, lamas en zonas de garaje y la utilización en zonas comunes de iluminación con led. En zonas de oficinas se han combinado sensores de control de presencia que activan la iluminación sólo cuando están ocupadas y sensores de intensidad lumínica que adecúan la intensidad de las lámparas a la luz recibida del exterior.
Gestión energética
El edificio se gestiona de forma autónoma. Hay un sistema domótico centralizado que evita la intervención del usuario tanto en el encendido como en la regulación de los sistemas del edificio. Para ello el edificio cuenta con más de 60 sensores térmicos distribuidos por todos los espacios, unos 50 sensores de presencia, otros tantos de control de intensidad lumínica, una decena de sensores diversos de flujo y velocidad de aire. Además hay sensores de lluvia y viento en el exterior. Todo este conjunto de sensores envían información al sistema de gestión que controla el estado de todo el edificio y permite actuar en cada elemento regulando el confort: encendidos, apagados y regulación de iluminación, apertura, regulación y cierres de compuertas para regular el flujo del aire, apertura y cierre del lucernario para favorecer la ventilación natural, despliegue y recogida de toldos para favorecer o evitar la insolación según nos interese, etc.
El sistema recoge una gran cantidad de información que es recibida, procesada y guardada. Los datos en tablas y gráficos se proyectan en un tótem divulgativo para conocimiento de los usuarios del edificio. Toda la información se almacena en archivos históricos que nos están permitiendo estudiar la respuesta del edificio tanto a nivel de confort como a nivel energético. Paralelamente estamos usando estos datos para estudiar el rendimiento real de cada una de las técnicas utilizadas y analizar su retorno económico y su eficiencia energética.
Producción de energías renovables
El edificio incorpora sistemas activos de producción de energía procedente de las fuentes renovables que se encuentran en su entorno: solar fotovoltaica y eólica.
Para la producción de energía fotovoltaica tenemos placas fotovoltaicas convencionales en cubierta y además se han dispuesto paneles integrados en las mismas fachadas que tienen orientación sur capaces de captar la radiación difusa y producir energía con un 70% de rendimiento aunque se encuentren en sombra en algún momento del día.
Para la producción de energía eólica se utilizan tres pequeños aerogeneradores de eje vertical situados en mástiles a la entrada de la parcela. Este tipo de aerogeneradores, por su diseño, son fácilmente integrables en el entorno urbano, funcionan independientemente de la dirección del viento y apenas tienen impacto acústico en funcionamiento. Son los ideales en entorno urbano.
Tubos canadienses
Como se ha introducido anteriormente, una de las técnicas usadas para aumentar la eficiencia energética son los llamados tubos canadienses. En el siguiente esquema se puede ver una sección del sistema. En la que se aprecia un “peine” de 18 tubos al tresbolillo, colocados a una profundidad de unos 6 metros.
El esquema de funcionamiento general, se resume en la siguiente imagen, en la que se puede ver como se “fuerza” a que el aire que entra en el edificio circule por el interior de estos tubos, previa a la entrada de la climatizadora.
A continuación unas imágenes de la obra civil que se llevó a cabo. Primero se realizó un “vaciado” en la parcela para la colocación de los tubos.
A continuación se acopió en la zona los tubos propiamente dichos y se ejecutan los colectores de entrada y salida al sistema.
Para finalizar se ensamblan los tubos y se rellena y compacta la zona con arena seleccionada.
El material utilizado fue material convencional, tubo de hormigón de saneamiento, y dimensionado para aguantar el peso de tierra que tenía por encima de el.
La configuración, número de tubos y disposición de los mismos se estudió previamente, mediante software de simulación.
Se simularon diferentes configuraciones: Con separación entre tubos de 1m, de 0,5 m de 0,6 m. Diferentes profundidades entre 2,4 m y 6 m y configuraciones pareadas y al tresbolillo.
La simulación con mayor rendimiento resultó ser la de tresbolillo a 0,6 m y una profundidad de 6 m.
El edificio ha sido monitorizado activamente durante su funcionamiento desde el año 2011, y los resultados de esta técnica han sido espectaculares. Las simulaciones previas daban un rendimiento hasta un 50% inferior al realmente obtenido.
Veamos un ejemplo:
En la anterior gráfica se puede apreciar el funcionamiento del sistema durante su primer verano de funcionamiento. La línea azul clara da las temperaturas máximas del aire una vez ha pasado por los tubos canadienses. La línea azul oscuro muestra la temperatura exterior máxima. Se puede apreciar:
- La temperatura a la salida de la geotermia comienza el verano en aproximadamente 20 grados y sube hasta cerca de 26 en agosto, en donde empieza a bajar. La evolución de esta temperatura es suave.
- Los saltos térmicos son espectaculares cuando la temperatura exterior es muy alta. El sistema de un rendimiento excepcional a temperaturas extremas. El 26 de junio frente a una temperatura exterior de 39 grados se obtenía una temperatura en la geotermia de 21.2 grados.
- La temperatura a la salida de la geotermia está muy próxima a la de confort, con poco gasto energético adicional conseguimos climatizar el edificio.
En la siguiente gráfica se analiza el comportamiento estacional del sistema:
En la anterior gráfica se muestran datos entre junio y octubre y se pone de manifiesto como el sistema se autoequilibra. Inicialmente en junio el sistema da unas temperaturas entorno a los 20 grados, aumenta hasta los 26 en máximos en agosto y baja progresivamente hasta cerca de los 21 en octubre.
Se ha estudiado este sistema año tras año y se obtienen los mismos resultados, el sistema no se satura, utiliza las temperaturas altas del verano para aumentar la temperatura del terreno circundante y se refresca preparándose para el próximo verano en invierno.
En la siguiente gráfica analizaremos el comportamiento diario.
La anterior imagen corresponde a una serie de dos días del verano de 2013 contiene en azul oscuro la temperatura media exterior instantánea, en rojo la temperatura media instantánea a la que entra al aire tras su paso por los tubos, en azul claro la temperatura media interior instantánea y en verde la potencia térmica que obtenemos del sistema.
Podemos que la temperatura en la geotermia es prácticamente constante a lo largo del día y que los picos de potencia térmica los obtenemos cuando hay mayor salto térmico. La temperatura interior es muy similar a la obtenida directamente con la geotermia, de ahí el enorme ahorro energético que se produce.
El sistema de aire con los tubos canadienses es muy estable obtenemos aire exterior a temperatura casi constante, predecible y próxima a la temperatura de confort.
Por último una gráfica con potencia y rendimientos.
En la anterior gráfica en rojo vemos la potencia en forma de calor que aporta el sistema y en azul la que aporta en forma de frío. El COP del sistema está en torno a 6 en los meses de verano y lo podemos ver en la línea verde. Por último la línea morada enfrenta el consumo energético del ventilador que mueve el aire en el edificio frente a los rendimientos en calor y frío de este movimiento al haber hecho forzar el paso de aire por los tubos canadienses.
Resultados finales
Durante la concepción del edificio se hicieron diversas simulaciones energéticas correspondientes al edificio sin mejoras dando como resultado que en un año tipo el consumo estimado del edificio sin optimizaciones era de 121.129 kWh eléctricos. El edificio ya optimizado presenta un consumo de 57.522 kWh eléctricos, gran parte del ahorro energético proviene de la instalación de tubos canadienses. Por otro lado se realizaron simulaciones de cálculo para la producción total estimada de energías renovables: 74.450 kWh para la energía fotovoltaica y 9.547 kWh para la eólica, total 67.069 kWh eléctricos producidos por año.
En consecuencia, según los estudios realizados la incorporación de los sistemas empleados en el edificio producen un ahorro de más del 50% de la energía necesaria para su funcionamiento sobre el edificio que no los incorpore. Además la producción de energía mediante fuentes renovables no solo cubrirá la totalidad de la energía consumida en los servicios generales del edificio (climatización e iluminación, máquinas) sino que producirá un excedente para los consumos de sus usuarios o su venta a la red.