Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Jaume Salom, Dr., Institut de Recerca en Energia de Catalunya – IREC
- Maria Leandra González Matterson, Institut de Recerca en Energia de Catalunya – IREC
Resumen
La comunicación presenta resultados relevantes de indicadores de acoplamiento de la demanda e interacción con la red, en base al análisis de edificios de energía cero, ejemplificándolo en un edificio de viviendas plurifamiliar localizado en España. Los indicadores, tanto numéricos como con métodos de representación gráfica, son el resultado de un grupo de trabajo internacional de la Agencia Internacional de la Energía, donde se han analizado tanto edificios con datos monitorizados, como con datos medidos. Se proponen indicadores relevantes y novedosos como el Múltiplo de Generación, que permiten relacionar las potencias pico de generación y demanda (o exportación/importación de energía) con las capacidades de conexión.
Introducción
Un edificio de balance energético cero (Net ZEB, Net Zero Energy Building en inglés) es un edificio con un alto nivel de eficiencia energética, donde la ya reducida cantidad de energía requerida debería proceder de fuentes renovables en el entorno del edificio, de manera que su balance energético anual sea cero. En (Salom et al., 2012) se presenta el marco de definición para Net ZEB.
Los Net ZEB están conectados a las redes de suministro energético (red eléctrica o de gas, redes de distrito de calefacción y o refrigeración, etc.) de las que ‘importan’ (compran) energía y a las que podrían ‘exportar’ toda o parte de la energía que genera el edificio en aquellos momentos en que la producción de energía en el propio edificio excede las necesidades energéticas de sus usuarios. Para describir la relación entre los Net ZEB y la red se utilizan dos conceptos: (1) el solapamiento entre la generación de energía local y las cargas energéticas del edificio, llamado ‘acoplamiento de la demanda’ (en inglés, load matching –LM-), y (2) el resultado de la importación/exportación de energía con la red, llamado ‘interacción con la red’ (en inglés, grid interaction –GI-). Estos conceptos fueron presentados en (Salom et al., 2011) y se analizan con datos de edificios reales y simulados en (Salom et al, 2014). Los resultados de este trabajo se han desarrollado en gran medida en el marco de la tarea conjunta de los programas Solar Heating and Cooling (SHC) Task40 and Energy in Buildings and Communities (EBC) Annex52: Towards Net Zero Energy Solar Buildings de la Agencia Internacional de la Energía (IEA TASK 40/ANNEX 52, 2008). En esta comunicación se presentan indicadores para la caracterización de la interacción de los edificios con la red eléctrica.
Indicadores: Definición y terminología
Esta sección presenta aquellos indicadores relevantes para describir de forma cuantitativa los conceptos de acoplamiento de la demanda e interacción con la red, eléctrica (en general, LMGI). La ecuación 1 representa el balance energético en un edificio en un periodo de tiempo entre T1 and T2 considerando que la diferencia entre la energía acumulada entre inicio y final del periodo es despreciable, usando la nomenclatura especificada en la Figura 1.
Definiéndose, de forma instantánea, la energía neta exportada como la diferencia entre la energía exportada y la energía importada de la red.
Indicadores de acoplamiento de la demanda
Los indicadores de acoplamiento de la demanda describen el grado de utilización de la energía generada en el edificio en relación con la demanda del edificio.
El factor de cobertura de la demanda representa el porcentaje de demanda eléctrica cubierta por la generación eléctrica en el lugar y se define como
Un índice que es complementario el factor de cobertura de la generación, también conocido como auto-consumo se expresa con la ecuación 4 y se define como el porcentaje de la generación local que se consume en el mismo edificio.
Indicadores de interacción con la red
La magnitud física central para definir la interacción con la red es el valor de la potencia eléctrica inyectada o consumida por un edificio o grupo de edificios. La variabilidad de esta magnitud no es importante per se, pero la variabilidad y la coincidencia determina que niveles de potencia máximos se alcanzan y con qué frecuencia. Los indicadores que definen la interacción con la red pueden utilizarse con los valores absolutos o con valores normalizados. Como el objetivo es cuantificar la interacción de la red, en (Salom et al. 2011) y (Salom et al., 2014) se propone utilizar indicadores normalizados con la capacidad de conexión con la red (Edes). Por ejemplo, para España los requerimientos mínimos de previsión de potencia máxima, independientemente de la potencia contratada por cada usuario, que definen la capacidad de conexión de una edificio a la red eléctrica se muestran en la Figura 2.
Los valores máximos de generación y demanda normalizados en relación a la capacidad de conexión se definen como:
Y el valor de energía exportada neta normalizada como:
Como resultado de las investigaciones internacionales en esta temática se propone como indicador el múltiplo de generación que relaciona el tamaño del sistema de generación con el valor máximo de la demanda energética. Se puede calcular como (a) el ratio entre los valores máximos de generación/demanda o (b) como el ratio entre los valores extremos valores de exportación / importación GM(g⁄l) y GM_(e⁄d), respectivamente.
Así mismo, se propone en la presente comunicación una forma de representación gráfica (ver Figura 2) de los valores de interacción con la red expresados en las ecuaciones anteriores basado en la curva monótona de la energía neta exportada que resulta muy práctica para relacionar las diversas magnitudes presentadas.
Caso de estudio
Los indicadores presentados en la sección anterior se evalúan para el caso de un edificio plurifamiliar de viviendas, típico de la construcción en España en los años 60 en áreas metropolitanas de alta densidad. El edificio se compone de 10 viviendas con una superficie individual de 60 m2, situado en Santa Coloma de Gramenet (Barcelona). El caso de estudio considera la aplicación de medidas de rehabilitación para disminuir la demanda energética, el uso de bomba de calor para cubrir las necesidades de calefacción y refrigeración, así como el total de la demanda eléctrica asociada al uso de electrodomésticos y menaje eléctrico en general. Un sistema fotovoltaico de 37 kWp hace que el edificio sea un edificio de energía cero. Los cálculos se han realizado en base horaria utilizando herramientas de simulación dinámica. Más detalles sobre el caso de estudio se pueden encontrar en (Salom et al., 2014).
Resultados y discusión
En esta sección se presentan los resultados de los indicadores explicados, así como se comenta el grado de utilidad de los mismos. Si se analizan los resultados para diferentes estaciones de los grados de cobertura de la demanda y generación, se observa que de forma significativa durante las horas centrales del día y para todo el año, hay una cobertura significativa de la demanda por el sistema de generación anual (36% a nivel anual) también de forma significativa en el mes de enero (entre las 10:00 y las 16:00 horas). Estudiado el factor de cobertura de la generación o autoconsumo, se observa claramente que en verano estos valores son bajos, evidenciando la exportación de energía eléctrica necesaria desde el edificio a la red para un edificio de energía cero, apreciándose también la disminución de estos valores entre las 13.00 i las 15:00 al haber un aumento de actividad (y del consumo) en las viviendas a esas horas.
Una forma de apreciar de forma clara este comportamiento es con la representación gráfica de los valores de energía neta exportada de la Figura 5. La Figura 5 representa en forma de áreas de contorno coloreadas los valores de la energía neta exportada. Los valores positivos en la gráfica representan exportación de energía a la red y los valores negativos, importación de energía de la red. La gráfica proporciona una visión excepcional de en qué instantes del año el edificio demanda energía o es capaz de exportarla. El eje x representa las horas del día (1÷24) y el eje vertical los días del año (1÷365). El comportamiento de la energía neta exportada refleja claramente la existencia de un sistema de generación local fotovoltaico, generándose una exportación de energía de forma más intensa en las horas centrales del día y los meses de verano.
La Figura 6 presenta la curva monótona de la energía neta exportada normalizada, así como los valores normalizados de generación y demanda. Los valores del múltiplo de generación son respectivamente: GM(g/l)= 1.32; GM(e/d)=0.89). Los resultados obtenidos se alinean con los de otros casos de estudio de edificios de energía cero done el valor máximo de generación es mayor que el de demanda, con un factor de múltiplo de generación entre uno y dos. El hecho de que el factor GM(e/d)=0.89 sea menor a uno puede deberse a que los resultados son en base a simulaciones y la predicción de la demanda es más homogénea y menos estocástica que en un edificio real. En relación a la capacidad de conexión se puede comentar que el edificio tiene unos valores máximos de energía importada de 0.57 y de energía exportada igual a 0.50. Esto debe interpretarse que la forma que la capacidad de conexión es un 40% mayor que los valores máximos de potencia exportada/importada. Otra conclusión significativa que se puede extraer del análisis de la Figura 5 es el porcentaje de tiempo que un edificio de energía cero de las características del caso de estudio exporta energía durante el año. Este porcentaje es del 30%, significando que para que un edificio con un sistema todo eléctrico y un sistema de generación fotovoltaica estará exportando energía a la red un 30% de las horas del año, es decir, el equivalente a 110 días completos (de 24 horas).
Conclusiones
En el presente artículo se han presentado una serie de indicadores relevantes para la caracterización de los fenómenos de acoplamiento de la demanda e interacción en la red que se producen en edificios con una generación local de energía y especialmente relevantes para estudiar con más detalle los efectos en edificios de energía cero. Los valores horarios de factores de cobertura (tanto demanda como generación) proporcionan una visión de los efectos diarios y estacionales que los diferentes sistemas de generación pueden producir, así como la aplicación de diferentes estrategias de operación y control de los edificios, sistemas de almacenamiento, etc. También el uso de gráficas de contorno con ejes para las horas del día y los días del año, proporcionan una visión muy rápida y una fácil comprensión de la interacción de los edificios con la red eléctrica. La representación gráfica y los indicadores de múltiplo de generación o los normalizados en base a la capacidad de conexión son útiles para conocer el grado de uso de la capacidad de conexión, así como el porcentaje de tiempo en que se está exportando energía. Estos indicadores son adecuados para la caracterización de forma simple de los fenómenos de acoplamiento de la demanda e interacción en la red de edificios de energía casi nula y son sencillos de calcular en base a los resultados de simulaciones anuales horarias. Así mismo, se estima que son indicadores adecuados para evaluar la flexibilidad de un edificio en su interacción con la red.
Reconocimientos
El trabajo presentado en este trabajo se ha desarrollado en gran medida en el contexto de la IEA, en el marco de la tarea conjunta de los programas Solar Heating and Cooling (SHC) Task40 and Energy Conservation in Buildings and Community Systems (ECBCS) Annex52: Towards Net Zero Energy Solar Buildings. Asimismo, este trabajo se ha desarrollado en el marco del Proyecto AIDA- Affirmative Integrated Energy Design Action; co-financiado por The Intelligent Energy Europe Program of the European Union (IEE/11/832/SI2.615932). La dedicación de Maria Leandra González Matterson a este trabajo de investigación ha sido parcialmente financiada por la ayuda PTA2011-5773-I del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España.
Referencias Bibliográficas
- IEA TASK 40/ANNEX 52, 2008, Towards Net Zero Energy Solar Buildings, IEA SHC Task 40 and ECBCS Annex 52.
- ICT-BT-10, 2002 Previsión de cargas para suministros en baja tensión. REBT – Instrucciones Técnicas Complementarias del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, RD 842/2002, B.O.E. Nº 224.
- Salom, J., Widén, J., Candanedo, J., Sartori, I., Voss, K., & Marszal A., 2011: Understanding Net Zero Energy Buildings: Evaluation of Load Matching and Grid Interaction Indicators, Proceedings of Building Simulation 2011 Conference, pp. 2514-2521, Sydney.
- Salom, J., Cubí, E. & Sartori, I., 2012, Edificio de energía cero: definiciones e interacción con las redes energéticas, Libro de Comunicaciones del I Congreso EECN – Edificios de Energía Casi Nula, pp. 25-30, Madrid.
- Salom, J., Marszal, A., Candanedo, J., Widén, J., Lindberg, K.B. & Sartori, I., 2014, Analysis o Load Match and Grid Interaction Indicators in Net ZEB with high resolution data, IEA SHC Task 40 and EBC Annex 52, Subtask A Report.