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Eficiencia energética y
energías renovables en rehabilitación de edificios
Eficiencia energética y
energías renovables en rehabilitación de edificios
Eficiencia energética y
energías renovables en rehabilitación de edificios
Edita:
Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética
Edificio CITEXVI - Fonte das Abelleiras, s/n
Campus Universitario de Vigo
36310 VIGO (Pontevedra)
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ningún sistema de recuperación de información, en ninguna forma, ni por ningún medio, sin la previa autorización
por escrito del Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética (Campus Universitario de Vigo).
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AUTORES:
0 José Antonio Ferrer Tévar
Jefe Grupo de Análisis Energéticos de Edificios Unidad de Investigación en Eficiencia Energética en Edificación
del CIEMAT
1 Xavier Elías Castells
Econotermia Cerámica S.L. Director de Bolsa de Subproductos de Cataluña
2.1
María del Carmen Rodríguez Hidalgo, Mathieu Legrand, Rubén Ventas Garzón, José I. Nogueira
Goriba, con la coordinación de Pedro A. Rodríguez Aumente y Antonio Lecuona Neumann
Grupo de Investigación ITEA – Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos. Universidad Carlos III de Madrid.
(Actualmente en la E.T.S.I. Navales, Universidad Politécnica de Madrid)
2.2 Celia Sanz Montalvillo y Javier Antolín Gutiérrez
Área de Biocombustibles Centro Tecnológico CARTIF
2.3 Enrique Orche García
Catedrático del Área de Prospección e Investigación Minera. Universidad de Vigo
José Fernández Seara
Catedrático del Área de Máquinas y Motores Térmicos. Universidad de Vigo
2.4 Roger Marcos
Director General de COGEN España
Arcadio García Lastra
Secretario Técnico Fundación ATECYR
3.1 - 3.2 José María González Moya
Director Técnico de las secciones Eólica y Fotovoltaica. Asociación de Productores de Energías Renovables
(APPA)
4.1 Margarita de Luxán, Mar Barbero, Gloria Gómez y Emilia Román.
CC60 Estudio de Arquitectura SLP
4.2 Diana Blanco, Javier Martínez y Juan Rodríguez
Área de Edificación de Fundación Centro Tecnológico EnergyLab
4.3 José Ignacio Urraca Piñeiro
Ingeniero Industrial Asesor de la Asociación Española de Fabricantes de Iluminación (ANFALUM)
4.4 Marisol Fernández
Directora de CEDOM – Asociación Española de Domótica
4.5 Patxi Hernández
Ingeniero de la Unidad de Construcción de TECNALIA
5 Servando Álvarez Domínguez
Grupo de Termotecnia de la Asociación de Investigación y Cooperación Industrial de Andalucía (AICIA)
5
0 Prologo
1 Introducción
2. Sistemas de generación térmica
2.1 La energía solar térmica
2.1.1. Aplicaciones térmicas de la energía solar en edificios
2.1.1.1. ¿Qué cabe esperar de una instalación solar térmica
para viviendas unifamiliares, edificios de viviendas o del sector
servicios?
2.1.1.2. Integración de las instalaciones solares junto con las
convencionales
2.1.2. Normativa aplicable
2.1.3. Componentes principales de una instalación solar
térmica
2.1.3.1. Captadores
2.1.3.2. Acumuladores térmicos
2.1.3.3. Equipo frigorífico
2.1.3.4. Intercambiadores de calor
2.1.3.5. Disipador de calor excedentario
2.1.3.6. Sistemas de vaciado y llenado
2.1.3.7. El fluido caloportador
2.1.3.8. Vasos de expansión y válvulas de sobrepresión
2.1.3.9. Tuberías: materiales y acondicionamiento
2.1.3.10. Bombas
2.1.3.11. Equipos compactos
2.1.3.12. Equipo de respaldo
2.1.3.13. Sistema de control de la instalación
2.1.4. Consideraciones acerca del dimensionado de los
componentes principales
2.1.4.1. Dimensionado del campo solar
2.1.4.2. Dimensionado del acumulador térmico
2.1.4.3. Dimensionado de otros componentes de la instalación
solar
2.1.4.4. Beneficios económicos y medioambientales
2.1.5. Condiciones de operación y uso
2.2 La biomasa
2.2.1. Usos de la biomasa térmica
2.2.2. Tipos de Biomasa
2.2.3. Distribución de los pelets
2.2.4. Tipos de Instalaciones
2.2.4.1. Estufas
2.2.4.2. Calderas
2.2.4.3. Sistemas de district heating
2.2.5. Comparativa Económica
2.3 El recurso geotérmico para generación de calor y frio
6
2.3.1 Aprovechamientos directos
2.3.2 Aprovechamientos para BCG
2.4 Otras tecnologías de generación térmica
2.4.1 Equipos de microgeneración
2.4.2 Bombas de calor a gas
2.4.3 maquinas de absorción
2.4.4 Calderas de condensación
Bibliografía y referencias
3. Sistemas de generación eléctrica
3.1 La energía solar fotovoltaica
3.1.1. Funcionamiento de un sistema solar fotovoltaico
3.1.2. La tecnología fotovoltaica
3.1.3. Aplicaciones de la tecnología solar fotovoltaica
3.1.4. La tecnología solar fotovoltaica en la edificación
3.1.5. Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica en la
edificación
3.2 La energía del viento para aprovechamientos minieólicos
3.2.1Funcionamiento de un sistema minieólico
3.2.2La tecnología minieólica
3.2.3Aplicaciones de la energía minieólica
3.2.4La tecnología minieólica en la edificación
Bibliografía y referencias
4. Aspectos energéticos de la edificación
4.1 La envolvente como elemento de eficiencia energética
4.1.1 La rehabilitación como herramienta para reducir la
insostenibilidad
4.1.2Confort y consumo energético
4.1.3La caracterización de la envolvente térmica
4.1.4La mejora de la envolvente térmica
4.2 Sistemas eficientes de distribución térmica
4.2.1Introducción
4.2.2Sistemas de distribución térmica
4.2.2.1 Radiadores
4.2.2.2 Fancoils
4.2.2.3 Suelo radiante
4.2.2.4 Otras superficies radiantes
4.2.2.5 Sistemas de atemperación
4.2.3La distribución óptima de temperaturas
4.2.4 Comparativa entre los diferentes sistemas de distribución
térmica. Ventajas e inconvenientes.
4.2.5Justificación de ahorro energético con suelo radiante
4.2.6Los sistemas de distribución térmica en la rehabilitación.
Conclusiones
4.3 Eficiencia energética en iluminación y otros consumos
eléctricos
4.3.1. Normativa general aplicable
4.3.2. Rehabilitación de edificios
4.3.3. Eficiencia energética en las instalaciones de iluminación
4.3.3.1 Componentes de la instalación de alumbrado
4.3.3.1.1 Fuentes de Luz
4.3.3.1.2 Balastos y transformadores
4.3.3.1.3 Luminarias
4.3.3.2. Sistemas de iluminación
4.3.3.2.1 Luz Natural
4.3.3.2.2 Confort visual
4.3.3.2.3 La luz y el color
4.3.3.3. Valor de la eficiencia energética de la instalación
4.3.3.4. Parámetros luminotécnicos
4.3.3.5. Sistemas de regulación y control
4.3.3.5.1. Sistemas de gestión de alumbrado interior
4.3.3.6. Iluminación de edificios de viviendas
4.3.3.6.1 Alumbrado interior en zonas comunes de edificios de
viviendas
4.3.3.7. Alumbrado interior en el dominio del sector terciario
4.3.3.7.1.Sistemas de alumbrado terciario
4.3.3.7.1.1. Accionamiento automático del alumbrado
4.3.3.7.1.2. Gestión de la iluminación ambiental
4.3.3.7.1.3. Gestión centralizada de la iluminación
4.3.3.8. Procedimiento de Verificación
4.3.3.9 Proyecto de iluminación
4.3.4. Otros consumos eléctricos
4.3.4.1. Servicios generales
4.3.4.2. Electrodomésticos
4.4 Los sistemas de regulación y control
4.4.1. Domótica en el sector residencial
4.4.2. Inmótica en el sector terciario
4.4.3. Contribución de los sistemas de automatización a la
eficiencia energética.
4.4.3.1. Ahorro en el consumo eléctrico
4.4.3.2. Ahorro en el consumo de combustibles
4.4.3.3. Ahorro en el consumo de agua
4.4.3.4. Monitorización de consumos
4.4.4. Otros beneficios de instalar domótica e inmótica
4.4.4.1. Facilita la accesibilidad de los edificios
4.4.4.2. Aporta seguridad técnica y antiintrusión
4.4.4.3. Permite una comunicación bidireccional
4.4.4.4. Mantenimiento preventivo
4.4.4.5. Mejora la calidad de vida y adapta la vivienda a los
cambios estructurales de la sociedad
4.4.4.6. Una tecnología en constante innovación
4.4.4.7. Contribuye al cumplimiento de la legislación
4.4.5. Clasificación de los sistemas de automatización
4.4.5.1. Tipología de un sistema
4.4.5.2. Topología de un sistema
4.4.5.3. Medios de transmisión
4.4.5.4. Protocolos e interoperabilidad
4.4.6. Datos de mercado y perspectivas de futuro
4.5 Edificios pasivos y de consumo energético casi nulo
4.5.1.Introducción. Historia de los edificios cero-energía
4.5.2. Introducción al análisis energético de edificios y
herramientas disponibles
4.5.3 Perspectiva de ciclo de vida en edificios cero-energía
4.5.4. Ejemplo práctico de cálculo de opciones en rehabilitación
hacia cero energía
4.5.5. Conclusiones
Bibliografía y referencias
5. Ámbito legal y normativo
5.1 Introducción
5.2 Resumen de la situación de la normativa energética en
españa de acuerdo con la directiva 2002/91/ce
5.2.1Estructura de los aspectos energéticos en el Código Técnico
de la Edificación (Documento Básico – HE)
5.2.2Estructura de la certificación energética de edificios
5.3 Aspectos diferenciales entre la certificación de edificios
nuevos y la certificación de edificios existentes
5.4 Generalidades sobre los procedimientos de caracterización
de edificios existentes
5.5 El procedimiento Ce3
5.5.1Introducción
5.5.2Criterios
5.5.3Metodología
5.5.4Los procedimientos de evaluación de consumos energéticos
y emisiones de CO2
5.5.5Bases de datos de componentes de la envolvente
5.5.6Bases de datos y prestaciones medias de instalaciones
5.5.7Estrategia general de identificación y evaluación de medidas
de mejora.
7
0
JOSÉ ANTONIO FERRER TÉVAR
Jefe de Grupo de Análisis Energéticos de Edificios
Unidad de Investigación en Eficiencia Energética en Edificación del CIEMAT
0.
PRÓLOGO
En una época en la que el consumo de energía se ha llegado a entender como un indicador de actividad
y desarrollo de un país, se ha extrapolado esta falsa identidad entre consumo y desarrollo a todos los
sectores industriales y sociales, dejando en un segundo plano los parámetros de eficiencia del consumo
de energía, siendo en el mejor de los casos, sólo valorado por índices de rentabilidad a corto plazo. Esta
situación lleva a que la implantación real de las medidas de eficiencia energética sean de menor impacto
que el deseable. En este sentido se han desarrollado medidas por parte de las administraciones, tales
como el Código Técnico de la Edificación, o el Plan de Acción de Ahorro y Eficiencia Energética 2011-2020,
aprobado por Acuerdo de Consejo de Ministros el 29 de julio de 2011, que favorecen la implantación de
medidas de eficiencia energética en la edificación. De forma que, para asegurar su éxito, estas medidas
deben ser internalizadas por todos los agentes implicados, desde los profesionales del sector, los centros
de I+D+i hasta la sociedad en su conjunto, como consumidora final.
Uno de los sectores en los que el impacto
inmediato sería mayor, es el de la edificación. En
un país como España, en el que existe un extenso
parque de edificios construidos, es sin duda el
momento de proponer que estas construcciones
sean energéticamente eficientes. La situación
heredada de años de bonanza en los que el coste
del combustible era accesible, ha conducido
a la construcción de edificios en los que se ha
valorado casi en exclusividad los parámetros
estéticos, asumiendo que la climatización estaría
cubierta por los sistemas convencionales activos,
independientemente del consumo de las toneladas
equivalentes de petróleo que eso supone. No
obstante, ya en 2008 la Agencia Internacional
de la Energía, en su informe “Perspectivas sobre
8
tecnología energética”, definía posibles escenarios
y estrategias hasta el 2050, indicando que las
mejoras de la eficiencia energética en los edificios,
es una de las medidas que representa ahorros de
mayor nivel con menos costes en los escenarios
analizados. Por otro lado el precio de la energía es
un factor determinante en el interés de inversiones
en eficiencia energética, por lo que puede ser
oportuna la gestión y creación, en caso necesario,
de instrumentos financieros específicos.
También la tendencia actual en Europa marca
las líneas hacia la eficiencia energética en la
rehabilitación, tal y como demuestra la propuesta
de Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo
relativa a la eficiencia energética de Junio 2011, en la
que se establece que la Unión Europea se fija como
objetivo conseguir un ahorro de energía primaria
del 20% en el año 2020. En cuanto a los Estados
miembros, deberán asegurarse de que, a partir del 1
de enero de 2014, el 3% de la superficie edificada
total propiedad de sus organismos públicos, se
renueve cada año de manera que cumpla al menos
los mínimos requisitos de eficiencia energética
fijados por dichos Estados en aplicación del artículo
4 de la Directiva 2010/31/UE.
Pero en el planteamiento de mejora de la
eficiencia energética no han de contemplarse los
edificios como entes aislados, ya que su situación
mayoritariamente englobada en entornos urbanos,
hacen adecuado el uso de sistemas de alta
eficiencia, como son la poligeneración englobada
en las redes de climatización de distritos urbanos.
La propuesta anteriormente citada prevé, en su
artículo 10, que “los Estados miembros tomarán las
medidas necesarias para desarrollar infraestructuras
urbanas de calefacción y refrigeración eficientes,
adaptadas al desarrollo de cogeneración de alta
eficiencia y a la utilización de calor y frío procedente
de calor residual y de fuentes de energía renovables
[…]. Al desarrollar las redes urbanas de calefacción
y refrigeración, optarán, en la medida de lo posible,
por la cogeneración de alta eficiencia en vez de
por la generación únicamente de calor”. Siendo
éste un marco de referencia muy adecuado para el
aprovechamiento de fuentes de energías renovables
en nuestras ciudades.
Las Iniciativas Industriales Europeas (EII)
sobre ciudades inteligentes (Smart Cities &
Communities Initiative) o en el programa conjunto
del mismo área desarrollado en la Alianza Europea
de Centros de Investigación (EERA), en los que
participan activamente administraciones, empresas,
universidades y centros de investigación españoles,
son una muestra del alto interés y una apuesta
de futuro que hace la sociedad en relación con la
eficiencia energética, como modelo de desarrollo a
corto y medio plazo. La colaboración entre el sector
industrial y el de la investigación deben avanzar
conjuntamente, intención que se comprueba
en la creación de alianzas como la EERA, entre
cuyos objetivos principales se puede destacar el
desarrollo estratégico de las próximas generaciones
de tecnologías de energía, que usan resultados
de la investigación fundamental para madurar
las tecnologías hasta el punto donde pueden ser
introducidos en la industria. Así mismo, busca
desarrollar relaciones y cooperación sostenida
con la industria para reforzar la interacción entre
resultados de investigación e innovación, facilitando
9
el acceso de este sector a la investigación y
asegurar una transferencia rápida de resultados.
Equipos de investigación nacionales tienen una
amplia experiencia en el desarrollo de proyectos
alineados con la eficiencia energética, como la
Unidad de Investigación sobre Eficiencia Energética
en Edificación (UiE3) del CIEMAT, que los desarrolla
conjuntamente con otros centros de investigación,
universidades, administraciones públicas y
empresas desde 1985 hasta la actualidad. Entre
los últimos cabría destacar el Proyecto Singular
Estratégico sobre Arquitectura Bioclimática y Frío
Solar, ARFRISOL, o el proyecto sobre reducción de la
demanda y poligeneración de energía, DEPOLIGEN.
Si bien la rehabilitación energética de los
sistemas es fundamental, la mayor eficiencia se logra
disminuyendo la demanda, la energía más barata y
que menos contamina es la que no se genera, por
lo que las medidas encaminadas a la reducción de
la demanda mediante actuaciones arquitectónicas
sobre el edificio, deberá de ser el punto de partida
de toda rehabilitación. Estas medidas deberían
contemplar el entorno no como algo hostil, si
no como un aliado con el que intercambiar
energía de forma consciente. Uno de los factores
determinantes para el correcto aprovechamiento de
los recursos naturales del lugar donde se construye,
es el planeamiento urbanístico del entorno. Si se ha
realizado de forma energéticamente consciente, se
darán las condiciones necesarias para favorecer el
diseño bioclimático de los edificios, mientras que
un planeamiento energéticamente deficiente puede
conllevar situaciones que dificulten notablemente
el aprovechamiento de los recursos naturales, tales
como impedir la accesibilidad solar a los elementos
en los que este recurso es altamente necesario. La
utilización de estos recursos naturales para reducir
la demanda energética, supliendo los requerimientos
energéticos de los edificios en calefacción,
refrigeración e iluminación, reduce sustancialmente
el consumo de energía convencional y, por tanto, las
emisiones de CO2 y otros agentes de polución a la
atmósfera. Por tanto, se debería buscar:
- Favorecer la utilización de los recursos naturales
renovables para el acondicionamiento de los
edificios, mediante el uso de técnicas naturales de
10
acondicionamiento (considerando los componentes,
las técnicas constructivas y el emplazamiento) y
reduciendo la demanda energética del edificio. Los
recursos naturales (radiación solar, viento, subsuelo,
etc.) pueden utilizarse como fuentes o como
sumideros de calor dependiendo de la aplicación
que se desee utilizar: calefacción o refrigeración.
- Integrar arquitectónicamente los sistemas de
energías renovables para climatización (calefacción
y refrigeración) y generación de electricidad,
como otro componente más del edificio. En caso
de necesitar aportes energéticos de fuentes no
renovables, buscar que estos sean lo más eficientes
y modulares posible.
- Favorecer los sistemas de infraestructuras
urbanas de calefacción y refrigeración eficientes
adaptadas al desarrollo de cogeneración de alta
eficiencia y a la utilización de calor y frío procedente
de fuentes de energía renovables y de calor
residual.
De esta forma, las acciones a desarrollar son muy
numerosas y plantean un trabajo multidisciplinar,
dado que requiere de una aproximación conjunta
en diferentes sectores, como son el de la energía
(eficiencia energética y tecnologías renovables), la
construcción, las tecnologías de la información y la
comunicación, el transporte, la gestión del agua y
de los residuos, los económicos y financieros, y del
ámbito legal y normativo entre otros.
Dada la necesidad de implicar a un número
elevado de diferentes sectores en el proceso de
rehabilitación energética, abarcando desde el edificio
a la ciudad, no cabe duda sobre la oportunidad que
supone una publicación como la presente sobre
“Eficiencia Energética y Energías Renovables en
la Rehabilitación de Edificios”, desarrollada por
autores con amplia experiencia en estos sectores,
y que, además, puede servir como herramienta de
consulta para los profesionales implicados.
Madrid, enero de 2012
11
1
XAVIER ELIAS CASTELLS
Director de la Bolsa de Subproductos de Cataluña
1.
INTRODUCCIÓN
DE LA PETRÓPOLIS A LA ECÓPOLIS
Mucho se ha escrito y debatido sobre el concepto de ciudad edificada gracias a la energía que mana
de los combustibles fósiles y, en especial del petróleo, de donde deriva la expresión Petrópolis. En la UE el
sector doméstico consume un 31% de la energía total, y en España un 26%. Al final, teniendo en cuenta
tanto los costes energéticos directos (uso de las viviendas) como indirectos (fabricación de los materiales,
transporte, construcción, demolición, etc.), se estima que la industria de la construcción consume el 40%
de la energía total. Hasta fechas muy recientes, todos estos datos no se tenían en cuenta durante la fase de
diseño de la vivienda. Actualmente, con una visión global, los conceptos como huella de carbono, emisiones
en los edificios, certificaciones energéticas, etc., se esta conformando una nueva concepción del proceso
de diseño y construcción de un edificio.
Nuestras ciudades están llenas de edificios que
han sido construidos gracias a la aportación de
la energía ya se trate de hormigones, cerámicas,
vidrios, plásticos o metales. Estos materiales
componen el 99%, en términos de peso, de un
edificio de viviendas convencionales y cada uno de
los materiales contiene una mayor o menor cantidad
de energía, la llamada energía embebida o energía
precisa para su fabricación.
A las distintas clasificaciones que se hace de los
materiales para la construcción, debe añadirse la
de los materiales reciclados o no y los que además
pueden serlo de una forma sostenible. Materiales
como el poliestireno expandido o extruido,
poliuretano, lana mineral, o el doble acristalamiento,
con marcos metálicos con RPT, PVC o de madera,
12
utilizados en un edificio nuevo o en la rehabilitación
permiten un buen aislamiento con un gran ahorro
energético.
El cada vez más usado composite, o material
compuesto, es el resultado de la asociación de uno
o varios materiales reforzantes (generalmente en
forma de fibra) y un ligante o matriz. Las propiedades
mecánicas o térmicas del conjunto exceden en
mucho a cada uno de los elementos simples que lo
conforman. De ahí que estos materiales sean cada
día más utilizados y su número se incremente día
a día en función de requerimientos específicos. Su
parte negativa surge a la hora del reciclaje, debido
a que es difícil separar y recuperar los diversos
componentes o bien desarrollar nuevas tecnologías
que permitan reciclarlos en conjunto.
En términos cuantitativos, el uso de materiales
para la construcción es importante. Por ejemplo, el
consumo per capita de áridos para la construcción
en España, casi 11 t por habitante y año, supera
ampliamente a la media europea, de 7 t por
habitante y año. Cada persona consume, en su vida,
cerca de 850 t de áridos, más de 10.000 veces su
peso. La reflexión de cara a un futuro que debería
extraerse de este dato debería ser ¿Es preciso
usar árido “virgen” para confeccionar un hormigón,
sabiendo que la minería es, en términos absolutos,
la industria que genera mas residuos del país?
Meditar solo en los materiales usados en la
edificación proporcionaría una fotografía estática de
la ciudad o de la vivienda, sin embargo el consumo
masivo de energía que se usa en el funcionamiento
de la actividad ciudadana como la electricidad, la
calefacción o el aire acondicionado y, sobre todo, el
transporte, constituye una dinámica que, desde el
punto de vista del consumo de energía sobrepasa,
en mucho, a la energía consumida en fabricar los
materiales de construcción. Todo ello es lo que
viene a denominarse Petrópolis, es decir, la ciudad
que no puede construirse ni mantenerse sin la
presencia continua del petróleo y, por extensión, de
los combustibles fósiles.
La vivienda tiene un consumo térmico en
calefacción y agua caliente, que acapara el 66%
del total, siguiéndole el eléctrico con un tercio. La
energía consumida en un hogar medio es de 1,2
tep que equivale al consumo de un vehículo que
consuma 7 litros de gasóleo cada 100 km y recorra
casi 20.000 km/año. España, en comparación
con Europa (UE-15), tiene un menor consumo
en calefacción, debido a la benignidad del clima,
y también un menor consumo de electricidad.
La climatología en España es particularmente
ventajosa en comparación a la mayoría de países de
la UE, sobretodo respecto a la calefacción, aunque
está resultando negativa debido al uso del aire
acondicionado. Las instalaciones de ventilación,
calefacción, aire acondicionado y agua caliente
sanitaria han mejorando mucho en estos últimos
años en eficiencia, emisión de contaminantes,
ruido, espacio ocupado, etc., existiendo muchas
soluciones posibles. Sin embargo, los estudios
aseguran que en pocas décadas España alcanzará
a los países de la UE-15 en consumo energético
específico, lo cual no es una buena noticia.
En el polo opuesto a la Petrópolis aparece
la Ecópolis, hoy en día un conjunto de buenas
intenciones sobre el que es preciso poner el rumbo.
En resumen, se trataría de una ciudad donde el
consumo energético de los edificios fuese casi
nulo, el transporte muy eficiente desde el punto
de vista energético y logístico y la electricidad
fuese generada, en parte en los propios edificios
y, otra parte, en las cercanías a partir, claro está,
de energías renovables. Todo ello traería como
común consecuencia un sinfín de ventajas como la
disminución de la contaminación de todo tipo y la
drástica reducción de enfermedades.
Desde luego el reto de la Ecópolis es enorme
y parte de un parámetro que difícilmente pueda
realizarse sin el concurso de un urbanismo racional.
La movilidad radica, en gran parte, en el urbanismo
y muchos de los parámetros de la edificación
(insolación o ventilación) también. La edificación
produce un gran impacto medioambiental: sobre la
biodiversidad, la destrucción de la capa de ozono,
la degradación, el agotamiento de los recursos
naturales, etc. Se requiere de un cambio de modelo
y diseño. De momento, se debe acometer una
profunda acción de rehabilitación de las actuales
viviendas desde un punto de vista energético.
Las ciudades modernas son entornos singulares
en los que se integra una compleja amalgama
de infraestructuras y servicios estrechamente
interconectados entre sí. La mayor parte de estos
sistemas se gestiona en la actualidad haciendo uso
intensivo de las TIC (Tecnologías de la Información
y las Comunicaciones) y ello supone notables
ahorros en costes de operación y mejores niveles de
eficiencia energética.
Hoy en día estos conceptos se sintetizan en lo
que viene a denominarse las “Smart City” o ciudades
inteligentes. Ello aspira a ser un primer paso hacia
de Ecópolis. En la práctica, y a un nivel más popular,
una “Smart City” es una ciudad comprometida
con su entorno, con elementos arquitectónicos
13
de vanguardia, y donde las infraestructuras
están dotadas de las soluciones tecnológicas
más avanzadas para facilitar la interacción del
ciudadano con los elementos urbanos, haciendo su
vida más fácil. El entorno hace referencia tanto a los
aspectos medioambientales, como a los elementos
culturales e históricos. Un planteamiento como el
descrito exige a aquellas ciudades que aspiren a
ser consideradas como “inteligentes” a renovar y
mejorar constantemente las soluciones tecnológicas
aplicadas, con el fin de mejorar la eficiencia de sus
procesos y la calidad de vida en su entorno.
Existen innumerables iniciativas de “Smart Cities”
por todo el mundo, y múltiples aproximaciones al
mismo concepto según su enfoque principal sea:
la eficiencia y gestión de la energía, los entornos
de negocio y la economía del conocimiento, el
transporte y movilidad urbana, el medioambiente,
el urbanismo, etc.
El urbanismo es el primer paso a la concepción y
ordenación de la edificación. Constituye el punto de
partida para acometer la sostenibilidad y el diseño
bioclimático. La casa bioclimática utiliza y potencia
los elementos arquitectónicos de siempre para
incrementar el rendimiento energético y conseguir
el confort de forma natural. Una construcción
bioclimática reduce la energía consumida y, por
tanto, colabora de forma importante en la reducción
de los problemas ecológicos. Las energías renovables
permiten la producción de agua caliente, calor para
calefacción y sistemas de refrigeración, y en su caso
electricidad, que pueden potenciar la arquitectura
bioclimática.
Las emisiones anuales medias de un español
son de 9,47 t CO2 por persona y año, de las que un
15% corresponden a la vivienda: 1,42 t CO2eq/año.
Para acercarnos al umbral de la sostenibilidad cada
español (y ciudadano del primer mundo) debería
reducir sus emisiones por un factor de 5,6.
La media española del consumo del agua de
boca es de 165 litros por persona y día. Una fácil
multiplicación demuestra que hay un trasiego de
más de 60 toneladas de agua al año por persona,
lo cual es obvio que precisa de una infraestructura
14
importante. No hay ningún otro bien o servicio que
suponga un desplazamiento de masa tan enorme.
La vivienda bioclimática optimiza al máximo los
consumos pudiendo reducir la cifra a valores teóricos
inferiores a 80 litros por persona y día. Frente a todos
estos despilfarros se debe recurrir a una estrategia
para minimizar el impacto ambiental: minimizar
de manera equilibrada el consumo de energía, la
producción de residuos y la contaminación, y la
utilización de materiales reciclados.
Cuando se piensa en los aspectos energéticos
relacionados con la edificación, suele hablarse de
los sistemas de generación de energía (calor, frío o
electricidad) pero poco se habla de los causantes
directos de estas fugas de calor. Un material
aislante es aquel que ofrece una gran resistencia al
flujo calorífico a su través, generalmente es sólido,
y habitualmente a su baja conductividad térmica
se le une la existencia de una gran porosidad,
normalmente cerrada, que impide la conductividad
y la convección del aire confinado. En general, a
mayor densidad mayor conductividad. Los metales,
debido a sus electrones libres, son buenos
conductores eléctricos y también del calor, mientras
que los materiales cerámicos suelen ser aislantes,
parámetro que aumenta al disminuir su densidad.
En cuanto a la renovación de los vidrios y marcos en
la rehabilitación, se trata de una de las acciones más
eficaces para la mejora de la eficiencia energética
del edificio, con un aumento del confort térmico de
la vivienda.
Los diseñadores especializados en los
cerramientos de los edificios deberían conocer a
fondo las implicaciones energéticas de la elección
de los materiales elegidos. Lamentablemente, es
preciso recordar que durante la explosión de la
construcción, entre 1996 y 2007, el criterio que ha
primado fue el de terminar el edificio cuanto antes
mejor, no existiendo la preocupación al respecto de
las implicaciones energéticas que supone usar un
material u otro, ya que la energía que va a consumir
la vivienda “no es asunto” del constructor. Con la
vivienda terminada las posibilidades de actuación
son mínimas. En este sentido la termografía ha sido
una valiosa herramienta que ha acudido en ayuda
del ahorro de energía.
El Código Técnico de la Edificación (CTE), el
Reglamento de Instalaciones Térmicas en los
Edificios (RITE) y la Certificación Energética de la
Vivienda constituyen la normativa más importante
de la reglamentación española que afecta a la
edificación. Una comparación de la reglamentación
española con la de Francia, Italia y Portugal
refleja que los requerimientos de aislamiento de
distintos elementos (muros, suelos, cubiertas y
acristalamientos) son menores en España.
En el caso de la rehabilitación, los aspectos
energéticos toman otra dimensión. En los años en
que se construyó gran parte del parque de viviendas
existente, no había muchas posibilidades de
elección en relación a los materiales de construcción,
máxime en un país de clima benigno como España.
No siendo hasta la década de 1970 cuando, a raíz
de la primera crisis petrolera, se comienza a tener
en cuenta, al menos en muchos países europeos, la
importancia de los materiales de construcción en
el diseño.
Es de esperar que con la doble crisis de la
construcción y la futura energética se tome en serio
la necesidad de construir pensando en la energía y
poder llegar a vivir en la Ecópolis.
Barcelona, enero de 2012
15
2
SISTEMAS DE GENERACIÓN TÉRMICA
A lo largo del presente capítulo se analizarán las principales tecnologías de
generación térmica que permiten la satisfacción de la demanda de calor y/o
frío en los edificios de una manera eficiente y sostenible.
Las tecnologías que a continuación se describen están relacionadas con el
aprovechamiento de la energía solar térmica, de la biomasa, de la energía
geotérmica y con otro tipo de aplicaciones como son la microcogeneración o
las máquinas de absorción.
2.1
María del Carmen Rodríguez Hidalgo, Mathieu Legrand,
Rubén Ventas Garzón y José I. Nogueira Goriba
Con la coordinación de:
Pedro A. Rodríguez Aumente y Antonio Lecuona Neumann
Grupo de Investigación ITEA, Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos,
Universidad Carlos III de Madrid
Actualmente en la E. T. S. I. Navales, Universidad Politécnica de Madrid
2.1.
LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
El presente apartado introduce a la energía solar
térmica en su aplicación a la edificación, incluyendo
las posibilidades de su incorporación durante la
rehabilitación de edificios para convertirlos en
solarmente activos.
En cuanto a la potencia instalada mundial de
energía solar térmica, ésta ascendió en 2007 a 147
GW, superando la de la energía eólica, con 94 GW.
En particular, nuestro país logró alcanzar la cifra de
0,849 GW.
18
En un día sin nubes se recibe al mediodía solar
entre 0,8 y 1 kW/m2 sobre una superficie orientada
al Sol. La integración de la radiación desde la salida
del sol (orto) hasta el ocaso se traduce en valores
medios anuales de entre unos 3,8 y más de 5 kWh/
m2/día sobre el suelo español. Esto bastaría para
climatizar una superficie igual habitada, pero no toda
esa energía es íntegramente captable ni convertible
en energía útil para el usuario. Tampoco todos los
edificios disponen de tanta superficie expuesta
al Sol, especialmente en un entorno urbano. Sin
embargo, limitando el objetivo a la preparación de
agua caliente sanitaria (ACS) suele haber suficiente
área disponible en nuestras latitudes y si no se
cubre la totalidad de la demanda con captadores
solares suele ser por otros motivos.
2.1.1. Aplicaciones térmicas de la energía
solar en edificios
Por energía solar térmica se entiende la
captación de la radiación solar para su transporte
al interior del edificio y aprovechamiento en forma
de energía térmica para satisfacer la “carga” térmica
y/o la “demanda” de los usuarios. Adicionalmente,
la energía solar fotovoltaica, puede emplearse para
dispositivos de acondicionamiento térmico como
se detalla más abajo. En ambos casos, el objetivo
es disponer de aporte de calor o evacuación de
calor del edificio cuando sea necesario. Para ello,
se necesita producir un flujo de fluido caloportador
(generalmente, con base agua), a temperatura
diferente a la del recinto, que permita la recogida,
transporte y distribución del calor en la dirección
apropiada.
Entre sus
destacar:
principales
aplicaciones, cabe
- Cocina solar: Poco usada en nuestras
latitudes por el pequeño consumo que supone y los
inconvenientes que acarrea. Es de gran interés para
países en vías de desarrollo, donde el acceso a la
energía sea difícil y que dispongan de una importante
irradiación solar a lo largo de todo el año.
- Bomba de calor fotovoltaica: Con una
bomba de calor es posible aportar calor al edificio
(calefacción y ACS) o evacuarlo (refrigeración
y acondicionamiento de aire) invirtiendo su
funcionamiento. Puede ser movida por electricidad
obtenida del Sol, con el respaldo de la red eléctrica y
haciendo uso de ciclo de compresión mecánica del
vapor de un refrigerante, generalmente orgánico y
sintético (HFC y FC). La bomba de calor fotovoltaica,
actualmente apenas es usada por el elevado coste
de los paneles fotovoltaicos y porque resulta más
rentable inyectar la electricidad producida a la red,
si existen primas por ello. El efecto de bombeo de
calor puede ser ayudado en invierno calentando
directamente con el Sol el evaporador de la bomba
de calor, en lo que se ha dado en llamar “paneles
termodinámicos”.
- Preparación térmica de ACS: Es la instalación
más frecuente por la facilidad de ejecución y uso.
Actualmente es obligatoria en España por aplicación
del Código Técnico de la Edificación (CTE) en
viviendas nuevas y grandes rehabilitaciones.
- Calefacción: Es una aplicación posible e
interesante, pero necesita grandes superficies de
captación en muchas localizaciones. Requiere que
se disponga de un sistema de calefacción que
emplee agua caliente a baja temperatura (40 – 50
ºC), por ejemplo suelo radiante, y ha de preverse el
uso del excedente de calor captado en verano.
- Aire acondicionado solar: Se emplean máquinas
de absorción o de adsorción, similares a las bombas
de calor eléctricas, salvo que, para su accionamiento,
consumen calor a temperatura a partir de los 70 ºC
en lugar de electricidad y generalmente emplean
en su interior vapores de fluidos refrigerantes
naturales, como agua o amoniaco. Donde existe
una instalación de calefacción solar para invierno,
resultan especialmente útiles, al consumir el
excedente de calor captado en verano, pudiéndose
combinar también con ACS solar.
Adicionalmente a las aplicaciones usuales,
actualmente se investiga el uso de materiales de
cambio de fase (Phase Change Materials o PCM)
para almacenamientos breves, en lugar de agua.
Por otra parte, la combinación de la energía
19
solar térmica con el almacenamiento estacional
geotérmico a pequeña profundidad está siendo
explorado y analizado, ya que resulta especialmente
interesante almacenar el calor captado del Sol
para recuperarlo del subsuelo somero en invierno
y ser bombeado al interior de la vivienda para
calefactarla.
Otra aplicación antigua, que combina ventilación,
calefacción y acondicionamiento de aire son las
torres solares y/o eólicas.
2.1.1.1. ¿Qué cabe esperar de una
instalación solar térmica para viviendas
unifamiliares, edificios de viviendas o del
sector servicios?
Depende en gran medida de la superficie
disponible para los captadores solares, de las
restricciones para su instalación y de la estética
del edificio. Los estudios económicos generalmente
proporcionan tiempos de recuperación de la
inversión largos, de 10 a 20 años, si se considera
el ahorro de electricidad o de combustibles fósiles
a precios corrientes. Actualmente el balance es
algo más favorable dado que se subvenciona la
inversión, con políticas que suelen incluir facilidades
financieras, en el ámbito central, autonómico o local.
Cabría esperar una transición hacia políticas más
avanzadas, que retribuyan la producción en lugar
de la inversión. Ello redundaría en instalaciones
mejor configuradas, bien mantenidas y optimizadas.
Los intereses estratégicos que llevan a plantear
subvenciones se fundamentan en los menores
costes externos de las energías renovables frente
a los de las fósiles, en reducir el pago en divisas
para la importación de petróleo, gas y carbón,
en asegurar el suministro energético y reducir la
dependencia exterior de la nación, en políticas
de protección del medio ambiente y en reducir el
impacto medioambiental, con el añadido de una
posible mayor creación de empleo local.
Dada la variabilidad de la radiación solar,
generalmente es necesario acumular temporalmente
para poder consumir cuando el Sol no brilla. Esta
acumulación generalmente no supera las 24 h,
20
por lo que es necesario un respaldo de producción
convencional, sea eléctrico o con combustibles, en
previsión de una sucesión de días nublados.
En cuanto al grado de cobertura de la demanda,
se entiende como tal la fracción de la energía
consumida (carga o demanda) que es aportada
por el Sol, en nuestro caso, o “fracción solar”.
Dada la variabilidad de la radiación solar y de la
demanda de energía, la cobertura puede ser muy
baja en invierno y sin embargo superar el 100% en
verano (excedentes no aprovechables y que pueden
significar gastos adicionales). Los estudios técnicos y
económicos suelen indicar que una cobertura anual
del 100% no es idónea, salvo necesidad de que así
sea, por ejemplo, en edificios remotos y aislados.
De hecho, con pequeñas coberturas anuales, más
económica resulta la instalación y mejor se usa la
producción solar. Sin embargo, el Código Técnico de
la Edificación (CTE) establece mínimos para nueva
construcción y grandes rehabilitaciones de edificios
de uso residencial.
Así, cuanto mayor es la cobertura solar menor
es el consumo de energías fósiles o simplemente
menor es la dependencia del edificio del suministro
exterior. Ello redunda en una mejor calificación
energética del edificio, dependiendo de los
tomadores de decisiones la valoración económica
y de responsabilidad ambiental que conlleve una
elevada calificación energética y ambiental.
2.1.1.2. INTEGRACIÓN DE LAS INSTALACIONES
SOLARES JUNTO CON LAS CONVENCIONALES
- Agua Caliente Sanitaria: La integración suele
resultar simple. En el mercado existen sistemas que
combinan aporte solar, aporte de caldera y aporte
eléctrico de emergencia, controladores y elementos
diversos.
- Calefacción: Si la rehabilitación permite el uso
de agua a temperatura moderada, la integración
puede resultar simple, especialmente si ya se
dispone de suelo radiante. No es así si los radiadores
resultan exiguos de área y las tuberías de sección
escasa y/o están deterioradas por el tiempo.
- Calefacción solar directamente por aire: En
algunas rehabilitaciones pudiera resultar de interés,
haciendo uso de colectores de aire integrados en
fachada o azotea. Su gran ventaja es la ausencia
de fugas de líquido, la simplicidad y el muy bajo
mantenimiento. Destacan como desventajas la
dificultad del almacenamiento del calor, no poder
producir frío en verano y el tener que concebirlas
desde el comienzo del diseño arquitectónico en
una rehabilitación que lo permita. El aislamiento
acústico es un asunto a tratar especialmente.
- Acondicionamiento de aire: No existe gran
despliegue en la actualidad. Sin embargo, las
experiencias resultan prometedoras si se procede a
un estudio previo detallado que permita optimizar
el sistema. Las máquinas de absorción evacuan
al medio ambiente: primero, el calor tomado del
edificio para mantener su frescor (carga térmica);
y segundo, el calor solar empleado para operar la
máquina, en forma de agua caliente, que es un 150%
más, aproximadamente. Esta gran cantidad de calor
(2,5 veces el frío generado) presenta dificultades de
evacuación (generalmente se recurre a una torre de
refrigeración). Este posible inconveniente desaparece
si se dispone de un sumidero de calor útil, como
calentar el agua de una piscina o restaurar la
temperatura del subsuelo para tomar calor de él en
invierno, en una instalación de energía geotérmica
somera de almacenamiento estacional. El precio
de las máquinas de absorción resulta actualmente
elevado para potencias inferiores a 100 kW a causa
de un mercado exiguo.
- Acondicionamiento de piscinas: Subir la
temperatura del agua es un beneficio en muchos
lugares, permitiéndose así prolongar la temporada
de baño, aumentar el confort e incluso dotar a la
misma de propiedades terapéuticas. Para ello se
emplean captadores especiales de bajo coste sin
cubierta y/o el calor residual proveniente de una
máquina de absorción o de adsorción, o de una
bomba de calor eléctrica.
- Energía solar pasiva: Dado el coste de inversión
de la energía solar térmica, resulta de importancia
lograr reducir la carga térmica del edificio, por
mejora del aislamiento, reducción de las cargas
internas y de las infiltraciones, aprovechamiento de
la inercia térmica y de la evapo-transpiración. Una
visión integradora con conceptos de arquitectura
bioclimática puede contribuir, a través de la mayor
eficiencia energética resultante, a reducciones
importantes del área de captadores solares
necesarios y de los costes asociados. En este aspecto
cabe destacar que la introducción de luz solar en
el edificio, sea indeseada o intencionalmente para
iluminación, aumenta la carga térmica en verano y
la disminuye en invierno. Este efecto negativo en
verano puede reducirse con el uso de filtros ópticos
que limiten el espectro y de deflectores de los rayos
solares en verano (parasoles).
2.1.2. Normativa aplicable
Tanto los componentes que conforman las
instalaciones solares como las propias instalaciones
en sí, se encuentran sujetos a ensayos normativos
que garantizan su perfecto funcionamiento y sirven
para que el usuario final pueda comparar las
prestaciones de los diferentes productos disponibles
en el mercado de forma clara y homogénea.
En el caso de España se encuentran sujetos a
diferentes normas UNE, transposición de las normas
europeas correspondientes (EN): los captadores
solares UNE-EN 12975, el acumulador térmico
UNE-EN 12977-3. Los sistemas prefabricados,
por ejemplo los sistemas integrados, se certifican
con la norma UNE-EN 12976. Sin embargo las
instalaciones mayores, al tratarse de sistemas
diseñados específicamente en base a componentes,
deben ensayarse según la norma UNE-ENV
12977-1 y UNE-ENV 12977-2; típicamente este
ensayo se limita a la comprobación in situ del
funcionamiento de la instalación y una simulación
a largo plazo de las prestaciones de la misma con
un programa reconocido por la normativa, basado
en el software TRNSYS o equivalente, siempre que
los componentes principales empleados en la
instalación hayan sido ensayados previamente de
manera individualizada de acuerdo a la normativa
indicada anteriormente.
21
Una de las apuestas europeas en estos últimos
años ha sido y es la disminución del consumo
energético de los países miembros. Para ello se han
desarrollado directivas europeas como la 2002/91/
EC (Energy Performance of Buildings o EPBD), que en
España supuso el desarrollo y posterior aprobación
del CTE en 2006. En el CTE, por primera vez, el uso
de la energía solar en la edificación se convirtió en
obligatorio para viviendas de nueva construcción y
rehabilitaciones mayores.
En el caso de los edificios de uso residencial
donde se utilice ACS, es obligatorio instalar energía
solar térmica para proporcionar un porcentaje
mínimo de dicha demanda mediante energía solar.
Dicho porcentaje vendrá dado por la zona climática
y el consumo del edificio. El CTE divide España en
cinco grandes zonas sin gran resolución espacial,
según la cantidad de radiación solar media anual
(irradiación) que se estima incide sobre cada una
de ellas.
Aparecen en el CTE dos limitaciones mayores
al diseño: durante tres meses consecutivos no se
permite proporcionar más del 100% de la demanda
estimada según el Código, ni más del 110% en un
mes aislado; limitaciónes que afectan típicamente
al verano.
Por otro lado, la norma UNE 94002 proporciona
datos de temperatura de agua de red para cada
provincia, información que resulta imprescindible
para el dimensionado de cualquier instalación de
ACS. Además, el diseñador cuenta con documentos
técnicos de instalaciones en la edificación
como el DTIE 1.01 para el dimensionado de ACS
convencional, y el DTIE 8.03 donde se dan pautas
para el diseño de instalaciones solares de ACS.
Siguiendo la Directiva Europea 2009/28/CE se
ha publicado el nuevo Plan de Energías Renovables
2011-2020 en el que se prevé un aumento del
uso de las energías renovables y en particular de
la energía solar térmica. Para ello se plantea la
extensión de esta tecnología no sólo al sector
residencial sino también al industrial. Se pretende
remunerar la energía producida e incentivar el
desarrollo de las Empresas de Servicios Energéticos,
22
como mecanismo para gestionar las primas a la
producción. A dichas empresas corresponderían
la oferta de diversos servicios, desde auditoría
energética hasta explotación, operación y
mantenimiento en un edificio determinado.
2.1.3. Componentes principales de una
instalación solar térmica
Toda instalación solar térmica consta de unos
elementos básicos: un campo de captadores
solares que colecte la irradiancia solar total G
(potencia incidente por unidad de superficie),
un fluido caloportador que permita llevar el
calor desde los captadores directamente a los
puntos de consumo o a un equipo intermedio
(intercambiadores de calor o acumulador, si la
instalación lo precisa) y un conjunto de tuberías
que, por medio de bombeo, permitan la circulación
de los fluidos caloportadores por todos los equipos
necesarios. El esquema básico de una instalación
se muestra en la Figura 2.1.1.
Para evitar hacer circular el fluido de
almacenamiento por los captadores, se separa
la instalación en dos circuitos independientes,
utilizando para ello un intercambiador de calor. Esta
configuración ofrece la ventaja adicional de poder
utilizar anticongelante en el fluido que circula por
los captadores, protegiendo así la instalación de
rotura por congelación. El uso de anticongelantes
ha de ser evaluado con cuidado pues su
descomposición en caso de altas temperaturas
puede dar lugar a sustancias corrosivas que
deterioren la instalación.
Los distintos circuitos hidráulicos de este tipo
de instalaciones suelen organizarse como sigue.
El primario, o de captación, incluye el campo de
captadores y un lado del intercambiador de calor,
junto con las tuberías necesarias para su conexión.
El circuito secundario conecta el otro lado del
intercambiador de calor con el acumulador térmico.
Finalmente, un circuito terciario, o de consumo,
conecta el acumulador térmico con los puntos
donde se produce la demanda. A veces se utiliza
otro intercambiador de calor para separar el agua
almacenada del agua de consumo (ACS), con el fin
de prevenir riesgos de legionelosis. A este efecto se
suelen emplear intercambiadores de tipo serpentín
dentro del acumulador o acumuladores de doble
carcasa.
EQUIPO DE CONTROL
OR
AD
AT
AP
C
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
ACUMULADOR
ACS
R
LA
SO
ACUMULADOR SOLAR
CALDERA
AUXILIAR
SUELO RADIANTE
O GENERADOR
MÁQUINA DE
ABSORCIÓN
ENTRADA DE
AGUA DE RED
CIRCUITO PRIMARIO
O DE CAPTACIÓN
CIRCUITO SECUNDARIO
O DE ACUMULACIÓN
CIRCUITO TERCIARIO
O DE DISTRIBUCIÓN
Figura 2.1.1. Componentes principales de una instalación solar térmica.
2.1.3.1. Captadores
Según el tipo de aplicación deseada, existen
varios tipos de captadores solares. Para calentar
el agua de piscinas, se pueden usar sencillamente
láminas planas de plástico negro resistente a
la radiación UV (principalmente poli-etileno/
propileno) por cuyo interior circula el agua. En
cambio, para la producción de agua caliente se
usan captadores más elaborados en función del
rango de temperatura deseada. Para temperaturas
intermedias (45-90 ºC), se suelen emplear
captadores planos con cubierta de cristal. Este rango
de temperatura alcanzable suele ser suficiente,
tanto para ACS como para calefacción con suelo
radiante (límite inferior), e incluso para activar
una máquina de absorción en zonas soleadas.
Para calefacción con radiadores o aplicaciones de
aire acondicionado con máquinas de absorción,
el rango de temperatura necesario es algo más
elevado (60-130 ºC) y pudieran llegar a requerir
el uso de captadores de alto rendimiento, como los
captadores de tubos de vacío. Finalmente, existen
captadores de concentración cilindro-parabólicos
que permiten aumentar aún más la temperatura
(150-600 ºC), pero no destaca ninguna aplicación
para energía solar térmica en edificios, salvo en
climas muy fríos y con bajos niveles de irradiación
solar o la, aún en desarrollo, producción de
electricidad termosolar a pequeña escala.
Los captadores planos constan de una placa que
absorbe la radiación solar. Este absorbedor suele ser
de aluminio ennegrecido, o anodizado si se quiere
abaratar costes, o de recubrimiento selectivo (alta
absortividad en el espectro visible y baja emisividad
23
en el infrarrojo) si se desea un alto rendimiento. En
contacto directo con la placa del absorbedor, unos
tubos que llevan el fluido caloportador recorren
el interior del captador formando un serpentín de
conducto único o bien una lira de tubos paralelos,
entre dos tubos distribuidores. Una cubierta
simple o doble de vidrio solar transparente aísla
térmicamente la parte superior del captador, a la
vez que impide la salida de radiación infrarroja
(efecto invernadero), reduciendo las pérdidas de
calor al ambiente y mejorando el rendimiento del
captador. La parte inferior y los laterales están
también aislados térmicamente con fibra de
vidrio. El conjunto se halla contenido dentro de un
marco impermeable de aluminio, formando así un
captador.
Los captadores planos de vacío son
estructuralmente similares a los anteriores, pero
presentan la diferencia de ser herméticos y de estar
rellenos de un gas a baja presión. Ello posibilita
reducir las pérdidas de calor por convección dentro
de la caja y aumentar la temperatura de trabajo
del captador sin verse demasiado perjudicado su
rendimiento.
Los captadores de tubos de vacío, por su
forma cilíndrica, facilitan el sellado de los tubos y
aumentan el grado de vacío dentro de los mismos.
Con la misma filosofía que en el tipo anterior, el vacío
permite reducir las pérdidas al entorno, quedando
como las mayores pérdidas las de radiación. Suelen
trabajar con temperaturas más elevadas que los
captadores planos de vacío (usualmente, del orden
de 100ºC o más). Una variante de este tipo de
captadores añade un caloducto (“heat-pipe” en
inglés) en la parte del absorbedor de radiación, lo
que suele extender el tiempo de vida del sellado y
tiene la ventaja adicional de que el cambio de fase
en el tubo haga que funcione a temperatura casi
constante y uniforme.
Se denomina rendimiento de un captador solar
a la fracción de la energía solar incidente sobre su
superficie que el captador es capaz de transferir a un
fluido. La información disponible de este parámetro
se recoge en la curva de normalización del captador,
obtenida experimentalmente bajo normas y que es
proporcionada por el fabricante (Figura 2.1.2). Esta
curva está elaborada con el captador orientado al
Sol (ángulo de incidencia nulo).
1
0,9
0,8
Rendimiento
0,7
0,6
0,5
PISCINAS
0,4
AGUA CALIENTE SANITARIA
0,3
CALEFACCIÓN
0,2
REFRIGERACIÓN
0,1
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
AT/G [K m W]
0,06
0,07
0,08
0,09
CAPTADOR PISCINA
CAPTADOR PLANO
CAPTADOR TUBO DE VACIO
Figura 2.1.2. Curvas de normalización típicas para diferentes tipos de captadores solares térmicos,
mostrando el rango usual de aplicación.
24
0,1
El rendimiento resulta ser aproximadamente función lineal de la diferencia de temperatura entre la
media del fluido caloportador circulando a través del captador y la del ambiente exterior (ΔT en ºC),
dividida por la irradiancia del Sol (G en W/m2): η = a0 – a1ΔT/G. La aplicación y condiciones de uso
condicionan la elección de la tecnología de captador, resultando unos más eficientes que otros para
según qué valores de ΔT/G.
0,95
8
0,9
7
0,85
6
0,8
a0
5
0,75
4
0,7
a1
3
0,65
2
0,6
1
0,55
0
0,5
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
€/m2
a0 plano
a0 Heat-pipe
a1 Tubo vacío
a0 plano alto rendimiento
a1 plano
a1 Heat-pipe
a0 Tubo vacío
a1 plano alto rendimiento
Figura 2.1.3. Variación de los parámetros de la curva de normalización de diversos tipos de captadores
solares en función de su precio (datos de 2009).
La Figura 2.1.3 presenta los coeficientes del rendimiento a0 y a1 en función del precio por metro
cuadrado de captador, en el mercado español en 2009.
2.1.3.2. Acumuladores térmicos
Los acumuladores térmicos son elementos
de almacenamiento de energía en forma térmica,
pudiéndose intercambiar calor con ellos o
directamente consumir el fluido caliente. Se utilizan
debido al desajuste temporal que puede existir
entre la energía producida y la demandada. Existen
diferentes tipos de acumuladores, cuya elección
debe basarse en la instalación solar utilizada, fluido
utilizado, temperaturas de trabajo, etc. La primera
diferenciación proviene de la forma en la que se
produce el almacenamiento de la energía: calor
sensible o calor latente.
El calor sensible se refiere al calentamiento de
un fluido o sólido sin cambio de fase, mientras
que el calor latente se refiere a sustancias que
cambian de estado, almacenando energía a
temperatura constante, siendo estos últimos los
denominados PCMs, que se encuentran en una
fase de investigación y estudio. Dichos materiales
ofrecen la ventaja de tener mayor capacidad de
almacenamiento de energía por unidad de volumen
25
de vidrio para evitar perdidas de calor al ambiente.
Los tanques de acumulación utilizan la estratificación
como una forma eficiente de almacenamiento de
calor; es decir, agua más caliente y por ello menos
densa en la parte superior del acumulador que en la
parte baja, menos caliente y más densa. El agua más
caliente se envía para su uso mientras que el agua
fría se devuelve a los captadores aumentando así
su rendimiento al reducir su temperatura de trabajo,
como se representa en la Figura 2.1.1. El acumulador
térmico suele formar parte del circuito secundario.
que el almacenamiento de calor sensible.
Comúnmente, se utiliza agua líquida como fluido
de almacenamiento (calor sensible), contenida
en un tanque. La elección del agua se debe a
varias razones, entre las que destacan su elevada
capacidad calorífica por unidad de volumen, el
ser una sustancia viable tanto para captadores
como para almacenamiento, su bajo coste, su no
toxicidad y sus buenas propiedades de transporte
del calor. Las desventajas del uso del agua son que
es corrosiva con algunos metales, se congela a 0
ºC, expandiéndose al hacerlo, y hierve a 100 ºC
a presión ambiente, temperatura que fácilmente
puede alcanzarse en una instalación solar.
La capacidad del acumulador térmico es
uno de los parámetros primordiales en las
instalaciones solares térmicas. La cantidad de agua
almacenada afecta a la temperatura de operación
de los captadores y por lo tanto al rendimiento
global de la instalación. Además, un acumulador
grande hace aumentar el coste de la instalación
considerablemente, siendo éste del mismo orden
que el coste de los captadores, como se deduce de
las Figuras 2.1.3 y 2.1.4.
El tanque de acumulación suele estar fabricado
con acero recubierto con pintura epoxi o con
superficie vitrificada, para temperaturas menores
de 65 ºC. Para mayores temperaturas se suele
utilizar acero inoxidable. Normalmente, el exterior se
recubre de espuma de poliuretano inyectado o fibra
25
Precio [k€]
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
Volumen V [m3]
Acero inoxidable con serpentin
Acero con recubrimiento de epoxy con serpentin
Acero vitrificado con serpentin
Acero inoxidable
Acero con recubrimiento de epoxy
Acero vitrificado
Figura 2.1.4. Precio del tanque de acumulación vs. volumen para diferentes configuraciones y materiales
(datos de 2009).
26
2.1.3.3. Equipo frigorífico
Como se comenta en el apartado 2.1.1, el
calor producido por la instalación solar puede ser
utilizado indirectamente produciendo frío para
acondicionamiento de aire, con máquinas de
absorción o adsorción. Las más comunes son las de
absorción, cuyos fluidos de trabajo más empleados
en la actualidad son una disolución de bromuro de
litio en agua o bien una disolución de amoniaco en
agua, comercializándose en un rango de potencias
de entre 10 y 7.000 kW de frío. En estas máquinas,
la eficiencia o COP (Coeficiente de Operación,
correspondiente al cociente entre potencia frigorífica
producida y potencia calorífica de accionamiento)
depende del rango de temperaturas de trabajo.
Para el ciclo más sencillo (de simple efecto) se
cifra en torno a 0,6-0,75, para temperaturas
de accionamiento de 80-110 ºC, produciendo
frío a 6-15 ºC en el evaporador y evacuando el
calor residual en el condensador y absorbedor a
temperatura ambiente, corrientemente a 30-45 ºC.
Estos equipos se integran en serie con la
caldera de respaldo, que sube la temperatura del
flujo proveniente del acumulador térmico hasta la
temperatura necesaria para que la máquina de
absorción produzca frío caso de insuficiencia solar
(Figura 2.1.1).
Existen en el mercado equipos que pueden operar
como bomba de calor produciendo tanto frío como
calor a partir de la energía solar térmica, incluso con
capacidad intrínseca de almacenamiento en forma
química. Dichos dispositivos realizan ciclos de carga
y descarga, por lo que se requiere al menos dos
elementos (uno cargándose y otro descargándose)
para aumentar la uniformidad en el suministro. Un
valor orientativo de su COP como bomba de calor
para calefacción es 1,5.
2.1.3.4. Intercambiadores de calor
Cuando se opta por separar el fluido de los
circuitos primarios, secundario y/o terciario, se suele
optar por “intercambiadores de placas” fabricados
en acero inoxidable. Este intercambiador consiste
en un conjunto de placas delgadas corrugadas y
apiladas unas sobre las otras, formando canales
entre cada dos. Estos intercambiadores son muy
compactos y permiten transferir una potencia
térmica por unidad de volumen mayor que otros
tipos de intercambiadores. Su dimensionamiento
viene regulado por el CTE HE4 apartado 3.3.4.
2.1.3.5. Disipador de calor excedentario
En las instalaciones solares térmicas es a menudo
necesario disponer de equipos de disipación
de calor para evitar sobrecalentamiento de la
instalación que puedan producir daños en ella (CTE
HE4, apartado 3.2.2.3.1). El sobrecalentamiento
aparece en los captadores solares y se puede
producir por una baja demanda de calor o por
incompetencia de las bombas, especialmente del
circuito primario, por ejemplo, ante un fallo o corte
eléctrico. Los disipadores pueden ser activos o
pasivos. Los activos disponen de ventiladores que
hacen pasar una corriente de aire a través de unos
tubos aleteados por cuyo interior circula el agua de
los captadores y disipan el calor excedente cuando
hay conexión eléctrica. Los pasivos funcionan sin uso
de equipos eléctricos, basándose en la circulación
natural por diferencia de densidad. Este tipo de
disipadores se coloca en la parte más alta de los
captadores, permitiendo circular el fluido mediante
el accionamiento de una válvula controlada por la
temperatura del fluido que sale de los captadores.
2.1.3.6. Sistemas de vaciado y llenado
Debe existir al menos una válvula de llenado
manual en cada uno de los circuitos cerrados y
un purgador para la salida de aire. En el caso del
circuito de captación (primario), se debe añadir
también una bomba manual de dosificación o grupo
de presión para presurizar el circuito. Por otro lado,
deben existir válvulas ubicadas en los puntos más
bajos de la instalación para garantizar su vaciado
completo. El vaciado por gravedad evita la necesidad
de instalar otros elementos.
También existen sistemas automáticos de llenado
27
y vaciado dinámico, diseñados para proteger las
instalaciones solares frente a sobrepresión causada
por un sobrecalentamiento y frente a la congelación.
Con ellos es posible evitar el posiblemente
costoso y contaminador aditivo anticongelante.
Adicionalmente, permiten mantener la presión del
circuito de captación constante, evitar golpes de
ariete, y que la temperatura de trabajo esté dentro
del rango de funcionamiento recomendado (CTE
HE4, apartado 3.4.9). Tales sistemas automáticos
deben incluir un dispositivo adicional que permita
purgar el aire del circuito si éste se llena y vacía a
menudo.
2.1.3.8. Vasos de expansión y válvulas de
sobrepresión
El vaso de expansión es un elemento esencial de
cualquier instalación hidráulica. Tiene que ser capaz
de absorber variaciones de volumen del fluido de
trabajo debido a su dilatación o contracción entre
la temperatura de llenado de la instalación y la
temperatura de trabajo. Con el fin de limitar la
presión del circuito, se suele añadir una válvula de
sobrepresión.
2.1.3.9. Tuberías: materiales y
acondicionamiento
2.1.3.7. El fluido caloportador
En una instalación solar se pueden usar distintos
fluidos caloportadores, uno para el circuito de
captación (primario), otro para el de almacenamiento
(secundario) y otro para el de distribución (terciario),
siendo éste último agua potable en caso de ser una
instalación de ACS. En todos ellos se suele emplear
agua que tiene que cumplir una salinidad y un pH,
determinado por el CTE HE4, apartado 3.2.2.1, y
suelen añadirse aditivos para evitar la corrosión.
En el circuito primario, si la temperatura exterior es
menor que 0 ºC, es necesario añadir anticongelante
al agua en cantidades y características definidas
por el CTE HE4, apartado 3.2.2.2. Entre los más
utilizados están los basados en etilenglicol (muy
tóxico, dosis letal ~ 100 g) y propilenglicol (no
tóxico a concentraciones menores que el 5%). La
adición de anticongelante ha de tenerse en cuenta
a la hora de diseñar la instalación, ya que la mezcla
es más viscosa y su calor específico menor: hay que
mover más fluido para obtener la misma potencia
térmica, y cuesta más trabajo de bombeo. La
mezcla agua-anticongelante también tiene un mayor
coeficiente de expansión, y por lo tanto, se requieren
vasos de expansión mayores. Al poder ser tóxico el
anticongelante, debe impedirse su mezclado con
agua de consumo. Se ha de prestar cierto cuidado
al envejecimiento, contaminación biológica y
sobrecalentamiento de fluido con anticongelante,
ya que su descomposición puede dar lugar a
ácidos orgánicos eventualmente corrosivos para la
instalación.
28
Las tuberías empleadas en el circuito de captación
tienen que evitar la degradación del anticongelante
y ser resistentes a la corrosión. El cobre y el acero
inoxidable suelen ser materiales apropiados para
tal propósito. El cobre presenta la ventaja de ser
actualmente menos costoso, más dúctil y es fácil
de soldar. Para la distribución, se suele utilizar
cobre o materiales plásticos. En cualquier caso, es
importante aislar térmicamente todas las tuberías
y acortar los recorridos para minimizar perdidas de
calor al ambiente. Por este motivo es deseable que
todas las tuberías estén bajo techo. La sección de
las tuberías se ha de elegir teniendo en cuenta su
influencia sobre la pérdida de carga de los circuitos
y el coste de consumo eléctrico en bombas asociado
a ella.
2.1.3.10. Bombas
En el circuito de captación una bomba tiene que
hacer circular el fluido caloportador a través de los
captadores. Suele estar presurizado entre 4 y 6 bar
para evitar su ebullición y prevenir la cavitación.
El caudal a circular por los captadores suele ser
indicado por el fabricante, que fija un intervalo de
valores y un caudal nominal recomendados. Las
pérdidas de carga en los captadores no suelen
ser excesivas (típicamente inferior a 5 metros de
columna de agua). Generalmente, una bomba de
circulación centrífuga de rotor inundado, similar
a las de calefacción, suele ser apropiada. Para
prevenir la cavitación en bombas, éstas se sitúan
preferentemente en la parte más baja del circuito.
Con la misma idea, las válvulas de regulación de
caudal se han de colocar corriente abajo de la
bomba de circulación.
En instalaciones mayores, la perdida de carga del
circuito suele ser mayor, al requerir una mayor longitud
de tuberías. Ello hace que el consumo eléctrico de
las bombas no sea despreciable en la operación
de la instalación. La norma ENV-12977-2 limita la
potencia de bombeo del circuito primario al 1 o 2%
de la mayor potencia térmica que pueden suministrar
los captadores solares. Por ello es conveniente elegir
las bombas cuidadosamente, ya que minimizar el
consumo de bombeo es importante.
Existen también bombas con varias velocidades
de funcionamiento, lo que permite cierta flexibilidad
en el caudal y consumo de bombeo. Aún más, una
bomba de circulación con variador de frecuencia
electrónico para regular la velocidad del rotor puede
llegar a disminuir en un 50% el consumo de dichas
bombas. En cualquier caso, variar la velocidad de
la bomba ofrece la posibilidad de regular el caudal
que atraviesa los captadores para obtener una
temperatura de trabajo determinada en ellos. Eso
puede ayudar a mejorar su rendimiento y evitar
problemas de sobrecalentamiento.
2.1.3.11. Equipos compactos
En instalaciones de ACS unifamiliares, puede ser
conveniente usar equipos compactos individuales
que integran captador y acumulador en un único
conjunto. En ellos la circulación del agua se produce
por efecto termosifón y carecen de anticongelante,
por lo que se emplean en regiones de clima
moderado. Si bien se pueden usar en viviendas
de uso ocasional en determinadas circunstancias,
su degradación puede ser muy rápida ya que
buena parte del tiempo pueden estar a la elevada
temperatura de estancamiento (con caudal nulo).
2.1.3.12. Equipo de respaldo
Para poder cubrir la demanda es necesario incluir
un equipo auxiliar que proporcione la energía que
no sea capaz de generar el sistema solar, CTE HE4,
apartado 3.3.6. Este equipo suele ser una caldera,
preferentemente de gas natural o de biomasa.
En instalaciones de ACS suele situarse a la salida
del acumulador térmico, subiendo la temperatura
del agua que se suministra a la vivienda hasta la
temperatura adecuada de suministro; en España
dicha temperatura es de 60 ºC en el punto de
consumo (UNE 94002).
En instalaciones para edificios multi-vivienda o
edificios del sector terciario, la conexión del equipo
de apoyo y la instalación solar suele ser más
compleja. Las variantes más comunes se resumen
a continuación:
- Sistema de acumulación centralizado y apoyo
individual: El acumulador es común para todas
las viviendas pero cada vivienda dispone de una
caldera de respaldo.
- Sistema de acumulación y apoyo individual:
Cada vivienda dispone de su propio acumulador y
caldera de respaldo.
- Sistema con acumulación solar centralizada,
intercambiador y respaldo individual: Existe un
intercambiador de calor y equipo de respaldo en
cada vivienda.
- Sistema con acumulación y respaldo
centralizado: Se utiliza un acumulador y un equipo
de respaldo común para todas las viviendas.
2.1.3.13. Sistema de control de la
instalación
Este sistema está compuesto por los elementos
necesarios para lograr el correcto funcionamiento
de la instalación solar. Normalmente este control
hace que las bombas se pongan en marcha, se
desconecten o funcionen a un régimen de giro
29
adecuado que controle las temperaturas medidas
en la salida de los captadores y del acumulador
térmico. Los elementos utilizados son termostatos,
reguladores proporcionales, sensores de medida
de temperatura (termopares y termo-resistencias),
foto-detectores de la radiación solar (piranómetros)
y un reloj (Figura 2.1.1).
2.1.4. Consideraciones acerca del
dimensionado de los componentes
principales
Antes que bosquejar una metodología de diseño
de instalaciones solares térmicas, se pretende
en este apartado aportar información general
que conviene conocer a la hora de abordar la
incorporación de la tecnología solar térmica a un
edificio. Se indica la información que es necesario
recabar para un diseño detallado y específico.
2.1.4.1. Dimensionado del campo solar
El carácter variable de la radiación solar, tanto
diario como anual, impone condiciones al diseño
de las instalaciones solares térmicas. No sólo la
presencia de nubes y otros elementos difusores y
absorbentes de la luz en la atmósfera contribuyen
a ello, sino que la posición del Sol respecto de
la superficie de captación experimenta cambios
muy significativos, que es necesario conocer
para aprovecharlos adecuadamente. Dicho
aprovecha¬miento eficiente pasa por seleccionar
la adecuada orientación de los captadores solares
(generalmente fija en aplicaciones térmicas) con
respecto a dos ejes: azimut (en el hemisferio norte
es sur la orientación óptima) e inclinación. La
inclinación óptima depende de la latitud geográfica,
y es variable a lo largo del año, ya que depende de la
declinación o elevación máxima del Sol respecto del
horizonte, lo cual ocurre a las 12 h solares, siendo
máxima en el solsticio de verano y mínima en el de
invierno. Si no se contempla un ajuste estacional de
la inclinación, suele recomendarse que sea igual a
la latitud, como se detalla más adelante.
En una determinada ubicación geográfica, la
información sobre radiación solar generalmente
30
disponible se limita a lo que se denomina
irradiación global (MJ/m2 por día) sobre el plano
horizontal (irradiación directa+difusa+reflejada).
Esta información está disponible en los atlas de
irradiación, con diferentes grados de detalle según
la zona considerada en el estudio. En algunos
documentos y publicaciones se proporciona
información segregada de las contribuciones directa
y difusa.
A partir de dicha información se puede obtener,
empleando un modelo de cielo, la irradiación (MJ/
m2) en el periodo de tiempo que discurre entre el
orto y el ocaso. De ella se deriva directamente la
irradiancia media diaria (W/m2) disponible sobre un
captador, con un azimut e inclinación determinados
(Figura 2.1.5). Su valor depende de ambos
ángulos.
Como se aprecia en la Figura 2.1.2., el rendimiento
del captador se expresa en función de ΔT/G. Como
ambos parámetros son muy variables a lo largo
del día y del año, el rendimiento instantáneo del
captador también lo será (Figura 2.1.6) afectando
significativamente a la energía útil disponible en
cada momento, debido a que estas instalaciones
típicamente no disponen de seguimiento del Sol. ΔT
puede ser modulada mediante los dispositivos de
acumulación térmica y las bombas, pero G no. No
obstante, una adecuada selección de la inclinación
del captador permite una mejor adaptación a la
demanda (Figura 2.1.5).
800
HsolarWi
HsolarWti
700
600
[W/m2]
500
400
300
200
100
0
Mes del año
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Figura 2.1.5. Irradiancia solar media diaria (entre orto y ocaso) de cada mes, expresada en W/m2,
incidente sobre una superficie con azimut sur (corresponde a la latitud de Madrid). Se considera un
HsolarWti (en azul) e inclinación sobre la horizontal, de 40º; y se compara con la irradiancia incidente
sobre un plano horizontal HsolarWi (en rojo), de forma que puede observarse el aplanamiento de la curva
para superficie inclinada.
Así, para una aplicación de ACS, la demanda es
inferior en verano que en invierno (Figura 2.1.7), por
lo que una inclinación mayor (captador más vertical)
que la latitud local (valor óptimo en media anual
para maximizar la energía útil) es interesante, ya que
incrementa la producción en invierno reduciéndola
en verano.
Dada la importante variación de la energía solar
disponible en función de la ubicación geográfica
dentro del territorio nacional, es imposible dar una cifra
única de superficie necesaria para cada aplicación.
No obstante, para tener un orden de magnitud inicial
se puede decir que un captador solar de 2 m2 de área
de apertura, atiende aproximadamente el 60% de la
demanda anual de ACS en un piso de 4 ocupantes
en el entorno climático de la ciudad de Madrid. Para
el mismo entorno se requieren unos 50 m2 para
atender el 40% de la demanda de calefacción y de
aire acondicionado de dicha vivienda.
31
1
1800
0,9
1600
0,8
1400
0,7
1200
0,6
0,5
1000
0,4
800
0,3
600
0,2
400
0,1
200
[W]
0
0
0:00
2:00
4:01
6:02
8:03
10:04
12:05
14:06
16:07
18:08
20:09
22:10
Hora local [hh:mm]
Rendimiento 16/01/2009
Potencia util 16/01/2009
Rendimiento 15/08/2009
Potencia util 15/08/2009
Figura 2.1.6. Evolución a lo largo del día del rendimiento y la potencia útil medidas en la instalación solar
ITEA, de la Universidad Carlos III de Madrid. Corresponden a un captador solar de alto rendimiento y
2,5 m2 de apertura para ACS, para invierno y verano.
120
110
100
90
80
70
60
Mes del año
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Vconsdia
Vconsmed
[%]
Figura 2.1.7. Evolución anual de la demanda de Agua Caliente Sanitaria (ACS) y su media (elaborado a
partir de datos del DTIE 1.01).
32
Adicionalmente, existen una serie de variables
que modifican el rendimiento de los captadores
indicado por su curva de normalización. Cabe citar,
como más influyentes los siguientes:
la mañana y a últimas horas de la tarde para un
captador mirando al sur (en el hemisferio norte). Por
este efecto cabe descontar una pérdida anual de
rendimiento del orden del 8%.
Envejecimiento del captador y suciedad:
Tienen efecto sobre su rendimiento óptico. Es decir,
el cociente entre la potencia que llega a la placa
absorbedora y la irradiación solar incidente (según
norma) en el periodo de tiempo considerado. Se
corresponde con a0, que es el valor de la curva
de normalización para ΔT/G = 0, Figura 2.1.2. Es
razonable asumir reducciones del orden del 1,5 %
por año de uso del captador, aunque dicho valor
depende de los materiales y del entorno.
Inercia térmica: Atribuible tanto al captador
como al fluido que circula dentro de él; provoca
un desfase entre la radiación incidente y el calor
útil. Este efecto, que sólo tiene transcendencia en
análisis y simulación en régimen transitorio, provoca
diferencias en el rendimiento del orden del 3%,
cambiando su signo a lo largo del día.
Pérdidas por viento: El ensayo de normalización
puede realizarse con una velocidad del viento, que
dependiendo del tipo de captador, puede estar
entre 0 y 4 m/s. Como el viento acrecienta las
pérdidas de calor convectivas del captador solar, es
frecuente que el ensayo de normalización se realice
en condiciones de relativamente baja velocidad del
viento, típicamente inferior a 3 m/s. En ubicaciones
ventosas y sin protección, habría que considerar
una disminución del rendimiento medio anual del
captador del orden del 16%.
Ángulo de incidencia de la radiación directa:
El ensayo de normalización se realiza en las
horas centrales del día para ángulo de incidencia
nulo; esto es, la radiación solar directa incide
perpendicularmente a la superficie del captador. A
medida que el Sol modifica su orientación relativa
al captador, el ángulo de incidencia resultante de
la radiación directa reduce el rendimiento óptico
del mismo, especialmente a primeras horas de
Pérdidas por radiación: Estas pérdidas
dependen, por una parte, de la emisividad y
temperatura de la cubierta exterior del captador
(generalmente de vidrio con bajo contenido en
hierro) y de la temperatura equivalente del cielo
por otra; ésta última puede diferir sustancialmente
de la temperatura ambiente. Ambas temperaturas
experimentan variaciones significativas a lo largo
del día, no siempre bien descritas por la curva de
normalización, que centra su atención en la ya
mencionada diferencia de temperatura entre el
fluido caloportador y el ambiente. Para un captador
de alto rendimiento, estas pérdidas suponen un
descenso del rendimiento del captador, que en
media anual no supera el 1,5%.
La Figura 2.1.8, muestra el efecto combinado de
todos los factores descritos sobre el rendimiento de
un captador solar a lo largo de un día de verano
en Madrid. La curva de normalización (puntos rojos)
se ha mantenido en la misma gráfica a modo de
comparación con los valores experimentales (puntos
azules) y el modelo elaborado para predecir su
comportamiento en servicio (puntos negros).
33
REND CN
REND EXP
REND MOD
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
ΔT/G [K m2 W-1]
Figura 2.1.8. Evolución diaria del rendimiento instantáneo medido (EXP) y simulado con un modelo
transitorio (MOD) de la instalación solar ITEA, de la Universidad Carlos III de Madrid. Corresponde a un
captador solar plano convencional durante un día de verano (15 de agosto de 2008), el cual se compara
con el predicho por su curva de normalización (CN).
2.1.4.2. Dimensionado del acumulador térmico
En todas las instalaciones solares térmicas
existe un equipo de respaldo dimensionado para
atender la totalidad de la demanda en los días en
los que la radiación solar es muy baja. Por lo tanto,
el propósito del acumulador no es el de almacenar
energía para atender un pico puntual de demanda.
En aplicaciones solares térmicas, el propósito del
acumulador es el de maximizar la fracción solar
(comentada en el apartado 2.1.1.1). Ese objetivo
general se concreta en dos corolarios:
- Aprovechar la radiación solar cuando está
presente en abundancia, almacenándola en forma
de energía térmica útil en el acumulador.
- Asegurar un elevado rendimiento del captador
solar, manteniendo el fluido caloportador que se
envía al captador a una temperatura lo más baja
posible, evitando el mezclado con el que vuelve
caliente (estratificación en el acumulador).
34
La normativa española (CTE) permite un
amplio intervalo de valores para el volumen de
acumulación:
V
0,05 ≤ – ≤ 0,18
A
(2.1.1)
Donde V (m3) es el volumen de acumulación
y A (m2) la superficie de captación del campo
solar. En general, se consiguen mejores resultados
con acumuladores más grandes, aumentando la
fracción solar, pero para valores más altos que el
límite superior prescrito por el CTE, las pérdidas
de calor en el acumulador para una superficie
dada de captación, lo hacen ineficiente para
dicha instalación. También la limitación contraria,
el tamaño mínimo del acumulador que resulte
satisfactorio, es crucial en algunas rehabilitaciones,
pues pudiera no poder entrar en su ubicación en el
edificio, teniendo entonces que recurrirse a grúas o
a dividir el acumulador en dos más pequeños.
Si se dimensiona el acumulador para almacenar
la energía que se extrae de él durante un día, se
suelen obtener valores próximos al límite inferior
del intervalo de la expresión 2.1.1, con cierta
dependencia de la zona climática considerada en la
Península Ibérica. Dicho límite inferior resulta crítico
en el sentido de que valores inferiores al prescrito
reducen significativamente la fracción solar empleada
a lo largo del año. Como ejemplo, el mínimo valor que
permite la norma, V/A = 0,05 m, permite atender el
60% de la demanda de ACS en el entorno climático
urbano de Madrid. Sin embargo, en términos de
fracción solar aprovechada o ahorro de emisiones
de CO2, el óptimo se desplaza hacia valores de V/A =
0,08 m. Por otra parte, aumentos mayores en dicho
parámetro no producen incrementos significativos
de la fracción solar ni del ahorro de emisiones, por lo
que no parece aconsejable un sobre-dimen¬sionado
del acumulador.
Dado el elevado coste del acumulador
(Figura 2.1.4), comparable al de los captadores
solares (Figura 2.1.3) y por lo tanto el segundo
equipamiento más caro de la instalación solar (o el
tercero si incluimos equipo frigorífico de absorción),
sería deseable poder afinar algo más en el volumen
de acumulación. Pero una precisión mayor en el
dimensionado, requiere el empleo de métodos
de simulación en régimen transitorio; lo que,
especialmente con un acumulador estratificado,
presenta complejidad en el cálculo. En estos
métodos ha de incorporarse el tipo de perfil de
demanda, que se relaciona con los hábitos de
los ocupantes del edificio. La mayor parte de los
programas de simulación en régimen transitorio,
tales como TRANSOL V2 y ACSOL V2 (éste último
de difusión gratuita), están basados en TRNSYS,
entorno de programación orientado a objetos,
que permite la incorporación de los componentes
habituales en instalaciones solares térmicas. En
otros países existen también programas de este
tipo, tales como POLYSUN y T-SOL, pero las bases de
datos con las que trabajan sus versiones gratuitas
se limitan a Suiza y Alemania respectivamente. Los
resultados ofrecidos por estos programas se basan
en el cálculo de la fracción solar cubierta con una
instalación solar definida por el usuario. Es labor del
usuario el elegir tanto el área de captación como
el volumen de acumulación, además del resto de
características de la instalación. Cuentan por lo
tanto, con escasas posibilidades de optimización.
En el caso particular de la rehabilitación
energética de un edificio, puede resultar crítico el
cumplimiento del CTE, por lo que la optimización
con el uso de herramientas informáticas resulta
muy conveniente. Resulta asimismo conveniente
para precisar la fracción solar de cobertura y así
optimizar la calificación energética del edificio.
2.1.4.3. Dimensionado de otros
componentes de la instalación solar
Para el dimensionado del resto de los
componentes de la instalación solar, es fundamental
conocer el caudal másico de fluido caloportador
que ha de circular por la misma. En principio se
puede comenzar con el valor recomendado por
el fabricante del captador solar, multiplicado
por el número de captadores, ya que en una
inmensa mayoría de instalaciones se montan en
paralelo. Eso es aplicable al circuito primario (el
de captación), pero también es un valor orientativo
para el secundario (acumulador). El del circuito
terciario o de consumo, viene impuesto por la
demanda. En ese punto conviene tener presente
dos consideraciones:
- Una disminución del caudal de fluido
caloportador provoca una mayor temperatura
de operación de los captadores y con ello, una
disminución de su rendimiento, como se ha visto
(Figura 2.1.2). También se incrementan las pérdidas
de calor en las tuberías, intercambiador de calor y
acumulador térmico.
- Un aumento del caudal de fluido caloportador
provoca una mayor pérdida de carga en conductos
e intercambiadores de calor, requiriendo pues una
bomba que provoque un salto de presión mayor, lo
que unido a un caudal mayor resulta más costosa y
consume más electricidad.
35
Se impone por tanto perseguir un diseño
equilibrado entre pérdidas térmicas y pérdidas de
carga. En las primeras se cuenta con el aislamiento
de las tuberías, mientras que las segundas pueden
reducirse aumentando el diámetro de tuberías y
componentes asociados.
2.1.4.4. Beneficios económicos y
medioambientales
Las instalaciones solares térmicas que resultan
más fácilmente amortizables son las dedicadas a la
producción de ACS. Ello se debe a una menor inversión
inicial, especialmente en superficie de captadores y
en acumulador térmico. Este pequeño tamaño facilita
asimismo su inclusión en una rehabilitación.
Las instalaciones de propósito múltiple (ACS,
calefacción y aire acondicionado) precisan de una
inversión inicial más elevada, no sólo porque la
superficie de captación debe ser considerablemente
mayor, sino por el elevado coste del equipamiento
adicional (posibilidad de usar suelo radiante,
máquina frigorífica de absorción, fancoils, techo frío,
etc.). En latitudes como la española, una instalación
solar pensada para atender una elevada fracción
Aplicación del campo
de 50 m2 de captadores
solares planos convencionales
25 viviendas ACS
15 viviendas ACS
15 viviendas ACS+AA
de la demanda de calefacción, necesita incorporar
asimismo capacidad de acondicionar el aire
produciendo frío, ya que de no hacerlo tendría unos
excedentes energéticos considerables durante el
periodo estival, cuando la radiación solar es mayor.
Por el contrario, un dimensionado adecuado (con
una reducida fracción solar para aire acondicionado)
permite el uso para ACS y aire acondicionado
exclusivamente, incrementando la fracción solar para
ACS en invierno. La baja radiación solar disponible
durante el invierno, podría no justificar la inversión
adicional en equipamiento para calefacción solar
por suelo radiante.
Para ilustrar este escenario, se puede usar la
base de datos reales de una instalación solar de
50 m2 de captadores planos convencionales. Se
han determinado los ahorros económicos y de
emisiones de CO2, producidos con la aplicación de
dicha instalación a la atención de las demandas
de ACS y aire acondicionado de un conjunto de
viviendas en el entorno climático del Madrid urbano.
Los resultados, correspondientes a precios del año
2006, están compilados en la Tabla 2.1.1. Se ha
considerado un precio de 250 €/kW para el equipo
frigorífico de absorción, en la hipótesis de un
mercado consolidado.
Ahorro
ΔCO2
ΔCO2
económico
[%]
[ton/año]
[€/año]
1.270
910
1.016
67
80
72 (*)
6,80
4,90
5,08
Amortización
[años]
10,0
13,4
16,9
Tabla 2.1.1. Ahorro económico y de emisiones de CO2 en aplicaciones solares (50 m2 de captadores
planos convencionales) para ACS y aire acondicionado de viviendas en el entorno climático de Madrid
con caldera de gas natural. Aclaración: (*) Esta cifra se refiere al ahorro sobre el total de ACS + aire
acondicionado.
Debido a las diferentes condiciones de uso, la instalación para 25 viviendas opera con un rendimiento
medio anual en los captadores solares del 35%, mientras que en la aplicación de 15 viviendas, el rendimiento
de los captadores desciende a un 28%.
La Figura 2.1.10 muestra la contribución solar en cada mes para cada una de las aplicaciones. Se
observa cómo en invierno la instalación se dedica completamente a la atención de la demanda de ACS,
36
mientras que en verano, parte de la energía renovable que proporciona se destina a aire acondicionado,
atendiéndose un 35% de dicha demanda con energía solar. El criterio empleado para decidir este reparto
ha sido el cumplimiento de la fracción solar mínima impuesta por el CTE para el ACS, que es del 60% para
el caso de referencia (15 viviendas, sólo ACS).
En lo referente a aplicaciones de calefacción, debido a la menor radiación solar disponible, se divide
por 1,5 la fracción solar de calefacción que podría ser atendida con esta instalación solar en comparación
con la de aire acondicionado. En el caso estudiado, eso daría una cobertura o fracción solar de calefacción
del 23%. No obstante, si se incorporara esta opción, habría que incrementar la superficie de captación, ya
que la energía desviada hacia la calefacción haría disminuir la fracción solar de ACS por debajo del límite
prescrito por el CTE. Con ello el periodo de amortización de la instalación se vería incrementado, ya que el
ahorro económico y de emisiones de CO2 conseguido con la calefacción solar exhibe un porcentaje inferior
al de aire acondicionado.
Fracción Solar sólo para ACS
Fracción Solar para ACS en aplicación combinada ACS y Climatización
Fracción Solar para Climatización
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Mes del año
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Figura 2.1.10. Resultados de la aplicación para ACS solamente y combinada con aire acondicionado de
un campo de captadores solares planos convencionales de 50 m2 a un edificio de 15 viviendas.
2.1.5. Condiciones de operación y uso
Las condiciones particulares del uso de energía
solar térmica en edificios, puede presentar tantos
factores de carácter humano como los propios
residentes de los mismos y además aspectos
estéticos y limitaciones urbanísticas. Baste para
finalizar este capítulo la mención de algunos detalles
que ilustren esa idiosincrasia.
Uno de los principales componentes de una
instalación solar térmica es el campo de captadores
solares que se instala en el exterior del edificio,
típicamente en las cubiertas y en las fachadas. En
el hemisferio norte su orientación idónea es sur y su
inclinación aproximadamente la latitud geográfica
del lugar (véase apartado 2.1.4.1). Pero si la
cubierta presenta algún tipo de inclinación propia
se puede respetar dicho ángulo, disponiendo los
captadores sobre la propia cubierta. Aunque de
ese modo el campo de captadores presenta un
rendimiento menor debido a ángulos de incidencia
mayores, los ayuntamientos de algunas localidades
españolas condicionan sus subvenciones al impacto
37
visual de las instalaciones, siendo más elevadas
cuanto menor sea el mismo. Esto puede conducir
a un óptimo económico con mayor superficie de
captación, pese a la reducción de rendimiento.
Normalmente los captadores se disponen en
filas, con un número máximo de captadores por fila
que viene determinado por el propio fabricante y
oscila entre 6 y 10. Lo ideal es que el número de
captadores por fila sea lo más homogéneo posible,
facilitando el equilibrado fluido-dinámico de la
instalación; esto es, que el caudal sea homogéneo
entre ellos. A su vez, el equilibrado térmico favorece
la eficiencia global de la instalación.
Otra consideración que se debe tener en cuenta a
la hora de contabilizar la energía solar recogida a lo
largo de una temporada es la posibilidad de que se
produzcan sombras en el campo solar. Pueden ser
debidas a los propios captadores, al propio edificio,
a edificios próximos o a la naturaleza circundante,
árboles, etc.
Los acumuladores térmicos suelen instalarse
en el interior del edificio, en una zona protegida de
las inclemencias climatológicas, típicamente en las
salas destinadas a la maquinaria, pero por mala
accesibilidad no es de extrañar su instalación en
cobertizos sobre cubierta, tras el propio panel de
captación o en jardines. Dependiendo del consumo
del edificio, el acumulador se convierte en uno de
los elementos más voluminosos y pesados de las
instalaciones solares. El hecho de que se utilice para
el consumo de agua caliente sanitaria implica que el
material en contacto con dicha agua presente unas
condiciones salubres adecuadas para el consumo
(ver apartado 2.1.3.2).
38
El control en las instalaciones solares se lleva a
cabo típicamente mediante temperatura y radiación;
para ello se dotan las instalaciones solares con un
piranómetro que activa la bomba del circuito primario
según haya o no radiación solar; típicamente se
utilizan variantes sencillas que por encima de un
umbral determinado de radiación mandan una
señal eléctrica que activa el relé correspondiente a
la bomba y hace que empiece a circular fluido por
esa parte de la instalación (Figura 2.1.1).
La bomba del circuito secundario está controlada
normalmente por temperaturas; cuando la temperatura
de salida de los captadores es superior a la que tiene
el acumulador térmico en unos grados se activa la
bomba de modo que el almacenamiento de energía
sea lo más eficiente posible, sin que se produzcan
enfriamientos innecesarios del agua almacenada.
Este tipo de instalaciones resulta más eficiente
cuanto más centralizado esté el circuito de agua
caliente; por tanto resulta adecuado para edificios
en rehabilitación en los que previamente exista
una instalación de agua caliente centralizada y/o
calefacción central. En estos casos resulta sencillo
introducir esta tecnología entre la caldera ya
existente y los puntos de consumo finales.
En el caso de rehabilitación de edificios que
tengan instalaciones individualizadas de caldera
para agua caliente y calefacción, resulta adecuado
que se mantenga una instalación solar comunitaria
y que el aporte a cada vivienda se base en
intercambiadores de calor que permitan precalentar
el agua antes de la caldera individual, como se ha
expuesto en el apartado 2.1.3.12 junto con otras
variantes.
39
2.2
Cecilia Sanz Montalvillo y
Javier Antolín Gutiérrez
Área de Biocombustibles
Centro Tecnológico CARTIF
2.2
LA BIOMASA
El término biomasa, se refiere a toda la materia orgánica, incluidos los desechos, que proviene de las
plantas o animales, que ha sido generada inicialmente mediante la fotosíntesis de las plantas. Muchos
tipos de biomasa pueden ser convertidos en energía mediante diferentes procesos, como es el caso de la
biomasa lignocelulósica seca residual proveniente de la agricultura (residuos de maíz, café, arroz, etc.), del
monte o aserradero (podas, ramas, serrín, cortezas, etc.), de los residuos urbanos (aguas negras, basura
orgánica y otros) o bien de cultivos energéticos. Esta fuente de energía renovable es la más antigua de
todas las conocidas por el ser humano, pues ha sido usada desde que nuestros ancestros descubrieron el
secreto del fuego.
Se considera que la biomasa es una fuente renovable de energía porque su energía proviene del Sol y se
produce varias veces a lo largo del ciclo de la vida humana. A través del proceso de fotosíntesis, la clorofila
de las plantas captura su energía, y convierte el dióxido de carbono (CO2) del aire y el agua del suelo
en carbohidratos, para formar la materia orgánica de la planta. Cuando estos carbohidratos se queman,
regresan a su forma de dióxido de carbono y agua, liberando la energía que contienen acumulada.
CO2
CO2
Fotosíntesis
Combustión
Transformación de la biomasa
en plantas de tratamiento
Biomasa
Bosque
Figura 2.2.1. Ciclo de la biomasa.
40
2.2.1. Usos de la biomasa térmica
Dentro de la biomasa térmica se ha de incluir el
uso de calderas o estufas para cubrir las necesidades
térmicas de calefacción y ACS de edificios y sistemas
de calefacción de distrito (district heating), que
cubren la demanda térmica de varios bloques de
edificios.
en el que intervienen todas o algunas de las siguientes
operaciones: pretratamiento (trituración y/o secado),
transporte, distribución y almacenamiento.
La producción
mediante:
Existen una gran variedad de combustibles
biomásicos susceptibles de ser empleados, su
utilización varía de una zona a otra en función de su
disponibilidad, de la tradición y del clima.
térmica
puede
realizarse
- Estufas, normalmente de pelets o leña, que
calientan una única estancia.
- Calderas de baja potencia, para viviendas
unifamiliares o construcciones de tamaño reducido.
- Calderas de comunidad, diseñadas para un
bloque o edificio de viviendas, que actúan como
calefacción centralizada.
- Calefacciones de distrito (district heating) que
calientan varios edificios o grupos de viviendas.
Antes de tomar la decisión de instalar un sistema de
producción térmica con biomasa, es muy importante
asegurarse el suministro del biocombustible ya que
la cadena de distribución de biomasa no está aún
desarrollada.
El requisito básico para que un sistema de
suministro de biomasa sea aceptable para el usuario,
es el aseguramiento del suministro a medio y largo
plazo con una calidad de la biomasa alta y constante
y a un precio razonable. Si el usuario dispone de
combustible propio, deberá asegurarse de que éste
es suficiente para garantizar el consumo de toda la
temporada. De no ser así, le interesará igualmente la
compra de combustible a proveedores, a ser posible
del mismo tipo del que dispone.
Una vez garantizado el suministro, hay que
distinguir los casos según el consumo y el tipo de
silo de almacenamiento.
Para llegar hasta el punto de destino (edificios o
viviendas unifamiliares) se realiza un proceso logístico
2.2.2. Tipos de Biomasa
En los últimos tiempos, la tendencia es hacia
el uso de combustibles de granulometría mediana
y pequeña, pero homogénea, lo que permite un
manejo automático o semiautomático que elimine
las incomodidades tradicionales del uso de la
biomasa a nivel doméstico, cuyas características se
detallan a continuación.
Pelet: Pequeños cilindros de madera densificada,
procedente de la compactación de serrines y
virutas, o a partir de astillas y otras biomasas de
diversos orígenes. Las múltiples marcas de calidad
del mercado y las experiencias de fabricantes de
calderas y usuarios con diferentes tipos de pelets,
han llevado a la industria europea del pelet a lanzar
una marca de calidad única, sencilla y eficiente, el
sello de calidad del pelet ENPlus. Una importante
característica del ENPlus es que certifica la entrega
de pelets (a granel o ensacado) hasta el consumidor
final, incluido el almacenamiento y transporte. El
sistema obliga a controlar el marcado de las bolsas
(sacos) con un sistema de numeración que permite
la trazabilidad del pelet en la cadena, asegurando
así la calidad hasta el final de la misma.
Astillas: Trozos pequeños de madera troceada,
de longitudes entre 5 y 50 mm, proveniente de las
industrias de primera y segunda transformación de
la madera o de tratamientos silvícolas y forestales,
cuya calidad depende fundamentalmente de la
materia prima de la que proceden, su recogida y de
la tecnología de astillado.
Residuos agroindustriales: Generados en los
41
procesos de transformación de la Industria Agroalimentaria, como hueso de aceituna, cáscara de frutos
secos, almendra, piña, etc.
Leña: Proveniente de trocear madera que no va a ser utilizada para producir elementos industriales de
madera, que pueden producirse localmente por los propios usuarios.
Briquetas: Cilindros de biomasa densificada de tamaño superior al pélet, provenientes normalmente
de serrines y virutas de aserraderos. Suelen tener una longitud de unos 28 cm, un diámetro de 8 cm y un
peso de 1 kg.
Figura 2.2.2. Tipos de biocombustibles.
La Tabla 2.2.1 muestra las características más importantes de cada uno de los biocombustibles
descritos.
Tipo
Pelets
Briquetas
Hueso de aceituna
Cáscara de frutos secos
Leña
Astillas
PCI (kcal/kg)
4.000 – 4.500
4.000 – 4.500
4.300 – 4.500
3.750 – 4.500
3.440 – 3.850
2.400 – 3.750
Humedad b.h. (%m)
< 12
< 20
7 – 12
8 – 15
< 20
< 40
Precio (€/t)
150 – 300
150 – 300
60
60
90 – 120
30 – 80
Tabla 2.2.1. Características de biocombustibles.
Hay que significar que las ventajas que ofrecen los pelets han hecho que el mercado se incline en mayor
parte por su uso como combustible doméstico en la mayoría de los casos.
42
2.2.3. Distribución de los pelets
Los pelets, se pueden distribuir en cualquiera de los siguientes formatos:
Small Bags: El tamaño de estas bolsas suele ir de 15 a 20 kg y suelen ser vendidas sobre palets. Estas
bolsas pequeñas están dirigidas a pequeños consumidores, que usan pelets en pequeñas estufas o como
combustible adicional o complementario. Si bien estas bolsas son muy prácticas para alimentar las estufas,
el precio del pélet en estos volúmenes es una clara desventaja.
Big Bags: El tamaño de las bolsas grandes o big-bags son de 500 a 1.000 kg. El transporte de pelets
en big-bags es más económico. Pero para su recepción se necesita una grúa o cargador. De ahí que este
sistema sea poco práctico para pequeños consumidores.
Figura 2.2.3. Distribución en Small Bags y Big Bags.
Pelets a granel: Los pelets pueden ser también transportados a granel en camión cisterna. Este sistema
permite realizar la descarga del pelet en silos ya montados, por ejemplo, en subsuelos de viviendas. Este
sistema ofrece la entrega de pelets al menor precio de mercado.
De entre los sistemas de suministro existentes, el usuario deberá escoger el más adecuado a su
situación. La principal restricción a la hora de tomar la decisión acertada es el tamaño tanto del silo de
almacenamiento como de los camiones de suministro disponibles.
2.2.4. TIPOS DE INSTALACIONES
2.2.4.1. Estufas
Se entiende por estufa de biomasa un equipo para su combustión, que calienta aire (fluido caloportador),
que se destina para la calefacción de uno o varios recintos. Las estufas suelen tener una potencia entre
6 y 20 kW y calientan un recinto por radiación, pueden llegar a calentar más estancias de una vivienda
transmitiendo el calor generado por medio de conductos de aire caliente.
Las estufas de biomasa pueden ser de leña, de pelets o de policombustible. Las estufas de pelets
ofrecen un mayor nivel de automatización que les permite una única carga diaria, regulación semanal con
varios niveles de potencia por medio de termostatos e, incluso, la posibilidad de su encendido automático
y su funcionamiento con mando a distancia.
43
2.2.4.2. Calderas
El sistema más común para abastecer de calor
con biomasa a una vivienda unifamiliar o a otro tipo
de instalación de mayores necesidades energéticas,
es la instalación de una caldera de biomasa.
Las calderas de biomasa son equipos de
generación de calor que utilizan biomasa como
combustible, que calienta un circuito de agua que
aporta el calor para la red de calefacción y del agua
caliente sanitaria. Todas ellas presentan sistemas
automáticos de encendido y regulación, e incluso
algunas, de retirada de cenizas, que facilitan el
manejo al usuario. Para aplicaciones de calefacción
doméstica, estos equipos son de potencia baja a
media, entre 15 – 200 kW. Este tipo de sistemas
alcanzan rendimientos entre el 85 y 92%, valores
similares a los de las calderas de gasóleo o de gas.
De acuerdo con el RITE, a las calderas de
biomasa utilizadas para la producción de calor se les
exige un rendimiento mínimo instantáneo del 75%.
Cualquiera de las calderas de biomasa disponibles
en el mercado, supera holgadamente el 75% de
rendimiento de acuerdo a las especificaciones de
los fabricantes.
Existen un tipo de calderas, las de condensación,
que tienen un rendimiento por encima del 100%.
Estas calderas se basan en el aprovechamiento
del vapor de agua que se produce en los gases de
combustión. Esta recuperación de energía, reduce
considerablemente la temperatura de los gases de
combustión de 150 ºC hasta los 65 ºC limitando
así las emisiones de gases contaminantes.
Para estimar la potencia y necesidades de
combustible, si el sistema de calefacción con
biomasa sustituye a una calefacción de un edificio
existente, la demanda anterior de combustible es
la mejor base para el cálculo de la demanda y
también de la potencia requerida. Normalmente,
esta potencia requerida no se corresponde con la
potencia de las calderas comerciales existentes
y habrá que decidirse por la caldera de potencia
inmediatamente superior a la potencia precisa.
44
Las dimensiones de los espacios necesarios
para el sistema de calefacción con biomasa, deben
ser proporcionadas por el fabricante o suministrador
de la caldera. Se debe tener en cuenta a la hora de
elegir una caldera de biomasa que, generalmente,
son más grandes que las convencionales de
combustibles fósiles, que pueden requerir mayor
espacio de mantenimiento, en casos de calderas de
limpieza manual, y que necesitan de la instalación
de un silo de biomasa y de un depósito de inercia
del agua caliente.
Los principales elementos que constituyen un
sistema de calefacción por caldera de biomasa son:
- Almacén o silo de combustible.
- Sistema de alimentación.
- Caldera (intercambiador de calor y cámara de
combustión).
- Chimenea.
- Sistemas de seguridad.
- Cenicero.
- Sistema de distribución del calor.
- Sistema de regulación y control.
A continuación, se describe cada uno de estos
elementos:
Almacén de combustible: El almacenamiento del
combustible, dado el elevado volumen que puede
llegar a ocupar, es el punto más conflictivo a la hora
de integrar el uso de biomasa en la rehabilitación
de edificios. En los casos en los que se trate de
rehabilitar un edificio que previamente consumía
carbón, ya estará previsto un almacén de grandes
dimensiones, pero si se trata de edificios que
consumían otro tipo de combustible, será necesario
habilitar un espacio destinado al almacenamiento
de biocombustible sólido.
Los requisitos indispensables para los sistemas
de almacenamiento de biocombustibles sólidos
vienen descritos detalladamente en el Reglamento
de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE).
El lugar destinado al almacenamiento de los
biocombustibles sólidos debe estar destinado
exclusivamente para este uso, pudiendo hallarse
dentro o fuera del edificio. Cuando el almacenamiento
esté situado fuera del edificio podrá construirse en
superficie o subterráneo, pudiendo utilizarse también
contenedores específicos de biocombustibles.
La elección del sistema y el volumen de
almacenamiento dependerá de varios factores:
características de los sistemas de distribución y
suministro de biomasa, necesidad anual de biomasa,
espacio disponible para caldera y almacén, etc.
Básicamente, los tipos de silos de
almacenamiento pueden dividirse en prefabricados
y de obra. Los prefabricados, se utilizan normalmente
para biomasas de pequeño tamaño como el pelet y
el hueso de aceituna, mientras que los de obra se
utilizan para astillas o cáscaras de frutos secos.
Figura 2.2.4. Silo flexible
(Fuente: Ökofen).
Así, en cuanto a los prefabricados, se tiene:
- Contenedor o tolva exterior: Es la opción más
adecuada para aquellos usuarios que dispongan
de poco espacio. Se sitúan al lado del edificio,
y permiten un transporte sencillo. Son de fácil
instalación y no exigen obra para adecuar el silo.
El llenado se realiza mediante sistema neumático
y la alimentación a la caldera también puede ser
neumática o por medio de un tornillo sinfín.
- Silo flexible: Suelen estar fabricados de lona
o polipropileno y son adecuados para lugares que
tengan espacio suficiente para su instalación. El silo
está soportado por medio de una estructura metálica
permeable al aire pero no al polvo y está conectada
a tierra para evitar cargas electrostáticas. Se rellena
la biomasa por la parte superior y la descarga se
produce por la parte inferior mediante tornillo sinfín
o neumática. Se pueden instalar tanto en el interior
como en el exterior de los edificios.
- Depósito subterráneo: Se ubica enterrado en el
suelo y se usa cuando no existe espacio suficiente en
planta para el almacenamiento del biocombustible,
se puede utilizar también en el exterior del edificio.
Figura 2.2.5. Depósito subterráneo
(Fuente: Pelletmaster).
- Tolva o almacenamiento integrado: Es un
depósito disponible en la parte superior o en el
lateral de la estufa o caldera. La ventaja principal
de este sistema, es el poco espacio que ocupa, por
lo que es recomendable en el caso de no disponer
de suficiente espacio para un almacenamiento
independiente. El problema de este sistema, es que
tiene muy poca capacidad, por lo que habría que
disponer de un suministro habitual (sacos de 15
kg).
En cuanto a los silos de obra, son salas de nueva
construcción o salas existentes adaptadas para su
uso como silo de biomasa. Es necesario tener en
45
cuenta la accesibilidad del camión distribuidor de biomasa a la hora de elegir este sistema, por lo que el
silo debe estar situado en una estancia que dé al exterior y a una distancia de la descarga del camión de
menos de 40 m en caso de descarga neumática, aunque a partir de 20 m el proceso de llenado del silo
se complica. El silo de obra debe estar equipado con una protección contra impactos para evitar que los
pelets se degraden en el proceso de llenado y disponer de una abertura para un posible vaciado en caso
de avería del sistema de transporte a la caldera. Para facilitar el traslado de la biomasa hasta el sistema de
transporte automático existen diversas opciones:
- Con suelo inclinado de dos lados: Consiste en utilizar dos pendientes con una inclinación aproximada
de 45º para transportar la biomasa por acción de la gravedad hasta el tornillo sinfín. Es muy económico,
pero tiene el inconveniente del gran espacio desaprovechado bajo las pendientes.
Figura 2.2.6. Suelo inclinado de dos lados
(Fuente: IDAE).
Figura 2.2.7. Suelo inclinado de un lado
(Fuente:”IDAE”).
- Con suelo inclinado de un lado: Consiste en
una única pendiente de menor inclinación, junto
con un rascador giratorio que mueve la biomasa.
Aprovecha mejor el espacio y es idóneo para silos
cuadrados.
- Con suelo horizontal: Es el sistema que más
aprovecha el espacio, requiere de rascadores
horizontales hidráulicos, pudiendo utilizarse
también rascadores giratorios para determinados
combustibles. Es muy buena solución para casos en
los que no se dispone de mucho espacio o para
combustibles de baja densidad como las astillas.
Los principales factores a tener en cuenta a la hora de diseñar el tamaño de un silo son: carga térmica a
cubrir, el tipo de combustible elegido, el espacio disponible, el tamaño del camión de recarga y la fiabilidad
de suministro.
Para tener una idea inicial de las dimensiones que debe tener el silo, se puede seguir el siguiente
procedimiento.
46
Cd
Vcd=
ρ
(2.2.1)
Vca = Vcd * Autonomía (días)
(2.2.2)
Estimando que el combustible ocupa 2/3 del silo debido a los huecos:
Vca
Vs=
2
3
(2.2.3)
A= Vs
h
(2.2.4)
Donde:
- Vcd es el volumen de combustible diario (m3/día).
- Cd es el consumo diario de combustible (kg/día).
- ρ es la densidad aparente del combustible (kg/m3).
- Vca es el volumen de combustible anual (m3/año).
- Vs es el volumen del silo (m3).
- A es el área del silo.
Si ya existen salas de almacenamiento, el tamaño
del silo está limitado por la sala disponible.
- Neumático: cisternas equipadas con un sistema
neumático de suministro.
En el caso de almacenamientos nuevos, se
recomienda un volumen equivalente a una de las
siguientes condiciones:
Sistema de alimentación: La alimentación de
combustible del silo a la caldera, se puede realizar
de varias formas:
- 1 temporada de funcionamiento de la
instalación. De esta forma solo sería necesario
recargar el silo una vez al año.
- Manual: Es utilizado en calderas pequeñas con
almacenamiento tipo tolva o integrado.
- 1,5 veces el volumen del camión de suministro.
De esta manera es posible recargar el silo con
un camión completo antes de que se acabe el
combustible.
- Tornillo sinfín: Son sistemas mecánicos que
conducen el combustible a lo largo de su longitud
hasta el depósito que alimenta directamente la
caldera.
- 2 semanas de consumo máximo de combustible:
éste es el volumen mínimo exigido por el RITE para
edificios de nueva construcción.
De forma que, el sistema de carga del silo de
biomasa, puede ser:
- Semiautomático: El propio usuario recarga
los silos mediante bolsas pequeñas o provisiones
almacenadas en otro lugar de la vivienda.
- Descarga directa: Es el utilizado por volquetes
y camiones de piso móvil para cargar los silos.
Figura 2.2.8. Alimentación por tornillo sinfín
(Fuente:”Enertres”).
47
- Neumático: Una bomba succiona el combustible disponen de los medios apropiados para su correcto
del silo y lo bombea hasta la caldera. Se trata del mantenimiento y limpieza.
sistema más económico pero sólo admite pelets o
combustibles de tamaño y forma muy homogénea.
- Calderas eficientes de biomasa: Están
diseñadas para ser utilizadas con un biocombustible
determinado, alcanzando rendimientos de en torno al
92%. Suelen ser calderas automáticas, disponiendo
de sistemas automáticos de alimentación del
combustible, limpieza del intercambiador de calor y
de extracción de cenizas. A su vez, se clasifican en:
Calderas de biomasa con alimentador inferior:
Aptas para combustibles con bajo contenido en
cenizas.
Figura 2.2.9. Alimentación por sistema neumático
(Fuente:”Enertres”).
Calderas de biomasa con parrilla móvil: Aptas
para combustibles con altos contenidos de humedad
y cenizas.
- Calderas mixtas: Permiten el uso alternativo
Caldera: Según el combustible utilizado, existen de dos biocombustibles, pudiendo cambiar de uno
a otro en función de las condiciones económicas
tres clases de caldera:
o de suministro. Precisan de un sistema de
- Caldera de pelets: Son altamente eficientes almacenamiento para cada uno de los dos tipos de
y más compactas que otras calderas de biomasa combustible, por lo que se incrementa el coste de
ya que están pensadas para quemar únicamente la instalación. El rendimiento suele estar cercano al
92% y son totalmente automáticas.
pelets.
- Caldera de biomasa: No admiten varios
- Calderas de condensación: Estas calderas
combustibles simultáneamente, aunque se puede
cambiar el combustible si se programa con suficiente recuperan el calor latente de condensación bajando
antelación el vaciado del silo, la nueva recarga y la progresivamente la temperatura de los gases,
con lo que se condensa el vapor de agua en el
reprogramación de la caldera.
intercambiador. Se pueden conseguir rendimientos
- Calderas mixtas o policombustible: Admiten por encima del 100% y ahorros de combustible de
varios tipos de combustible, cambiando de unos a hasta un 15% respecto a las calderas tradicionales.
Sólo son aptas para utilizar con pelets.
otros de manera rápida y eficiente.
Algunos factores determinantes para la elección
Además, de acuerdo a su tecnología, se pueden
de una caldera, son los siguientes:
dividir en 4 clases:
- Tipo y calidad de combustible.
- Calderas convencionales adaptadas para
biomasa: Pueden ser antiguas calderas de carbón
- Alto rendimiento (cuanto más alto sea éste, el
que se adaptan para poder ser utilizadas con
biomasa, o calderas de gasóleo a las que se les consumo será menor y mejorará la eficiencia).
instala un quemador de pelets. Suelen tener una
- Bajas emisiones (cumplimiento de la normativa
baja eficiencia, en torno al 75-85%, suelen ser
semi-automáticas, debido a que no están diseñadas de emisiones de gases y partículas).
específicamente para su uso con biomasa, y no
48
- Automatización para reducir al mínimo el que sale mezclado con los gases de la combustión,
mantenimiento.
aumentando así el volumen de los humos.
- Sistemas modulantes que permitan una
Si comparamos las emisiones contaminantes de
variación continua de la potencia para adecuarla a las calderas de biomasa con las de los sistemas
la demanda existente.
convencionales de calefacción, se podría decir que
los valores de SO2, responsable de la lluvia ácida,
- Sistema de telecontrol de los parámetros de la son en el caso de las calderas de biomasa más bajos
caldera.
o similares a los del gasóleo y gas. En cuanto a las
partículas las emisiones son superiores, pero dentro
- Disponibilidad de distribuidor y de empresa de los límites que definen las diferentes legislaciones
instaladora.
en la materia. No obstante, para el caso de calderas
de tamaño medio-grande (calderas de comunidad
- El coste del sistema y ayudas existentes.
o district heating), existe la posibilidad de instalar
un multiciclón, con el que se puede reducir en gran
Algunas calderas incluyen un analizador del medida estas emisiones de partículas.
porcentaje de oxígeno en los humos del proceso de
combustión, llamado sonda Lambda, que les ayuda
Sistemas de seguridad: Los sistemas de
a controlar la calidad de la combustión y con ello su seguridad en los sistemas de calefacción con
rendimiento.
biomasa están preparados para que puedan actuar
incluso en situaciones de falta de suministro, a
Intercambiador de calor: El proceso de través de los siguientes dispositivos:
transferencia de calor en la caldera tiene lugar en el
intercambiador de calor, que se trata de un sistema
- Interruptor de flujo: Detiene la circulación de
compuesto por un conjunto de tubos, cuya función fluido en el interior de la caldera.
es la transferencia de calor entre los humos de la
combustión y el fluido caloportador (aire o agua).
- Dispositivo de interrupción de funcionamiento
Existen dos tipos de intercambiadores de calor:
del sistema de combustión: Interrumpe la
combustión en caso de alcanzarse temperaturas
- Pirotubulares: Por los tubos circulan los humos superiores a las de diseño o de existir retroceso de
que están rodeados de agua, de forma que la los productos de la combustión o de llama.
cámara de combustión tiene que estar separada del
intercambiador. Es el más común de las calderas
- Dispositivo contra el retroceso de llama: Evita
medianas y pequeñas.
el retroceso de la llama de la caldera hacia el silo de
almacenamiento de la biomasa, mediante:
- Acuotubulares: El agua circula por dentro de
los tubos y los gases de combustión los rodean.
Compuerta de cierre estanca contra el retroceso
de la combustión, que interrumpe la entrada de
Chimenea: El proceso de evacuación de humos combustible a la caldera.
de los sistemas de calefacción con biomasa, no
varía mucho respecto a las de otros combustibles.
Rociador de extinción de emergencia, que tenga
El sistema de evacuación de humos consiste en una la capacidad para inundar el tubo de transporte de
chimenea. La única diferencia con una chimenea de combustible.
un sistema de combustible líquido o gaseoso, es el
diámetro necesario. En el caso de biomasa, hay que
- Sistema de eliminación del calor residual:
prever un volumen de gases ligeramente superior, Elimina el calor adicional producido por la biomasa
debido a que la humedad que contiene la biomasa ya introducida en la caldera cuando se interrumpe la
se evapora en la caldera y da lugar a vapor de agua combustión, mediante:
49
Recipiente de expansión abierto que puede
liberar el vapor si la temperatura del agua alcanza
los 100 ºC dentro de la caldera.
Intercambiador de calor de seguridad en la
caldera, refrigerado por una corriente de agua
cuando la temperatura en el interior de la caldera
aumente demasiado.
Depósito de acumulación, siempre y cuando la
circulación natural tenga la capacidad de enfriar la
caldera.
- Válvula de seguridad: Desvía el agua a un
sumidero en caso de que sobrepase en más de 1
bar la presión de trabajo del agua empleado como
fluido caloportador.
En aquellas instalaciones que dispongan de él,
es muy importante que una vez al año se limpie
el polvo acumulado y se engrasen los cojinetes del
tornillo sinfín.
Cenicero: La combustión de la biomasa, genera
cenizas. Por ello, es necesario un dispositivo de
extracción de las mismas. Las cenizas no son
peligrosas y frecuentemente se utilizan como
fertilizantes en agricultura o como árido en
construcción. En zonas urbanas pueden tirarse
a la basura, pero siempre teniendo en cuenta y
respetando la normativa de cada municipio. El
sistema de retirada de cenizas puede ser automático
o manual.
El sistema automático se compone de un tornillo
sinfín que transporta y compacta las cenizas desde
la cámara de combustión a un contenedor situado
en el exterior de la caldera. En algunas calderas este
contenedor dispone de ruedas y un tirador para que
su vaciado sea más sencillo.
En el caso de sistema manual, la frecuencia
de la retirada de cenizas depende de la biomasa
combustible utilizada. En el caso de usar pelets de
madera 100%, para uso doméstico de calefacción,
el vaciado se calcula que será una o dos veces al
año.
50
Uno de los aspectos a tener en cuenta es la
temperatura de fusión de las cenizas. Si en el hogar
donde se produce la combustión de la biomasa
las cenizas alcanzan temperaturas elevadas y el
biocombustible disponible produce unas cenizas
con temperatura de fusión reducida, éstas pueden
llegar a fundirse y crear algún problema. Si la fusión
de las cenizas forma escoria, el flujo de aire primario
puede quedar limitado al obturarse sus entradas y
la extracción de las cenizas puede sufrir bloqueos o
poca efectividad.
En cuanto a ejemplos de instalaciones, a
continuación se detallan algunos de ellos:
Calefacción con biomasa en la Real Colegiata
de San Isidoro, León (2009):
Sustitución del sistema de calefacción a partir de
una caldera de carbón por calderas de biomasa e
incorporación de un nuevo sistema de distribución.
Así, se han implementado dos calderas de pelets
de 100 kW cada una, que se han situado bajo la
capilla de Santo Martino. En la carbonera contigua
se ha dispuesto el almacén de pelets, aprovechando
la antigua boca de carga para el carbón. El silo de
almacenamiento tiene una capacidad de 16 m3
que permiten aprovechar 10 t de pelets aportando
una autonomía de 250 h de carga máxima. La
alimentación desde el silo a las calderas se realiza
por aspiración.
La distribución de calor se realiza mediante
bancos realizados a medida que incorporan
radiadores en su interior, así como nuevos emisores
de aire caliente y radiadores convencionales.
Inversión 100% a través de la Dirección General
de Patrimonio Cultural y el EREN (Ente Regional de
la Energía de Castilla y León).
Figura 2.2.10. Real Colegiata de San Isidoro, León.
Reforma de sala de calderas de bloque de
viviendas en Salamanca (2011):
Se sustituye un grupo de calderas de carbón
que daban servicio de calefacción y ACS a todo
el edificio, por una caldera de biomasa de 500
kW. La caldera está equipada con un sistema de
depuración de humos (ciclón) y con un sistema de
disco rotativo con lamas provisto de un sinfín que
la alimenta, permitiendo aprovechar al máximo el
nuevo silo de almacenamiento de 75 m3 realizado
en obra de fábrica, y que confiere una autonomía de
más de mes y medio. El llenado se realiza mediante
camiones cisterna.
Aprovechando la reforma de la sala de calderas,
se ha llevado a cabo una zonificación de la red de
distribución de calefacción, distinguiendo así entre
las partes del edificio orientadas al norte o al sur,
con demandas térmicas sensiblemente diferentes.
También se ha dispuesto de un depósito de inercia
de 5.000 litros y un nuevo sistema de producción
de ACS.
Se ha realizado con el cliente un contrato de
venta de energía, por lo que se factura al cliente
sólo por el calor usado en su instalación. El cliente
no realiza un desembolso inicial, sino que paga su
instalación en 10 años y dispone de una nueva
instalación con garantía total durante esos 10
años, consiguiendo un ahorro garantizado del 10%
respecto a la situación previa del proyecto.
Figura 2.2.11. Caldera del bloque de viviendas,
Salamanca (Fuente:”The Bioenergy Nº11”).
51
Casa rural “Agroturismo Arkaia” de Vitoria
(2011):
Esta casa rural, es un magnífico edificio
rehabilitado en el que se ha sustituido la caldera de
gasóleo por otra de biomasa agrícola, que también
calienta la vivienda de los propietarios.
La familia, que posee una explotación agraria con
producción de cereales, consideró la posibilidad de
utilizar como biocombustible productos obtenidos de
sus cosechas: grano no apto para consumo humano
y paja.
Figura 2.2.12. Colegio San José de Valladolid
(Fuente:”Foresta Nº53”).
Calefacción con biomasa en el colegio San
José de Valladolid (2011):
En este colegio se sustituye el anterior sistema
de calefacción, que funcionaba con gas natural, por
una caldera de biomasa de 400 kW de potencia, que
se complementa con una caldera de condensación
de gas natural de 350 kW para cubrir los picos de
mayor demanda.
La remodelación del sistema de calefacción ha
costado algo más de 150.000 €, de los que el EREN
ha otorgado una subvención de 50.000 €.
El 40% de ahorro previsto en calefacción se ha
calculado en función de varios criterios. Por un lado,
se ha incorporado un sistema de regulación de la
temperatura en cada uno de los locales y aulas del
centro, que se reajusta continuamente en función de
los datos históricos almacenados. Por otro lado, los
edificios pierden menos energía que antes gracias a
la mejora del sistema de cerramientos.
El biocombustible de origen agrícola tiene un
aceptable poder calorífico (grano: 4,5 kWh/kg y
pellets de paja: 3,8 kWh/kg), el problema es que
genera mucha más ceniza que la madera y es
corrosivo, por lo que se ha seleccionado una caldera
muy robusta de 40 kW, policombustible, capaz de
utilizar pellets de madera y de paja y granos de
cereal, entre otros.
Esta caldera cuenta con un sistema de extracción
de cenizas automático y tiene todos los elementos
críticos protegidos contra la corrosión. Posee
también una sonda Lambda que garantiza una
óptima combustión.
Figura 2.2.13. Casa rural Agroturismo Arkaia.
52
Edificios calefactados con pelets en el Pirineo
Aragonés (2011):
El Ayuntamiento de Ansó (Huesca) contaba con
una caldera de gasóleo de 70 kW que consumía en
torno a 9.000 l/año. Aprovechando la remodelación
de la biblioteca y la cercanía entre ambos edificios,
se decidió instalar un sistema de calefacción
conjunto.
El equipo, que se encuentra en la planta baja
de la biblioteca, consta de una caldera de 65 kW
y de un silo textil para 4.500 kg de pelets con
una autonomía de 30 días. Este equipo, con un
rendimiento aproximado del 91%, dispone además
de sistema de encendido y limpieza automáticos.
Los dos edificios se conectan entre sí a través de
una tubería simple preaislada con circuito de ida
(75ºC) y retorno (65ºC), cubriendo una distancia
de 64 m.
Se estima un ahorro para el ayuntamiento del
30% respecto al coste de calefactar estos edificios
con gasóleo.
2.2.4.3. Sistemas de district heating
En cuanto a los sistemas de calefacción de
distrito, estas plantas se basan en el principio de
que la producción centralizada de calor es más
eficiente que la producción distribuida en los puntos
de consumo. El rendimiento de estos sistemas se
estima que es un 10% superior al de los sistemas
centralizados por edificio y un 30-40% superior al
de los sistemas individuales.
La estructura del district heating se divide en tres
partes:
- Suministro de biomasa.
- Planta de generación de energía térmica.
- Red de distribución y suministro de calefacción
a los usuarios.
El suministro de la biomasa, normalmente se
realiza por uno o varios proveedores independientes
de la planta, que son responsables de entregar
el combustible en las condiciones adecuadas.
Normalmente tienen algún vínculo con ésta, que
permite asegurar el suministro del combustible por
un periodo largo de tiempo.
La planta de generación de energía térmica tiene
como equipo principal la caldera y sus elementos
auxiliares. Estas calderas son las de mayor tamaño
considerando exclusivamente las calderas para
generación de calor en edificios y viviendas.
Normalmente la caldera es de parrilla (fija, móvil o
en cascada) por ser una tecnología sencilla en su
instalación, así como operación y mantenimiento.
Figura 2.2.14.
Calor centralizado
en Ansó, Huesca.
Por lo general, la producción y distribución de
calor la realiza una empresa especializada, que es,
además, la encargada de contabilizar la cantidad
de biomasa entregada en el almacenamiento y la
energía suministrada a los usuarios.
El calor se distribuye mediante un sistema de
conductos soterrados, que permiten conducir el
agua caliente varios cientos de metros e, incluso,
algunos kilómetros.
El calor generado en la caldera circula por el
53
circuito primario intercambiando calor con los
circuitos secundarios situados en las edificaciones
o viviendas de los usuarios, aportando calefacción y
agua caliente sanitaria.
Los intercambiadores (normalmente de placas)
pueden estar ubicados en la propia planta, si los
receptores están lo suficientemente cerca, o bien se
sitúan en la acometida de los usuarios.
anteriores pasando de 12.000 € en gasóleo a tan
sólo 3.000 € en biomasa durante el invierno.
Además, al aprovecharse combustible local
producido a partir del resto de la poda de los
viñedos, se contribuye al desarrollo económico de
la zona.
El control de la energía consumida se realiza
mediante un contador de energía situado en el
intercambiador.
Además, las temperaturas del agua en cada zona
del edificio o vivienda se monitorizan para optimizar
el uso de la energía, y el sistema de control regula el
suministro de todos los usuarios, permitiendo tener
la información en tiempo real. Esta supervisión
permite detectar posibles fugas en la distribución o
fallos en la instrumentación.
A continuación, se detalla un ejemplo de uso
de calderas de biomasa en sistemas de district
heating:
Edificios municipales en Las Pedroñeras,
Cuenca (2011):
El Ayuntamiento de Las Pedroñeras (Cuenca) ha
instalado una caldera de 320 kW para calefactar
el ayuntamiento, la iglesia y el centro social del
municipio en red.
Lo que antes se calefactaba con un generador
de aire caliente de gasóleo de 450 kW situado en
la iglesia, una caldera de gasóleo de 80 kW en el
ayuntamiento y otra de 200 kW en el centro social,
ahora se centraliza en una única caldera de 320
kW, situada en un espacio cedido por la iglesia al
municipio. El sistema de extracción de combustible
es a través de un silo subterráneo con sistema de
ballesta giratoria con brazos flexibles.
Con esta instalación no sólo se ha conseguido
una mayor eficiencia energética con menos potencia,
sino que además se ha conseguido un ahorro de
un 70% comparado con los gastos energéticos
54
Figura 2.2.15.
District heating en Las
Pedroñeras, Cuenca.
2.2.5. Comparativa Económica
Para que la biomasa sea la opción elegida para
su uso en edificios, debe haber un atractivo de tipo
económico a igualdad de fiabilidad y seguridad en
el servicio.
La ventaja económica principal de la biomasa
sobre el gas natural o el gasóleo C, y mucho más
respecto a los GLP o la electricidad, radica en el
menor coste del combustible y en una mayor
estabilidad del precio de éste, al no depender de los
precios del petróleo. Esta ventaja tiene que equilibrar
y prevalecer frente al mayor coste de inversión inicial
que supone instalar un sistema de biomasa que su
equivalente de gas o gasóleo.
A continuación, en la Tabla 2.2.2 y en la Figura
2.2.16, se muestra una comparativa de los precios
de los combustibles.
CombustibleCaracterísticas
Astilla de pinoDensidad: 200 kg/m3
Humedad <20%
PCI: 3.600 kcal/kg
Pellets maderaDensidad: 800 kg/m3
a granel
Humedad <15%
PCI: 4.310 kcal/kg
Pellets maderaDensidad: 800 kg/m3
saco de 15 kg
Humedad <15%
PCI: 4.310 kcal/kg
Gasóleo C
-
GLP (Butano)Bombona de 12,5 kg
GLP (Propano)Bombona de 11 kg
Electricidad
Sin discriminación horaria
Gas Natural
-
Precio (c€/kWh)
1,39
3,38
4,51
8,89
9,64
9,64
14,23
5,55
Tabla 2.2.2. Precios de los combustibles.
16
14
12
10
8
6
4
2
0
era
till
As
el
o
pin
e
ad
ts
lle
Pe
d
ma
s
llet
Pe
ran
ag
ma
d
er
ac
as
od
5
e1
Kg
eo
G
l
aso
C
)
no
P
GL
ta
(Bu
P(
GL
o)
d
El
ric
ect
al
tur
ida
an
p
Pro
a
sN
Ga
Figura 2.2.16. Precios de los combustibles (en c€/kWh).
55
En las figuras 2.2.17 y 2.2.18 se muestran dos
gráficas comparativas del gasto acumulado para 5
y 15 años de los tres sistemas de calefacción más
usados (GN, Gasóleo C y Biomasa).
los otros dos combustibles.
El primer año, los sistemas menos rentables son
los alimentados por biomasa, debido a la mayor
inversión inicial que hay que realizar con estos
equipos. Pero a partir de esa anualidad, la biomasa
comienza a ser más rentable frente al gasóleo C,
creciendo los gastos de éste fuertemente respecto a
La vida útil de un sistema de calefacción se
estima en un mínimo de 15 a 20 años. Por tanto, la
decisión habría que tomarla por sus efectos a largo
plazo. En este caso, la biomasa y el GN acumulan
costes de forma similar hasta mediados de la vida
útil, momento en que el menor coste de la biomasa
invierte la situación, siendo la opción más barata
desde ese momento en adelante.
160.000
Coste acumulado (€)
140.000
120.000
100.000
80.000
60.000
40.000
20.000
0
InicioAño 1Año 2Año 3Año 4Año 5
Gas Natural
Gasóleo
Biomasa
Figura 2.2.17.
Gasto acumulado para 5 años (Fuente: IDAE).
500.000
450.000
Coste acumulado (€)
400.000
350.000
300.000
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
0
Inicio 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Figura 2.2.18.
Gasto acumulado para 15 años (Fuente: IDAE).
56
57
2.3
2.3.1
Enrique Orche García
Catedrático del Área de Prospección e Investigación Minera
de la Universidad de Vigo
2.3.2
José Fernández Seara
Catedrático del Área de Máquinas y Motores Térmicos
de la Universidad de Vigo
2.3
EL RECURSO GEOTÉRMICO PARA GENERACIÓN DE CALOR Y FRÍO
Teniendo en cuenta las distintas aplicaciones del recurso geotérmico existente a disposición del ser
humano, a lo largo del presente capítulo se analizarán las principales tecnologías y usos al respecto de esta
fuente de energía renovable, desde el punto de vista térmico y a través del estudio de los aprovechamientos
geotérmicos directos y de los aprovechamientos para bomba de calor geotérmica.
2.3.1. Aprovechamientos directos
Los yacimientos geotérmicos que contienen
agua a una temperatura baja-media (30º a 150ºC)
proporcionan calor que es utilizado de forma directa
en usos residenciales, industriales y comerciales.
Este tipo de yacimientos termales se presentan
distribuidos en una amplia gama de situaciones
geológicas y, por tanto, se encuentran repartidos
en numerosos países constituyendo una fuente de
energía deslocalizada.
La utilización directa del calor geotérmico es
más barata que los combustibles tradicionales,
con ahorros que pueden llegar al 80% cuando se
compara con los de origen fósil. El uso directo del
calor geotérmico es muy limpio ocasionando sólo un
pequeño porcentaje o ninguno de los contaminantes
emitidos por la combustión de los combustibles
fósiles.
58
El aprovechamiento directo de la energía
geotérmica como fuente de calor constituye la forma
más antigua, versátil y común de utilización de este
tipo de energía; habiendo sido documentada en
veinticinco países hasta una antigüedad de más de
2.000 años.
Se conoce el uso de aguas termales para el aseo
personal por etruscos, romanos, griegos, turcos,
mejicanos, chinos, japoneses, maoríes, etc., siendo
ésta la utilización más antigua de que se tiene
noticia. Simultáneamente, estos pueblos atribuyeron
propiedades curativas a la inmersión en las aguas
termales, estableciéndose la costumbre de tomar
baños y de ingerir controladamente dichas aguas,
con lo cual nació la balneología, de gran esplendor
en el Imperio romano y en la cultura europea desde
el siglo XVIII a la actualidad.
Un segundo empleo de las aguas termales fue
utilizarlas para la cocción de alimentos, lavado de
ropa, etc., en los hogares primitivos, dependiendo
de la temperatura de las fuentes. Este uso ha sido
practicado por los maoríes de Nueva Zelanda desde
que se establecieron allí en el siglo XIV.
Otra aplicación antigua muy extendida ha sido
la extracción de ciertos minerales disueltos en
las aguas surgentes a elevada temperatura. De
esta forma los etruscos obtenían ácido bórico.
Posteriormente, entre los siglos XVII y XIX, las aguas
termales constituyeron una importante fuente de
azufre, vitriolo y alumbre, productos que se han
incrementado en el siglo XX con la obtención de sal,
sales amoniacales, cloruro cálcico, ácido sulfúrico,
etc.
La utilización del calor geotérmico para
calefacción y producción de agua caliente
sanitaria ha sido una de sus aplicaciones más
extendidas. Puede considerarse que comenzó en
el siglo XIV en Chaudes-Aígues (Francia). Más
recientemente, la calefacción doméstica tuvo
sus inicios auténticamente industriales en EE.UU,
concretamente en Warm Springs (Idaho, 1890)
y Klamath (Oregón, 1900) pero hay que esperar
hasta 1930 para que esta utilización adquiera un
auténtico desarrollo industrial. En este año comenzó
en Reykjavik (Islandia) un proyecto para calentar
sesenta viviendas, dos piscinas municipales, una
escuela y un hospital. El éxito fue tal que en 1933
empezaron a investigarse yacimientos de agua
caliente situados a 15 km de la capital con objeto
de llevar el calor a la ciudad. Puestos en producción,
en diez años ya proporcionaban calefacción y agua
caliente a 2.300 viviendas. Esta tendencia ha
continuado imparable de manera que en 1970 el
45% de la calefacción de los edificios de la isla era
de fuentes geotérmicas, porcentaje que, hoy día, es
del 89%.
Otros países aplicaron con éxito la experiencia
islandesa: Hungría, Chequia, Eslovaquia, Italia,
Rusia y muchos otros apostaron por la calefacción
geotérmica pero ha sido en Francia en donde ha
tenido un desarrollo que merece un comentario.
En 1960, en Carrières-sur-Seine, se intentó una
explotación de calefacción geotérmica en la cual se
recirculaba el fluido directamente por los circuitos
de calefacción, pero los problemas derivados de la
corrosión y de las incrustaciones lo hicieron fracasar.
59
Sin embargo, diez años después, en 1971, se puso
en marcha otra instalación, en Melun l’Almont
(Cuenca de París), en la que el calor geotérmico
se recuperaba mediante intercambiadores que lo
cedían a otro circuito de agua dulce, devolviéndose
el fluido geotérmico al subsuelo por un segundo
pozo (disposición conocida como doblete). El agua
calentada era distribuida por la red de calefacción
sin ocasionar perjuicios a la instalación. Este
modelo de recuperación por intercambiador y
doblete geotérmico fue aplicado en otras zonas de
Francia proporcionando calefacción a más de cien
mil viviendas.
Una forma de utilizar de forma directa el calor
geotérmico de muy baja temperatura es mediante la
bomba de calor. Este tema es objeto de un capítulo
específico y a él se remite para mayor detalle. Tan
sólo indicar que el uso de las bombas de calor
se inició en EE.UU en 1945 aplicado a sistemas
abiertos de aguas subterráneas. La crisis de petróleo
de 1973 y el desarrollo de los materiales plásticos
en los años 80 del siglo XX acercaron los costes de
estos aprovechamientos geotérmicos a los de otras
energías presentes en el mercado, de manera que
la bomba de calor comenzó un imparable desarrollo
inicialmente restringido a dos focos principales,
Suecia y EE.UU, seguidos en la década siguiente
por Alemania, Suiza, Austria y Canadá.
En 2009 al menos 78 países han usado la
energía geotérmica de forma directa, sumando una
potencia instalada en dicho año de 48.493 MW,
lo que supone un crecimiento anual del 11,4%
desde 2004. La energía utilizada en 2009 ha sido
de 423.830 TJ/año (117.740 GW/año), con un
incremento anual en los últimos cinco años del
9,2%.
El uso más frecuente de la energía geotérmica
directa es en climatización mediante la bomba de
calor, seguida del uso en balnearios y piscinas,
calefacción de edificios mediante intercambiadores,
calentamiento de invernaderos y espacios abiertos,
procesos industriales, acuicultura, secado de
productos agrícolas, fusión de nieve y otros más de
menor importancia.
60
El ahorro de energía que comporta el uso directo
de la energía geotérmica se ha evaluado anualmente
en 250 millones de barriles (38 millones de
toneladas) de petróleo, evitando la emisión de 107
millones de toneladas de CO2 a la atmósfera.
De todos los usos descritos, el presente capítulo
hará especial hincapié en los aprovechamientos
directos en relación con la eficiencia energética y la
energía geotérmica en la rehabilitación de edificios
(excepto bomba de calor), es decir, a la calefacción
tanto de edificaciones individuales como de
barriadas o calefacción urbana. No obstante, antes
de desarrollar estos temas, a modo de introducción
se describen brevemente tanto los usos posibles de
los aprovechamientos directos como las potencias y
producciones mundiales y, en su caso, española.
2.3.1.1. Utilización, potencias y
producciones de calor de uso directo
Tradicionalmente, los usos directos del
calor geotérmico han tenido pequeña entidad
siendo aprovechados por familias o individuos.
Posteriormente, ya en el siglo XX, comenzaron
a implantarse proyectos a gran escala tales
como calefacción urbana en Islandia y Francia,
calefacción de invernaderos en Hungría y Rusia,
o grandes usos industriales como en Nueva
Zelanda y EE.UU. Los intercambiadores de calor
han mejorado su eficiencia adaptándose a las
condiciones geotérmicas, permitiendo el empleo
de agua a temperatura cada vez más baja y de
fluidos de elevada salinidad. La mayor parte de los
equipos que forman las instalaciones geotérmicas
son de tipo estándar que, en el peor de los casos,
sólo necesitan ligeras modificaciones para poder
contener fluidos geotérmicos.
Los aprovechamientos directos son muy
numerosos y variados, dependiendo de la
temperatura y composición del fluido geotérmico.
La Tabla 2.3.1.1 agrupa una serie no exhaustiva de
ellos, indicándose aproximadamente la temperatura
del proceso.
TEMPERATURA
DEL FLUIDO (ºC)
Tabla 2.3.1.1.
Aplicaciones de la energía
geotérmica mediante uso
directo del fluido.
APROVECHAMIENTOS DIRECTOS MÁS COMUNES
Secado de madera y de algas.
150
Fabricación de alúmina.
Secado rápido de productos agrícolas.
Enlatado de alimentos.
140
Extracción de sales por evaporación.
130
Refinado de azúcar.
120
Obtención de agua destilada.
110
Secado de forraje y hortalizas.
Secado y curado de planchas de hormigón ligero.
Secado de materiales orgánicos.
100
Lavado y secado de lana.
90
Secado de pescado.
70
Refrigeración por absorción.
Calefacción de invernaderos y establos.
Calefacción de edificios (hasta 125ºC)
60
Calentamiento de piscinas.
Balnearios.
50
Cultivo de setas.
40
Calentamiento de suelos.
Piscinas.
30
Deshielo de pavimentos.
Piscicultura y acuicultura.
20
Climatización por bomba de calor.
61
El uso directo de la energía geotérmica tiene una
larga tradición pero los datos existentes son menos
exactos que para la producción de electricidad. La
utilización directa del calor de origen geotérmico
en el mundo es difícil de determinar, pues existen
muchos y muy diversos usos y éstos son a veces
pequeños y están localizados en áreas remotas.
Además, aunque el uso se pueda estimar, los valores
de flujo y las temperaturas del agua generalmente no
se conocen y tampoco existe información sobre ello;
por estas razones, la capacidad y el uso directo de la
energía calórica únicamente pueden ser evaluados
CONCEPTOMUNDO
Potencia instalada (MW)
48.493,00
Utilización anual (TJ/año)
423.830,00
Utilización anual (GWh/año)
117.740,00
Factor de capacidad (*)
0,28
con una cierta aproximación. Esto es especialmente
cierto en el caso de aguas utilizadas para el baño.
Los datos de potencias y producciones de
los países que usan de forma directa la energía
geotérmica en 2009 han sido recopilados por Lund et
al y presentados en el Congreso Geotérmico Mundial
de Bali en 2010. La suma de los datos mundiales,
los específicos españoles y la proporción de éstos
respecto de aquellos se indican en la Tabla 2.3.1.2,
poniéndose en evidencia la mínima importancia que
los usos geotérmicos directos tienen en España.
ESPAÑA
141,04
684,05
190,00
0,15
PORCENTAJE
0,29
0,16
0,16
53,57
Tabla 2.3.1.2. Potencia instalada y utilización de los aprovechamientos directos en el mundo y en España
(Aclaración: (*) Factor de capacidad = FC= porcentaje de operación a carga completa por año.
FC = 0,0317 x gasto anual de energía (TJ/año)/potencia instalada (MW)).
Para mayor detalle sobre las estadísticas mundiales de los aprovechamientos directos se remite al
informe de Lund et al; no obstante se comentan seguidamente algunos aspectos destacables que se
reseñan en la Tabla 2.3.1.3.
MAYOR POTENCIA INSTALADA
EE.UU
12.611,46 MW
China
8.898,00 MW
Suecia
4.460,00 MW
Alemania
2.485,40 MW
Japón
2.099,53 MW
62
MAYOR UTILIZACIÓN ANUAL
China 20.931,80 GWh/año
EE.UU 15.710,10 GWh/año
Suecia 12.548,60 GWh/año
Turquía 10.246,90 GWh/año
Japón
7.138,90 GWh/año
RATIO POTENCIA/POBLACIÓN
Islandia
Suecia
Noruega
Finlandia
Suiza
RATIO POTENCIA/SUPERFICIE
Holanda
Suiza
Islandia
Suecia
Hungría
RATIO UTILIZACIÓN/POBLACIÓN
Islandia
Suecia
Noruega
Nueva Zelanda
Dinamarca
RATIO UTILIZACIÓN/SUPERFICIE
Holanda
Islandia
Suiza
Hungría
Suecia
Δ POTENCIA INSTALADA 2005-2009
Reino Unido
Corea
Irlanda
España
Holanda
Δ UTILIZACIÓN 2005-2009
Reino Unido
Holanda
Corea
Irlanda
Argentina
Tabla 2.3.1.3. Índices
característicos de la
utilización directa de
la energía geotérmica.
Dicha tabla recoge diversa información tomada
del citado informe como son los cinco países que
tienen mayor potencia térmica instalada, cuya
suma constituye el 63% de la potencia mundial, y
los países con mayor utilización para uso directo,
que representan el 55% de los usos mundiales. Se
incluyen también otros índices que tienen en cuenta
la población y superficie de los países; en este caso
desaparecen las naciones grandes productoras que
son sustituidas por nuevos países, especialmente los
nórdicos. De esta forma, se citan las cinco naciones
que presentan mejores ratios de potencia instalada/
población, potencia instalada/superficie, utilización
anual/población, utilización anual/superficie e
incremento de potencia instalada y de utilización en
el quinquenio 2005-2009. En esta tabla cabe resaltar
la aparición de España que figura en cuarto lugar en
lo que se refiere a incremento de potencia térmica, a
pesar de sus modestísimas cifras. Lamentablemente
este buen lugar no tiene correspondencia con el
puesto equivalente en el incremento de utilización
directa de la energía geotérmica.
En cuanto al crecimiento de la potencia instalada a nivel mundial, la Tabla 2.3.1.4 indica la evolución
que presenta considerando aquellos países que, desde 1984, superan los 100 MW.
AÑO
1984
1989
1994
1999
2004
2009
Nº DE PAÍSES
CON USO DIRECTO
Sin datos
Sin datos
28
58
72
78
Nº DE PAÍSES CON
Pot >100 MW
11
14
15
23
33
36
PORCENTAJE
(%)
----54
40
46
46
Tabla 2.3.1.4. Países con potencia instalada superior a 100 MW.
De la tabla se deduce que el número de países
que hace uso directo de la energía geotérmica crece
de forma sostenida. También aumenta el número de
los que alcanzan potencias instaladas superiores
a 100 MW, aunque su porcentaje presenta
fluctuaciones, descendiendo al mínimo en el año
1999 y recuperándose en los años siguientes hasta
el 46% de 2009, último dato de referencia.
En lo que respecta a la distribución de los
aprovechamientos directos del calor geotérmico cabe
señalar que las estadísticas mundiales se realizan
cada cinco años con motivo del Congreso Geotérmico
Mundial correspondiente. Debido a la diversidad de los
usos directos geotérmicos, los grupos considerados
en estas estadísticas se han uniformado, tal como se
aprecia en las tablas que se presentan a continuación.
En la primera (Tabla 2.3.1.5) se muestran las
potencias instaladas por tipo de aprovechamiento
directo en los años 2004 y 2009, tanto en valor como
en porcentaje e incremento, constatándose que en el
quinquenio ha crecido un 72%, al ritmo de un 11,4%
anual. La climatización mediante bomba de calor
es la aplicación más extendida, habiendo más que
duplicado su potencia en el intervalo de cinco años
considerado representando, actualmente, más de las
dos terceras partes de la potencia total de estos usos
directos. La razón no es otra que la versatilidad de la
bomba de calor, que puede funcionar en condiciones
muy variadas proporcionando elevados rendimientos
a un coste muy económico, sea cual sea la parte del
mundo donde se use. Además funcionan en modo
calefacción o refrigeración, a voluntad, por lo que en
realidad proporcionan la climatización total de los
espacios a lo largo del año. En el extremo opuesto
se encuentra el apartado “Otros” que agrupa usos
infrecuentes tales como calefacción en establos,
cultivos de spirulina, desalinización de agua y
esterilización de botellas. Los tres tipos principales de
aprovechamiento, todos ligados al confort y la calidad
de vida humanos, suman el 93,2% de la potencia
instalada.
63
APROVECHAMIENTO DIRECTO
POTENCIA (MW)
2004
2009
VALOR %
VALOR %
Bombas de calor geotérmicas
Calentamiento de piscinas. Balnearios
Calefacción de ambientes
Calefacción de invernaderos
Acuicultura
Usos industriales
Fundido de nieve
Secado productos agrícolas
Otros 15.384
5.401
4.366
1.404
616
484
371
157
86
54,4
19,1
15,4
5,0
2,2
1,7
1,3
0,6
0,3
33.134
6.700
5.391
1.544
653
533
368
125
42
68,3
13,8
11,1
3,2
1,3
1,1
0,8
0,3
0,1
TOTAL
28.269
100
48.493
100
Δ (%)
115
24
23
10
6
10
-1
-20
-51
72
Tabla 2.3.1.5. Potencia instalada por tipo de aprovechamiento directo.
Por otra parte, la Tabla 2.3.1.6 indica las producciones de calor geotérmico utilizado directamente. De
nuevo destaca el papel de las bombas de calor que acaparan casi la mitad de la producción térmica. En
este caso, los tres aprovechamientos principales acumulan el 87,9% del calor producido. El crecimiento de
producción experimentado en el quinquenio es del 55%, con incrementos anuales del 9,2%.
APROVECHAMIENTO DIRECTO
PRODUCCIÓN (TJ/año)
2004
2009
VALOR %
VALOR %
Bombas de calor geotérmicas
Calentamiento de piscinas. Balnearios
Calefacción de ambientes
Calefacción de invernaderos
Acuicultura
Usos industriales
Fundido de nieve
Secado productos agrícolas
Otros 87.503
83.018
55.256
20.661
10.976
10.868
2.032
2.013
1.045
32,1
30,4
20,2
7,6
4,0
3,9
0,7
0,7
0,4
200.149
109.410
63.025
23.264
11.521
11.745
2.126
1.635
955
47,2
25,8
14,9
5,5
2,7
2,8
0,5
0,4
0,2
273.372
100
423.830
100
TOTAL
Δ (%)
129
32
14
13
5
8
5
-19
-9
55
Tabla 2.3.1.6. Producción de calor por tipo de aprovechamiento directo.
En lo que respecta al apartado denominado
calefacción de ambientes en las Tablas 2.3.1.5 y
2.3.1.6, cabe señalar lo siguiente. En la literatura
técnica anglosajona los aprovechamientos
directos de calor en edificios se refieren a dos
situaciones concretas: space heating y district
64
heating. La diferencia entre ambos radica en
que el primero es una instalación basada en un
único sondeo geotérmico mientras que el segundo
está soportado por una red de sondeos. Se trata,
fundamentalmente, de un problema de tamaño
y de posibilidades técnicas pues las mayores
instalaciones pueden ofrecer variantes de uso que
no son aplicables a menor escala. Sin embargo,
en ocasiones el término space heating es utilizado
de forma globalizadora y genérica, integrando
a district heating. En el presente capítulo se
utilizarán los términos calefacción de edificios
para space heating (instalaciones a pequeña
escala), calefacción urbana para district heating
(instalaciones a gran escala) y calefacción de
ambientes como término que engloba a ambos. En
las citadas tablas, el dato que se indica comprende
el aprovechamiento directo conjunto tanto en
edificios como en calefacción urbana pues las
fuentes no los separan. No obstante, se estima que
a nivel mundial, la calefacción de edificios y urbana
se reparten potencia instalada y producción de
calor en la proporción aproximada del 15% y 85%,
respectivamente. Turquía, Italia, EE.UU, Japón y
Georgia son los mayores usuarios de la calefacción
de edificios de un total de 27 países, mientras que
los líderes en utilización de calefacción urbana son
Islandia, China, Turquía, Francia y Rusia.
En 2011, en la Unión Europea, los
aprovechamientos directos se han realizado en
18 de los 27 países que la forman. Existen 200
sistemas de calefacción urbana en operación que
representan la mayor parte de los usos directos del
calor geotérmico. En pocos años se pondrán en
marcha nuevas instalaciones en lugares tradicionales
como la Cuenca de París y en otros nuevos como
Madrid, Barcelona y Burgos en España.
2.3.1.2. Previsiones de desarrollo futuro
para los aprovechamientos geotérmicos
directos en la Unión Europea y en España
El futuro de los aprovechamientos geotérmicos
directos de calor españoles está ligado a la
política energética que adopte la Unión Europea,
especialmente teniendo en cuenta los beneficios
que reporta la Directiva 2009/28/CE del Parlamento
Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energía procedente
de fuentes renovables.
En la actualidad, The Geothermal Panel of the
Renewable Heating & Cooling Technology Platform
del European Geothermal Energy Council está
preparando la Agenda de Investigación Estratégica
de la que se conoce el borrador incompleto de la
Parte 1. Calefacción y Refrigeración Geotérmicas.
Hasta que esté disponible el documento final,
los objetivos de la política de la Unión Europea
en lo que respecta a los aprovechamientos
directos geotérmicos se pueden tomar sin errores
significativos del Documento visión 2020-2030 de
la European Technology Platform-Renewable Heating
& Cooling, de diciembre de 2009, que propone
las siguientes iniciativas respecto del uso de la
geotermia en calefacción de ambientes (excepto
bomba de calor):
Objetivos año 2020:
- Uso directo: Las actividades más prometedoras
son la construcción de nuevas redes de calefacción
(climatización) urbana, la optimización de las
existentes y el desarrollo de nuevas e innovadoras
aplicaciones en el transporte, la industria y la
agricultura. Las primeras regiones que deben
desarrollarse son tanto las que contienen los recursos
más accesibles (Cuencas de los Cárpatos, Toscana
y París), como los recursos de alta entalpía en
donde se combinen proyectos de aprovechamientos
de calor y de producción de electricidad. Francia,
Alemania, Italia, Holanda, España, Irlanda y los
países de los Cárpatos tienen un renovado interés
en la calefacción (climatización) urbana y el uso
de bombas de calor. Ambos sistemas pueden
utilizar una red de distribución común basada en
el aprovechamiento de un solo sondeo, que será la
unidad básica de producción.
- Cogeneración geotérmica: Hasta el 2020 se
van a desarrollar proyectos combinados de plantas
de calor y de producción eléctrica de baja entalpía
con aprovechamientos de Sistemas Geotérmicos
Estimulados (EGS).
Objetivos año 2030:
- En el año 2030 se prevé un incremento de la
producción de calor geotérmico para uso directo
que multiplica por 7 (opción conservadora) o por
15 (opción optimista) la producción de 2010.
65
Objetivos año 2050:
- Los sistemas geotérmicos de calefacción
(climatización) serán viables y económicos en
cualquier lugar de Europa, tanto para viviendas
individuales como para áreas urbanas en las que
estarán combinados con otros sistemas.
PRODUCCIÓN ENERGÉTICA [Mtep]
25
La previsión realizada en 2007 por la Unión
Europea de las potencias y producciones de los
aprovechamientos directos hasta 2050 se muestra
en la Figura 2.3.1.1. Esta previsión está ya desfasada
debido al incremento experimentado por estos usos
al día de hoy que fuerza una previsión de objetivos
al alza. Por ejemplo, para el año 2030 estaban
previstos 50.000 MW mientras que actualmente se
habla ya de 80.000 MW para el mismo año. Aún
así, esta previsión del 2007 proporciona las pautas
acerca de la planificación de la Unión Europea
para este tipo de energía. Por citar una evidencia,
en ella se aprecia que el papel más importante, sin
discusión, se reserva a las instalaciones con bomba
de calor, que se erige en la auténtica protagonista
de los aprovechamientos directos.
120.000
Producción geotermia somera
Producción térmica de uso directo
potencia instalada
110.000
100.000
90.000
20
80.000
70.000
60.000
10
50.000
40.000
30.000
5
20.000
POTENCIA INSTALADA [MWt]
- La tecnología de EGS experimentará un
fuerte desarrollo en Europa, produciendo una gran
cantidad de electricidad combinando, además, la
climatización con las instalaciones de cogeneración.
Estas instalaciones permitirán desarrollar nuevos
sistemas de calefacción urbana para densas áreas
poblacionales.
10.000
0
0
AÑO 2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Figura 2.3.1.1. Previsión de aprovechamiento directo del calor geotérmico en la Unión Europea
(Fuente: GEOPLAT).
En España, los recursos de calor de baja y media
temperatura, evaluados en 2011 para elaborar
el PER 2011-2020, son los que se indican en la
Tabla 2.3.1.7. No incluyen las bombas de calor. La
potencia actualmente instalada y censada en España
corresponde exclusivamente a aplicaciones de usos
directos del calor, principalmente a balnearios e
invernaderos, realizadas en los años 80 del siglo
XX. Las estimaciones de usos futuros previstos por
la Administración española, plasmados en el PER
2011-2020 (Tabla 2.3.1.8), indican que este tipo de
aplicaciones no va a crecer a corto plazo por lo que
66
se mantiene constante su cuantía hasta el 2015. A
partir de este año, se estima que podrían ir entrando
en marcha varios proyectos de calefacción urbana
que actualmente están en fases de investigación
y tramitando las autorizaciones administrativas
necesarias, como son los ya citados de Madrid, Burgos
y Barcelona. Diversas instituciones relacionadas con la
investigación y los aprovechamientos geotérmicos han
mostrado su disconformidad con estas menguadas
previsiones, tan alejadas de los crecimientos que
están teniendo otros países de la Unión Europea y de
la cuantía de los recursos nacionales.
TIPO DE RECURSO
RECURSOS (x105 GW.h)
Baja temperatura
159,90
Media temperatura
Reconocidos por el IGME
Otros recursos potenciales
Total media temperatura
54,23
541,22
595,45
TOTAL
755,35
Tabla 2.3.1.7. Recursos españoles de calor para aprovechamiento directo, sin bomba de calor
(Fuente: Sánchez et al, 2011).
AÑO
POTENCIA (ktep)
AÑO
POTENCIA (ktep)
2010
2011
2012
2013
2014
2015
3,8
3,8
3,8
3,8
3,8
5,2
2016
2017
2018
2019
2020
6,4
7,1
7,9
8,6
9,5
Tabla 2.3.1.8. Previsión de potencias de los aprovechamientos directos (sin bomba de calor) del
PER 2011-2020 (Fuente: PER 2011-2020)
No obstante conviene recordar la posición de
la Unión Europea al respecto. Opina la UE que la
infraestructura actual de las viviendas representa
una elevada cuota de la demanda de energía que
puede ser localmente suministrada por sistemas de
calefacción urbana. Este tipo de aprovechamiento
será elegido con preferencia para calentar edificios
ya existentes más que para nuevas promociones
de viviendas. Estudios recientes indican que el
uso directo del calor geotérmico y las redes de
calefacción urbana son probablemente las opciones
más efectivas para este mercado de viviendas
ya construidas. Sin embargo estos desarrollos
son intrínsecamente complejos pues precisan la
sustitución de las actuales infraestructuras basadas
en energía fósil, lo que requiere largos tiempos de
implantación. De esta forma la UE viene a dar la
razón a la Administración española y a la prudencia
de sus previsiones.
2.3.1.3. Instalaciones para el
aprovechamiento directo del calor en
ambientes
El aprovechamiento directo del calor geotérmico
en viviendas y otros espacios interiores ubicados en
edificios permite dotarles tanto de calefacción como
de refrigeración, aunque el suministro de calor es,
hoy día, el uso predominante y prácticamente único.
Los sistemas de refrigeración, basados en máquinas
de absorción, precisan de fluidos geotérmicos a
elevada temperatura (77-160ºC), son caros y tienen
una baja eficiencia, con unos COP inferiores a 0,7;
no habiendo conseguido todavía imponerse frente a
otros sistemas y quedando relegados a aplicaciones
industriales. Por tanto, los aprovechamientos
geotérmicos directos, por regla general, se refieren a
calefacción y nunca a refrigeración, salvo en el caso
de la bomba de calor.
La calefacción de edificios con energía
geotérmica está muy extendida, especialmente
en construcciones individuales. En estos casos
67
la captación del calor puede hacerse mediante
tuberías en forma de U introducidas dentro del
sondeo (downhole heat exchanger, DHE), con una
disposición similar a la que han popularizado
las sondas geotérmicas verticales de muy baja
temperatura.
pozos, temperatura a la que se introduce en el
circuito de distribución.
Por su parte, la calefacción urbana consiste en la
distribución del calor (agua caliente o vapor) desde
una central que recoge el calor de varios sondeos
geotérmicos, a edificios individuales o bloques de
edificios, por medio de una red de conducciones
convenientemente aisladas. Este calor se usa
tanto para calefacción como para la producción de
agua caliente sanitaria. Un factor importante en la
calefacción urbana es la densidad de carga térmica,
es decir, el calor que es necesario suministrar a
una determinada zona dividido por su superficie.
Para que el aprovechamiento tenga rentabilidad
económica y social es conveniente que este índice
sea elevado, por encima de 1,2 GJ/h.ha ó 2,5 GJ/
ha.año. Aunque los pozos geotérmicos son la fuente
primaria de calor, dependiendo de la temperatura
necesaria, la calefacción urbana puede recurrir a
otras fuentes complementarias de calor, como son
los combustibles fósiles, a fin de absorber los picos
de demanda en las épocas más frías. Esta opción
es más favorable, en términos económicos y de
eficiencia del sistema, que la perforación de nuevos
pozos geotérmicos o el incremento de bombeo del
fluido geotérmico en los existentes. La implantación
de una instalación de calefacción urbana precisa
una importante inversión inicial cuyos elementos
principales son la red de distribución (35 a 75%
de la inversión total) y los sondeos de captación.
Por el contrario, los costes de operación son bajos.
Comparada con una instalación de gas natural,
una red de calefacción urbana geotérmica puede
proporcionar a sus usuarios un ahorro anual
comprendido entre el 30 y el 50%.
Mediante la extracción del agua caliente
contenida en el acuífero: La captación de las
aguas termales se produce normalmente en el
subsuelo (raramente en manantiales), en acuíferos
situados a profundidades que pueden llegar a los
2.500 m. Para acceder a estos lugares es precisa
la perforación de pozos o sondeos. El agua, si el
pozo no es artesiano, se traslada a la superficie
mediante bombas instaladas dentro de él. Por tanto,
las posibilidades son:
Los yacimientos geotérmicos que producen
agua caliente para calefacción proporcionan
normalmente un fluido que está a una temperatura
por debajo de 100ºC aunque en ocasiones, como
en Islandia, puede alcanzar 125ºC e incluso más;
en este caso hay que enfriarla hasta unos 80ºC
por mezcla con agua más fría proveniente de otros
68
Desde un punto de vista general y esquemático,
la extracción del calor del acuífero termal puede
realizarse de las siguientes formas:
- Surgencia natural: a través de pozos artesianos
y manantiales.
- Surgencia forzada: mediante bombeo.
Sin extracción del agua caliente contenida en
el acuífero: En este caso, el calor del agua se extrae
directamente dentro del pozo mediante captadores
tubulares introducidos en él (captador DHE). Para
ello se rellena el captador con agua que recoge el
calor del fluido geotérmico y lo lleva al circuito de
calefacción, con el que está conectado, que lo cede
al ambiente.
Una vez extraído el calor del pozo y puesto en la
superficie, se puede aprovechar en el sistema de
calefacción de tres formas:
- Introduciendo el agua caliente geotérmica
directamente en el sistema de calefacción. Las
aguas no deben ser corrosivas.
- Utilizando intercambiadores y un segundo
circuito calefactor con agua de la red municipal
calentada.
- En los sistemas con DHE, mediante agua de la
red municipal calentada en el pozo que circula por
el interior del captador y, después, por el circuito de
calefacción.
En los tres casos, el calor se cede al ambiente
desde el circuito de calefacción mediante emisores
que, en realidad, son intercambiadores de tipo
agua/agua o agua/aire.
Una vez que el agua ha cedido parte de su calor
al sistema de calefacción, se evacúa del mismo, bien
devolviéndola al acuífero de origen, bien a un cauce
natural o a una balsa para cualquier uso posterior.
En definitiva, en términos generales, puede decirse
que las instalaciones de calefacción que funcionan
extrayendo fluido geotérmico profundo mediante
sondeos se componen de cuatro elementos:
- Un elemento productor del calor, generalmente
un pozo de extracción, que conduce el fluido
caliente profundo a la superficie de forma natural
o por bombeo.
- Un sistema mecánico compuesto por bombas,
tuberías aisladas, válvulas, intercambiadores de
calor y los sistemas de control, que trasfiere el calor
a la red de distribución de agua caliente.
- Una red de distribución de calor dentro del
edificio que lo traslada al ambiente mediante
emisores.
- Un sistema de evacuación del agua enfriada,
generalmente un pozo de inyección o una balsa de
almacenamiento.
Los sistemas calefactores que usan DHE son
más sencillos pues sólo precisan:
- Un sondeo geotérmico en el que introducir el
captador DHE.
- Una conducción que prolonga la tubería
captadora hasta el edificio a calentar.
- Una red de distribución del calor en el interior
del edificio con sus correspondientes emisores.
La instalación calefactora más simple consiste
en la captación de agua caliente en un manantial
y el aprovechamiento directo del calor en la propia
red de calefacción irradiando al ambiente mediante
emisores agua/agua o agua/aire.
La Figura 2.3.1.2 muestra esquemáticamente
una disposición de este tipo con un emisor final
agua/aire. En la misma figura se han representado
también las temperaturas que entran en juego para
un caso particular. Estas instalaciones son poco
frecuentes debido a que es necesaria la conjunción
de tres factores: la existencia de un manantial
con suficiente caudal y temperatura, que el agua
termal no sea corrosiva y que exista una demanda
de calor a corta distancia. Es el caso típico de las
calefacciones de algunos edificios balnearios. Si el
agua se capta en un pozo o sondeo, el esquema
sería similar al indicado.
45ºC
35ºC
agua
caliente
AIRE
30ºC
20ºC
AMBIENTE A
CALENTAR
20ºC
EMISOR
Figura 2.3.1.2. Esquema de un aprovechamiento directo simple.
69
Un caso más complejo se presenta cuando,
debido a su naturaleza, el agua no puede introducirse
directamente en el circuito de calefacción y es
preciso intercalar un intercambiador. Es el caso
representado en la Figura 2.3.1.3 en donde el agua
termal se capta mediante un sondeo. Cuando esta
agua llega a la superficie, se hace pasar por un
intercambiador de placas que calienta el agua fría
de la red que circula por el circuito secundario de
calefacción en sistema cerrado. Si la temperatura
que ésta alcanza no fuera suficiente, se acopla un
sistema de apoyo (un elemento calefactor o un
tanque de almacenamiento de agua muy caliente
proveniente de pozos de elevada entalpía) que
aumenta la temperatura del agua hasta el punto
requerido. El agua del circuito de calefacción
se recircula por la red de distribución volviendo
enfriada al intercambiador. El fluido geotérmico que
ha cedido parte de su calor al sistema es devuelto
al acuífero por un segundo pozo.
SISTEMA
DE APOYO
50-80ºC
EMISOR
BOMBA
20-35ºC
AMBIENTE A
CALENTAR
20ºC
INTERCAMBIADOR
DE PLACAS
60-120ºC
POZO DE
PRODUCCIÓN
20-60ºC
POZO DE
INYECCIÓN
FLUIDO GEOÉRMICO
AGUA DULCE RED
Figura 2.3.1.3. Esquema de un aprovechamiento directo con intercambiador intermedio.
En la situación descrita, el fluido geotérmico
circulante tiene características corrosivas en mayor
o menor medida. La temperatura también es un
condicionante importante. A pesar de ello, la mayor
parte de los sistemas de calefacción geotérmica
utiliza equipos estándar aunque siempre hay que
tener la precaución de adaptarlos a la naturaleza del
agua o vapor geotérmicos pues los fluidos que son
corrosivos pueden ocasionar problemas operativos
en los elementos que estén en contacto directo con
ellos. En cualquier caso debe evitarse la entrada de
oxígeno a las conducciones y han de eliminarse los
gases y sales disueltos en el agua termal como boro,
arsénico y ácido sulfhídrico para evitar la corrosión y
precipitación de sales y la consiguiente obstrucción
de las tuberías.
70
Desde 1931 se emplea una segunda
configuración de captación de calor que hoy día
está siendo exhaustivamente empleada en los
aprovechamientos directos con bomba de calor a
muy baja temperatura en sistemas cerrados (1520ºC). Se trata de captadores tubulares instalados
fijos en el pozo geotérmico que, por ello, se
denominan DHE (downhole heat exchanger). Como
es lógico, los modelos diseñados para calefacción de
ambientes trabajan a una temperatura muy superior,
con agua hasta 93-96ºC. El sistema consiste en
la introducción dentro de un pozo geotérmico de
una tubería de polietileno resistente (PEX) doble,
empalmada mediante un codo en un extremo, que
se coloca fija dentro del pozo desde el fondo hasta
el emboquille. El pozo se encuentra lleno de agua
termal que asciende en el mismo hasta su nivel
piezométrico. La tubería se rellena con agua fría de
la red municipal y se empalma con el circuito de
calefacción, constituyendo el conjunto un sistema
cerrado. Cuando una bomba hace circular el agua por
el circuito, el ramal que entra al pozo conduce al agua
fría proveniente del retorno del circuito de calefacción.
AGUA CALIENTE
AGUA ENFRIADA
Al entrar en contacto con el agua caliente del pozo,
aumenta su temperatura, saliendo del pozo por el
segundo ramal camino del circuito de distribución.
Al circular por éste y los emisores correspondientes
situados en los edificios, cede al ambiente parte de
su calor enfriándose. La circulación reconduce esta
agua de nuevo al pozo repitiéndose el proceso.
EMISOR
AMBIENTE A
CALENTAR
20ºC
AGUA FRÍA DE LA RED
AGUA CALIENTE SANITARIA
AGUA CALIENTE
EN EL POZO
Figura 2.3.1.4. Esquema de aprovechamiento mediante intercambiador en sondeo (DHE).
Dependiendo del diámetro del pozo y de las
características del agua termal (temperatura,
flujo, etc.) dentro de la perforación se pueden
instalar varios captadores dedicados tanto a la
calefacción de ambientes como a la producción de
agua caliente sanitaria. La Figura 2.3.1.4 muestra
esquemáticamente un sistema calefactor de este
tipo compuesto por dos DHE, uno para calefacción
de ambientes y el otro para agua caliente sanitaria.
En los esquemas presentados en las Figuras
2.3.1.3 y 2.3.1.4, para simplificar, se ha intercalado
un único emisor final en el propio circuito secundario
de distribución general del calor. En realidad,
con frecuencia y sobre todo en los sistemas
de calefacción urbana, los edificios tienen sus
propios circuitos de distribución (sería un circuito
terciario) que captan el calor del circuito general de
distribución mediante intercambiadores, de manera
que cualquier problema o avería que se produzca
en la red local no tiene incidencia en el tendido
general.
Para establecer el tipo de aprovechamiento más
acorde con los recursos del yacimiento geotérmico es
frecuente la realización de simulaciones por medios
informáticos, mediante las cuales se pueden estimar
las estrategias de producción y el consiguiente
comportamiento del campo geotérmico en función
de la demanda previsible de calor. El resultado
final proporciona información sobre el beneficio de
la explotación geotérmica y su duración temporal
en función de distintas condiciones y supuestos
operativos, como son la demanda puntual de calor,
el tamaño del yacimiento, la conductividad del
terreno, etc.
71
2.3.1.4. Equipamiento de las instalaciones
para el aprovechamiento directo del calor
en ambientes
El equipamiento de las instalaciones para el
aprovechamiento directo del calor en ambientes
debe considerarse desde una doble perspectiva:
el requerido en instalaciones nuevas y el adaptado
a sistemas de calefacción existentes. En el primer
caso el procedimiento consiste en la evaluación de
los requerimientos de calor del sistema y el diseño
del equipamiento apropiado teniendo en cuenta
la temperatura y flujo del agua geotérmica. En el
segundo caso hay que analizar el tipo y estado de
la instalación existente; si funciona con agua, la
reconversión es posible pero si trabaja con vapor,
se necesitará construir una instalación geotérmica
prácticamente nueva.
Los
componentes
primarios
de
los
aprovechamientos directos de calor son los
sondeos, las bombas de circulación del agua en los
captadores DHE y en los circuitos, las tuberías de
distribución, las plantas de los sistemas de apoyo
energético y los equipos de extracción del calor,
sean intercambiadores de placas intermedios o los
emisores finales.
Es importante recordar que el equipamiento para
los aprovechamientos geotérmicos es el mismo que
para los usos convencionales. Lo que diferencia
a ambos tipos de aprovechamientos es que el
primero se aplica a flujos y temperaturas de fluidos
que se apartan significativamente de los sistemas
tradicionales.
2.3.1.4.1. Sondeos de captación
Los recursos geotérmicos se suelen encontrar en el
subsuelo, enterrados a profundidades que alcanzan
varios kilómetros; por ello, el acceso al recurso debe
realizarse mediante pozos y sondeos perforados por
el procedimiento más eficaz y económico posible.
La Tabla 2.3.1.9 muestra una selección de dichos
métodos cuya descripción puede encontrarse en
monografías temáticas.
72
Cuando el yacimiento no es profundo y la
temperatura del agua no supera los 70-80ºC,
los sondeos son del tipo convencional empleado
para la captación de las aguas subterráneas. Sin
embargo, los equipos de perforación que alcanzan
gran profundidad y temperatura deben adaptarse
a las especiales características de los yacimientos
geotérmicos.
Puesto que los sondeos constituyen una de las
inversiones fundamentales de cualquier proyecto de
aprovechamiento directo, es importante optimizar
sus procedimientos y abaratar los costes. Para ello
se están llevando a cabo estudios tecnológicos que
pueden agruparse en tres líneas de investigación:
incremento de la velocidad de perforación, mejora
de las técnicas de guiado y control, e investigación
de nuevos materiales y técnicas.
ACCIÓNCARACTERISTICAMÉTODO DE PERFORACIÓN
Percusión
Tipo de accionamiento
Posición del martillo
Rotopercusión Circulación del lodo
Tipo de tubería
Herramienta de corte
Circulación del lodo
Diámetro del pozo
Rotación
Tipo de tubería
Posición del motor de rotación
Percusión por cable
Rotopercusión con martillo en cabeza
Rotopercusión con martillo en fondo
Rotopercusión con circulación directa
Rotopercusión con circulación inversa
Rotopercusión con tubería convencional
Rotopercusión con revestimiento simultáneo
Rotación con tricono
Rotación con w
Rotación con trépano de diamante
Rotación con corona de widia
Rotación con corona de diamante
Rotación con circulación directa
Rotación con circulación inversa
Rotación convencional
Rotación con diámetro reducido (slimhole)
Rotación con tubería convencional
Rotación con revestimiento simultáneo
Rotación con entubado (casing drilling)
Rotación con carrete de tubería (coiled tubing)
Motor fuera del sondeo:
.Rotación con tubería convencional
.Rotación con revestimiento simultáneo
.Rotación con entubado (casing drilling)
Motor dentro del sondeo:
.Rotación con carrete de tubería (coiled tubing)
Tabla 2.3.1.9. Resumen de los métodos de perforación principalmente utilizados para la
captación de agua geotérmica.
Resultado de estos estudios son mejoras del
método de rotación, el uso de sondeos de diámetro
reducido y la perforación con carrete de tubería y con
entubado. Con objeto de mejorar los rendimientos,
desde el año 2000 están funcionando torres de
perforación que combinan la rotación convencional
en cabeza (top drive) con la perforación mediante
carrete de tubería. Tales equipos presentan una gran
versatilidad pues pueden funcionar a voluntad de un
modo u otro, adaptándose a las características del
terreno. Las posibilidades que ofrece la perforación
con entubado para la geotermia son muy
interesantes, habida cuenta de la facilidad con que
se realiza y que la técnica está muy desarrollada
para las profundidades económicas actuales. Puesto
que el entubado es un elemento fundamental en
los sondeos geotérmicos, cualquier innovación que
le afecte, como es la que se comenta de casing
drilling, antes o después tendrá su aplicación en
la extracción de agua, especialmente teniendo en
cuenta el abaratamiento de costes que supone
frente a la perforación convencional.
Además de las técnicas anteriores, una segunda
posibilidad que se abre a la prospección geológica
en general y a la geotérmica en particular, es el
desarrollo de nuevas tecnologías de perforación
que, hoy día, están en fase de investigación. Como
tales se pueden citar la perforación con proyectiles,
la perforación química, la perforación láser, la
perforación por decrepitación y la perforación por
desescamación.
73
2.3.1.4.2. Bombas extractoras
Salvo que el pozo sea artesiano, las bombas
extractoras colocadas en su interior son
imprescindibles para trasladar el agua a la superficie
y para prevenir la presencia de gases. Los tipos más
comunes son las bombas lineales y las sumergidas.
Las primeras son bombas centrífugas multietapa
colocadas en el interior del pozo que se accionan
con un motor ubicado en la superficie. Las segundas
son bombas eléctricas sumergibles, centrífugas
multietapa, que se alimentan mediante un cable
eléctrico introducido en el pozo.
Cuando se utilizan bombas lineales se debe
tener precaución con las dilataciones y el engrase
de algunos de sus componentes. Estas bombas
presentan dos ventajas respecto de las sumergidas
en los sondeos convencionales: su menor coste y un
tradicional y comprobado buen funcionamiento. Sin
embargo, cuando la profundidad del pozo supera
250 m, se requieren bombas sumergibles.
2.3.1.4.3. Tuberías
Los fluidos geotérmicos que se bombean de los
pozos pueden ser agua, vapor de agua o una mezcla
de ambos. Estos fluidos son transportados mediante
tuberías desde el cabezal del pozo hasta el lugar del
aprovechamiento o a un separador agua/vapor. Las
tuberías se calientan hasta la temperatura del fluido
que transportan; si es elevada, puede producir fatiga
térmica que dañe las conducciones.
El coste de estas tuberías y de la red de
distribución del calor es elevado, especialmente
cuando la fuente geotérmica se localiza a gran
distancia del lugar de aprovechamiento; sin embargo,
el transporte de agua caliente a 60 km puede ser
económico en algunos casos, como ocurre en el w,
en el que las tuberías son de cemento con asbesto
y están enterradas en el suelo.
Cuando el fluido geotérmico circulante tiene una
temperatura que supera los 100ºC, las tuberías
son, preferentemente, de acero al carbono. Otros
tipos de materiales ampliamente utilizados son los
74
plásticos reforzados con fibra de vidrio (FRP) y el
cemento con asbesto (AC), aunque este último,
empleado frecuentemente en el pasado, no puede
ser utilizado en muchos países debido a restricciones
ambientales. Si la temperatura del fluido geotérmico
no supera los 60ºC, pueden construirse redes de
distribución compuestas por tuberías de cloruro de
polivinilo (PVC); este material es usado frecuente,
además, en los circuitos de evacuación de las
aguas enfriadas a los pozos de inyección, balsas de
almacenamiento o cauces naturales.
Las tuberías de polietileno (PEX) trabajan bien
con fluidos que no superan temperaturas de 100ºC
y presiones de 550 kPa. Por ello se han popularizado
especialmente tras su aplicación en los sistemas
que funcionan con bomba de calor. Las tuberías de
polibuteno tienen un buen comportamiento a largo
plazo, con temperaturas de servicio de 95ºC.
Las tuberías metálicas pueden ser corroídas por
agentes externos por lo que deben ser protegidas
con fundas y revestimientos. A veces las tuberías van
colocadas dentro de túneles de cemento accesibles
o en zanjas en las que, además, pueden ubicarse
otros servicios como líneas eléctricas y telefónicas,
conducciones de aguas fecales, acometidas de
agua caliente sanitaria, etc.
El aislamiento térmico de las tuberías es
fundamental para evitar pérdidas de calor durante
el transporte. En cualquier caso las protecciones
deben ser estancas e impermeables pues la
humedad puede causarles daños irreparables y,
además, producir procesos de corrosión externa.
Los tendidos de tuberías enterradas son preferibles
a los superficiales ya que las pérdidas de calor son
un 30% inferiores. Los materiales más utilizados
como aislantes de las tuberías de acero son la
espuma de poliuretano, la lana de roca o la fibra
de vidrio. Este tipo de tuberías, si el tendido va
enterrado, debe protegerse con fundas de PVC;
si, por el contrario, las conducciones de acero se
disponen sobre la superficie, se utiliza aluminio. Los
espesores de material aislante varían entre 2,5 y 10
cm. Algunos fabricantes suministran tuberías preaisladas compuestas por tres capas: la interna de
acero, cobre o polipropileno que conduce el fluido,
otra intermedia aislante de poliuretano y una tercera
externa, protectora, de polietileno. La duración de la
capacidad aislante de estos tubos es de 30 años.
TIPO DE CONDUCCIÓN
Aislada
No aislada
PÉRDIDA DE TEMPERATURA
(0,1 – 1) ºC/km
(2 – 5) ºC/km
Tabla 2.3.1.10. Pérdidas de calor en tuberías
durante el transporte (tubería de 15 cm de
diámetro y flujo de fluido de entre 5-15 l/s).
Las pérdidas de temperatura del fluido
geotérmico durante el transporte disminuyen a
medida que el diámetro de las tuberías aumenta.
Para tuberías de 15 cm de diámetro y un flujo
de 5 a 15 l/s de fluido geotérmico, las pérdidas
de temperatura durante el transporte se indican
en la Tabla 2.3.1.10. El sistema Flexalen 600 de
tuberías pre-aisladas consigue que las pérdidas de
temperatura sean inferiores a 1ºC/km.
El coste de las tuberías sin aislamiento es
aproximadamente la mitad que el de las tuberías
aisladas por lo que son las preferidas cuando las
pérdidas de temperatura no son críticas. El material
con que está fabricada la tubería no tiene un efecto
significativo sobre la pérdida de calor pero si lo tiene
la velocidad del fluido, de manera que cuando el
flujo es reducido, la pérdida de calor es mayor.
2.3.1.4.4. Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son elementos
necesarios para:
- Aislar el circuito de aguas geotérmicas, con
frecuencia cargadas de sales disueltas, de la red de
distribución de calefacción.
- Traspasar el calor geotérmico al circuito de
calefacción.
utilizarse dispositivos DHE. Los intercambiadores
de carcasa y tubo (shell and tube) tienen un papel
minoritario en los aprovechamientos geotérmicos
directos debido a su tamaño, mayor precio y
problemas que presentan con fluidos corrosivos por
lo que están restringidos a otros usos industriales.
Los intercambiadores de placas son los más
frecuentemente utilizados en las instalaciones
de calefacción geotérmica. Están construidos
con placas de acero inoxidable o de titanio si el
fluido es especialmente corrosivo. Proporcionan
un eficiente intercambio de calor en un espacio
reducido, volumen que si fuese necesario, puede
incrementarse añadiendo más placas. Estos
intercambiadores ocupan menos espacio que los
de carcasa y tubo y son un 40% más baratos. Por
ser equipos fundamentales en las instalaciones
geotérmicas y, además, ampliamente utilizados en
todo el mundo, están en permanente investigación
para conseguir mejoras de diseño, calidad y coste.
Los intercambiadores DHE se instalan en los
pozos por lo que captan directamente el calor
del agua que contienen, eliminando la necesidad
de evacuar el fluido geotérmico agotado. Están
formados por tuberías de polietileno de alta
resistencia (PEX) aunque también pueden usarse
tubos de acero. El uso de DHE está limitado al
denominado calentamiento de edificios como son
las viviendas individuales y los pequeños bloques
de pisos u oficinas.
2.3.1.4.5. Emisores finales
El calentamiento específico de los espacios
interiores de los edificios se logra haciendo circular
el agua geotérmica, o el fluido secundario calentado
por ella, a través de emisores colocados en cada
habitación o ambiente, de forma similar a como
se realiza con una instalación de calefacción
convencional. Los tipos más utilizados de emisores
son de aire forzado, de flujo natural de aire, el suelo
radiante y los radiadores.
Los intercambiadores normalmente utilizados
son de placas. En instalaciones pequeñas suelen
75
2.3.1.5. Investigación de yacimientos
geotérmicos para aprovechamiento
directo del calor
La metodología de la investigación de los
yacimientos geotérmicos para aprovechamientos
directos del calor en edificios y bloques de viviendas
depende de la temperatura del agua, pudiéndose
distinguir dos casos: agua a temperatura entre
50-100ºC, y agua y vapor a temperatura superior
a 100ºC. Por otra parte también hay que tener en
cuenta si el destino del agua es un aprovechamiento
de edificios individuales o un sistema de calefacción
urbana ya que los requerimientos de temperatura y,
sobre todo, de flujo no son los mismos y, por ello, las
formaciones geológicas objetivo (acuíferos) pueden
diferir.
2.3.1.5.1. Aprovechamientos directos a
baja temperatura
El fluido de estos yacimientos está a una
temperatura normalmente comprendida entre 50 y
menos de 100ºC lo que excluye la presencia de vapor.
En general, se trata de acuíferos convencionales que
pueden investigarse por los métodos propios de la
hidrogeología. La existencia de los yacimientos
de baja temperatura se debe a la presencia de
un gradiente normal, o ligeramente superior, y de
capas porosas y permeables que contengan agua
y la transmitan. Por tanto, la temperatura del agua
depende exclusivamente del gradiente geotérmico y
de la profundidad de la captación. La investigación
de los recursos geotérmicos de baja temperatura
está dirigida a determinar la presencia de acuíferos a
profundidades a las que el agua que se ha de explotar
esté a tal temperatura que su aprovechamiento
térmico sea técnica y económicamente viable.
En lo referente a las técnicas de investigación de
estos yacimientos hay que tener en cuenta que el
agua caliente producida es un elemento barato y de
consumo local; por ello, en ningún caso se justifica
el empleo de costosas técnicas de prospección.
Esquemáticamente, una investigación de este
tipo consta de las tres fases que se indican en la
76
Tabla 2.3.1.11, de acuerdo con la metodología
propugnada por el Instituto Geológico y Minero de
España (IGME).
La información de partida son los estudios
geológicos e hidrogeológicos y los sondeos de
petróleo o de agua realizados que se puedan
consultar. Mediante esta información se deben
detectar los posibles acuíferos objetivo, en cada
uno de los cuales habría que deducir el modelo
geotérmico correspondiente determinando las
propiedades del acuífero y el espaciamiento de los
sondeos de captación y, en su caso, de reinyección.
Una segunda fase tiene por objetivo la perforación
de sondeos hasta los acuíferos con el fin de
determinar la exactitud del modelo geotérmico
previo. Los sondeos deben ser testificados con
sondas geofísicas de manera que en cada uno
de ellos se obtenga el máximo de información
acerca del almacén y del agua. Se harán pruebas
de producción encaminadas a determinar la
potencia térmica óptima que permitan diseñar las
captaciones y los sondeos de reinyección.
La tercera fase es un estudio de viabilidad
técnico económica que comprenda un estudio de la
demanda y de la red de distribución correspondiente,
inversiones, costes, gestión de ventas, etc.
FASEDURACIÓNFINALIDAD
1
Estudios
geológicos e
hidrogeológicos
2
Estudio de
almacenes
3
Factibilidad
técnico
económica
OBJETIVOS
6-12
meses
- Antecedentes
Selección y evaluación - Planificación de etapas posteriores
- Definición de almacenes explotables
de objetivos de
- Selección de puntos favorables
explotación
- Definición del modelo geotérmico
8-14
meses
Confirmación de las
hipótesis geológicas
y definición de las
condiciones de
extracción del recurso
3-4
meses
Definición de las
condiciones de
utilización y estudio
de la viabilidad
económica de la
explotación
- Confirmación del modelo previsto
- Selección de almacenes
- Establecimiento de las características hidráulicas del almacén
- Estimación del potencial térmico explotable
- Elección de usuarios
- Definición del aporte geotérmico y selección del sistema
- Definición de los parámetros económicos del sistema
- Definición del modelo de empresa explotadora y modo
de operación
TABLA 2.3.1.11. Investigación de yacimientos de baja temperatura
(Fuente: Sánchez, 1984, modificada).
2.3.1.5.2. Aprovechamientos directos a
media temperatura
Los recursos de media temperatura (100150ºC) se pueden encontrar tanto a escasa
profundidad en zonas de elevado gradiente,
siendo un caso particular de los yacimientos de
alta temperatura, como en cuencas sedimentarias
a elevada profundidad y gradiente normal, siendo
un caso extremo de los yacimientos de baja
temperatura. Consecuentemente, en el primer caso
y comprendiendo los yacimientos con temperatura
de la gama alta del intervalo de este grupo de
yacimientos, los métodos de investigación a aplicar
son los que seguidamente se describen para los
yacimientos de alta temperatura. En el segundo
caso, en la gama de temperaturas próximas a los
100º C, el yacimiento se asemeja a los de baja
temperatura cuya investigación se ha comentado en
el capítulo anterior.
Los yacimientos de alta temperatura (>150ºC)
son los más valiosos debido al valor añadido del
producto final (producción eléctrica) pero también
son los más complejos y caros de investigar,
debiendo plantearse la utilización de métodos de
prospección variados, costosos y, con frecuencia,
sofisticados. La Tabla 2.3.1.12 muestra la secuencia
de un programa de investigación de los yacimientos
de alta temperatura, de acuerdo con el IGME. La
primera etapa consiste en llevar a cabo una serie de
investigaciones generales en superficie, cubriendo un
área inicial que suele ser de gran tamaño. Su objetivo
es detectar zonas de interés que serán investigadas en
la segunda fase. En la segunda etapa se prospectan
en detalle las áreas de potencial interés detectadas
en el reconocimiento. A tal fin se aplican las mismas
técnicas que en la fase anterior pero focalizadas
en estas áreas más favorables, añadiendo algunas
otras, como la geofísica. Con la perforación de uno o
varios sondeos cortos de investigación se completa la
modelización del yacimiento y se evalúa su potencial.
En esta fase es importante acotar espacialmente la
estructura geológica que actúa como acuífero, sus
cierres, acuñamientos y fracturas, así como las
principales características hidrogeológicas, incluidas
la temperatura y calidad del agua. En la tercera se
confirma con datos adicionales la presencia del
77
campo geotérmico y se estudia la posibilidad técnica
y económica de ponerlo en explotación. En esta fase
se realizan sondeos profundos de elevado coste.
FASEDURACIÓNFINALIDAD
1
2
Prefactibilidad
3
Factibilidad
OBJETIVOS
3-4
años
- Antecedentes y documentación
- Planificación de etapas posteriores
Selección de
- Posibilidad de cámara magmática
regiones geotérmicas.
- Geoquímica de aguas termales
Proposición de
- Síntesis geológica e hidrogeológica
programas para
- Selección priorizada de regiones geotérmicas
cada región
- Modelo probable de yacimiento
- Propuesta de programas de investigación
4-5
años
- Determinación de la fuente de calor
- Definición de la estructura geológica
Selección de áreas. - Definición de almacén y cobertera
Estimación de su - Quimismo de las aguas
potencial geotérmico. - Condiciones de equilibrio agua-roca
Proposición de
- Estudio del fluidos (recarga, circulación, escapes)
modelo de
- Definición y delimitación de anomalías geotérmicas. Puntos de yacimiento
máxima anomalía
- Cálculo del potencial geotérmico
- Definición del modelo de yacimiento
2-3
años
Confirmación del
yacimiento.
Viabilidad
técnico-económica
de su explotación
- Confirmación del modelo de yacimiento
- Evaluación de las características del almacén
- Definición de caudales de extracción
- Tratamiento del fluido
- Procesos de conversión, etc
- Definición del mercado de consumidores
- Evaluación de inversiones y costes de explotación
- Cálculo de la rentabilidad económica
TABLA 2.3.1.12. Investigación de yacimientos de alta temperatura
(Fuente: Sánchez, 1984, modificada).
Superado lo anterior, se entraría en la fase de
explotación y desarrollo del campo. Esta fase se
sale de lo que tradicionalmente se entiende por
investigación aunque es cierto que los pozos que
están en producción y de los sondeos de reinyección
de las salmueras térmicamente agotadas no cesan
de aportar información geotérmica que se debe
utilizar mediante simulaciones en la mejora del
conocimiento de la roca almacén, del fluido y de
las posibilidades energéticas del campo, y en la
búsqueda de nuevos recursos.
78
Piscina termal en Las Burgas, Ourense
2.3.1.6. Casos prácticos
Se comentan seguidamente tres casos reales
de calefacción de ambientes que presentan una
casuística completamente diferente.
2.3.1.6.1. Calefacción de edificios
Una antigua pero efectiva instalación de
aprovechamiento geotérmico es la que se encuentra
en el Polideportivo Los Remedios, en Ourense
(Galicia), cuyo esquema se muestra en la Figura
las burgas
67ºC
60ºC
2.3.1.5. La instalación recoge las aguas que vierte
la fuente termal de Las Burgas (67ºC), en el centro
de la población, que son conducidas a un depósito
regulador y, posteriormente, al polideportivo
mediante una tubería aislada de 1.500 m. El agua
llega a 60ºC y se lleva a varios intercambiadores
de placas que extraen una parte de su calor que
es suficiente para calentar el agua de dos piscinas
(una olímpica y otra semi olímpica), proporcionar
agua caliente sanitaria al complejo y abastecer el
sistema de calefacción por aire de la mayor parte
del edificio. El agua, a poco más de 20ºC, se vierte
directamente en el río Miño.
depósito
300 m
1.500 m
INTERCAMBIADOR
15ºC
40ºC
40ºC
DUCHAS
AGUA
CALIENTE
AIRE FRIO
RESERVA
DE AGUA 37ºC
RADIADOR
piscina GRANDE
VERTIDO AL RÍO MIÑO
AIRE CALIENTE
piscina
pequeña
AGUA FRIA
Figura 2.3.1.5. Esquema del aprovechamiento directo para edificio individual
(Polideportivo Los Remedios, Ourense).
La simplicidad y efectividad de esta instalación es sorprendente, especialmente teniendo en cuenta las
dimensiones de los intercambiadores de placas y los volúmenes de agua y aire calentados.
79
2.3.1.6.2. Calefacción URBANA
Dentro de este apartado cabe reseñar, entre las
múltiples instalaciones existentes en el mundo, los
aprovechamientos de la Cuenca de París (Francia) y
de Reykjavik (Islandia).
Cuenca de París (Francia):
El acuífero que suministra agua termal para
calefacción urbana a la Cuenca de París comenzó
a explotarse en 1969. Desde esa fecha se han
construido 48 plantas de las cuales sólo permanecen
abiertas las veintinueve ubicadas en la región de
Ile-de-France. La producción de calor geotérmico
constituye del 33% al 100% del calor suministrado
a la red de distribución, estando complementada en
treinta de estas plantas por el calor que proviene
de otras instalaciones de apoyo que funcionan
con cogeneración, gas y fuel oil. La captación de
agua termal se produce en 34 dobletes (sondeos
de captación y reinyección) que extraen caudales
comprendidos entre 180 y 600 m3/h.
El acuífero tiene una superficie de 15.000 km2.
El agua termal está a una profundidad comprendida
entre 1.500 y 2.000 m y se extrae a una temperatura
que varía de 56 a 85ºC. El gradiente geotérmico
es ligeramente superior al normal (entre 3,54,1ºC/100 m) aunque en algunas zonas desciende
a 2,75ºC/100 m.
Reykjavik, Blue Lagoon
80
La salinidad del agua es de 6,4 mg/l a 35
mg/l. El aprovechamiento geotérmico decayó en
los años 1980 del siglo XX como consecuencia de
los precios baratos de los combustibles fósiles. A
partir de 1998, como consecuencia del Protocolo
de Kyoto, hubo un relanzamiento del campo que, sin
embargo, se plasmó en la construcción de plantas
de apoyo de gas debido a su ventajoso precio.
Afortunadamente, en 2008 el parlamento francés
aprobó diversas medidas de apoyo a las energías
renovables, geotermia incluida, que han potenciado
la mejora y renovación de las instalaciones del
campo. De hecho, en 2007-2008 se reformaron
y perforaron varios pozos y dobletes, en 2009 se
aprobaron cinco proyectos de investigación y en
2010 se iniciaron tres nuevas operaciones.
Calefacción urbana en Reykjavik (Islandia):
La energía geotérmica juega un destacado papel
en la economía islandesa pues representa el 66%
de la energía primaria consumida. El principal uso
de esta energía es la calefacción de ambientes
de la cual el 89% es de origen geotérmico. En la
actualidad existen 22 empresas suministradoras
de este tipo de calor que operan 62 sistemas de
calefacción urbana. La mayor, con diferencia, es
la que atiende a Reykjavik y a cinco comunidades
vecinas, todas las cuales suman 183.000
habitantes de los 320.000 que tiene el país. En
el otro extremo se encuentran las empresas que
proporcionan calor en las áreas urbanas o rurales
a pequeños grupos de granjas o viviendas, que
apenas suman, en conjunto, 4.000 habitantes. La
mayor parte de los sistemas de calefacción directa
islandeses utilizan el propio fluido geotérmico en
el circuito de distribución. Algunos llevan hasta 80
años en operación.
temperatura (menos de 150ºC) y dos de alta
temperatura. El fluido geotérmico de éstas últimas
(a unos 300ºC) se utiliza para producir energía
eléctrica y calentar el agua fría de otros pozos hasta
una temperatura de 80ºC, que es la del agua de
calefacción, momento en que se incorpora al circuito
de distribución de ésta.
La instalación de Reykjavik aprovecha cinco
áreas geotérmicas independientes, tres de baja
Las características de las áreas geotérmicas de
baja temperatura se indican en la Tabla 2.3.1.13.
ÁREA
ENTRADA TEMP. (ºC)Nº DE POZOS PRODUCCIÓN PRODUCCIÓN POTENCIA SUPERFICIE
EN SERVICIOMEDIA (l/s)MÁXIMA (l/s)
(MW)
(Km2)
Laugarnes
1930
120-140
10
156
340
125
0,28
Ellidaár
1968
70-90
8
65
260
50
0,08
Mosfellssveit
1943
80-90
34
877
1.980
370
5,5
Tabla 2.3.1.13. Campos de baja temperatura de sistemas de calefacción urbana de Reykjavik
(Fuente: Axelsson et al, 2010, modificada)
La temperatura de distribución del agua es de 80ºC, saliendo de los aprovechamientos a 25-40ºC.
Esta agua se utiliza bien para fundir la nieve caída sobre los pavimentos de las calles, bien se recalienta
para ser reutilizada en el circuito de calefacción. El caudal máximo bombeado en la red de distribución
en las épocas más frías es de 14.800 m3/h. El volumen anual medio de agua caliente utilizado es de
67 millones de m3. A pesar de los años que llevan funcionando estos campos, sus pozos han alcanzado
prácticamente el equilibrio entre el caudal de extracción y la recarga natural, de manera que funcionan de
forma sostenible.
81
2.3.2
APROVECHAMIENTOS PARA BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA
Una bomba de calor es una máquina que permite
retirar calor de un foco a baja temperatura (foco
frío) y hacerlo pasar a un foco a una temperatura
superior (foco caliente). Teniendo en cuenta lo
indicado por el 2º Principio de Termodinámica, el
paso de calor de un foco a baja temperatura a otro
a una temperatura superior requiere el aporte de
una determinada cantidad de trabajo. Por lo tanto,
las bombas de calor son dispositivos que permiten
extraer calor de un medio a baja temperatura y
cederlo a un medio a mayor temperatura, a costa
de un aporte de trabajo desde el exterior. En la
Figura 2.3.2.1, se muestra un esquema genérico
del principio de funcionamiento de una bomba de
calor.
82
FOCO CALIENTE
T1
T1>T2
BOMBA DE
CALOR
W
CALOR
FOCO FRÍO
T2
Figura 2.3.2.1. Principio de funcionamiento de una
bomba de calor.
Por su parte, se denomina energía geotérmica
a la energía almacenada debajo de la superficie
sólida terrestre y que se puede aprovechar en forma
de calor. Teniendo en cuenta el nivel térmico al que
se puede obtener dicha energía, se distinguen dos
tipos de usos: usos directos y usos indirectos.
Se denominan usos directos a aquellos en los
que la temperatura del foco de energía es suficiente
para su utilización en aplicaciones tales como la
producción de energía eléctrica, aporte de calefacción
o para la producción de frío mediante máquinas de
absorción o adsorción. Estos usos directos de la
energía geotérmica se hacen normalmente a partir
de fluidos termales (vapor o agua líquida a alta
temperatura) procedentes del interior de la tierra.
Sin embargo, si el nivel térmico de la energía
disponible es bajo, normalmente por debajo de los
30 ºC, entonces se requiere el uso de bombas de
calor que permitan recuperar la energía en forma de
calor a baja temperatura y aumentar su temperatura
hasta un nivel que resulte interesante para su
utilización en sistemas de calefacción, producción de
agua caliente sanitaria (ACS) u otras aplicaciones.
Así, a las bombas de calor que se utilizan para
aprovechar la energía geotérmica a baja temperatura
se les denominan bombas de calor geotérmicas.
Por otra parte indicar que, el aprovechamiento de
la energía geotérmica mediante bombas de calor
se enmarca dentro de la denominada geotermia
de baja entalpía, geotermia somera, o también
geotermia de muy baja temperatura.
La energía geotérmica es una energía renovable,
tal como se reconoce explícitamente en la Directiva
Europea 2009/28/CE, disponible durante todo el
año, y que además, con las instalaciones de bomba
de calor se puede utilizar tanto para calentamiento
como enfriamiento en edificios.
2.3.2.1. Sistemas de captación
El aprovechamiento de la energía geotérmica
mediante bombas de calor puede realizarse
directamente del propio terreno o de aguas freáticas,
y para ello se requiere el uso de un sistema de
captación.
Los sistemas de captación de energía geotérmica
consisten en conductos enterrados en el terreno por
el interior de los cuales se hace circular un fluido
a una temperatura inferior a la del propio terreno.
La diferencia de temperaturas entre el terreno y
el fluido causa una transferencia de la energía en
forma de calor del terreno al fluido. Al sistema de
conductos en los que se produce este intercambio
de calor se denomina captador.
El fluido utilizado para la extracción de calor del
terreno puede ser un fluido caloportador que circula
en un circuito cerrado entre el captador y la bomba
de calor, o bien, el propio refrigerante de la bomba
de calor. Los sistemas de captación constituidos
por un circuito cerrado y en los que se utiliza un
fluido caloportador se denominan sistemas de
captación cerrados. En los sistemas de captación
en los que el refrigerante absorbe directamente la
energía en forma de calor del terreno, el captador
es el propio evaporador de la bomba de calor que
se sitúa enterrado. Este tipo de sistemas se suelen
denominar como sistemas con bombas de calor
de expansión directa y, actualmente, no se utilizan
habitualmente en este tipo de instalaciones.
Los sistemas de captación cerrados son los
más utilizados. El fluido caloportador que se usa
normalmente en este tipo de sistemas es una
mezcla de agua con propilenglicol, denominada de
forma genérica como glicol. Los captadores están
constituidos por conductos plásticos, habitualmente
de polietileno (PE) o polietileno reticulado (PEXa), y que se denominan normalmente sondas
geotérmicas. El glicol circula forzado por una bomba
entre el captador y el evaporador de la bomba de
calor. La energía captada por el fluido del terreno,
cuando éste circula por el captador, se cede al
refrigerante en el evaporador de la bomba de calor.
Los captadores de los sistemas de captación
cerrados, dependiendo de la disposición de las
sondas en el terreno, se clasifican de forma genérica
en captadores verticales y captadores horizontales.
83
Los captadores verticales consisten en
perforaciones verticales con profundidades que
suelen variar entre los 80 m y los 120 m en las
que se introducen las sondas por el interior de
las cuales circula el glicol. Los diámetros de las
perforaciones suelen oscilar entre los 130 y los 160
mm dependiendo del tipo de sondas que se utilicen.
En la Figura 2.3.2.2-a, se muestra un esquema de
un captador vertical en un sistema cerrado.
Bomba
de calor
En los captadores horizontales, normalmente,
las sondas se disponen horizontalmente formando
una parrilla que se entierra a una profundidad que
puede oscilar entre 1,2 m y 2 m, si bien pueden
considerarse otras disposiciones como son sondas
en espiral o dispuestas en zanjas. En la Figura
2.3.2.2-b, se muestra un esquema de un captador
horizontal.
Bomba
de calor
Figura 2.3.2.2. Esquemas de sistemas de captación geotérmicos cerrados:
a) captador vertical; b) captador horizontal.
En la actualidad pueden encontrarse dos
variantes de los sistemas de captación cerrados
indicados anteriormente, los basados en el uso de
sondas helicoidales y los pilotes y cimentaciones
termoactivas. Las sondas helicoidales disponibles
en el mercado se construyen a partir de un tubo
con una longitud total de 40 m, que se dispone en
forma de serpentín helicoidal con una altura de 3
m y un diámetro exterior de 36 cm. Estas sondas
se introducen en perforaciones con un diámetro
mínimo de 45 cm y una profundidad de entorno a
los 5 m. Los pilotes y cimentaciones termoactivas
84
se construyen colocando las sondas de captación
sujetas a la estructura metálica y hormigonando
todo conjuntamente, de tal forma que las sondas
quedan insertadas en el interior de los propios
pilotes o muros pantalla.
La captación de la energía geotérmica de aguas
freáticas se hace extrayendo el agua del terreno
mediante bombas, haciéndola pasar por la bomba
de calor, donde se enfría cediendo su energía en
forma de calor a la bomba, y reinyectándola de nuevo
al terreno, tal como se muestra en la Figura 2.3.2.3.
Bomba
de calor
Figura 2.3.2.3. Esquema de sistema de captación de aguas freáticas.
2.3.2.2. Bombas de calor geotérmicas
Las bombas de calor geotérmicas son máquinas
que operan, normalmente, según ciclos de compresión
de vapor de simple etapa. Estos ciclos constan de,
al menos, dos procesos de intercambio de calor, un
proceso de compresión y un proceso de expansión.
El fluido de trabajo que sufre los diversos procesos se
denomina refrigerante. Los procesos de intercambio
de calor incluyen un proceso de ebullición del
refrigerante, en el que éste absorbe el calor extraído
del foco frío, y un proceso de condensación en el que
el refrigerante cede calor al foco a alta temperatura.
Por lo tanto, teniendo en cuenta lo indicado
anteriormente, una bomba de calor geotérmica
se compone, al menos, de un evaporador, un
condensador, un compresor y un dispositivo de
expansión, además del fluido refrigerante. En la
Figura 2.3.2.4, se muestra el esquema básico de una
bomba de calor geotérmica con sus componentes
principales.
FOCO CALIENTE (agua, aire,...)
Q2
Condensador
Válvula
expansión
Refrigerante
Compresor
W
Evaporador
Q1
FOCO FRÍO (agua, glicol, terreno,...)
Figura 2.3.2.4. Componentes principales de una bomba de calor geotérmica.
85
En la actualidad, y aunque pueden encontrarse
otros tipos de componentes, la configuración
habitual de las bombas de calor geotérmicas,
especialmente en el sector doméstico, es la de
intercambiadores de placas en el evaporador y
condensador, compresores herméticos de tipo scroll
y válvulas de expansión termostáticas o electrónicas.
En la Figura 2.3.2.5, se representa la configuración
básica de una bomba de calor geotérmica.
Condensador
Compresor
Evaporizador
Glicol pozos
Válvula expansión
Agua
Figura 2.3.2.5. Configuración básica habitual de
una bomba de calor geotérmica.
2.3.2.3. Tipos de bombas de calor
geotérmicas
Las bombas de calor geotérmicas, atendiendo a
los focos de calor entre los que operan, se pueden
clasificar en los siguientes tipos.
- Bombas de calor glicol-agua: Aquellas en las
que se utilizan sistemas de captación cerrados, con
captadores verticales u horizontales, en los que el
glicol (foco frío) extrae calor del terreno y lo aporta a
la bomba de calor. En este caso, la bomba de calor
extrae calor del glicol a baja temperatura y lo cede
al agua (foco caliente) a temperatura mayor y que
ha de ser suficiente para que pueda utilizarse para
calefacción y/o la producción de ACS.
- Bombas de calor agua-agua: Aquellas en las
que usa agua freática como foco frío y se aporta calor
al agua (foco caliente) a una temperatura suficiente
86
para su uso en calefacción y/o la producción de
ACS.
- Bombas de calor terreno-agua: Son las
denominadas bombas de calor geotérmicas de
expansión directa en las que el evaporador de la
máquina se encuentra enterrado, por lo que el
calor se extrae directamente del terreno (foco frío)
pasando al refrigerante. La bomba de calor aporta
calor a agua (foco caliente) que se utiliza para
calefacción y/o la producción de ACS.
Las bombas de calor glicol-agua y aguaagua también se clasifican en reversibles y noreversibles, en función de si pueden o no realizar
una inversión de su ciclo de funcionamiento y, por
lo tanto, alternar la producción de calor y de frío.
Las máquinas que no pueden realizar la inversión
de ciclo se denominan máquinas no-reversibles,
mientras que las que si pueden realizar la inversión
de ciclo se denominan máquinas reversibles.
Las bombas de calor glicol-agua o aguaagua pueden estar equipadas con un sistema de
producción de frío pasivo, es decir, de un sistema
que permite el intercambio de calor directo entre el
agua del circuito de emisión y el fluido del circuito
del sistema de captación.
Las bombas de calor geotérmicas disponibles
actualmente en el mercado, teniendo en cuenta
su campo de utilización y su potencia, pueden
clasificarse en los dos grupos que se indican a
continuación:
- Bombas de calor domésticas: El campo de
utilización de este tipo de bombas se centra en el
sector doméstico y, fundamentalmente, en el sector
de la vivienda unifamiliar. Este tipo de máquinas
abarcan un rango de potencia de hasta 20 kW, si
bien, la mayor parte de los modelos disponibles se
encuentran en el rango comprendido entre los 6 kW
y los 15 kW.
Otra clasificación de las bombas de calor
domésticas se puede hacer dependiendo de si
llevan o no incorporado el depósito de ACS. Las
bombas de calor que incorporan el depósito de
ACS se denominan bombas de calor compactas.
Las bombas de calor compactas pueden incorporar
también las bombas de recirculación del circuito de
pozos y/o calefacción y los correspondientes vasos
de expansión de pozos y/o calefacción y/o ACS,
además de otros componentes adicionales como
purgadores, válvulas de seguridad o elementos de
carga de los circuitos de glicol y/o calefacción.
Este tipo de bombas de calor geotérmicas están
experimentado un gran auge en los últimos años.
máquinas son el R407C, el R410A y el R134a.
- Bombas de calor geotérmicas de alta
potencia: Estas bombas de calor se utilizan en el
sector terciario y en aplicaciones industriales. Su
rango de potencias abarca desde los 20 kW hasta
varios centenares de kW. Las bombas de calor de
alta potencia son del tipo glicol-agua o agua-agua, y
pueden ser no-reversibles o reversibles, e incorporar,
o no, el sistema de producción de frío pasivo. Sin
embargo, no se utilizan en formato compacto, es
decir, incorporando en la propia bomba el depósito
de ACS.
La configuración de este tipo de bombas de calor
varía, tanto en cuanto a su ciclo de funcionamiento,
como a los componentes utilizados. Así, existen en
el mercado bombas de calor con un único circuito
frigorífico, dos circuitos frigoríficos independientes y
dos circuitos frigoríficos operando en paralelo con
un único evaporador y condensador.
En cuanto a sus componentes, normalmente
se utilizan compresores herméticos de tipo scroll,
operando de forma independiente o en tándem, y
de tornillo, normalmente del tipo semiherméticos
compactos, los evaporadores y condensadores
pueden ser intercambiadores de placas y también
de tubos y carcasa en máquinas de potencias
elevadas, y los dispositivos de expansión suelen
ser válvulas termostáticas o electrónicas. Los
refrigerantes habituales en este tipo de bombas de
calor son el R134a, el R407C e incluso amoníaco.
La configuración habitual de las bombas de
calor domésticas es la formada por un compresor
hermético de tipo scroll, un evaporador y un
condensador de placas y una válvula de expansión
termostática o electrónica. En la actualidad los
refrigerantes utilizados habitualmente en estas
87
2.3.2.4. Instalaciones con bombas de calor geotérmicas
Teniendo en cuenta lo indicado en los apartados anteriores, una instalación con bomba de calor
geotérmica para climatización de edificios consta de tres sistemas: el sistema de captación, la propia bomba
de calor y el sistema de emisión. En la Figura 2.3.2.6, se muestra un esquema de la configuración habitual
de una instalación para la climatización de edificios considerando un sistema de captación cerrado.
EDIFICIO
Sistema de emisión
Bomba de calor
Sistema de captación
TERRENO
Figura 2.3.2.6. Instalación de climatización con bomba de calor geotérmica.
88
Las instalaciones con bomba de calor geotérmica en edificios pueden utilizarse para aportar calor, tanto
para calefacción como para la producción de ACS, y también para su enfriamiento. El enfriamiento puede
hacerse utilizando una bomba de calor reversible, o bien, un sistema de enfriamiento pasivo. A continuación
se indican en la Figura 2.3.2.7, a modo de ejemplo, unas condiciones de operación típicas de instalaciones
de climatización con bomba de calor geotérmica para el aporte de calefacción mediante un sistema de suelo
radiante, considerando un sistema de captación en circuito cerrado con glicol.
EDIFICIO, Ta=22ºC
Qc
30ºC
Qc
35ºC
Tc=40ºC
Te=-2ºC
7ºC
W
3ºC
Qc
Qc
TERRENO, Tt=14ºC
En dicho ejemplo se considera que la temperatura
del terreno es de 14ºC y que el glicol se introduce
en el captador a 3ºC. La diferencia de temperaturas
existente entre el terreno y el glicol hace que la
energía geotérmica se transfiera al glicol en forma
de calor. Esta transferencia de energía hace que
el glicol aumente su temperatura retornando
al evaporador de la bomba de calor a 7ºC. El
refrigerante se evapora en el evaporador a baja
temperatura (-2ºC) debido al efecto del compresor
que permite mantener una presión baja (presión de
evaporación). La diferencia de temperaturas entre el
glicol y el refrigerante hace que la energía extraída
del terreno por el glicol pase al refrigerante en forma
de calor, lo que da lugar a que el refrigerante se
evapore y el glicol se enfríe hasta los 3ºC, para ser
introducido de nuevo en el captador.
Figura 2.3.2.7. Ejemplo de condiciones de
operación de una instalación de climatización
con bomba de calor geotérmica para calefacción
mediante suelo radiante y sistema de captación
cerrado.
La constancia de temperaturas del terreno a lo
largo del año, a partir de los 10-15 primeros metros
de profundidad, depende de la ubicación. En
España suele encontrarse entre los 13 y los 16ºC,
permitiendo a este tipo de aprovechamientos la
obtención de coeficientes de prestaciones mayores
que los obtenidos con sistemas de climatización
convencionales evaporados o condensados a partir
del aire exterior.
En la bomba de calor, el compresor retira el vapor
que se produce en el evaporador a baja presión y
temperatura (-2ºC) e incrementa su presión hasta
la presión de condensación, cuya temperatura de
cambio de fase es de 40ºC. El calor cedido por
el refrigerante en su proceso de condensación se
cede al agua en el condensador de la bomba de
calor. Esta cesión de calor causa un aumento de la
89
temperatura del agua desde 30ºC hasta 35ºC. El
agua a 35 ºC se distribuye a través del sistema de
emisión a los diversos circuitos de suelo radiante,
mediante los que se aporta calefacción a los
distintos locales del edificio.
En cuanto al diseño y dimensionado del campo
de captación geotérmico y a los requerimientos
técnicos necesarios para garantizar instalaciones de
calidad con unos parámetros mínimos de eficiencia,
a falta todavía de una normativa específica española
al respecto, a nivel europeo se tiene a la norma
alemana VDI-4640 como norma de referencia.
Desde el punto de vista de la implementación
de sistemas de bomba de calor geotérmica en
rehabilitación de edificios, deberá tenerse en cuenta
la disponibilidad de la superficie libre necesaria para
la implantación del campo de captación geotérmico
y la adecuada accesibilidad de la maquinaria
correspondiente, así como la existencia de un
sistema de distribución térmico o, en su caso, la
sustitución de dicho sistema para adecuarlo a unas
temperaturas de operación acordes a la obtención
de los mayores coeficientes de prestaciones
posibles en la bomba de calor geotérmica (apartado
2.3.2.6).
2.3.2.5. Eficiencia de las bombas de calor
geotérmicas.
En las instalaciones de climatización con bomba
de calor geotérmica se utilizan distintos conceptos
de eficiencia para caracterizar su comportamiento.
Inicialmente, es importante definir si el parámetro
de eficiencia hace referencia únicamente a la
bomba de calor o a la instalación en su conjunto
(incluyendo los sistemas de captación y/o emisión),
así se definen la eficiencia de la bomba de calor
y la eficiencia de la instalación. Por otra parte,
también es necesario distinguir entre eficiencia
estacionaria, si dicho parámetro hace referencia a
unas determinadas condiciones de funcionamiento
estacionarias, y eficiencia estacional, cuando se
evalúa un determinado periodo de tiempo durante
el que pueden variar las condiciones de operación.
Por último, también es necesario saber si la
90
eficiencia hace referencia al funcionamiento para
la producción de calor, denominada normalmente
como eficiencia de calentamiento o eficiencia en
modo calefacción, o a la producción de refrigeración
denominada eficiencia de enfriamiento o eficiencia
en modo refrigeración.
La eficiencia estacionaria de calentamiento
se evalúa mediante un parámetro denominado
COP (Coefficent Of Performance), mientras que la
eficiencia estacionaria de enfriamiento, se evalúa
mediante un parámetro denominado EER (Energy
Efficiency Ratio). Los parámetros COP y EER pueden
hacer referencia, únicamente a la bomba de calor, o
bien, a la instalación en su conjunto.
Los valores de COP y de EER de la bomba de calor
se pueden determinar en un laboratorio mediante
el uso de un banco de ensayos. Las condiciones
en las que deben de realizarse los ensayos vienen
claramente establecidas en la norma EN 14511
aprobada por el Comité Europeo de Normalización
(CEN) el 13 de noviembre de 2007.
En la norma EN 14511 se definen claramente
los conceptos de COP y de EER, así como los
parámetros que intervienen en su cálculo, como se
indica a continuación.
El COP se define como, “el cociente entre la
potencia calorífica y la potencia absorbida útil”, tal
como se indica en la Ecuación 2.3.2.1, siendo QC
la potencia calorífica y We la potencia eléctrica útil
consumida.
COP =
Qc
We
(2.3.2.1)
El EER se define como, “el cociente entre la
potencia frigorífica total y la potencia absorbida
útil”, tal como se indica en la Ecuación 2.3.2.2,
siendo Qo la potencia frigorífica y We la potencia
eléctrica útil consumida.
EER =
Qo
We
(2.3.2.2)
La norma EN 14511 indica los ensayos que han
de realizarse y define explícitamente las condiciones
de operación en las que han de realizarse. Estas
condiciones son las que los fabricantes indican en
los certificados correspondientes de los rendimientos
de las máquinas.
La eficiencia estacionaria de calentamiento
o enfriamiento de una instalación también se
evalúan utilizando los parámetros de COP y EER.
Sin embargo, en este caso, no existe una normativa
específica que indique las condiciones en las que
deberían de realizarse los ensayos para obtener los
valores de dichos parámetros. Por lo tanto, cuando
se den valores de COP o EER de una instalación
debería de indicarse claramente como se han
definido, es decir, como se ha medido la potencia
calorífica o frigorífica producida por la instalación y
la potencia eléctrica consumida, así como también
las condiciones de funcionamiento en las que se
han evaluado dichos parámetros.
Las eficiencias estacionales se evalúan mediante
los denominados SPFs (Seasonal Performance
Factors), que en caso de la eficiencia de calentamiento
se suele denominar SCOP (Seasonal Coefficent Of
Performance) y en el caso de enfriamiento SEER
(Seasonal Energy Efficiency Ratio).
El SEER se define como, “el cociente entre
la energía calorífica retirada del medio a enfriar
y la energía eléctrica absorbida útil durante un
determinado periodo de tiempo”, tal como se indica
en la Ecuación 2.3.2.4, Eo es la energía calorífica y
Ee la energía eléctrica útil consumida.
SEER =
Eo
Ee
(2.3.2.4)
Es de destacar que los valores de las eficiencias
estacionales (SCOP y SEER), tanto si hacen
referencia a la máquina como a la instalación,
evalúan su eficiencia teniendo en cuenta las
distintas condiciones de operación que se
produzcan durante todo el intervalo de tiempo
considerado, así como su comportamiento a
cargas parciales y su comportamiento transitorio.
Estos parámetros, si el intervalo de tiempo que se
considera es suficientemente representativo, son un
buen indicativo de la eficiencia real de una máquina
o instalación.
Los parámetros SCOP y SEER puede hacer
referencia únicamente a la bomba de calor, o bien,
a la instalación en su conjunto. En la actualidad se
está trabajando a nivel europeo en una norma que
establecerá específicamente los conceptos de SCOP y
SEER y que recogerá los procedimientos mediante los
cuales han de determinarse. Esta norma se encuentra
en estado de borrador (prEN 14825:2010).
El SCOP se define como, “el cociente entre la
energía calorífica aportada y la energía eléctrica
absorbida útil durante un determinado periodo de
tiempo”, tal como se indica en la Ecuación 2.3.2.3,
en la que Ec es la energía calorífica y Ee la energía
eléctrica útil consumida.
SCOP =
Ec
Ee
(2.3.2.3)
91
2.3.2.6. Influencia del sistema de emisión
en la eficiencia de las bombas de calor
geotérmicas.
En la Figura 2.3.2.8, se muestra la variación
característica del COP de una bomba de calor
geotérmica en función de la temperatura de
impulsión del agua caliente en el sistema de emisión
(considerando unas temperaturas de entrada/salida
de glicol en el evaporador de 0/-3ºC de acuerdo
con lo indicado en la norma EN 14511).
6
5
COP
4
3
2
1
0
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Temperatura impulsión agua (ºC)
Figura 2.3.2.8. Variación típica del COP en bombas de calor geotérmicas en función de la temperatura
de impulsión del agua en el sistema de emisión (temperaturas de entrada/salida de glicol en el
evaporador de 0/-3ºC).
Teniendo en cuenta los datos que se muestran
en la Figura 2.3.2.8, puede verse claramente
como el COP de la bomba de calor disminuye de
forma considerable al aumentar la temperatura de
impulsión del agua en el sistema de emisión. Por
lo tanto, resulta evidente que las bombas de calor
deben de utilizarse junto con sistemas de emisión
en los que se requieran temperaturas de impulsión
bajas, Así, el sistema de emisión recomendado
92
es el de suelo radiante, si bien, también podrían
utilizarse, fan-coils, termoconvectores o radiadores
de baja temperatura, no recomendándose su uso
con radiadores de alta temperatura en los que se
requieren temperaturas de impulsión superiores a
los 60 ºC y que, por lo tanto, supongan valores
de COP de la bomba de calor muy bajos, lo
que daría lugar a una instalación ineficiente
energéticamente.
93
2.4
2.4.1
Roger Marcos
Director General de COGEN España
2.4.2 - 2.4.3 - 2.4.4
Arcadio García Lastra
Secretario Técnico de la Fundación ATECYR
2.4
OTRAS TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN TÉRMICA
Además de las tecnologías asociadas al aprovechamiento de fuentes de energía renovables descritas
en apartados anteriores, existen otras formas eficientes y sostenibles de generación térmica para su uso en
edificios, que a continuación se detallan.
2.4.1
EQUIPOS DE MICROCOGENERACIÓN
En el presente apartado, se analiza el
concepto, tecnologías de aplicación y principales
consideraciones a tener en cuenta al respecto de las
instalaciones de microcogeneración en edificios.
2.4.1.1 GENERALIDADES
La mayor parte de la nueva edificación residencial
en España está compuesta por edificios de viviendas
en altura. Las promociones tienen un tamaño típico
entre 40 y 200 viviendas organizadas en varias
escaleras o portales, con alturas del orden de 4-6
plantas.
94
Estos edificios consumen energía eléctrica
para las viviendas y los servicios comunes y calor
para agua caliente sanitaria y calefacción. El aire
acondicionado suele ser instalado posteriormente
y de manera individual por los vecinos que así lo
deciden, ya que aún no es un servicio común en los
proyectos.
El consumo térmico es una importante fracción
de la demanda global de energía y por tanto incide
muy fuertemente en la huella energética y ambiental
de estos edificios. Podemos estimar un consumo
medio de calor útil por vivienda de entre 6 y 10
MWh/año.
La instalación térmica tradicional en las últimas
décadas ha consistido en calderas individuales a
gas, con potencias típicas entre los 20 y 30 kW,
encargadas de cubrir completamente las demandas
de ACS y calefacción de cada vivienda. El rendimiento
estacional de estos equipos es bajo por lo que el
consumo de combustible supera los 6-10 MWh/año
indicados anteriormente.
Recientemente se ha evolucionado hacia
instalaciones centralizadas, con una o varias
centrales térmicas empleando calderas de pie
de mayor potencia, y con una red de distribución
a las viviendas que permite la independización y
contabilización individual de consumos. Esta solución
proporciona un mejor rendimiento energético y
permite incorporar con mayor facilidad soluciones
de ahorro y eficiencia energética como las prescritas
por el nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE):
calor de origen renovable o residual.
Además de ser más eficientes, las soluciones
centralizadas abren la puerta a una gestión
profesional que garantice un perfecto estado de
conservación y uso de las instalaciones y el mejor
rendimiento energético posible. Se evoluciona del
mero mantenimiento a la gestión energética.
Desde la entrada en vigor del nuevo CTE, la
solución más habitual es la instalación térmica
centralizada que incorpora paneles solares
térmicos para el apoyo de ACS (obligatorio), si bien
encontramos un número creciente de promociones
que emplean calderas de biomasa (calor renovable)
o equipos de microcogeneración (calor residual).
La solución centralizada permite ir más allá
de los ahorros mínimos establecidos por el CTE
obteniendo mejores rendimientos y calificaciones
energéticas, lo que resulta de gran interés para
todos los actores involucrados (promotores,
gestores, usuarios) y para el conjunto de la
sociedad. Al pensar en edificios de viviendas en
altura deben tenerse, sin embargo, bien presentes
sus particulares condicionantes, en cuanto a:
- Coste: la inversión a acometer por el promotor, el
gestor y/o los propietarios es un factor determinante,
especialmente cuando es voluntaria por ir más allá
de los mínimos obligatorios.
- Espacio: el espacio en promociones de vivienda
es escaso y muy preciado, por lo que es otro factor
limitante esencial.
- Funcionalidad: las instalaciones deben servir
pero no afectar ni interferir en la función básica
del edificio, que es residencial. Deben integrarse
fácilmente y en la medida de lo posible ser
transparentes a los usuarios.
- Sencillez: en un entorno residencial no se
dispone de operadores ni personal de mantenimiento
con plena dedicación, por lo que las instalaciones
deben ser sencillas y robustas.
2.4.1.2 COGENERACIÓN
Se emplea el término cogeneración para
identificar la generación conjunta de electricidad y
calor útil.
La mayor parte de la electricidad que se consume
se produce a partir de ciclos termodinámicos en
grandes centrales ubicadas lejos de los núcleos
urbanos. La energía contenida en un combustible
es liberada en un proceso de combustión,
proporcionando un gas a alta presión y temperatura.
Este gas es posteriormente expandido obteniéndose
la energía mecánica necesaria para mover el
correspondiente generador y producir electricidad.
En estos ciclos solo es posible convertir en
electricidad entre un 25 y un 40% de la energía
del combustible. El resto queda en forma de calor
y debe disiparse al ambiente, puesto que en una
central no hay normalmente necesidad de calor y
transportarlo, incluso a medias distancias, es poco
viable.
Cogenerar consiste en aprovechar ese calor
residual del proceso de generación eléctrica en
lugar de disiparlo. Para ello es preciso acercar la
central eléctrica a los puntos donde se demanda
calor: las industrias y las ciudades. Se descentraliza
95
así la producción eléctrica empleando plantas más
pequeñas y vinculadas a uno o varios consumidores
térmicos. Esto reporta dos importantes ventajas:
- Se recupera y aprovecha el calor residual
producido, mejorando el uso de la energía primaria
del combustible hasta valores de entre el 70 y el
90% (25-40% en forma de electricidad y el resto en
forma de calor).
- Al generarse electricidad cerca de los
consumidores, se reducen las pérdidas por
transporte y distribución desde grandes centrales.
Sistema CHP
(Combined Heat & Power)
Combustible
100
Hasta un 90% de
Electricidad y Calor
Industria
Comercios
Sistema CHP
Pérdidas
10%
Calor/Frío
a viviendas
Figura 2.4.1.1. Esquema básico de un sistema de cogeneración.
La cogeneración es tan antigua como la generación eléctrica y se ha empleado regularmente en potencias
del orden de MW con todo tipo de plantas de potencia (turbinas de vapor, turbinas de gas y motores
alternativos) reportando generosos beneficios al sistema eléctrico, a la economía y al medio ambiente.
2.4.1.3 Microcogeneración
En las últimas décadas la cogeneración se
ha escalado con éxito a pequeñas potencias,
llegando a integrarse de manera sencilla en los
edificios. Gracias al desarrollo tecnológico, la
tradicional planta de cogeneración industrial se
ha miniaturizado y encapsulado convirtiéndose
en un equipo compacto que se instala en una
sala de calderas como un generador térmico más
y que opera de forma totalmente automática y
transparente al usuario y a la red eléctrica. Se habla
de “cogeneración a pequeña escala” para potencias
eléctricas hasta 1 MW y de microcogeneración
para potencias hasta 50 kW. Los equipos de
96
microcogeneración generan electricidad en paralelo
con la red y simultáneamente cubren con calor
residual la demanda térmica base del edificio,
dejando a las calderas la cobertura de las puntas
de demanda. De esta forma el edificio:
- Produce parte de la electricidad que consume,
no importándola a través de grandes distancias
desde las centrales.
- Aprovecha el calor que acompaña a la
generación eléctrica (calor residual) para reducir la
aportación necesaria de las calderas.
El resultado es un importante ahorro energético
y de emisiones contaminantes, que se traduce
también en un ahorro en costes de operación, es
decir, que hace atractiva la inversión. Una unidad
de microcogeneración es un equipo compacto que
integra en un encapsulado insonorizado:
- Un generador eléctrico que produce energía en
paralelo con la red.
- Un generador térmico, generalmente un motor
de explosión o una microturbina, que proporciona
potencia mecánica.
- Un sistema de control y gestión por
microprocesador que vela por un funcionamiento
eficiente, seguro y fiable.
- Un sistema de recuperación del calor residual
que permite disponer de agua caliente a 80-90ºC
como en una caldera convencional.
Aletas de refrigeración
del generador
Generador
Salidad de escape
Recuperador
Motor industrial
a gas
Inyector de
combustible
Toma de aire
Generador
Cojinetes
de aire
Cámara de
combustión
Compresor
Recuperación
de calor
Turbina
Figura 2.4.1.2. Equipos compactos de microcogeneración: Motor y Microturbina de gas natural.
Estos equipos tienen el tamaño de una caldera de pie y se instalan de manera análoga: alimentación
de combustible, salida de gases, impulsión y retorno de agua caliente y conexión eléctrica. La conexión
eléctrica es trifásica en baja tensión y corresponde a un generador, no a un consumidor. Los equipos integran
los mecanismos de sincronización y protección requeridos para una operación segura en paralelo con la
red eléctrica. Así, una instalación térmica centralizada que incorpore microcogeneración como solución de
ahorro energético se compone normalmente de:
- El equipo generador (motor o microturbina): es
de pequeña potencia pero opera muchas horas al
día produciendo calor y electricidad.
- Unos depósitos de agua caliente: que actúan
como inercia del motor permitiéndole trabajar
constantemente a plena carga.
- Una o varias calderas: de mayor potencia que
el equipo generador y conectadas en paralelo,
que entran en funcionamiento cuando hay puntas
de demanda térmica prolongadas que no pueden
cubrirse con el equipo generador y la inercia.
La electricidad producida por el equipo
97
generador puede consumirse en el propio edificio
sustituyendo a electricidad de red o exportarse a
la red de distribución. La exportación a la red se
realiza a una tarifa regulada que recompensa el
ahorro energético reportado por la cogeneración,
siendo en el momento de redacción de este
capítulo, la situación un poco más compleja para
las instalaciones nuevas, a raíz de la publicación
del RD 1/2012, que establece una situación
transitoria a resolver próximamente, y en la cual las
nuevas instalaciones dejan de percibir prima por la
exportación eléctrica.
Entre sus principales ventajas, se encuentran las
relacionadas con el ahorro energético. De forma que
la microcogeneración emplea un combustible, pero
hace el mejor uso posible de la energía primaria
contenida en él. El combustible se emplea en
generar electricidad con una eficiencia muy similar
a la eficiencia final del sistema eléctrico (30-33%
incluyendo generación, transporte y distribución
a usuarios), es decir, sustituyendo a una cantidad
equivalente de combustible que de otra manera se
habría empleado en una central.
Simultáneamente, y sin apenas consumo
adicional ni sobrecoste, se obtiene calor útil para
preparación de ACS, calefacción u otros usos.
Este calor residual recuperado aporta las mismas
ventajas que el calor de origen renovable: evita el
consumo en calderas y con ello las emisiones de
CO2 y de otros compuestos contaminantes y evita, a
su vez, los costes de operación correspondientes.
La microcogeneración puede no obstante reportar
un mayor ahorro energético a un edificio que una
solución renovable. Esto es así porque:
• Tiene mayor disponibilidad: hasta 24h/día 365
días al año.
• Es gestionable: produce energía cuando se
necesita, no en función de la radiación solar o las
condiciones ambientales.
• Es más fácil de integrar y más competitiva:
resultando viable y rentable sustituir mayores
porcentajes de energía térmica de calderas.
98
Además del ahorro energético la microcogeneración
tiene otras ventajas de gran relevancia en el ámbito
de la edificación residencial, ya que cumple todos
los condicionantes para su uso en promociones de
viviendas o en la rehabilitación de las mismas:
- Es económica y rentable.
- Se integra fácilmente en las salas técnicas del
edificio.
- No afecta a la funcionalidad del edificio ni de
las instalaciones.
- Es una solución sencilla y madura, que se
basa en tecnologías demostradas y de probada
fiabilidad.
- Permite ir fácilmente más allá de las
prescripciones mínimas del CTE mejorando la
calificación energética de los edificios.
- Es una herramienta óptima para gestores
energéticos: eficiente, sencilla, fiable y con la máxima
disponibilidad a cambio de un bajo mantenimiento.
- Está preparada para el futuro:
- Puede emplearse para climatización con
máquinas de absorción.
- Lista para emplear biocombustibles e incluso
hidrógeno.
- Útil para apoyar y reforzar la red eléctrica dando
estabilidad y seguridad al sistema.
En caso de avería en los equipos de
microcogeneración, no se interrumpe ni el servicio
eléctrico, respaldado por la red, ni la calefacción o
el ACS, que pasan a cubrirse íntegramente con las
calderas. El edificio funcionará como un edificio
convencional (sin ahorros) hasta que se repare la
avería.
Por lo general la potencia generada en un edificio
es muy inferior a la consumida, y en cualquier
caso muy inferior a la consumida por el edificio
y los edificios circundantes. Esto significa que la
electricidad no debe ser transportada grandes
distancias y difícilmente sobrecarga la red. Lo
normal es que la descargue, haciéndola más segura
y evitando pérdidas al sistema
distribución a módulos de intercambio individuales
para dar servicio a cada vivienda. Si las distancias
son razonables, el proyectista, buscando una
mayor eficiencia y un menor coste de operación y
mantenimiento, elegirá una única instalación para
los cuatro edificios en lugar de cuatro instalaciones.
Los equipos integran todas las protecciones
necesarias para el servicio en paralelo con la red y
funcionan de forma automática y transparente.
El CTE obliga a cubrir un 70% de la demanda de
ACS mediante calor renovable o residual, ahorrando
así gasto en las calderas. Esto supone un aporte
de 122,5 MWh/año, cerca de un 19% del consumo
térmico global de la promoción.
Un aspecto importante a tener en cuenta, es
que no es razonable dimensionar el sistema para
satisfacer toda la demanda con microcogeneración.
La demanda energética de un edificio residencial es
muy variable, lo que significaría que la instalación,
diseñada para cubrir el 100%, operaría a cargas
muy bajas la mayor parte del tiempo. La inversión
sería muy alta y la eficiencia muy baja resultando
antieconómico.
No tiene sentido por tanto “desconectar” el edificio
de la red eléctrica para depender exclusivamente de
la cogeneración, ni eliminar las calderas. Tampoco
resulta interesante reducir significativamente la
potencia de calderas para descontar la potencia
instalada en microcogeneración. El ahorro en
inversión es mínimo.
La instalación de microcogeneración debe
diseñarse para aportar entre un 10 y un 40% de la
demanda térmica, en función de las particularidades
de cada proyecto.
2.4.1.4 Ejemplo con motor alternativo
Considérese un edificio de 100 viviendas de
tamaño medio, repartidas en cuatro edificios de 5
plantas.
La demanda térmica en calorías útiles, se estima
en 700 MWh/año, de los cuales aproximadamente
una cuarta parte se necesitará para ACS y el resto
para calefacción.
Se considera una instalación centralizada
basada en calderas de gas de baja temperatura, con
La solución habitual consistiría en incorporar una
instalación solar térmica diseñada para cubrir dicho
porcentaje. En este caso se precisarían 160m2 de
paneles planos de alta eficiencia que se instalarían
en cubierta, con una acumulación total de 8.000
litros. Si no hay suficiente espacio en un edificio
deberán distribuirse en dos o más instalaciones
y conectarse hidráulicamente a la salas de
acumulación y calderas.
Si se considera una instalación de
microcogeneración diseñada para alcanzar este
aporte puede pensarse, por ejemplo, en un equipo
de 12 kWe, que consumiría 43 kW de gas natural
para generar la electricidad y proporcionaría
adicionalmente 27 kW de calor residual para
calefacción y ACS. Para obtener los 122,5 MWh/
año los equipos deberían operar unas 4.500 h/
año, lo cual resulta perfectamente factible con una
pequeña acumulación de inercia de 2.000 litros.
El equipo de microcogeneración, de
aproximadamente 1,3 m3 de volumen, se instalaría
en la sala de calderas como un generador térmico
más. Produciría electricidad en paralelo con la red,
que se consumiría en el propio edificio o en los
edificios cercanos y no tendría que ser traída de
grandes centrales, y agua caliente que serviría para
cubrir la base de la demanda térmica reduciendo el
uso de las calderas.
El proyectista podría sin embargo ir fácilmente
más allá en busca de un mayor aporte con
microcogeneración y de unos mayores ahorros
energéticos y económicos:
99
Calefacción
Inercia
ACS
Equipo de
microcogeneración
Caldera
Figura 2.4.1.3. Instalación térmica centralizada con motor de microcogeneración
(Fuente: Altare Energía).
- Aumentando la acumulación podría hacer
operar la microcogeneración 6.500 h/año llegando
a cubrir con calor residual el 25% de la demanda
total de ACS y calefacción.
- Optando por un único equipo de mayor potencia
podría aumentar el aporte global por encima del
30-35%. Con un equipo de 20 kWe y 41 kWt, por
ejemplo, operando 6.000 h, se producirían 246
MWh/año que suponen una aportación de calor
residual del 35 % de la demanda total.
La ampliación de cobertura más allá de lo
estipulado por el CTE es sencilla,económica y rentable,
resultando de interés para promotores, gestores
y usuarios y configurando a la microcogeneración
como una potente herramienta de ahorro energético
en edificación residencial de nueva construcción y
en la rehabilitación de edificios existentes, siendo
factible pensar en coberturas de entre el 30 y el
40% de la demanda térmica total.
2.4.1.5 Ejemplo con microturbina de gas
Considérese un edificio de nueva construcción
con 94 viviendas de las cuales se desea cubrir las
necesidades térmicas cumpliendo con el CTE. La
solución consiste en la instalación de un sistema
de microcogeneración con una microturbina de 65
kWe para la producción eficiente de electricidad y
100
agua caliente que dé servicio a las necesidades de
climatización y ACS.
La microturbina trabaja conectada a la red
eléctrica para exportar la electricidad producida y
utiliza el calor de los gases de escape para cubrir
las necesidades térmicas de las viviendas. La
microturbina es, asimismo, de modo dual por lo
que funcionará como equipo electro-generador de
emergencia en caso de fallo en la red eléctrica. Las
características y especificaciones del sistema se
detallan en la Tabla 2.4.1.1.
CONCEPTO
UNIDADES
Tipo combustible
Número de turbinas
Potencia eléctrica instalada
Potencia térmica instalada (ACS)
Consumo combustible
Horas funcionamiento anual
Electricidad producida
Calor producido
Eficiencia
Emisiones evitadas
Gas Natural
1
65 kWe
120 kWt
224 kW (PCI)
> 8000 h
520 MWhe/año
960 MWht/año
82,59%
50,81 t CO2 eq/año
Tabla 2.4.1.1. Características y
especificaciones del sistema.
Figura 2.4.1.4. Esquema de la instalación
(Fuente: Micropower Europe).
2.4.1.6 GESTIÓN DE LAS INSTALACIONES
Una instalación de generación térmica
centralizada en un edificio de viviendas requiere
un adecuado mantenimiento preventivo y correctivo
para asegurar el correcto estado de conservación y
funcionamiento de todos los elementos y sistemas.
La contabilización y facturación individual por su
parte, requiere leer periódicamente los contadores,
elaborar y mandar las facturas a los vecinos y
gestionar el cobro.
La incorporación de la microcogeneración como
solución de ahorro y eficiencia energética en la
sala de calderas requiere contabilizar la energía
producida y medir la eficiencia energética de los
equipos para facturar la venta de la electricidad
producida e inyectada a la red.
El correspondiente mantenimiento depende
del tipo de equipo que se instale. En el caso de
instalarse motores, es preciso el cambio de aceite,
filtros y bujías de los motores cada 3.000-3.500 h de
trabajo (1-2 veces al año). En el caso de instalarse
turbinas, el mantenimiento se limita a revisiones
cada 8.000 y 20.000 h realizándose cambios de
filtros de aire en los periodos cortos e inyectores en
los largos. La ausencia de aceite de lubricación evita
el uso de consumibles.
Este mantenimiento sustituye al de la instalación
Figura 2.4.1.5.
Vista del equipo
instalado.
solar térmica o al de otras soluciones de ahorro que
pudieran haberse incorporado.
Así, a la hora de gestionar este tipo de
instalaciones, es decir, de realizar su operación y
mantenimiento con todas las implicaciones, cabe
distinguir tres servicios:
- Mantenimiento: mantenimiento preventivo
y correctivo de las instalaciones, comprendiendo
producción, distribución y derivaciones a vivienda.
- Gestión administrativa: lectura de contadores,
facturación y cobros, tanto a los vecinos (venta de
calor) como a la red eléctrica (venta de electricidad).
Incluye la preparación de informes y reportes.
- Gestión técnica: operación de las instalaciones
térmicas buscando los mínimos costes de operación
sin dejar de garantizar la correcta prestación de los
servicios de calefacción y ACS.
Los servicios de mantenimiento y gestión
administrativa son necesarios, mientras que el de
gestión técnica es opcional.
101
2.4.2
OTRAS TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN TÉRMICA
Las bombas de calor con motor a gas son equipos de refrigeración que funcionan realizando el ciclo de
compresión convencional, pero utilizando un motor de combustión interna en lugar de un motor eléctrico
para mover el compresor. La Figura 2.4.2.1 muestra la diferencia entre una máquina frigorífica convencional
y una máquina con motor a gas.
QC
QC
Electricidad
Ventiladores y aux.
Electricidad
Ventiladores y aux.
Electricidad
CONDENSADOR
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
Gas Natural
QF
CONDENSADOR
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
COMPRENSOR
COMPRENSOR
Motor
PE
EVAPORIZADOR
EVAPORIZADOR
QE
QE
Figura 2.4.2.1. Esquema de máquina frigorífica convencional (izquierda) y de máquina con
motor a gas (derecha).
102
PE
Una máquina frigorífica convencional funcionando
en “modo frío” consume energía eléctrica (PE) y
proporciona una potencia térmica útil en frío (QE) o
en calor (QC). En el caso de una máquina con motor
a gas, el compresor se acciona mediante un motor
de combustión interna alternativo que consume
gas natural o propano en lugar de electricidad.
Normalmente, ambas máquinas son capaces
de funcionar en modo refrigeración o en modo
calefacción (bomba de calor).
Las bombas de calor a gas suelen presentar
ventajas adicionales:
- En modo refrigeración, aprovechan el calor
residual del motor de combustión interna alternativo
para producir ACS.
- En modo calefacción, aprovechan el calor del
motor para incrementar la potencia térmica útil.
- Algunos fabricantes incorporan un pequeño
generador eléctrico en el motor para el autoconsumo
de la máquina o incluso para la utilización de energía
eléctrica en otros equipos.
La Figura 2.4.2.2 muestra los esquemas de
funcionamiento de máquinas de motor a gas con
aprovechamiento del calor residual del motor.
QC
QC
Electricidad
Ventiladores y aux.
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
COMPRENSOR
PE
Gas Natural
QF
CONDENSADOR
Electricidad
Ventiladores y aux.
CONDENSADOR
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
Motor
Generador
COMPRENSOR
QCAL
PE
Gas Natural
QF
Motor
QCAL
EVAPORIZADOR
EVAPORIZADOR
QE
QE
Figura 2.4.2.2. Esquema de bomba de calor a gas. Izquierda: con aprovechamiento del calor del motor
para producción de ACS. Derecha: incorporando además un pequeño generador de energía eléctrica.
103
A la hora de analizar la eficiencia de las máquinas
y compararla con las máquinas convencionales, se
deberá tener en consideración que ambas energías
son de distinta “calidad”. El concepto de calidad de
la energía está asociado al segundo principio de
la termodinámica y se puede cuantificar mediante
el concepto de “exergía”. El lector puede tener el
concepto de que la calidad de la energía eléctrica y
de la energía de los combustibles es diferente:
- El precio de un kWh de energía eléctrica es muy
superior al de un kWh de gas natural
- Para generar un kWh de energía eléctrica,
se deben quemar unos 2,5 kWh de energía de
gas natural en una central de ciclo combinado
(considerando las pérdidas por transporte).
La comparación entre máquinas frigoríficas
convencionales y bombas de calor a gas debe
realizarse teniendo en cuenta que la naturaleza de
la energía empleada es muy diferente. Una opción
sería determinar la eficiencia de las máquinas en
función de la energía primaria consumida. Los
coeficientes de paso a energía primaria facilitados
por la Administración son los siguientes:
- Gas natural: 1,011 kWh/kWh.
- Propano: 1,081 kWh/kWh.
El valor de la Eficiencia Energética en Refrigeración
basado en la energía primaria consumida, se define
de acuerdo a la expresión 2.4.2.2.
EERep =
(2.4.2.2)
2,606 - Pe
Por tanto, se puede escribir:
EERconv = 2,606 - EERep
(2.4.2.3)
Es decir, que existe una relación clara entre el
valor de la Eficiencia Energética de Refrigeración
que aparece en la documentación técnica de las
máquinas frigoríficas convencionales y la Eficiencia
Energética basada en la energía primaria.
La Eficiencia Energética de las bombas de calor
con motor a gas puede determinarse en función
de la energía primaria para considerar la distinta
calidad de las energías finales empleadas: gas
natural, propano y electricidad.
En el caso de la máquina de la Figura 2.4.2.1
(derecha), consumiendo gas natural, el valor de la
Eficiencia Energética en Refrigeración basado en
consumo de Energía Primaria será:
EERep =
- Electricidad: 2,606 kWh/kWh.
Qr
Qr
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
(2.4.2.4)
2.4.2.1 Eficiencia Energética de las
máquinas en modo frío
El valor de la Eficiencia Energética en Refrigeración
en máquinas de refrigeración convencionales
accionadas con motores eléctricos, se define de
acuerdo a la expresión 2.4.2.1.
EERconv =
104
Qr
Ee
(2.4.2.1)
Que convertido al valor convencional para su
comparación directa con las máquinas frigoríficas
convencionales resulta:
EERconv = 2,606 -
Qr
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
(2.4.2.5)
En el caso de la máquina de la Figura 2.4.2.2
(izquierda), donde la máquina produce ACS, se
supone que la calidad de las energías térmicas
producidas es similar y se suman directamente,
resultando:
EERep =
Qr + Qcal
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
(2.4.2.6)
EERconv = 2,606 -
Qr + Qcal
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
(2.4.2.7)
Si la máquina en lugar de consumir energía
eléctrica, la produce por disponer de un generador
eléctrico (Figura 2.4.2.2, derecha), la Eficiencia
Energética en Refrigeración resulta:
EERep =
Qr + Qcal + 2,606 - Pe
COPep =
Qc
(2.4.2.11)
2,606 - Pe
COPconv = 2,606 - COPep
(2.4.2.12)
Como se ha mencionado en el apartado anterior,
la Eficiencia Energética de las bombas de calor con
motor a gas se determina en función de la energía
primaria para considerar la distinta calidad de las
energías finales empleadas: gas natural, propano y
electricidad.
Así, para la bomba de calor de la máquina de la
Figura 2.4.2.1 (derecha), se tiene que:
Qc
COPep =
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
(2.4.2.13)
COPconv = 2,606 -
Qc
1,011 - Qf + 2,606 - Pe
1,011 - Qf
(2.4.2.14)
(2.4.2.8)
EERconv = 2,606 -
Qr + Qcal + 2,606 - Pe
1,011 - Qf
(2.4.2.9)
2.4.2.2 Eficiencia Energética de las
máquinas en modo calor
El análisis a realizar cuando las máquinas
trabajan como bombas de calor es similar a la
realizada para modo frío. En este caso, se emplea el
Coefficient of Performance (COP).
De forma que, para bombas de calor
convencionales, se tiene que:
COPconv =
Qc
Pe
(2.4.2.10)
Cuando las bombas de calor a gas funcionan en
modo calor, aprovechan el calor residual del motor
para aumentar la eficiencia en el evaporador y no
para el ACS. Se trata de una solución técnica que
permite un mayor COP y un buen funcionamiento de
las máquinas en climas muy fríos.
En el caso de que la máquina disponga de un
generador eléctrico (Figura 2.4.2.2, derecha), la
Eficiencia Energética resulta:
COPep =
Qc + 2,606 - Pe
1,011 - Qf
(2.4.2.15)
COPconv = 2,606 -
Qc + 2,606 - Pe
1,011 - Qf
(2.4.2.16)
105
En el caso de que la bomba emplease propano en lugar de gas natural, se deberá sustituir en las
ecuaciones presentadas el factor 1,011 por 1,081.
La Tabla 2.4.2.1 muestra los valores calculados para una serie de 4 bombas de calor a gas de un
fabricante. En este caso, las máquinas no tienen posibilidad de producción de ACS ni generador eléctrico.
UNIDAD
MODELO
Capacidad frigorífica nominal
Capacidad calorífica nominal
Consumo de gas natural o GLP
Consumo energía eléctrica
EERep nominal (en refrigeración)1
COPep nominal (en calefacción)1
EERconv nominal equivalente1
COPconv nominal equivalente1
1
En refrigeración
En calefacción kW
kW
kW
kW
kW
-
-
-
-
A
22,4
26,5
16
16,3
0,45
1,29
1,50
3,36
3,91
BCD
35,5
42,5
25,6
26
0,56
1,30
1,53
3,38
3,99
45
53
30
30,9
0,75
1,39
1,60
3,63
4,16
71
84
53,1
53,7
0,9
1,27
1,48
3,30
3,87
Calculado para Gas Natural
Tabla 2.4.2.1. Datos técnicos de 4 modelos de bombas de calor con motor a gas.
2.4.2.3 Instalación de las bombas de calor a gas
Las instalaciones con bombas de calor a gas funcionan como sistemas de volumen de refrigerante
variable (Figura 2.4.2.3). Los motores de combustión interna permiten la variación de velocidad de giro de
forma sencilla y generalmente giran entre 1.000 y 2.000 rpm. De esta forma pueden variar la carga entre
un 50 y un 150%.
Unidad INTERIOR
Unidad INTERIOR
Válvula de
Expansión
Condensador
Motor C.I.A.
Gas Natural
o propano
Figura 2.4.2.3. Esquema de una instalación de climatización con
bomba de calor a gas.
Compresor
Unidad
exterior
Se recomienda la instalación de al menos 2 máquinas en paralelo de forma que la instalación pueda
funcionar al 25% de carga sin producir la parada de ningún motor. El 25% de la carga se corresponde con
1 motor al 50% de su carga y las cargas entre el 25 y el 100% se producirán con la regulación de 1 o 2
motores.
106
La Figura 2.4.2.4 muestra el esquema de una instalación con una bomba de calor a gas funcionando
en modo frío, donde se aprovecha el calor residual del motor para la producción de ACS. Se trata de un
calor residual con el que se pueden cumplir las exigencias del Documento HE4 del Código Técnico de la
Edificación (CTE).
Unidad INTERIOR
Unidad INTERIOR
Válvula de
Expansión
Condensador
ACS
Motor C.I.A.
Gas Natural
o propano
Compresor
A. RED
Unidad
exterior
Figura 2.4.2.4. Esquema de instalación de climatización con bomba de calor a gas y aprovechamiento
del calor residual del motor para producción de ACS.
UNIDAD
Capacidad frigorífica nominal
Capacidad calorífica nominal
Capacidad en agua caliente (modo refrigeración)
En refrigeración
Consumo de gas natural o GLP
En calefacción En refrigeración
Consumo de electricidad
En calefacción EERep nominal (en refrigeración)1
COPep nominal (en calefacción)1
EERconv nominal equivalente1 (en refrigeración)
COPconv nominal equivalente1 (en calefacción)
1
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
-
-
-
-
MODELO
A
35,5
40,0
12,0
24,5
28,1
0,85
1,01
1,76
1,29
4,59
3,36
BCD
45,0
50,0
16,0
31,6
36,1
1,35
1,01
1,72
1,28
4,48
3,33
56,0
63,0
20,0
38,3
43,0
1,35
1,01
1,80
1,37
4,69
3,56
71,0
80,0
25,0
60,9
58,0
1,35
1,54
1,47
1,28
3,84
3,33
Nominal equivalente en energía primaria si se emplea Gas natural
Tabla 2.4.2.2. Datos técnicos de 4 modelos de bombas de calor con motor a gas con producción de
ACS en modo refrigeración.
En cualquier caso debe analizarse la contribución energética obtenida, teniendo en cuenta que el equipo
únicamente realiza calentamiento de ACS cuando trabaja en modo frío.
Las bombas de calor a gas pueden emplearse en sistemas de climatización de agua. En este caso,
107
los fabricantes ofrecen la posibilidad de instalar un módulo hidráulico que no es más que una unidad
refrigerante-agua. Se trata de una solución para emplear estas máquinas en instalaciones aire/agua. En
algunos casos, se realiza la instalación interior con equipos de expansión directa y se emplea una unidad de
refrigerante/agua para servicios que requieran agua como las unidades de tratamiento de aire exterior.
Unidad INTERIOR
Unidad INTERIOR
Válvula de
Expansión
ACS
Motor C.I.A.
Gas Natural
o propano
A. RED
Condensador
Compresor
Unidad
exterior
Figura 2.4.2.5 Esquema de instalación de climatización con bomba de calor a gas funcionando como
enfriadora / bomba de calor aire/agua con producción de ACS.
Las instalaciones con bombas de calor a gas pueden funcionar con volumen de refrigerante variable
a 3 tubos, esto es, con aprovechamiento de energía. En este caso, la instalación puede conseguir altas
eficiencias de funcionamiento.
2.4.2.4 Conclusiones
Las bombas de calor a gas son equipos cuyo
análisis puede ser interesante para la implementación
práctica en las instalaciones de climatización, tanto
en construcciones nuevas como en rehabilitación de
edificios.
No se dispone de información del funcionamiento
de las máquinas cuando la instalación funciona
a cargas parciales. Los fabricantes deberían
proporcionar datos de funcionamiento a cargas
parciales y en distintas condiciones de funcionamiento
(principalmente distintas condiciones exteriores).
El interés de esta tecnología estriba en el precio
relativo entre la energía eléctrica y, principalmente,
108
el gas natural. Cuando el precio del gas natural
es significativamente bajo, resulta interesante la
utilización de este tipo de tecnología.
También puede ser de interés plantear la
instalación de estos equipos en instalaciones donde
sea difícil contratar la potencia eléctrica necesaria
para las máquinas de climatización.
Por último se requiere disponer de información
detallada de los costes de mantenimiento que van
a tener estos equipos. Se trata de una máquina
con un motor de combustión interna alternativo
que requiere de un mantenimiento similar al de un
vehículo.
109
2.4.3
MÁQUINAS DE ABSORCIÓN
El sistema de W en Estados Unidos en 1860. Sin embargo, el desarrollo de las máquinas de absorción ha
sido menor debido a la facilidad de utilización de las máquinas de compresión mecánica y su bajo coste.
Actualmente se está observando con mayor
interés la posibilidad de emplear máquinas de
absorción en climatización de edificios debido a:
- Menor consumo de energía eléctrica: Las
máquinas de absorción emplean una fuente de
calor en la producción de frío, consumiendo muy
poca energía eléctrica.
- Utilización de gas natural para la producción
de frío: Cuando el precio del gas natural es bajo
respecto a la energía eléctrica, resultan más
interesantes las máquinas de absorción que las
máquinas de compresión.
- Posibilidad de emplear una fuente de calor
residual o renovable: Gases calientes de un proceso
o de una cogeneración. Agua caliente de un proceso
o de una instalación solar térmica.
110
Se trata por tanto de una tecnología que
en términos de consumos de energía, costes
energéticos y emisiones de CO2, puede resultar
ventajosa respecto a las máquinas de compresión
mecánica.
2.4.3.1 Clasificación de las máquinas de
absorción
Las máquinas de absorción que se comercializan
actualmente para climatización de edificios como
climatizadoras se clasifican en:
Máquinas de accionamiento directo o
indirecto: Las máquinas que queman directamente
un combustible fósil (generalmente gas natural o
propano) se denominan de accionamiento directo.
Las máquinas de accionamiento indirecto son las
que emplean como fuente de calor gases calientes,
vapor o agua caliente. En este caso el fabricante de
la máquina establecerá el caudal de fluido térmico
nominal de la máquina y las temperaturas de
entrada y salida del fluido a la máquina.
Máquinas de ciclo de simple efecto o de
doble efecto: El ciclo de doble efecto se emplea
para obtener una mayor eficiencia de las máquinas.
El doble efecto consiste en añadir otro generador
y otro condensador a la máquina con la finalidad
de aumentar la capacidad frigorífica de la máquina
entre un 50 y un 80% respecto a una máquina de
simple efecto. De esta forma se consigue una mayor
eficiencia de la que se obtiene en máquinas de
simple efecto, especialmente cuando se dispone de
una fuente de energía de un nivel térmico elevado.
Máquinas de absorción en función del
refrigerante y del absorbente: Las máquinas de
absorción que se comercializan en la actualidad son
de dos tipos concretos:
Máquinas de Bromuro de Litio y agua (LiBr H2O): Se emplea una solución de agua y Bromuro
de litio (LiBr), siendo el agua el refrigerante y el LiBr
el absorbente. Los equipos de las firmas YAZAKI y
THERMAX se han desarrollado con esta solución
refrigerante.
- Máquinas de Agua y Amoniaco (H2O - NH3):
Se emplea una solución de agua y amoniaco (NH3),
siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el
absorbente. Los equipos de la firma ROBUR se han
desarrollado con esta solución refrigerante.
2.4.3.2 Ciclo de simple efecto.
Accionamiento indirecto LiBr – H2O
En esta sección se explicará el funcionamiento
del ciclo de absorción de simple efecto con solución
de Bromuro de Litio y Agua.
En estas máquinas, el refrigerante es el agua
y las máquinas funcionan como enfriadoras
111
convencionales. Esto es, en modo frío, y de manera
habitual, impulsan al edificio un caudal de agua
a 7ºC a partir de una temperatura de retorno de
12ºC. Para producir el enfriamiento del agua del
circuito de 12 a 7ºC, la máquina debe conseguir
tener un foco térmico a una temperatura menor, en
este caso, la máquina produce la evaporación del
agua de la disolución a 3ºC.
Para conocer el funcionamiento del ciclo
de absorción, debe tenerse en cuenta que el
agua hierve a 100ºC a una presión absoluta de
101.300 Pa (presión ambiente al nivel del mar),
pero si la presión desciende haciendo el vacío en
un recipiente, puede conseguirse que el agua se
evapore a una temperatura menor. En las máquinas
de absorción se baja la presión en el evaporador a
una presión absoluta de 900 Pa. A esta presión el
agua se evapora (hierve) a tan solo 3ºC.
De esta forma, el evaporador de las máquinas
de absorción consiste en un recipiente que se
encuentra a 900 Pa donde se introduce agua que
se evapora a 3ºC adquiriendo el calor necesario
para ello del circuito de agua a refrigerar. De esta
forma se consigue bajar la temperatura del circuito
de refrigeración de 12 a 7ºC.
Figura 2. 4.3.2. Proceso de absorción en el
Evaporador/Absorbedor de una máquina de
absorción de LiBr – H2O.
La Figura 2.4.3.2 muestra que a medida que el
agua se evapora a 900 Pa y 3ºC, se produce un
spray de solución concentrada de Bromuro de Litio
al 56%. Esta sustancia, altamente higroscópica
absorbe el vapor de agua, diluyendo la concentración
de LiBr que pasa al 52%.
La máquina debe estar controlada para que el
vapor de agua se vaya eliminando a medida que
se produce para mantener la presión del recipiente
Evaporador–Absorbedor a 900 Pa.
El siguiente elemento del ciclo de refrigeración
es el generador. El ciclo emplea una bomba para
bombear la solución diluida (contiene un 52%
de LiBr) desde el Evaporador–Absorbedor que se
encuentra a 900 Pa hasta el Generador que se
encuentra a una presión absoluta de 13.000 Pa
(Figura 2.4.3.3).
Figura 2.4.3.1. Funcionamiento del evaporador de
una máquina de LiBr – H2O
El ciclo de absorción consiste en disponer de
un circuito cerrado para que constantemente se
encuentre evaporando agua a 3ºC en el evaporador.
Para ello se disuelve el refrigerante (agua) en una
solución higroscópica, en este caso, de Bromuro de
Litio.
112
Figura 2. 4.3.3. Funcionamiento del generador de
una máquina de LiBr – H2O.
La solución diluida es calentada mediante
uno de los sistemas comentados anteriormente.
En esta máquina concreta, el agua caliente entra
nominalmente a una temperatura de 88ºC saliendo
de la máquina a 83ºC. El calor aportado por el
circuito caliente hace hervir la solución generando
vapor de agua, concentrando la solución del 52
al 56%. La solución concentrada será usada
nuevamente como absorbente en el Absorbedor.
El vapor de agua producido en el generador
se encuentra a 52ºC (temperatura de cambio de
fase a 13.600 Pa). El vapor se desplaza hasta
el condensador donde es enfriado hasta 36ºC
gracias al circuito de agua procedente, por ejemplo,
de una torre de refrigeración o de un sistema de
disipación geotérmico y que entra a la máquina a
una temperatura de 31ºC, condensando el vapor de
agua y convirtiéndolo en líquido.
Este líquido refrigerante, es introducido por
diferencia de presión en el evaporador donde
se mantiene una presión absoluta de 900 Pa,
reiniciándose el proceso.
Figura 2. 4.3.4. Ciclo completo de refrigeración de
una máquina de LiBr – H2O.
La Figura 2.4.3.4 muestra el circuito completo del ciclo de absorción de una máquina de LiBr-H2O,
donde se muestran los distintos componentes y las conexiones a los tres circuitos: circuito de agua
caliente de aporte, circuito de refrigeración y circuito de disipación.
113
2.4.3.3 Selección e Instalación de máquinas de absorción de LiBr – H2O
En la sección anterior se ha detallado el principio de funcionamiento de las máquinas de absorción de
LiBr –H2O de accionamiento indirecto.
Los técnicos responsables de la instalación de las máquinas analizan estos equipos como “cajas
negras” y se centran en hacer funcionar los equipos proporcionando a las máquinas las condiciones de
funcionamiento nominales requeridas por el fabricante.
Además, es importante analizar las condiciones de funcionamiento de las máquinas y conocer las
eficiencias esperadas con el objeto de analizar el interés de instalar estos equipos o decantarse por otras
tecnologías.
La Figura 2.4.3.5 muestra el esquema de funcionamiento de una máquina de absorción de Bromuro de
Litio y Agua, de simple efecto, y accionamiento indirecto mediante un circuito de agua caliente
Figura 2.4.3.5. Esquema de instalación de una máquina de LiBr – H2O.
114
La Tabla 2.4.3.1 muestra los datos nominales proporcionado por un fabricante para máquinas de
absorción de potencias frigoríficas entre 17 y 105 kW.
UNIDADES DE BrLi-H2O, SIMPLE EFECTO POR AGUA CALIENTE
UNIDAD
Capacidad frigorífica
Calor a disipar
Potencia de calor a aportar
COP
MODELOS
A
kW
kW
kW
-
17,6
42,7
25,1
0,701
BCD
35,2
85,4
50,2
0,701
70,3
170,7
100,4
0,700
105,4
256,0
150,0
0,700
Tabla 2.4.3.1. Datos energéticos de 4 máquinas de absorción comerciales de simple efecto,
accionamiento indirecto por agua caliente y solución de LiBr – H2O.
Se observa que la potencia a disipar en la torre es la suma de la potencia de refrigeración producida en
el evaporador y la potencia calorífica aportada en el generador. La eficiencia de las máquinas en modo frío
se expresa de acuerdo a la fórmula 2.4.3.1, calculado como la relación entre la capacidad frigorífica y la
potencia aportada en el circuito caliente.
COP =
Qr
Qcal
(2.4.3.1)
La Tabla 2.4.3.1 muestra los datos de catálogo detallados de una serie de máquinas de absorción de
accionamiento indirecto por agua caliente. En la tabla aparecen los datos necesarios para realizar el diseño
y dimensionado de los distintos circuitos hidráulicos que dan servicio a las máquina. A continuación se
detallan los aspectos de diseño y dimensionado de la máquina de absorción Modelo “C”.
Diseño y dimensionado del circuito de agua refrigerada (Máquina “C”):
La potencia frigorífica de la máquina modelo “C” de la Tabla 2.4.3.2 es de 70,3 kW, siendo las temperaturas
de entrada y salida de la máquina de 12,5/7,0ºC. El caudal de agua se obtiene directamente de:
Qu = m˙cp˙(Tr–T1)
(2.4.3.2)
En el caso de agua (cp=4,18 kJ/kgºC y p=1000 kg/m3), el caudal de agua resulta de 3,06 l/s. A efectos
de seleccionar la bomba del circuito de agua de refrigeración debe tenerse en cuenta que para el caudal
nominal, la pérdida de presión en el evaporador de la máquina es de 65,8 kPa (6,71 mca). Se trata de una
pérdida de presión importante que debe tenerse en consideración. Además, el fabricante establece una
presión manométrica máxima en la máquina de 5,88 bar.
115
UNIDADES DE BrLi-H2O, SIMPLE EFECTO POR AGUA CALIENTE
Electric.
Agua caliente aportada al
generador
Agua de enfriamiento
(torre de refigeración)
Agua Refrigerada
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
Entrada
ºC
Temperatura agua refrigerada
Salida
ºC
Pérdida de carga evaporador
kPa
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Volumen de agua contenido
l
Calor a disipar
kW
Entrada
ºC
Temperatura
Salida
ºC
Pérdida de carga absorb/cond
kPa
Factor ensuciamiento
kW/h/K/m2
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Volumen de agua contenido
l
Potencia de calor a aportar
kW
Entrada
ºC
Temperatura agua refrigerada Salida
ºC
Rango
ºC
Pérdida de carga en generador
kPa
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Volumen de agua contenido
l
Potencia suministro
Consumo
W
IntensidadA
Peso en carga
kg
MODELOS
A
17,6
56,0
0,77
8
42,7
41,0
2,55
37
25,1
88,0
1,20
10
220 V c.a.
48
0,23
422
BCD
35,2
70,3
105,4
12,5
7
56,1
65,8
70,1
7
1,53
3,06
4,58
17
46
72
85,4
170,7
256
31
35
85,3
45,3
46,4
0,036
588
5,1
10,2
15,3
66
124
171
50,2
100,4
150,6
88
83
70 - 95
90,4
46,4
60,4
588
2,40
4,80
7,21
20,8
53,1
83,7
380 V c.a.
210
260
310
0,43
0,92
1,25
604
1.156
1.801
Tabla 2. 4.3.2. Datos técnicos de 4 máquinas de absorción comerciales de simple efecto, accionamiento
indirecto por agua caliente y solución de LiBr – H2O.
Diseño y dimensionado del circuito de agua caliente (Máquina “C”):
La potencia térmica a aportar a la máquina modelo “C” es de 100,4 kW, siendo las temperaturas de
entrada y salida nominales de la máquina de 88/83ºC. El caudal de agua se obtiene tal y como se ha
comentado anteriormente. En el caso de agua (cp=4,18 kJ/kgºC, p=1000 kg/m3), el caudal de agua
resulta de 4,80 l/s. A efectos de seleccionar la bomba del circuito de agua de calentamiento debe tenerse
en cuenta que para el caudal nominal, la pérdida de presión es de 46,4 kPa (4,73 mca).
116
Figura 2. 4.3.6. Esquema de instalación de la máquina de absorción Modelo C.
Diseño y dimensionado del circuito de disipación (Máquina “C”):
La potencia térmica a disipar si se instala la máquina modelo “C” es de 170,7 kW (70,3 + 100,4 kW),
siendo las temperaturas de entrada y salida nominales de la máquina de 31/35ºC. El caudal de agua se
obtiene tal y como se ha comentado anteriormente. En el caso de agua (cp=4,18 kJ/kgºC, p=1000 kg/
m3), el caudal de agua resulta de 10,2 l/s. A efectos de seleccionar la bomba del circuito de agua de
calentamiento debe tenerse en cuenta que para el caudal nominal, la pérdida de presión es de 45,3 kPa
(4,62 mca).
El diseño de la instalación podría plantearse empleando otro sistema de refrigeración alternativo a
la torre de refrigeración como: agua de pozo, agua de mar o geotermia. Podría además emplearse el
enfriamiento con el aire ambiente a temperaturas secas de 20-22ºC y emplear el sistema alternativo a
temperaturas mayores.
117
2.4.3.4 Ciclo de simple efecto. Accionamiento directo H2O - NH3
Se trata de un ciclo de absorción donde el fluido utilizado es una solución de agua y amoniaco (NH3),
siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente.
Se comienza a analizar el ciclo por el evaporador. El NH3 entra en el evaporador a una presión absoluta
de 4 bar, correspondiéndose con una temperatura de evaporación de 2ºC. En este intercambiador de calor
se evapora el NH3 (entra con un título de vapor bajo y sale 100% vapor). En este proceso de evaporación
a 2ºC, el NH3 toma calor del circuito frigorífico de la instalación, enfriando el agua de la instalación del
usuario, habitualmente, de 12ºC a 7ºC (condiciones nominales).
Figura 2. 4.3.7. Funcionamiento del evaporador de una máquina de H2O - NH3.
Se instala un intercambiador de calor que enfría
el NH3 antes de pasar por la válvula de expansión
y precalienta el vapor de amoniaco a 32ºC para
facilitar el proceso de absorción. El vapor de NH3
entra en el pre-absorbedor a 32ºC donde se absorbe
en una solución pobre de NH3-H2O, que se pulveriza
a 115ºC. Debido a la absorción de amoniaco, la
solución se enriquece en amoniaco. La solución rica
calentada a unos 85ºC se envía al absorbedor.
El absorbedor está formado, al igual que el
condensador, por una batería de tubos aleteados
por cuyo interior circula la solución rica y, por el
exterior, el aire ambiente forzado por el ventilador. A
lo largo del recorrido por el interior del absorbedor,
el amoniaco es íntegramente absorbido por el agua
y seguidamente aspirado por la bomba de solución
a una temperatura de 44ºC
Figura 2. 4.3.8. Proceso de absorción en una
máquina de H2O - NH3.
118
La bomba incrementa la presión de la solución
rica en NH3 de 4 a 16 bar, impulsándola al generador
(ver Figura 2.5.9). El generador es un recipiente
de acero donde la solución de agua y amoniaco
recibe el calor aportado por el quemador de gas,
alcanzando una temperatura de unos 180ºC. En
estas condiciones, la solución hierve separándose
vapor con una elevada concentración de amoniaco
que se envía al condensador para que ésta condense
y se envíe posteriormente al evaporador.
Por otro lado, el resto de la solución (solución
pobre o diluida) permanece en estado líquido pero
con baja concentración de amoniaco puesto que la
mayor parte de este se ha evaporado. Esta solución
se impulsa al pre-absorbedor.
Figura 2. 4.3.10. Ciclo completo de refrigeración
de una máquina de H2O - NH3.
Figura 2. 4.3.9. Funcionamiento del generador en
una máquina de H2O - NH3.
En las máquinas comerciales se instala
un rectificador y un intercambiador en el preabsorbedor para mejorar el funcionamiento de las
mismas. En esta explicación del ciclo se han omitido
para facilitar la explicación del mismo. En la Figura
2.4.3.10, se muestra el esquema de la máquina
completa.
La ventaja principal del ciclo de absorción
de NH3-H2O respecto al de LiBr-H2O es que la
condensación se realiza a temperaturas por encima
de la temperatura ambiente, lo que permite emplear
el aire ambiente como medio de condensación. Las
máquinas de LiBr-H2O siempre necesitan agua a
unos 30ºC lo que implica, en la mayoría de casos,
emplear torres de refrigeración.
2.4.3.5 Selección de máquinas de
absorción de H2O-NH3.
En la sección anterior se ha detallado el principio
de funcionamiento de las máquinas de absorción
de H2O – NH3 de accionamiento directo.
En esta sección se analizará la instalación de
las máquinas de absorción en instalaciones de
climatización. Se analizan los equipos atendiendo a
119
las necesidades de energía y flujos de aire y agua.
Se trata de conocer la eficiencia de estos equipos, y
los requisitos establecidos por los fabricantes para
hacer funcionar los equipos en las condiciones de
funcionamiento nominales requeridas. De esta forma
se analizará el interés de instalar estos equipos o
decantarse por otras tecnologías.
La Figura 2.4.3.11 muestra el esquema de
funcionamiento de una máquina de absorción de
NH3-H2O de simple efecto y accionamiento directo
mediante gas natural.
Figura 2. 4.3.11. Ciclo completo de refrigeración de una máquina de H2O - NH3.
120
La siguiente tabla muestra los datos nominales proporcionados por un fabricante para máquinas de
absorción de llama directa de potencias frigoríficas entre 16,9 y 67,6 kW. Se trata de una serie modular
donde el equipo de 67,6 kW es la unión de 4 unidades de 16,9 kW.
UNIDADES DE H2O - NH3 SIMPLE EFECTO POR LLAMA DIRECTA. MODO REFRIGERACIÓN
Generador de Gas
Agua Refrigerada
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
COP
-
Entrada
ºC
Temperatura agua refrigerada
Salida
ºC
Pérdida de carga intercambiador
kPa
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Temp. retorno agua min/nom/max
ºC
Temp. seca aire min/nom/max
ºC
Potencia térmica a aportar
kW
Gas Nat (1)
m3/h
Consumo de gas
Gas Nat (2)
m3/h
Gas Nat (3)
m3/h
Potencia suministro
Electric.
Consumo
W
Peso en carga
kg
(1) PCI = 9,45 kWh/m3;
(2) PCI = 8,13 kWh/m3;
MODELOS
A
16,9
0,67
0,81
25,2
2,9
3,2
2,5
220 V c.a.
900
380
BCD
33,6
50,7
67,6
0,67
0,67
0,67
12
7
33
500
1,61
2,43
3,23
6 / 12 / 45
0 / 35 / 45
50,4
75,6
100,8
5,8
8,7
11,6
6,4
9,6
12,8
5
7,5
10
380 V c.a.
1.800
2.700
3.600
950
1.390
1.860
(3) PCI = 12,87 kWh/m3
Tabla 2. 4.3.3. Datos técnicos de 4 máquinas de absorción comerciales de simple efecto, accionamiento
directo, solución de H2O - NH3. Modo refrigeración.
La eficiencia de las máquinas en modo refrigeración viene dada por el fabricante mediante un COP dado
por la expresión 2.4.3.3.
COPfab =
Qr
Qf
(2.4.3.3)
Cuando se emplean energías de diferente calidad, deben emplearse expresiones como las obtenidas
en el Apartado 2.4.2 para bombas de calor a gas. La expresión 2.4.3.4, es válida para gas natural. Para
propano, el factor sería de 1,081.
EERep =
Qr
1,011 ˙ Qf
(2.4.3.4)
121
Si se pasa a Eficiencia Energética convencional para la comparación directa con las máquinas frigoríficas
convencionales, resulta:
EERcon = 2,606 ˙
Qr
(2.4.3.5)
1,011 ˙ Qf
UNIDADES DE H2O - NH3 SIMPLE EFECTO, ACCIONAMIENTO DIRECTO
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
Calor a disipar al ambiente
kW
Potencia térmica a aportar
kW
COP (fabricante)
-
ERR (basado en energía primaria)
-
ERR convencional
-
MODELOS
A
16,9
42,1
25,2
0,67
0,66
1,73
BCD
33,6
50,7
67,6
84
126,3
168,4
50,4
75,6
100,8
0,67
0,67
0,67
0,66
0,66
0,66
1,72
1,73
1,73
Tabla 2. 4.3.4. Datos energéticos de las 4 máquinas de absorción de la Tabla 2.4.3.3.
Los datos de EER son muy bajos (1,73) si se comparan con las eficiencias típicas de enfriadoras
convencionales. En la Sección 2.4.3.7 se mostrarán los datos técnicos de máquinas de absorción de doble
efecto.
Las máquinas de absorción pueden invertir el ciclo, funcionando como bombas de calor. En el caso de
máquinas de absorción de NH3-H2O de accionamiento directo, se obtienen COP entorno a 1,4, resultando
una tecnología interesante. En la Tabla 2.4.3.5, se muestran los datos técnicos de las máquinas de absorción
de la Tabla 2.4.3.3 funcionando como bombas de calor.
122
UNIDADES DE H2O - NH3 SIMPLE EFECTO POR LLAMA DIRECTA. MODO CALEFACCIÓN
MODELOS
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
COP
-
Entrada
ºC
Temperatura agua calentada
Salida
ºC
Pérdida de carga intercambiador
kPa
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Temp. retorno agua min/nom/max
ºC
Temp. seca aire min/nom/max
ºC
Potencia térmica a aportar
kW
Gas Nat (1)
m3/h
Consumo de gas
Gas Nat (2)
m3/h
Gas Nat (3)
m3/h
Potencia suministro
Electric.
Consumo
W
Peso en carga
kg
Agua Calentada
A
35,3
1,40
Generador de Gas
0,84
(1) PCI = 9,45 kWh/m3;
(2) PCI = 8,13 kWh/m3;
25,2
2,9
3,2
2,5
220 V c.a.
900
380
BCD
70,6
105,9
141,2
1,40
1,40
1,40
50
40
31
500
1,69
2,53
3,38
50 / 40 / 2
-20 / 7 / 35
50,4
75,6
100,8
5,8
8,7
11,6
6,4
9,6
12,8
5
7,5
10
380 V c.a.
1.800
2.700
3.600
950
1.390
1.860
(3) PCI = 12,87 kWh/m3
Tabla 2. 4.3.5. Datos técnicos de 4 máquinas de absorción comerciales de simple efecto, accionamiento
directo, solución de H2O - NH3. Modo calefacción.
LLa eficiencia de las máquinas en modo calor viene dada por el fabricante mediante un COP dado por
la expresión 2.4.3.6.
COPfab =
Qc
(2.4.3.6)
Qf
Siguiendo la metodología del Apartado 2.4.2, de forma similar a lo realizado para funcionamiento en
frío se obtiene:
COPep =
Qc
1,011 ˙ Qf
COPcon = 2,606 ˙
Qc
1,011 ˙ Qf
(2.4.3.7)
(2.4.3.8)
Expresión válida para Gas Natural. Para propano, el factor sería 1,081.
123
UNIDADES DE H2O - NH3 SIMPLE EFECTO, ACCIONAMIENTO DIRECTO. MODO CALEFACCIÓN
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
Calor a disipar al ambiente
kW
Potencia térmica a aportar
kW
COP (fabricante)
-
ERR (basado en energía primaria)
-
ERR convencional
-
MODELOS
A
35,3
60,5
25,2
1,40
1,39
3,61
BCD
70,6
105,9
141,2
121,0
181,5
242,0
50,4
75,6
100,8
1,40
1,40
1,40
1,39
1,39
1,39
3,61
3,61
3,61
Tabla 2. 4.3.6. Datos energéticos de las 4 máquinas de absorción de la Tabla 2.5.5.
2.4.3.6 Instalación de máquinas de absorción de H2O - NH3.
Las máquinas de absorción tienen unos requisitos de instalación a considerar para que su funcionamiento
sea correcto. En cualquier caso, se deberá atender a las especificaciones concretas del fabricante.
Las máquinas deben instalarse perfectamente niveladas. Se trata de máquinas muy pesadas (véase
tablas de características) que generalmente se instalarán sobre bancada de inercia o tramex. Se debe
analizar la distribución de pesos sobre la cubierta en el caso de reformas o rehabilitaciones.
El montaje debe ser en el exterior manteniendo las distancias necesarias para la realización del
mantenimiento y las especificadas por el fabricante para el correcto funcionamiento de las baterías de
aire.
En cuanto a la normativa, se deben cumplir las exigencias del RITE tanto para equipos de frío como para
generadores de calor. Además, se deberá cumplir el Reglamento de Instalaciones de Gas.
Si la temperatura exterior en invierno puede descender por debajo de los 0ºC, debe emplearse
anticongelante para evitar la congelación de la máquina y los circuitos hidráulicos. Si está previsto utilizar
soluciones de glicol, es importante que existan inhibidores en la solución para proteger las tuberías de cobre
del interior de la máquina y tener en cuenta las variaciones de calor específico y densidad para el cálculo
del caudal y de las pérdidas de carga.
El circuito de agua de climatización del edificio debe mantenerse a caudal constante sobre la máquina.
Se atenderá al dato de pérdida de presión del evaporador de la máquina para seleccionar la bomba que
proporciones el caudal nominal especificado por el fabricante. Generalmente, será conveniente realizar un
circuito primario para la máquina y uno o varios circuitos secundarios que podrán ser a caudal variable.
La red de alimentación de gas deberá ser capaz de garantizar el caudal máximo de gas con una presión
de 21,6 mbar (220 mmca) para el gas gatural, o de 36,3 mbar (37 mmca) para el propano.
124
2.4.3.7 Máquinas de absorción de doble efecto.
Las máquinas con ciclo de absorción de doble efecto consiguen una eficiencia entre un 50 y un
80% superior a las máquinas de simple efecto. El doble efecto consiste en añadir otro generador y otro
condensador a la máquina.
Las máquinas comerciales que emplean como fuente de calor agua caliente a 80-95ºC son de simple
efecto. En el caso de que la fuente de energía sea un combustible, los fabricantes ofrecen máquinas de
absorción con ciclo de absorción de doble efecto cuyas eficiencias en refrigeración y calefacción resultan
más interesantes.
La Tabla 2.4.3.7 muestra los datos técnicos de una serie de máquinas de absorción de doble efecto con
solución de LiBr-H2O.
UNIDADES DE BrLi - H2O DOBLE EFECTO POR LLAMA DIRECTA. MODO REFRIGERACIÓN
Generador de
Gas
Agua Refrigerada
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
COP
-
Entrada
ºC
Temperatura agua calentada
Salida
ºC
Pérdida de carga intercambiador
kPa
Presión estática máxima
kPa
Caudal de agua
l/s
Potencia térmica a aportar
kW
Gas Nat (1)
m3/h
Consumo de gas
Gas Nat (2)
m3/h
Gas Nat (3)
m3/h
Potencia suministro
Electric.
Consumo
W
Peso en carga
kg
(1) PCI = 9,45 kWh/m3;
(2) PCI = 8,13 kWh/m3;
MODELOS
A
105
1,02
BCD
281
527
703,2
1,02
1,20
1,20
12,5
12
7
7
70
86
600
785
4,57
12,22
25,22
33,65
103
276
440
586
10,9
29,2
46,6
62,0
12,7
33,9
54,1
72,1
8,0
21,4
34,2
45,5
380 V c.a.
1.400
2.300
3.100
3.400
1.800
3.500
5.600
6.560
(3) PCI = 12,87 kWh/m3
Tabla 2. 4.3.7. Datos técnicos de 4 máquinas de absorción comerciales de doble efecto, accionamiento
directo, solución de LiBr – NH3. Modo refrigeración.
125
A continuación se determinan los valores de EER basado en energía primaria y de EER convencional para
la comparación directa con enfriadoras de ciclo de compresión simple.
UNIDADES DE BrLi - H2O DOBLE EFECTO POR LLAMA DIRECTA. MODO REFRIGERACIÓN
UNIDAD
Capacidad frigorífica
kW
Calor a disipar al ambiente
kW
Potencia térmica a aportar
kW
COP (fabricante)
-
ERR (basado en energía primaria)
-
ERR convencional
-
MODELOS
A
105,0
208,0
103,0
1,02
1,01
2,63
BCD
281,0
527,0
703,2
557,0
967,0
1.289,2
276,0
440,0
586,0
1,02
1,20
1,20
1,01
1,18
1,18
2,62
3,09
3,09
Tabla 2. 4.3.8. Datos energéticos de las 4 máquinas de absorción de la Tabla 2.5.7.
Se observa que los datos de EER convencional llegan a 3,09, valores muy superiores al 1,73 obtenidos
en máquinas de simple efecto.
2.4.3.8 Conclusiones
Las máquinas de absorción son una alternativa a las máquinas convencionales de producción de frío.
Se deberá analizar si las ventajas que presentan en costes energéticos compensan los costes iniciales
más elevados. El análisis de viabilidad de la tecnología de absorción debe separarse en máquinas de
accionamiento directo y máquinas de accionamiento indirecto:
Máquinas de accionamiento indirecto:
En edificación puede contemplarse la opción de emplear máquinas de absorción de accionamiento
indirecto por agua caliente. Las máquinas que ofrecen los fabricantes son de simple efecto con eficiencias
relativamente bajas. Sin embargo, la comparación del EER de las máquinas de absorción con las máquinas
convencionales, se realiza cuando se emplean energías convencionales. En este caso, las máquinas se
plantean para ser accionadas principalmente por agua caliente procedente de una instalación de energía
solar térmica o de un grupo de cogeneración. Por tanto se trataría de un aprovechamiento de energías
renovables o residuales para la producción de frío.
Las máquinas de accionamiento indirecto por agua caliente funcionan con ciclos simples de LiBr – H2O
que requieren de agua a unos 30ºC, lo cual implica la necesidad de un circuito de disipación que, en
muchos casos, requiere de la instalación una torre de refrigeración. Este hecho resulta ser la mayor barrera
que impide que los sistemas de frío por absorción se implementen de forma más generalizada en España.
Sin embargo, existen alternativas al respecto, como la disipación de calor mediante geotermia, agua del
mar o agua de pozo.
126
Máquinas de accionamiento directo:
En el caso de emplear combustibles fósiles para la producción de frío, se deberán realizar comparaciones
con las máquinas de producción de frío convencionales. En esta sección se ha definido un EER convencional
que permite la comparación directa de las eficiencias producidas por ambas tecnologías. De forma
alternativa puede emplearse un parámetro económico, esto es, calcular el coste de la producción de energía
térmica útil en €/kWh.
Los datos técnicos analizados indican que será conveniente la utilización de máquinas de absorción de
doble efecto por tener eficiencias muy competitivas. Si se emplean máquinas con soluciones de LiBr-H2O,
se necesitará emplear, en muchas ocasiones, torre de refrigeración. Las máquinas de H2O-NH3 permiten
la condensación por aire. En cualquier caso, el análisis debería realizarse para distintas condiciones de
funcionamiento; esto es, para distintas cargas y condiciones exteriores. Sería conveniente poder realizar
simulaciones de comportamiento para analizar el funcionamiento real de los equipos y las prestaciones que
finalmente se obtendrán de forma media o estacional.
En edificios con problemas de suministro de electricidad puede ser interesante plantearse la producción
de frío mediante gas natural. En este caso, en el análisis se tendrá en cuenta la menor contratación de
energía eléctrica y el posible ahorro en centros de transformación.
127
2.4.4
CALDERAS DE CONDENSACIÓN
Las calderas de condensación son equipos con los que se consiguen eficiencias energéticas muy elevadas
en las instalaciones de calefacción. Se trata de la tecnología más eficiente para el aprovechamiento energético
por transferencia de calor de la energía de los humos generados en un proceso de combustión.
Las ventajas de las calderas de condensación respecto a las calderas estándar son las siguientes:
- Alta eficiencia por la posibilidad del aprovechamiento del calor latente de los humos.
- Muy buen comportamiento a cargas parciales.
- Muchos de los equipos comerciales son tecnológicamente muy avanzados: ajuste automático de la
combustión para que ésta sea óptima, bomba con variación de frecuencia para ajustar salto térmico, etc.
Se trata de equipos cuyas ventajas se observan analizando su comportamiento en una instalación a lo
largo de varias semanas. Si se analiza el comportamiento de las calderas de condensación funcionando en
condiciones nominales, al 100% de carga, puede parecer que no sean especialmente ventajosas respecto
a las calderas convencionales. Sin embargo, los estudios de funcionamiento a cargas parciales, demuestran
las ventajas de esta tecnología.
128
2.4.4.1 Análisis energético de la combustión
Para comprender las ventajas que ofrecen las calderas de condensación frente a las calderas
convencionales, se debe analizar el proceso de combustión de los combustibles.
Si se analiza la combustión del metano resulta:
C1H4+1,5O2=> CO2+2H2O+Energía
(2.4.4.1)
Donde se observa que los átomos de Carbono pasan a CO2 y los átomos de Hidrógeno a H2O.
La reacción real de la combustión del metano es más complicada: la combustión se realiza con aire
(21% O2 y 79% N2), por tanto, con cada mol de O2, entrarán 79/21=3,76 moles de N2. Además, para que
la combustión sea completa, ésta debe realizarse con cierto exceso de aire “n”. La reacción queda:
C1H4+n·1,5O2+n·3,76·1,5N2 => CO2+2H2O+(n-1)·1,5O2+3,76·n·1,5N2+Energía
(2.4.4.2)
El Poder Calorífico Superior (PCS) se define como la cantidad de energía liberada en el proceso de combustión.
Para su obtención, se comienza con los reactivos a 25ºC, se realiza la combustión y se enfría el sistema cerrado
hasta que los productos vuelvan a 25ºC. La energía liberada es la entalpía de combustión, esto es, el PCS.
Téngase en cuenta que a 25ºC el H2O de los productos de la combustión estarán en fase líquida.
A lo largo de los años, las calderas, motores, hornos, etc., han funcionado expulsando los humos
(productos de la combustión) a temperaturas superiores a los 100ºC. Por tanto, la práctica ha llevado a
129
definir el rendimiento de las máquinas respecto a un poder calorífico que no tuviera en consideración la
condensación del agua de los humos.
El Poder Calorífico Inferior (PCI) se define como la cantidad de energía liberada en el proceso de
combustión, suponiendo que los productos de la combustión están por encima de 100ºC. De esta forma,
el agua procedente de la combustión sale en forma de vapor y no se considera el calor de condensación
del vapor de agua.
Los combustibles comerciales son realmente una mezcla de distintos hidrocarburos y el análisis de su
combustión resulta más complicado que analizar simplemente la combustión del metano puro. La Tabla
2.4.4.1 muestra los Poderes Caloríficos de los combustibles comerciales.
COMBUSTIBLE
PODER CALORÍFICO INFERIOR (Hi)
kWh/kg
Gas Natural
Propano
Butano
Gasóleo C
13,05
12,82
12,69
11,56
(Mj/kg)MJ/Nm3
46,99
46,15
45,67
41,62
PODER CALORÍFICO SUPERIOR (Hs)
MJ/Stm3
kWh/kg
36,96
89,41
109,9
-
14,43
13,92
13,74
12,23
38,99
94,32
115,9
-
(Mj/kg)MJ/Nm3
51,95
50,11
49,47
44,01
43,14
102,47
125,64
-
MJ/Stm3
40,9
97,14
119,1
-
Tabla 2.4.4.1. Poder Calorífico Inferior y Superior de combustibles comerciales.
Se observa que la diferencia entre el Poder Caloríficos Superior e Inferior es importante. Las Calderas de
Condensación están diseñadas para producir la condensación del agua de los humos de la combustión y
conseguir de esta forma una mayor eficiencia energética.
2.4.4.2 Temperatura de rocío de los humos
Conocido el potencial energético que supone la condensación del agua de los humos, en esta sección
se va a determinar a qué temperatura se va a producir dicha condensación.
Si se escribe la reacción de la combustión del Metano puro para “n=0”, esto es, para el caso teórico de
combustión sin exceso de aire, se obtiene:
C1H4+1,5O2+3,76·1,5N2=> CO2+2H2O+0·O2+3,76·1,5N2
(2.4.4.3)
La fracción molar “yv” (o volumétrica) del agua en los humos viene dada por:
yV =
2
2
=
= 0,2315
1 + 2 + 0 + 3,76 · 1,5
8,64
(2.4.4.4)
La Ley de Dalton dice que la presión a la que se encuentra el agua (presión parcial) viene dada por:
pP = yV · pT = 0,2315·101300 = 23450 Pa
130
(2.4.4.5)
A esta presión, la temperatura de saturación (temperatura de rocío) es de 63,5ºC.
Si se realiza un análisis similar en los combustibles comerciales se obtiene:
TEMPERATURA DE CONDENSACIÓN DE LOS HUMOS EN UNA COMBUSTIÓN IDEAL
GAS NATURAL
58,5ºC
PROPANOBUTANO
54,9ºC
54,3ºC
GASÓLEO-C
48,1ºC
Tabla 2.4.4.1. Poder Calorífico Inferior y Superior de combustibles comerciales.
En realidad, la combustión se realiza con cierto exceso de aire. En el caso del metano, para un coeficiente
de exceso de aire de “n=1,3” se obtiene:
C1H4+1,3·1,5O2 +3,76·1,3·1,5N2 => CO2+2H2O+0,3·1,5·O2+3,76·1,3·1,5N2
(2.4.4.6)
La fracción molar “yv” (o volumétrica) del agua en los humos viene dada por:
yV =
2
2
=
= 0,1628
1 + 2 + 0,3 · 1,5 + 3,76 · 1,3 · 1,5 12,28
(2.4.4.7)
La presión parcial del vapor (suponiendo una presión ambiente de 101.300 Pa) resulta:
pP = yV · pT = 0,1628·101300 = 16500 Pa
(2.4.4.7)
A esta presión, la temperatura de rocío es de 56ºC. Se observa por tanto que la temperatura de rocío varía
significativamente con el exceso de aire. En el caso de combustibles comerciales, se obtiene la Tabla 2.4.4.3.
GAS NATURAL
(%O2)humos
PV(Pa)
Tr(ºC)
0
18.599
58,5
0,5
18.237
58,1
1
17.871
57,7
1,5
17.503
57,2
2
17.131
56,8
2,5
16.756
56,3
3
16.377
55,8
3,5
15.995
55,3
4
15.609
54,8
4,5
15.220
54,3
5
14.827
53,8
6
14.031
52,6
7
13.219
51,4
8
12.392
50,1
9
11.549
48,7
10
10.689
47,2
11
9.813
45,5
12
8.919
43,6
14
7.078
39,2
16
5.160
33,5
PROPANOGASÓLEO-C
PV(Pa)
Tr(ºC)
PV(Pa)
Tr(ºC)
15.634
54,9
11.240
48,2
15.318
54,4
11.005
47,7
15.000
54,0
10.768
47,3
14.680
53,6
10.529
46,9
14.356
53,1
10.290
46,4
14.031
52,6
10.049
45,9
13.703
52,1
9.806
45,5
13.373
51,6
9.562
45,0
13.040
51,1
9.317
44,5
12.705
50,6
9.070
43,9
12.367
50,1
8.822
43,4
11.683
48,9
8.320
42,3
10.989
47,7
7.813
41,1
10.283
46,4
7.299
39,8
9.567
45,0
6.779
38,4
8.839
43,5
6.253
36,9
8.100
41,8
5.720
35,3
7.349
39,9
5.180
33,5
5.810
35,6
4.081
29,3
4.219
29,9
2.952
23,8
Tabla 2.4.4.3. Temperatura de condensación de los humos en combustión ideal.
131
La condensación se produce cuando los humos estén en contacto con cualquier superficie que
se encuentre a una temperatura inferior a la de rocío. Las calderas de condensación serán tanto más
eficientes cuanta mayor cantidad de agua de los humos consigan condensar. Para ello, la temperatura
del agua de retorno a la caldera debe ser lo más fría posible para lograr aprovechar al máximo el calor de
condensación.
2.4.4.3 Rendimiento de las calderas estándar en condiciones nominales
Las calderas son equipos donde se produce una transformación energética de la energía química del
combustible (su poder calorífico) a energía útil calentando un circuito de agua. Los flujos de energía a
analizar son:
QU: Potencia nominal útil de la caldera (kW)
QF: Potencia dada por el combustible en condiciones nominales (kW)
PINQ: Pérdidas por inquemados en la combustión (kW)
PPAR: Pérdidas por paredes de la caldera (pérdidas superficiales) (kW)
PH: Pérdidas de calor sensible en los humos (kW)
Figura 2.4.4.1.
Balance energético en calderas.
A partir del principio de conservación de la energía se obtiene la siguiente expresión:
(2.4.4.9)
El rendimiento de la caldera viene dado a partir de la energía útil por:
(2.4.4.10)
Y a partir del cálculo de las pérdidas energéticas por:
(2.4.4.11)
132
Potencia del combustible (QF):
Tal y como se comentó anteriormente, la energía del combustible se determina a partir del PCI del
combustible.
En el caso de combustibles líquidos y sólidos:
(2.4.4.12)
Donde el gasto másico del combustible viene dado en kg/s y el PCI en kJ/kg.
En el caso de combustibles gaseosos se suele emplear la siguiente expresión:
(2.4.4.13)
Donde el gasto volumétrico del combustible viene dado en condiciones normales en m3N/s y el PCI en
kJ/m3N.
Potencia útil de la caldera (QU):
Se calcula a partir del gasto másico de agua que circula por la caldera (en kg/s) y la diferencia entre las
temperaturas de impulsión y retorno.
(2.4.4.14)
Siendo el calor específico del agua, aproximadamente 4,18 kJ/kg·K.
Figura 2.4.4.2. Potencia útil en calderas de calefacción.
En la práctica, los caudales de fluido que pasan por la caldera se dan en términos de caudal volumétrico,
siendo muy habitual encontrárselo en l/h. Para pasarlos a kg/s, hay que conocer la densidad del fluido que
mueven. Para el caso de que sea agua, esta puede toma el valor de 1 kg/l.
Pérdidas por inquemados (PINQ):
Las pérdidas de calor por inquemados son debidas principalmente a que parte del carbono de las
moléculas del combustible no pasan a CO2 sino a CO, liberándose menos energía.
133
Las pérdidas en % pueden estimarse mediante la siguiente ecuación:
(2.4.4.15)
Siendo CO la concentración de monóxido de carbono en los humos en ppm y CH la concentración de
hidrocarburos en humos en ppm (generalmente no se mide y se considera CH=CO).
Pérdidas por calor sensible de los humos (PH):
Las pérdidas por calor sensible de los humos se calculan para combustibles líquidos mediante:
(2.4.4.16)
el gasto másico de humos en kg/s, TH,S la temperatura de los humos en la salida de la caldera
Siendo
(donde se realiza el análisis de humos), TEXT la temperatura de la sala de máquinas (donde la caldera toma
el aire con el que realiza la combustión) y CP el calor específico de los humos a la temperatura media.
Las pérdidas por calor sensible de los humos pueden determinarse de forma aproximada empleando la
siguiente expresión Siegert:
(2.4.4.17)
Donde CO2 es el % de CO2 en los humos y K es una constante que depende del combustible:
K= 0,495 + (0,00693 x CO2), para gasóleo
K= 0,379 + (0,00970 x CO2), para gas natural
A continuación se muestran de forma gráfica las pérdidas sensibles en humos en función de la diferencia
de temperaturas (TH – TEXT) para calderas con gas natural y gasóleo C y coeficientes de exceso de aire n=1,3
y n=1,5.
10
9
8
7
GAS NATURAL n=1,3
GAS NATURAL n=1,5
GASÓLEO C n=1,3
GASÓLEO C n=1,5
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20 30
40
50
60
70
80
TH - TEXT
90
100 120 130 140 150
Figura 2.4.4.3. Pérdidas sensibles por humos en % en función de la
diferencia entre la temperatura de humos y del ambiente.
134
Las calderas de condensación que trabajan a temperaturas de retorno de agua de 50ºC, son capaces de
producir temperaturas de humos de unos 60-70ºC, esto es, unos 40-50ºC por encima de la temperatura
ambiente. De esta forma, las pérdidas por calor sensible de los humos suelen estar por debajo del 2,5%.
Además, la condensación de parte del agua de los humos llevará a pérdidas negativas, esto es, rendimientos
por encima del 100% (basados en el PCI).
Pérdidas por las paredes (PAR):
Se trata de las pérdidas por transferencia de calor por radiación y convección desde la envolvente de la
caldera al ambiente donde se encuentra.
Las pérdidas dependen de la diferencia entre la temperatura superficial de la envolvente y del ambiente
donde se encuentren, de la superficie externa de la caldera y de las corrientes de aire (caldera en el interior
o en el exterior).
Las pérdidas por las paredes pueden determinarse a partir de datos proporcionados por el fabricante de
la caldera o medirse in-situ. La estimación de las pérdidas de calor por las paredes se calcula mediante:
(2.4.4.18)
Siendo SCAL la superficie de la caldera, TP la temperatura de la pared, TEXT la temperatura exterior
a la caldera (generalmente la de la sala de calderas) hE y el coeficiente de película que considere la
transferencia de calor por convección y radiación.
El coeficiente de película puede determinarse analíticamente o, de forma alternativa, podría emplearse el
programa AISLAM (Documento Reconocido del RITE). Con este programa se pueden determinar fácilmente
las pérdidas de calor de la caldera.
Ejemplo de cálculo de las pérdidas energéticas en calderas sin condensación:
Se realiza el balance energético para una caldera de Potencia (QF) de 120 kW de gas natural, bien
aislada, caldera nueva de alto rendimiento, cuyo análisis de combustión ha dado como resultado (O2)=2%,
(CO2)=10,8%,(CO)=0,1% y TH=75ºC.
Figura 2.4.4.4.
Ejemplo de pérdidas en calderas.
135
Si se determina el rendimiento por el método directo (véase Documento Reconocido del RITE), se mediría
el calor útil y el calor del combustible, resultando:
Si se emplea el método indirecto, las pérdidas se hubieran calculado en % de la potencia del
combustible,
Siendo el rendimiento de la caldera:
= 100
2.4.4.4 Aprovechamiento de la condensación del agua de los humos
Las calderas de condensación deben trabajar a temperaturas de agua de retorno muy bajas con el objeto
de que se produzca la condensación del agua de los humos. Además, en estas calderas, la temperatura
de salida de los humos suele ser de 40-80ºC, siendo las pérdidas por calor sensible de los humos muy
reducidas.
MODELO AMODELO B
Gasto Calorífico
Potencia Nominal útil a 60/80ºC
Potencia Nominal útil a 30/50ºC
Rendimiento a 60/80 ºC
Rendimiento a 30/50 ºC
Temperatura de humos a 60/80ºC
Temperatura de humos a 30/50ºC
Gasto básico de humos
Gasto básico de condensados a 30/50ºC
ph del agua de condensados
Clasificación energética según 92/42
Clase de emisión Nox
Pot. max.
25,2
24,6
26,6
98,3
105,4
65
43
43
3,3
Pot. min.
5,3
5,2
5,7
97,3
107,2
60
31
13
1,4
Pot. max.
34,8
34,2
36,7
99,5
104,7
65
45
57
3,96
4,1
-
5
Tabla 2.4.4.4. Datos técnicos de 2 calderas de condensación comerciales.
136
Pot. min.
6,5
6,3
6,9
97,8
107,1
60
31
17,5
1,9
4,1
5
La Tabla 2.4.4.4 muestra los datos técnicos de 2 calderas de condensación domésticas. Se observa
que cuando funcionan al 100% de carga nominal, su rendimiento varía en función de las temperaturas de
impulsión y retorno del agua.
La ganancia de energía debida a la condensación del agua de los humos resulta:
(2.4.4.19)
En el caso de que la caldera sea capaz de condensar 3,96 kg/h de agua (Modelo B a potencia máxima),
resulta:
kW
(2.4.4.19)
Que se trata de un 7,6% de la potencia del combustible QF.
Las calderas de condensación son equipos que suelen incorporar ventajas adicionales a las calderas
convencionales, además de la propia condensación. Las calderas realizan un control de la combustión
de forma que regulan de forma óptima el %O2 en humos, esto es, el exceso de aire. Las pérdidas por
inquemados suelen ser despreciables y las pérdidas por paredes en la envolvente inferiores al 1%.
Ejemplo de cálculo de las pérdidas energéticas en una caldera de condensación:
Se realiza el análisis del rendimiento de una caldera de condensación (de gas natural) de potencia
nominal de combustible QF = 34,8 kW. De forma que, los datos de funcionamiento con agua de calefacción
a 30/50ºC, resultan: O2=3%, CO<10 ppm y TH=45ºC.
El rendimiento de la caldera resulta:
137
2.4.4.5 Rendimiento estacional de las calderas
En la sección anterior se ha definido el concepto de rendimiento puntual o instantáneo, es decir
determinando el calor aprovechado durante el funcionamiento continuo de la caldera en un periodo
relativamente corto de tiempo (un instante) y en unas condiciones de referencia (nominales).
La eficiencia de los equipos debe analizarse de forma estacional y en térmicos energéticos. En una
instalación de calefacción sería interesante conocer cuantos kWh de gas natural se han consumido en la
caldera para satisfacer los kWh de la energía demandada por el edificio para mantener las condiciones de
bienestar.
El rendimiento estacional (ηEST) es la expresión del rendimiento abarcando un periodo de tiempo más
largo y considerando, por tanto, los periodos de paro y arrancada de la caldera y momentos del tiempo que
la misma no esté trabajando a plena carga.
Pérdidas de servicio
Pérdidas envolvente
Pérdidas ventilación
Figura 2.4.4.5. Pérdidas en calderas en régimen transitorio (análisis estacional).
En el funcionamiento de una caldera se pueden distinguir tres periodos horarios:
- Horas de funcionamiento (tf): Durante estas horas de funcionamiento la caldera funcionará a
distintas cargas. Si la caldera puede modular, ajustará el quemador a las necesidades de funcionamiento.
Las calderas de condensación producen rendimientos muy elevados a cargas parciales. Algunas calderas
pueden modular hasta un 20% de su potencia nominal, llegando a rendimientos del 108%.
- Horas de parada (tp): En este caso, las pérdidas energéticas que se producen son pérdidas en las
paredes y las debidas a la ventilación que se produce por el tiro natural. Las calderas de condensación
trabajan a temperaturas muy bajas, siendo las pérdidas por las paredes muy pequeñas. El cuerpo de
la caldera se encontrará a temperaturas muy bajas en las paradas, siendo las pérdidas reducidas. Las
calderas de condensación son estancas, no existiendo pérdidas por tiro natural.
- Horas de arrancadas (ta): En los periodos de arrancadas existen pérdidas por las paredes y cobran vital
importancia las de ventilación, porque el quemador suele realizar un barrido del hogar antes de arrancar.
138
A continuación se muestra de forma gráfica el funcionamiento de una caldera de una y de dos
marchas:
q
QUEMADOR DE UNA MARCHA
tf_1
ta_1
q
tf_2
tp_1 ta_2
tf_3
tp_2 ta_3
tf_4
tp_3 ta_4
t
tp_4
QUEMADOR DE DOS MARCHA
tf_1
ta_1
tf_2
tp_1 ta_2
tp_2
t
Figura 2.4.4.6. Funcionamiento en régimen transitorio de una
caldera de una etapa y de una caldera de dos etapas
Las calderas de condensación son modulantes: algunos modelos permiten una modulación entre el
20 y el 100% de su potencia nominal. De esta forma se consiguen reducir las pérdidas en arranques y
paradas.
El rendimiento de las calderas de condensación aumenta a cargas parciales. Se trata, por tanto, de
equipos que consiguen rendimientos medios estacionales mucho más elevados que los que se obtienen
con calderas estándar.
Actualmente se pueden emplear los programas de Certificación Energética CALENER VyP y CALENER
GT, que simulan hora a hora el comportamiento energético del edificio y sus instalaciones. Los programas
incorporan ecuaciones del comportamiento de los equipos a cargas parciales.
139
1,15
1,2
1,1
1,1
1,05
1
∑ fcp_p
∑ fcp_p
1
0,95
0,9
0,85
0,9
0,8
0,7
0,8
0,6
0,75
0,5
0,7
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
fcp_p
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
fcp_p
Estandar
Baja temperatura
Condensación
Biomasa
Figura 2.4.4.7. Curvas de comportamiento de distintos tipos de calderas en función de la carga.
Izquierda: curvas CALENER Vyp; Derecha: curvas CALENER GT.
Se observa que los programas de simulación premian el comportamiento de las calderas de condensación
a cargas parciales. Se observa que cuando las calderas trabajen al 30% de carga, el rendimiento calculado
es aproximadamente un 7% superior al nominal.
2.4.4.6 Diseño de circuitos para calderas de condensación
El análisis del funcionamiento de las calderas de condensación ha demostrado que se pueden conseguir
eficiencias muy elevadas a bajas temperaturas de retorno (TRET=30ºC). Los circuitos deben realizarse a
caudal variable de forma que mantengan constante el salto de temperaturas a unos ΔT=20ºC. De este
modo, si la caldera está regulando y el quemador está dando un 50% de su potencia nominal, el caudal
se reduce también un 50% para mantener constante el salto de temperaturas y disminuir de esta forma la
temperatura de retorno.
Las condiciones de funcionamiento habituales de las distintas aplicaciones donde se emplean calderas,
se muestran en la Tabla 2.4.4.5.
APLICACIÓN
IMPULSIÓN
RETORNO
Radiadores
Primario ACS
Fancoils, UTAs
Suelo Radiante
80
80
55
45
65
60
45
35
Tabla 2.4.4.5. Temperaturas de impulsión y retorno típicas para distintas aplicaciones.
140
Las calderas de condensación funcionarán con mayor eficiencia en aplicaciones de suelo radiante y en
aplicaciones de Fancoils y UTAs.
Si una instalación que funciona en un suelo radiante funciona al 33% de carga, la caldera disminuirá
el caudal para mantener constante el salto de temperaturas. De esta forma la temperatura de retorno no
subirá de 35ºC a cargas parciales.
Las calderas funcionarán de forma altamente eficiente cuando además se modifica la temperatura de
impulsión del agua caliente en función de la temperatura exterior del edificio. El sistema de regulación
puede medir constantemente la temperatura del exterior y disminuir la temperatura de impulsión cuando
la exterior sea superior a la de diseño. Por ejemplo, si la instalación requiere 70 kW cuando la temperatura
interior sea de 20ºC y la temperatura exterior de 0ºC, la potencia necesaria será de unos 35 kW si la
temperatura ambiente es de unos 10ºC.
Las calderas disminuyen la temperatura de impulsión de forma que las unidades terminales proporcionen
la potencia necesaria a menor temperatura. Así, el sistema de regulación disminuye la temperatura de
impulsión, mantiene constante el salto de temperaturas y, por tanto, disminuye la temperatura de retorno,
aumentando la cantidad de agua de condensados.
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
Temperatura de caldera =
temperatura de impulsión en ºC
Siguiendo este concepto teórico, los fabricantes de calderas de condensación afirman que la caldera
llega a condensar incluso en instalaciones de calefacción con radiadores. Para ello, proporcionan curvas de
funcionamiento de las calderas como las mostradas en la Figura 2.4.4.8.
110
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
100
90
80
70
60
50
40
35
30
30
25
2
0
10
Tem
15
de c p. am
10
ons bien
5
igna
te
en º
C
5
0
-5 -10 -15 -20
Temperatura exterior en ºC
Figura 2.4.4.8. Curvas de
funcionamiento de las calderas
de condensación.
Atendiendo a la Figura 2.4.4.8, supóngase una instalación de radiadores que se ha diseñado para una
temperatura ambiente de 0ºC, con una temperatura de impulsión de 70ºC (suponiendo 55/70ºC), y que
la caldera funcionará con la curva de trabajo “2,2”. De forma que, cuando la temperatura ambiente sea de
7,5ºC, la caldera impulsará el agua a 55ºC y como la caldera mantiene el salto de temperaturas constante
en 15ºC, funcionará (40/55ºC), llegando a condensar.
141
Es evidente que en el caso de suelo radiante y fancoils, donde las temperaturas son más bajas, el
sistema de reducción de la temperatura de impulsión por temperatura exterior será mucho más eficiente y
la caldera de condensación funcionará con un rendimiento estacional alto.
La principal dificultad en la utilización de calderas de condensación es la producción de ACS en
instalaciones del sector terciario, donde la temperatura de los acumuladores de preparación de ACS no
puede ser inferior a 60ºC. En estos casos, el agua de retorno del circuito de la caldera suele ser elevada y
la caldera de condensación trabaja con rendimientos convencionales.
Para resolver este inconveniente, algunos fabricantes han desarrollado calderas con retorno doble:
un retorno a mayor temperatura del circuito de ACS y un retorno a menor temperatura del circuito de
calefacción.
FT12A
VARINO7
FT1A
M
FT1A
M
ECS
RD0383
HTº
RTF
BTº
EF
Figura 2.4.4.9. Esquema de instalación de caldera de condensación con doble retorno.
La utilización de calderas de condensación puede llevar a replantear los esquemas de funcionamiento
de las instalaciones de calefacción y producción de ACS. El Documento Reconocido del RITE “Sistemas
de producción térmica eficiente” plantea un esquema con una caldera convencional para apoyo del ACS
y una caldera de condensación para la calefacción. El sistema está diseñado para que en caso de avería
de una de las calderas, la otra pueda funcionar para dar servicio a las dos aplicaciones dentro de sus
posibilidades:
142
- Si se avería la caldera convencional, la caldera de condensación dará servicio al ACS. Se trata de una
garantía de fiabilidad necesaria en muchas aplicaciones.
- Si se avería la caldera de condensación, la caldera convencional, funcionará a plena carga tratando de
calentar el edificio en lo posible y priorizando siempre la producción de ACS sobre la calefacción.
Figura 2.4.4.10. Esquema de instalación de caldera de condensación y caldera convencional. Fuente:
Documento Reconocido del RITE “Diseño de Centrales de Calor Eficientes”.
2.4.4.7 Conclusiones
El análisis del funcionamiento de las calderas de condensación ha demostrado que se pueden conseguir
rendimientos estacionales muy elevados.
El problema de las calderas de condensación es únicamente que su coste es más elevado que las
calderas estándar. Por otro lado, se deberá llevar cuidado con el vertido de los condensados a la red de
saneamiento, atendiendo a las exigencias que puedan establecer las ordenanzas municipales.
Las calderas de condensación comerciales son generalmente de Clase 5, esto es, de bajas emisiones de
Óxidos de Nitrógeno (NOx). El RITE permite que si se sustituye una caldera por una de Clase 5, la evacuación
de humos puede seguir realizándose por fachada, en lugar de tener que realizar evacuación por cubierta.
Se trata de una ventaja importante en reformas y rehabilitaciones de instalaciones existentes. Además,
algunas Administraciones apoyan económicamente la sustitución de calderas antiguas por calderas de
condensación.
El comportamiento de las calderas de condensación en régimen transitorio es significativamente mejor
que el de las calderas estándar. Este comportamiento queda reflejado en los programas reconocidos de
Certificación Energética de los Edificios, obteniéndose una mejor calificación energética.
143
Las calderas de condensación son especialmente recomendables en instalaciones de calefacción por
suelo radiante, por fancoils y UTAs. El rendimiento del sistema aumenta si se regula la temperatura de
impulsión en función de la temperatura exterior. En el caso de instalaciones de radiadores el rendimiento
será menor, pero será posible que las calderas consigan condensar si se regula la temperatura de impulsión
con la temperatura exterior.
La mayor dificultad en la utilización de calderas de condensación es en las instalaciones de producción
de ACS donde la acumulación se encuentre a 60ºC. En estos casos, se deberán proponer soluciones
técnicas diferentes a las empleadas convencionalmente tales como las propuestas en la sección anterior.
144
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147
3
SISTEMAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
Con la visión, en un horizonte próximo, al respecto de la proliferación de los
sistemas distribuídos de generación eléctrica, a lo largo del presente capítulo
se analizarán las tecnologías que permiten el aprovechamiento de fuentes de
energía renovables en los edificios, como la energía solar y la energía eólica,
para la generación de electricidad.
3.1
José María González Moya
Director Técnico secciones Eólica y Fotovoltaica
Asociación de Productores de Energías
Renovables – APPA
3.1
LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
España cuenta con el mayor potencial solar
de toda Europa, debido fundamentalmente a su
ubicación privilegiada y a las climatológicas de las
que gozamos.
La tecnología solar fotovoltaica es una de las
fuentes de energía que mayor desarrollo están
teniendo en los últimos años, y cuenta con un futuro
prometedor, derivado del avance tecnológico y de la
reducción de costes que está experimentando, todo
ello de cara a competir con fuentes tradicionales de
generación de energía eléctrica.
La energía solar es utilizada de muy diferentes
formas, se trata de aprovechar la radiación solar
que llega a la Tierra para usos como calentar agua,
fluidos o su conversión en energía eléctrica.
Una de las principales aplicaciones de la energía
solar fotovoltaica es su integración en edificios, ya
que se trata de una tecnología que puede adaptarse
a muy diferentes soluciones.
150
Figura 3.1.1.
Instalación solar fotovoltaica (Fuente: EPIA).
3.1.1. Funcionamiento de un sistema
solar fotovoltaico
Las grandes ventajas de la energía solar
fotovoltaica son que es un sistema de producción de
energía limpia, respetuosa con el medioambiente y
que se produce de forma distribuida, esto es, cerca
del punto de consumo.
El término “fotovoltaica” es la unión de dos
palabras: “foto” palabra griega que significa luz, y
“voltaica” que proviene de voltio, que es la medida
utilizada para medir el potencial eléctrico en un
punto dado.
Los sistemas fotovoltaicos utilizan células solares
para convertir la radiación solar en electricidad. Las
células están compuestas de una o dos capas de
material semiconductor. Cuando la luz incide sobre
el panel, se crea un campo eléctrico a través de las
capas, produciendo una corriente eléctrica. Cuanta
más intensidad de luz incide sobre el panel, mayor
es la corriente eléctrica generada.
El
material
más
común
utilizado
como
semiconductor en la industria fotovoltaica es el
silicio. Es un elemento comúnmente encontrado
en la arena y no existen limitaciones en cuanto a
su disponibilidad como materia prima; se trata del
segundo material más abundante en la superficie
de la tierra.
Un sistema fotovoltaico no necesita la luz directa
del sol para funcionar. También se puede generar
electricidad en días nublados.
3.1.2. La tecnología fotovoltaica
Las células fotovoltaicas se hacen generalmente de silicio cristalino: en rodajas a partir de lingotes,
en piezas de fundición de cintas de producción o de capa fina (depositado en capas delgadas sobre un
soporte de bajo coste).
El rendimiento de una célula solar se mide en términos de su eficiencia en convertir la luz solar en
electricidad. Una célula solar comercial tiene una eficiencia aproximada del 15%, es decir, que una sexta
parte de la luz solar que incide en la célula genera electricidad. Mejorar la eficiencia de células solares
fotovoltaicas, manteniendo el coste, es el principal objetivo de la industria fotovoltaica.
Material en
bruto (Silicio)
Lingote
cortado
Lingote
Cortado
de obleas
Sistema
Módulo
Células
Obleas
Figura 3.1.2.
Proceso de fabricación (Fuente: EPIA).
Las células de silicio cristalino están hechas a partir de capas obtenidas de un único cristal de silicio
(monocristalino) o de un bloque de cristales de silicio (policristalino), y sus ratios de eficiencia se encuentran
entre el 12% y el 17%. Esta es la tecnología más común y representa el 90% del total del mercado actual.
Existen tres tipos principales de células cristalinas:
151
- Monocristalino (mono c-Si).
y Selenio (CIGS).
- Células mutiunión (a-Si/m-Si).
- Policristalino (multi c-Si).
Hay muchos otros tipos de tecnologías
fotovoltaicas desarrolladas para ser comercializados
o aún a nivel de investigación, los principales son:
- Láminas o silicio en cinta.
Los módulos de capa fina son construidos
mediante la acumulación de finas capas de
materiales fotosensibles en una superficie de bajo
coste como cristal, acero inoxidable o plástico.
Los procesos de fabricación dan como resultado
menores costes de producción en comparación con
la tecnología cristalina, una ventaja de precio que es
compensado por un rendimiento más bajo (del 4%
al 11%). Sin embargo, todas las tecnologías de capa
delgada no tienen la misma eficiencia, existen varios
tipos de módulos de capa fina (dependiendo del
material utilizado) disponibles en este momento:
- Silicio amorfo (a-Si).
- Teluro de cadmio (CdTe).
- Cobre Indio Selenio (CIS) y Cobre, Indio, Galio
- Fotovoltaica de concentración: algunas células
solares están diseñadas para funcionar con la luz
solar concentrada. Estas células están integradas
en colectores concentradores que utilizan una
lente para enfocar la luz solar sobre las células. La
idea principal es muy poco uso de los materiales
semiconductores fotovoltaicos durante la percepción
de la luz del sol tanto como sea posible. Las
eficiencias son del rango del 20 al 30%.
- Células flexibles: sobre la base del proceso de
producción similar a las células de capa fina, cuando
el material activo se deposita en un plástico fino, la
célula puede ser flexible. Esto abre el abanico de
aplicaciones, especialmente para la integración en
construcción (tejados, fachadas, etc.) y aplicaciones
para el consumidor final.
COMMERCIAL MODULE EFFICIENCY
Technology
Thin FilmCrystalline Silicon
(a.Si)
(CdTe)
CI(G)S
Cell efficiency
Module
efficiency
4-8%
10-11%
7-11%
Area Needed
per KW (for
modules)
~ 15 m2
~ 9 m2
~ 10 m2
a-Si/hc-SiDye s. cells
7-9%
2-4% (LAB) 13-19%
~ 12 m2
Source: EPIA 2010, Photon international, March 2010, EPIA analysis
Efficiency based on Standard Test conditions.
Figura 3.1.3. Eficiencia de los módulos (Fuente: EPIA).
152
Mono
~ 7 m2
Multi
11-15%
~ 8 m2
3.1.3. Aplicaciones de la tecnología solar
fotovoltaica
Existen diversos aprovechamientos de la
tecnología solar fotovoltaica, desde instalaciones
conectadas a la red, hasta instalaciones aisladas
en zonas sin electrificar. Los principales usos de la
tecnología son los siguientes:
- Sistemas domésticos de conexión a red:
El sistema fotovoltaico conectado a red es la
instalación más común para hogares y negocios
en zonas desarrolladas. La conexión a la red local
de electricidad permite la inyección y venta de la
energía generada o, si se permite, su autoconsumo.
Se usa un inversor para convertir la energía de la
instalación solar, que es corriente continua, en la
corriente alterna que se consume habitualmente.
- Centrales eléctricas conectadas a red:
Este sistema, también conectado a red, produce
grandes cantidades de electricidad fotovoltaica en
un punto individual. El tamaño de estas plantas
oscila entre varios cientos de kilovatios a decenas
de megavatios. Algunas de estas aplicaciones están
ubicadas en amplias zonas industriales edificadas,
como terminales aeroportuarias o estaciones de
tren; otras veces se ubican en espacios disponibles
a campo abierto.
Figura 3.1.4.
Sistema doméstico conectado a red
(Fuente: EPIA - SolarWorld).
Figura 3.1.5. Central fotovoltaica conectada a red
(Fuente: EPIA - Phoenix Solar).
153
- Sistemas aislados para electrificación rural: Las instalaciones aisladas de la red eléctrica permiten
disponer de energía en áreas remotas (casas de montaña, campos agrarios, etc.). Habitualmente se conecta
una batería al sistema para acumular la energía y, como en los demás casos, un inversor permite su uso
normal. La electrificación rural se aplica tanto a un sistema solar casero, capaz de cubrir las necesidades
mínimas de una vivienda particular, como a una instalación mayor, que suministre energía para varios
hogares.
Figura 3.1.6.
Sistema rural aislado
(Fuente: “RWE Schott Solar”).
- Instalaciones industriales aisladas: La electricidad solar en instalaciones aisladas es frecuentemente
utilizada en el campo de las telecomunicaciones, especialmente para conectar áreas rurales remotas a
zonas pobladas. Estaciones de repetición para teléfonos móviles alimentadas con fotovoltaica o sistemas
híbridos también tienen un amplio potencial. Otras aplicaciones incluyen señales de tráfico, sistemas de
ayuda a la navegación, teléfonos de seguridad, iluminación remota, señales para la autopista y plantas
de tratamiento de agua residual. Hoy, estas instalaciones tienen un coste competitivo, ya que facilitan la
conexión de energía en áreas alejadas de los centros eléctricos principales, suprimiendo el alto coste que
requiere una conexión de cableado.
Figura 3.1.6.
Sistema industrial aislado
(Fuente: “Shell Solar B.V.”).
- Bienes de consumo: Las células fotovoltaicas son utilizadas diariamente en numerosas aplicaciones
eléctricas, incluyendo relojes, calculadoras, juguetes, cargadores de batería, etc. Otras aplicaciones incluyen
energía para servicios tales como aspersores de agua, iluminación y cabinas telefónicas.
154
- Sistemas híbridos: Un sistema solar puede ser combinado con otra fuente de energía (un generador de
biomasa, una turbina eólica o un generador diesel) para asegurar la constancia del suministro de energía.
Un sistema híbrido puede estar conectado a red o aislado.
3.1.4. La tecnología solar fotovoltaica en la edificación
Uno de los usos con más posibilidades de desarrollo para la energía solar fotovoltaica es su integración
en la edificación, tanto para equipamientos nuevos como para la rehabilitación de edificios.
La estructura básica de una planta fotovoltaica conectada a red es la que se muestra en la Figura 3.1.7.
1. Módulos fotovoltaicos
2. Inversor Corriente continua / Corriente alterna (DC/AC)
3. Contador para la producción fotovoltaica
4. Contador para el consumo
1
2
3
4
Figura 3.1.7. Instalación solar fotovoltaica conectada a red
(Fuente: EPIA).
Las células de los módulos fotovoltaicos captan la radiación solar generando corriente continua, que
posteriormente es transformada en el inversor en corriente alterna. Esta corriente alterna es consumida dentro
de la instalación o vertida a la red eléctrica pública.
La edificación podrá, en un momento dado, consumir energía eléctrica de su propia instalación fotovoltaica
y exportar los excedentes que no consuma; o, por el contrario, en caso de no existir generación, consumir la
electricidad de la red eléctrica de la compañía suministradora.
155
3.1.5. Aplicaciones de la tecnología
fotovoltaica en la edificación
Históricamente, la principal aplicación de la
energía solar fotovoltaica en edificios, ha sido la
instalación de módulos fotovoltaicos montados en
estructuras una vez llevada a cabo la construcción
del edificio, normalmente en las cubiertas.
Las cubiertas y lucernarios son la mejor opción
para la integración de la tecnología fotovoltaica sin
alterar la imagen y estructura de las edificaciones. Del
mismo modo, es el sistema con mayor rendimiento,
siempre y cuando se opten por soluciones con la
orientación e inclinación adecuadas.
Figura 3.1.8. Módulos fotovoltaicos instalados
sobre cubierta (Fuente: EPIA - Sunrise).
Sin embargo, actualmente se opta por soluciones
integradas fotovoltaicas, que consisten en la
fabricación de elementos constructivos a base de
células y módulos fotovoltaicos para su integración
en la edificación. Esta solución trata de integrar de
la mejor forma posible la tecnología fotovoltaica con
la edificación.
Figura 3.1.10. Lucernario compuesto por células
solares (Fuente: Design-BuildSolar).
En las cubiertas inclinadas de los edificios se
podrá optar por incorporar módulos fotovoltaicos
completos o bien a modo de tejas solares. En el caso
de cubiertas planas, pueden incorporar módulos
inclinados o lucernarios traslúcidos de forma que
dejen pasar la luz del sol.
Figura 3.1.9. Cubierta fabricada con módulos
fotovoltaicos (Fuente: EPIA - Sunrise).
Dentro de las opciones de integración de la
tecnología solar fotovoltaica en la edificación, se
pueden diferenciar cinco opciones diferentes, entre
las que destacan:
- Cubiertas y lucernarios.
- Muros cortina.
- Ventanas.
- Parasoles.
- Fachadas ventiladas.
156
Figura 3.1.11. Módulos fotovoltaicos integrados en
cubiertas (Fuente: Solstis).
En grandes superficies de cubiertas se podrá
optar por sistemas en forma de sierra que permiten
la entrada de luz natural por la orientación contraria.
Por otra parte, en caso de grandes cubiertas curvas
existe la opción de emplear materiales de capa
delgada, flexibles, que se adaptan a la forma de la
estructura sobre la que se instalan.
La función principal de las ventanas, es permitir
la iluminación y ventilación interior de los edificios.
Normalmente, éstas incorporan partes fijas y móviles.
La integración fotovoltaica sobre las ventanas, se
puede llevar a cabo sobre las partes fijas de la misma
o el empleo de módulos semitransparentes de capa
fina cubriendo gran parte de su superficie.
Figura 3.1.12. Integración fotovoltaica sobre
cubiertas curvas (Fuente: Biosol-Centrosolar).
Figura 3.1.12. Ventanas con módulos de capa
delgada semitransparente (Fuente: Schott Solar).
Los sistemas de muros cortina son utilizados
para fachadas verticales o inclinadas. La integración
de los muros cortina se puede llevar a cabo o bien
directamente en obra utilizando una estructura
adecuada, o bien mediante sistemas modulares
prefabricados. En ambos casos, se podrá optar por
la incorporación de los paneles fotovoltaicos en la
totalidad de la superficie o combinándolos con otros
elementos constructivos.
La incorporación de parasoles en fachadas de
edificios es una de las mejores opciones de integración
fotovoltaica, ya que permite que los módulos estén
inclinados hacia el sol y por otra parte ambas caras
de los módulos se encuentran ventiladas. El principal
inconveniente es la sombra que puede generar unas
lamas sobre otras, afectando por tanto al rendimiento
de la instalación.
El principal inconveniente que presentan estas
soluciones es, además de la orientación, la posibilidad
de contar con sombras de otros elementos del
entorno sobre los paneles fotovoltaicos, que hacen
disminuir su rendimiento.
Figura 3.1.12. Células instaladas en parasoles
(Fuente: Romag - Design-BuildSolar).
Figura 3.1.12. Muro cortina en fachada exterior
(Fuente: Design-BuildSolar).
157
Las fachadas ventiladas son sistemas de revestimientos de fachadas
en edificios que consisten en un cerramiento que se sitúa por delante de
la pared de las edificaciones montado sobre una estructura auxiliar. Se
trata de sistemas muy adecuados para la integración fotovoltaica ya que
permiten la ventilación y drenaje del edificio.
Figura 3.1.12. (Fuente: Editec).
En definitiva, los sistemas solares fotovoltaicos son una clara opción para la consecución de los objetivos
en materia de reducción de emisiones y la implantación de las energías renovables.
Desde un punto de vista constructivo, estos elementos deben adaptar sus características tales como el
tamaño, forma, color, durabilidad, etc. a las condiciones en las que serán utilizados.
En todo caso, el reto consiste en integrar la tecnología fotovoltaica dentro de los edificios, de tal forma
que se pueda compaginar la generación eléctrica a partir de fuentes renovables y los requerimientos
técnicos constructivos en cuanto a cubiertas y cerramientos.
158
159
3.2
José María González Moya
Director Técnico secciones Eólica y Fotovoltaica
Asociación de Productores de Energías Renovables – APPA
3.2
LA ENERGÍA DEL VIENTO PARA APROVECHAMIENTOS MINIEÓLICOS
Así como la energía eólica de gran potencia ya ha demostrado su viabilidad y contribuye de manera
creciente al sistema eléctrico nacional, la energía eólica de pequeña potencia (o energía minieólica) no
se ha desarrollado suficientemente y se está desaprovechando la capacidad de aportar energía renovable
de forma distribuida, mediante su integración en entornos urbanos, semi-urbanos, industriales y agrícolas,
especialmente asociada a puntos de consumo de la red de distribución.
Así como la energía eólica de gran potencia
ya ha demostrado su viabilidad y contribuye de
manera creciente al sistema eléctrico nacional,
la energía eólica de pequeña potencia (o energía
minieólica) no se ha desarrollado suficientemente
y se está desaprovechando la capacidad de aportar
energía renovable de forma distribuida, mediante
su integración en entornos urbanos, semi-urbanos,
industriales y agrícolas, especialmente asociada a
puntos de consumo de la red de distribución.
Aunque el recurso es el mismo que en la gran
eólica, las instalaciones minieólicas tienen una serie
de características propias, como son:
- Generación de energía próxima a los puntos de
consumo, reduciendo las pérdidas por transporte
(generación distribuida).
160
- Versatilidad de aplicaciones y ubicaciones, ligado
al autoconsumo, con posibilidad de integración en
sistemas híbridos, y tecnologías existentes para
suelo y cubierta.
- Accesibilidad tecnológica al usuario final, por
las bajas inversiones requeridas, con una instalación
sencilla (sin apenas necesidad de obra civil), facilidad
de transporte de equipamientos y montaje.
- Funcionamiento con vientos moderados, sin
requerir complejos estudios de viabilidad.
- Aprovechamiento de pequeños emplazamientos
o de terrenos con orografías complejas.
- Suministro de electricidad en lugares aislados y
alejados de la red eléctrica.
3.2.1 Funcionamiento de un sistema
minieólico
La energía minieólica engloba instalaciones
eólicas con una potencia inferior a 100 kW, teniendo
los aerogeneradores que cumplir la normativa de
fabricación IEC 61.400-2.
- Optimización del aprovechamiento de las
infraestructuras eléctricas de distribución existentes,
a las que se conectan directamente, sin requerir
infraestructuras eléctricas adicionales de evacuación.
- Bajo coste de operación y mantenimiento y
elevada fiabilidad.
- Reducido impacto ambiental, por menor
tamaño e impacto visual, y por su integración en
entornos humanizados.
Hasta la fecha, en España se han desarrollado
mayormente las instalaciones aisladas de la red con
almacenamiento de energía en baterías (para el
autoconsumo de edificaciones aisladas de la red).
No
obstante,
se
está
avanzando
considerablemente en las debilidades de esta
tecnología que históricamente habían limitado
su proliferación a zonas rurales y aisladas (ruido,
vibraciones y turbulencias). A raíz de estos avances,
la tecnología minieólica ha despertado un gran
interés, siendo considerada como una fuente
energética de generación distribuida con gran
potencial de desarrollo a nivel doméstico e industrial
y, por tanto, a nivel de integración en la edificación.
Se trata de un generador eléctrico que es movido
por una turbina eólica que puede proporcionar
electricidad tanto a nivel doméstico como industrial.
El aprovechamiento eólico consiste en producir
energía eléctrica a partir de la transformación de
la energía eólica (energía cinética) en energía
mecánica, y de la transformación de esta última
en electricidad mediante un generador eléctrico o
alternador.
Al incidir el viento sobre las palas de una
aeroturbina se produce un trabajo mecánico de
rotación que mueve a su vez un generador para
producir electricidad. La cantidad de energía que
contiene el viento antes de pasar por un rotor
en movimiento depende de tres parámetros: la
velocidad del viento incidente, la densidad del aire
y el área barrida por el rotor.
Los componentes principales de un sistema
minieólico, constan de:
- Aerogenerador: genera electricidad a partir de
la fuerza del viento, tanto de día como de noche. Su
potencia deberá ser acorde a las necesidades de
consumo de la instalación.
- Batería: almacena la energía generada por el
aerogenerador, suministrándola posteriormente para
su consumo. La autonomía mínima recomendada
es de tres días.
- Regulador: controla la generación eléctrica del
aerogenerador y el estado de la batería. Previene la
sobrecarga y descarga de las baterías.
161
- Inversor: transforma la electricidad almacenada, en forma de corriente continua, en electricidad apta
para uso doméstico: corriente alterna a 220 V. Puede incorporar un cargador de recarga de baterías en caso
de disponer de una fuente externa de corriente alterna como un grupo electrógeno.
Cada máquina está diseñada para una determinada velocidad de viento, a partir de la cual generalmente
se conseguirá la máxima potencia.
CLASIFICACIÓN DE AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL
PARA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA EN FUNCIÓN DE SU POTENCIA
Denominación
PN (kW)
R (m)4
Aplicaciones
Muy baja5
<1
<1
Embarcaciones, sistemas de
comunicación, refugios de
montaña, iluminación...
1-10
1-3
Granjas, viviendas aisladas
(sistemas EO-FV), bombeo...
Baja
10-100
3-9
Comunidades de vecinos, PYME’ s
(sistemas mixtos EO-diésel),
drenaje, tratamiento de aguas...
Media
Parques Eólicos (terreno complejo).
100-1.000
9-27
Alta
1.000-10.000
27-81
Parques Eólicos (terreno llano,
mar adentro).
Muy alta
>10.000
>81
En fase de investigación y
desarrollo, requieren nuevos
diseños y materiales no
convencionales. Suponen un salto
tecnológico. No antes del año 2010.
4 Los
valores de la dimensión característica radio de la circunferencia descrita por
el rotor (R) son aproximados.
5 Esta clase se subdivide según la potencia nominal (PN) en microaerogeneradores (<1kW) y miniaerogeneradores (1<PN<10kW).
Figura 3.2.1. Clasificación de aerogeneradores de eje horizontal (Fuente: IDAE).
162
3.2.2 La tecnología minieólica.
Técnicamente, existe una gran variedad de tipologías, conviviendo diseños variopintos de eje vertical y
horizontal, dependiendo igualmente del entorno urbano y de la ubicación física en suelo o sobre cubierta.
Clasificación de aerogeneradores según el número de palas:
El tipo de aerogenerador utilizado para la producción eléctrica habitualmente es el tripala. No obstante, en
la eólica de pequeña potencia, se pueden encontrar también aerogeneradores multipala, bipala, o incluso
monopala.
MULTIPALA
Aerogeneradores
MONOPALABIPALA
Figura 3.2.2. Tipos de aerogeneradores según el número de palas
(Fuentes: www.energiamadre.com, www.powerhousewin.com y Bornay).
Clasificación de aerogeneradores según eje:
Se pueden clasificar según la disposición del rotor (horizontal y vertical) siendo a día de hoy los más
característicos los de eje horizontal.
VERTICAL MULTIPALA
Aerogeneradores
HORIZONTAL TRIPALA
HORIZONTAL TRIPALA
Figura 3.2.3. Tipos de aerogeneradores según su eje
(Fuentes: Kliux Energies, Sonkyo Energy y Bornay).
163
En el aerogenerador de eje horizontal el eje de
giro del rotor está situado en la horizontal. Así, la
principal característica de un aerogenerador de eje
horizontal es que el eje de rotación se encuentra
paralelo al suelo. Tiene su eje de rotación principal
en la parte superior de una torre, y necesitan un
mecanismo de orientación para hacer frente a los
cambios bruscos en la dirección del viento.
Si bien el rotor de los aerogeneradores más
comunes gira sobre un eje horizontal, otros modelos
lo hacen sobre un eje vertical, perpendicularmente
al suelo. Así, la principal característica de un
aerogenerador de eje vertical es que su eje de
rotación está en posición perpendicular con respecto
al suelo. Son aerogeneradores de fácil instalación
que no necesitan de una gran torre para funcionar.
Suelen tener una estructura similar a los
grandes aerogeneradores, si bien su diseño es
relativamente más simple (sistemas de orientación
pasivos, generadores eléctricos robustos de bajo
mantenimiento, ausencia de multiplicadores,…).
Los aerogeneradores de eje vertical tienen la
ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento
y no necesitan disponer de ningún mecanismo de
orientación ante cambios de la dirección del viento.
Son ideales en zonas de viento débil. Entre ellos,
caben destacar
En la actualidad la mayor parte de aerogeneradores
comerciales son de eje horizontal debido al mayor
rendimiento que producen con respecto a los
aerogeneradores de eje vertical.
Figura 3.2.4.
Aerogenerador vertical
(Fuente: www.ecosources.info).
- Aerogenerador Darrieus: como las palas
del rotor del aerogenerador son verticales no es
necesaria la utilización de un sistema de orientación
y funciona perfectamente cuando la dirección del
viento cambia rápidamente.
ROTOR
DARRIEUSDARRIEUS H
HELICOIDALE
Figura 3.2.5.
Aerogenerador Savonius
(Fuente: www.ecosources.info).
- Aerogenerador Savonius: La principal ventaja es su simplicidad. Son aerogeneradores de eje vertical
de pequeña potencia y baja velocidad de giro con los que se puede abastecer instalaciones aisladas, de
poco consumo y con vientos débiles.
164
3.2.2 La tecnología minieólica.
Puede destinarse al autoconsumo, al almacenamiento eléctrico a pequeña escala (con acumulación en
baterías), al vertido a red o a una combinación de las anteriores.
En la vertiente del autoconsumo, las aplicaciones de la energía eólica de pequeña potencia son
innumerables: suministro eléctrico de torretas y repetidores de telecomunicaciones, alumbrado público,
señalización marítima, refugios de montaña, electrificación rural, calefacción y refrigeración, bombeo,
irrigación, desalinización y/o depuración de aguas, producción de hidrógeno, etc.
Figura 3.2.6. Esquema para conexión de pequeñas comunidades
(Fuente: ENAIR, Google y Bornay).
Por su parte, las potenciales aplicaciones
se multiplican en el caso de instalaciones
interconectadas con la red eléctrica:
- Edificios diseminados: granjas, chalets, naves
industriales, explotaciones ganaderas o agrícolas,
faros, refinerías, estaciones de servicio, edificios
penitenciarios, acuartelamientos, etc.
- Edificios urbanos o semiurbanos: viviendas
y oficinas, colegios, universidades, hospitales,
residencias de mayores, hoteles, centros religiosos,
centros comerciales, instalaciones deportivas,
parques y jardines, etc.
En este momento, se está hablando de
autoconsumo con balance neto: una nueva
modalidad de generación distribuida, en vía de
desarrollo que permitirá al consumidor el vertido de
energía a la red eléctrica, para consumirla en otro
momento.
las baterías proporcionará más o menos días de
autonomía de la instalación.
Entre ambos componentes (aerogenerador y
baterías) se intercala un regulador, el cual automatiza
y garantiza el correcto funcionamiento del sistema.
Finalmente, el inversor convierte la corriente
continua almacenada en las baterías en corriente
alterna a 220 V, con lo que se garantiza el
funcionamiento de cualquier aparato eléctrico.
Tradicionalmente se han usado para generar
energía eléctrica en zonas rurales aisladas en las
que no es viable conectarse a la red eléctrica.
Las aplicaciones típicas son: electrificación
de cercado para el ganado, bombeos hídricos,
iluminación y cualquier tipo de pequeño sistema
electrónico necesario para controlar o monitorear
equipos remotos, incluyendo los sistemas de
seguridad.
En un sistema aislado, el aerogenerador produce
electricidad al hacer girar sus palas tras recibir la
fuerza del viento, la cual se envía hacia un sistema
de acumulación (baterías) donde se almacenará
para su uso posterior. El dimensionamiento de
165
SISTEMA AISLADO
GENERADOR
EÓLICO WT3
CARGAS
220 Vcc
REGULADOR EÓLICO
WTB3 - WTS8
Figura 3.2.7. Ejemplo
de un sistema aislado
(Fuente: Carlo Gavazzi).
INVERSOR
PSI
BANCO DE BATERÍAS
Los sistemas mixtos eólicos asilados tienen un complemento ideal en la energía fotovoltaica, ya que sus
picos de operación se complementan a la perfección (noche-día, verano-invierno).
Figura 3.2.8. Instalación mixta
eólica-fotovoltaica (Fuente: Bornay).
Figura 3.2.9. Instalación mixta eólicafotovoltaica (Fuente: Kliux Energies).
166
En cuanto a los sistemas conectados a red, son sistemas ligados a un punto de suministro eléctrico y
cuya producción y evacuación es en baja tensión (BT).
Los sistemas conectados a red no necesitan baterías ni el regulador y, en cambio, sí requieren un inversor
y un contador de energía adicional (o un contador bidireccional) que contabilice los kWh vertidos a la red.
Obviamente, para verter la energía generada a la red eléctrica, se requiere de un punto de conexión y
darse de alta en el régimen especial como productor de energía eléctrica.
Figura 3.2.10.
Esquema de
instalación conectada
a red (Fuente: www.
hemeraenergy.com).
3.2.4 La tecnología minieólica en la edificación
En este caso, las turbinas eólicas se instalan
directamente en el edificio, por lo general, en el
tejado o en la azotea.
Hay que tener en cuenta que cerca de la
superficie terrestre, a nivel local, soplan vientos
específicos caracterizados por el relieve del terreno
y otras variables como la rugosidad o la altura.
La tecnología minieólica en cubiertas (tejados),
es una nueva aplicación que está dando sus
primeros pasos. No obstante, presenta un gran
potencial de desarrollo a nivel urbanístico, por lo
que se abre una oportunidad para su integración
en la edificación.
Así, una superficie muy rugosa como un bosque
o una aglomeración de casas causará turbulencias
y frenará el viento. Es por ello que una superficie
rugosa requerirá aerogeneradores de mayor altura
para alcanzar una velocidad de viento adecuada.
En esta primera etapa de desarrollo de
aerogeneradores urbanos, hay un gran entusiasmo
y potencial en relación a las turbinas eólicas
domésticas en cubierta/tejados, aunque los costes
no sean aún competitivos.
En cuanto a la tecnología eólica de pequeña
potencia específica para integración en entorno
urbano, existen diseños muy distintos que varían
de un fabricante a otro e incluyen máquinas de eje
vertical y horizontal.
Figura 3.2.11. Instalación
eólica en edificación (Fuente:
www.arquitecturasostenible.org).
167
REFERENCIAS
3
3.1
• Instituto para la diversificación y ahorro de energía, IDAE (www.idae.es)
• Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT (www.ciemat.es)
• European Photovoltaic Industry Association, EPIA (www.epia.org)
• Energías Renovables. Planeta Neutro (www.renovables-energia.com)
• Design Build Solar, (www.design-buildsolar.com)
• “Código Técnico de la Edificación”, Ministerio de Fomento
• “Energía Fotovoltaica. Electricidad solar”, EPIA, ASIF, APPA
• “Building integrated photovoltaics: an overview of the existing products and their fields of application”, SUNRISE
Project
• “Envolvente, aplicación y funcionamiento de energía fotovoltaica en edificación”, Francisco Javier Garrido Leiton,
Universidad Politécnica de Valencia
• “Guía de incorporación de energías renovables en edificación”, Instituto Valenciano de la Edificación, IVE.
• “Energías renovables y su integración en la edificación”, BEST RESULT Project
• “El sol puede ser suyo”, IDAE (2008)
• “Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable”, IDAE (2007)
3.2
• Instituto para la diversificación y ahorro de energía, IDAE (www.idae.es)
• Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT (www.ciemat.es)
• “Domestic roof-mounted wind turbines”, Mid Wales Energy Agency
• “Código Técnico de la Edificación”, Ministerio de Fomento
• “Guía de incorporación de energías renovables en edificación”, Instituto Valenciano de la Edificación, IVE.
• “Energías renovables y su integración en la edificación”, BEST RESULT Project
• “El sol puede ser suyo”, IDAE (2008)
• “Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable”, IDAE (2007)
• “Manual de energía eólica”, IDAE (2006)
168
169
4
ASPECTOS ENERGÉTICOS
DE LA EDIFICACIÓN
A lo largo del presente capítulo se analizará la importancia e influencia en los
consumos energéticos finales de los aspectos constructivos de los edificios,
así como de los sistemas de distribución térmica, de la iluminación y otros
consumos eléctricos y de los sistemas de regulación y control. Dejando
patente la necesidad de tener en cuenta tanto medidas activas como pasivas
a la hora de reducir las demandas energéticas de dichos edificios.
4.1
Margarita de Luxán, Mar Barbero,
Gloria Gómez y Emilia Román
CC60 Estudio de Arquitectura SLP
4.1
LA ENVOLVENTE COMO ELEMENTO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA
4.1.1 La rehabilitación como herramienta
para reducir la insostenibilidad
Rehabilitar un edificio puede suponer importantes
ahorros energéticos en la construcción respecto a
derribarlo y construir uno nuevo, entorno al 60%,
evitando numerosos impactos ambientales, como
por ejemplo los relativos a la contaminación acústica
y atmosférica, el consumo de energía y materiales,
emisiones de CO2, la ocupación de suelo, la creación
de nuevas infraestructuras, la generación de nuevas
necesidades de transporte, etc.
Desde el punto de vista del consumo de los
recursos, la rehabilitación debería dirigirse a la
mejora de las condiciones de habitabilidad de las
edificaciones, incidiendo en todos aquellos aspectos
que confluyen para garantizar una mayor calidad de
vida para los usuarios. Además, la rehabilitación
ayudará a paliar la insostenibilidad siempre que
172
se prolongue la vida útil del edificio rehabilitado,
asegurando que durante su mantenimiento y uso no
prosiga el derroche energético inicial.
En este sentido, si se analiza el consumo de
energía a lo largo de la vida útil de una edificación,
la mayor parte del mismo deriva de su uso y es
especialmente importante cuando se combina
un uso intensivo de las instalaciones con una
envolvente térmica ineficiente desde el punto de
vista energético. Esto significa que cualquier medida
que se adopte sobre las edificaciones existentes, y
que se destine a reducir el consumo durante su
utilización (bien sea mediante el aprovechamiento
de las condiciones climáticas, limitando las
pérdidas de energía por la envolvente o mejorando
la eficiencia energética de las instalaciones),
conllevará una reducción significativa del uso de los
recursos asociados.
Por tanto, según este análisis podemos definir
tres prioridades en la rehabilitación de un edificio,
que ordenadas según la repercusión en la reducción
del consumo, son las siguientes (Vázquez, 2010):
- Disminuir el consumo durante el uso del
edificio.
- Aumentar la durabilidad, es decir prolongar la
vida útil.
- Disminuir los costes de fabricación y demolición.
Por otro lado, es preciso tener en cuenta que
el proceso edificatorio consta de diversas fases,
desde la extracción de las materias primas hasta
la demolición, y cada una de ellas lleva asociada
un consumo de recursos, tanto de energía como
de materiales. La formulación de este proceso
es compleja, pero se puede establecer, de forma
simplificada, una expresión que recoja la contabilidad
anual de los recursos asociados al alojamiento
(Vázquez, 2010) de la siguiente manera:
Fabricación
Vida útil
+ uso +
Demolición
Vida útil
(4.1.1)
Basándonos en esta expresión, se puede deducir
que cuanto mayor sea la vida útil del edificio la
repercusión de los costes de fabricación y demolición
en el total anual es menor. Asimismo, esto implica
que cuantos más años dure un edificio, mayor
repercusión tiene la energía consumida durante su
uso en la contabilidad energética anual.
La normativa técnica aplicable a nuestro país, en
relación a las condiciones de la edificación en lo
que se refiere al consumo de energía, es el Código
Técnico de la Edificación, que define como objetivo
en su Documento Básico relativo al ahorro energético
(CTE-DB-HE1): “conseguir un uso racional de la
energía necesaria para la utilización de los edificios,
reduciendo a límites sostenibles su consumo y
conseguir asimismo que una parte de este consumo
proceda de fuentes de energía renovable, como
consecuencia de las características de su proyecto,
construcción, uso y mantenimiento”
Por tanto, la disminución del consumo de
energía en un edificio se podrá alcanzar mediante
la adopción de las siguientes medidas:
Reducción de la demanda energética:
Según el CTE-DB-HE. Ahorro de Energía, la
demanda energética “es la energía necesaria para
mantener en el interior del edificio unas condiciones
de confort definidas reglamentariamente en función
del uso del edificio y de la zona climática en la
que se ubique” y para su cálculo hay que tener en
cuenta las necesidades tanto de calefacción como
de refrigeración.
Asimismo, en su artículo 15.1, referente a la
limitación de demanda energética, indica que:
“los edificios dispondrán de una envolvente de
características tales que limite adecuadamente
la demanda energética necesaria para alcanzar
el bienestar térmico en función del clima de la
localidad, del uso del edificio y del régimen de
173
verano y de invierno, así como por sus características
de aislamiento e inercia, permeabilidad del aire y
exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo
de aparición de humedades de condensación
superficiales e intersticiales que puedan perjudicar
sus características y tratando adecuadamente
los puentes térmicos para limitar las pérdidas o
ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos
en los mismos”.
Por tanto, la reducción de la demanda energética
debe estar asociada principalmente al uso del
edificio, y debe tener en cuenta la zona climática
donde se ubica el edificio, las características de su
envolvente térmica , la tipología edificatoria, el factor
de forma, las condiciones de inserción en la trama
urbana, orientaciones, empleo de sistemas pasivos,
etc.
Rendimiento de las instalaciones térmicas del CTEDB-HE. Además, desde la entrada en vigor de dicho
documento básico, en septiembre de 2006, es
obligatoria la contribución de energías renovables
para la producción de agua caliente sanitaria
(ACS) en edificios de nueva planta y rehabilitación
integral, especialmente mediante paneles solares,
cuyos requisitos quedan recogidos en el DBHE4 Contribución solar mínima de agua caliente
sanitaria. Asimismo, en el DB-HE5 Contribución
fotovoltaica mínima de energía eléctrica, se recogen
las exigencias para edificios fundamentalmente de
uso terciario. Y, complementariamente, las relativas a
la iluminación, que no son de aplicación en edificios
de uso residencial, quedan recogidas en el apartado
HE3 Eficiencia energética de las instalaciones de
iluminación.
La gestión energética:
Para el cálculo de la demanda energética se
consideran básicamente dos factores: la zona
climática y las condiciones de la envolvente térmica
de la edificación. Dado que, habitualmente, es difícil
cambiar el microclima desde acciones en la propia
edificación, la reducción de la demanda de energía
dependerá fundamentalmente de las características
de la envolvente térmica y de la capacidad de
aprovechar las condiciones climáticas favorables
mediante el diseño del edificio.
Mejora del rendimiento de las instalaciones y
el uso de energías renovables o residuales en la
producción energética y la reducción del consumo
de agua:
La eficiencia energética dependerá de la fuente
energética utilizada, del diseño y la distribución de
las instalaciones, del grado de centralización, del
control de la instalación, su potencia y rendimiento,
sistema de producción y/o emisión, materiales
utilizados, etc. Asimismo, es importante tener en
cuenta todos estos factores en función de la gestión
y uso del edificio, ya que puede suponer un ahorro
importante.
Las condiciones de eficiencia energética que
deben reunir las instalaciones según la normativa
técnica vigente se recogen en el apartado HE2
174
En la evaluación del consumo energético, otro de
los aspectos clave es el uso de la edificación, así como
los hábitos de consumo adquiridos por parte de los
usuarios, ya que pueden modificar sustancialmente
la eficiencia de los sistemas activos y pasivos y, por
tanto, el consumo de energía. El distinto modo de
actuar y/o una gestión adecuada que optimice los
intervalos y temporización de las instalaciones y
el control horario de las ventilaciones naturales y
las protecciones solares, puede suponer hasta un
40% de posibles ahorros en las necesidades de
climatización.
El Código Técnico de la Edificación define dos tipos de
envolventes:
«La envolvente térmica del edificio […] está compuesta por
todos los cerramientos que limitan espacios habitables
con el ambiente exterior (aire o terreno u otro edificio)
y por todas las particiones interiores que limitan los
espacios habitables con los espacios no habitables que a
su vez estén en contacto con el ambiente exterior».
«Envolvente edificatoria: Se compone de todos los
cerramientos del edificio»
Por tanto, la envolvente térmica del edificio es
fundamental para alcanzar una disminución de la
demanda energética y, en consecuencia, ahorro
energético. Las intervenciones que se efectúen
para su mejora son acciones muy eficaces para
disminuir el consumo durante el uso del edificio,
principalmente en climatización (calefacción y
refrigeración), independientemente de que también
se incorporen sistemas activos muy eficientes.
En este sentido, la vida útil de los elementos
constructivos suele ser como mínimo de unos 50
años, mientras que la de las instalaciones oscila
entre 10 a 20 años. Esto implica que toda inversión
en medidas para la mejora térmica de la envolvente
tiene mayor repercusión y eficacia en el tiempo.
4.1.2 CONFORT Y CONSUMO ENERGÉTICO
Habitualmente, cuando se habla de rehabilitación
con criterios de sostenibilidad, se utilizan parámetros
referentes a consumos, ahorros energéticos y
económicos, referidos a la amortización de las
actuaciones, obviándose en numerosas ocasiones
un factor fundamental, relacionado directamente
con el bienestar y la calidad de vida del usuario,
como lo es el confort.
En todas las definiciones que explican dicho
concepto se hace referencia a las sensaciones que
producen bienestar y satisfacción en el individuo en
un ambiente determinado:
- Según la Real Academia Española de la
lengua se define por confort: «Aquello que produce
bienestar y comodidades» (RAE: 2012).
-El ser humano vive inmerso en ambientes
diferentes y su capacidad de adaptación le permite
subsistir a los cambios, alcanzando el equilibrio
térmico: «El cuerpo humano se encuentra en las
mejores condiciones en un ambiente en el que
el gasto de energía sea mínimo y el esfuerzo de
adaptación que realice sea el menor posible»
(Fariña 2001).
La evaluación del confort térmico en el interior de
un edificio es una tarea compleja, para la que existen
diversos métodos, pues además de las variables
cuantificables que influyen directamente sobre esta
sensación, como son la temperatura y humedad
del aire, la velocidad del aire, la actividad física y el
arropamiento, existe una componente subjetiva, que
en muchos casos es función de las costumbres y
características metabólicas y físicas de las personas.
No obstante, lo que sí es cierto es que a través de
la intervención en la envolvente térmica del edificio
se podrán mejorar las condiciones higrotérmicas del
interior de la edificación, independientemente del
uso complementario de los sistemas activos para
poder alcanzar el confort.
En un estudio realizado en el año 2004 por el
Instituto Nacional de Estadística (INE), a partir
de los datos de consumo energético, se ponía de
manifiesto que el 50% de los hogares españoles no
disponen de sistemas de calefacción, así como que
el número de instalaciones eléctricas de refrigeración
en las viviendas había sufrido un incremento notable
entre el periodo 1991 y 2001.
- Según las normas de calidad, el confort térmico
«es una condición mental en la que se expresa la
satisfacción con el ambiente térmico» (ISO 7730).
- El Código Técnico de la Edificación, como se ha
mencionado anteriormente, utiliza la palabra confort
para establecer los objetivos de la reducción de la
demanda energética, también hace referencia en sus
objetivos al parámetro “bienestar térmico”, definido
como las «condiciones interiores de temperatura,
humedad y velocidad del aire establecidas
reglamentariamente que se considera que producen
una sensación de bienestar adecuada y suficiente a
sus ocupantes» (CTE DB HE1).
Figura 4.1.1. Edificio de construcción
tradicional en el Barrio de Hortaleza (Madrid).
175
Bajo esta circunstancia, si el ahorro y eficiencia
energética se mide en términos de consumo
energético se podría llegar a la paradoja de que, por
ejemplo, un edificio del siglo XIX, característico de
muchos centros históricos de ciudades españolas,
donde existe una envolvente muy poco eficiente en
términos energéticos y en el que habitualmente no
hay instalaciones de climatización, sea calificado de
muy eficiente porque apenas consume energía. Y ello
a pesar de que sus usuarios vivan en un ambiente
interior muy alejado de los parámetros básicos de
confort durante gran parte del año.
Otro factor de gran interés que puede llevar a
situaciones equívocas relacionadas con el confort
y consumo es la llamada “pobreza energética”. Este
concepto fue definido en Gran Bretaña en 1988 y
comprende a los consumidores que destinan más
del 10% de sus ingresos familiares a pagar las
facturas de energía de su vivienda, si destinan más
del 20% se denomina “pobreza energética severa”. A
pesar de que podría considerarse intrascendente, a
esta situación actualmente, en Europa, se enfrentan
unos 50 millones de personas.
Para el caso concreto de España, el informe
“Evaluación de la pobreza energética en Bélgica,
España, Francia, Italia y Reino Unido”, llevado a
cabo dentro del marco del proyecto Europeo EPEE
(European Fuel Poverty and Energy Efficiency) pone
de manifiesto datos muy reveladores:
«En el año 2005, de acuerdo con el sondeo
SILC , el 9%, es decir 1,36 millones de hogares,
contestaron que no podían hacer frente a los costes
para mantener su hogar en condiciones óptimas de
confort. El único sondeo comparativo a nivel nacional
fue el sondeo realizado sobre condiciones de vida de
los hogares llevado a cabo por el Instituto Nacional
de Estadística (www.ine.es) en el 2004. El sondeo
especificó que el 9% de los hogares españoles
había tenido dificultades para mantener su hogar a
temperatura óptima de confort» (UE, 2011)
«De acuerdo con el sondeo SILC, el 3,3 %, es
decir 0,5 millones de hogares contestaron que se
encontraban en deuda con las facturas de energía,
agua y gas de los últimos meses»
176
En este sentido, es muy probable que se hayan
agravado significativamente desde 2004 las
condiciones recogidas en dicho informe, teniendo
en cuenta la situación actual de crisis económica
de nuestro el país. Y ello implicaría un considerable
aumento del porcentaje de hogares españoles que
no pueden hacer frente a las facturas de energía
y que, por tanto, no alcanzan las condiciones de
confort adecuadas. Por ello, se reafirma el papel
relevante de la rehabilitación de la envolvente
térmica del edificio frente al resto de actuaciones,
pues un buen diseño de los sistemas constructivos
que la caracterizan reduce, e incluso, en algunas
zonas climáticas, elimina el consumo energético
y, con ello, el gasto correspondiente a la energía
consumida en climatización a lo largo del año.
4.1.3 La caracterización de la envolvente
térmica
Como se ha indicado anteriormente, la
envolvente térmica tiene un papel fundamental en
la demanda energética para la climatización de las
edificaciones.
Para conocer sus características en edificaciones
existentes es preciso tener en cuenta algunas
cuestiones que, a su vez, permitirán establecer
actuaciones que alcancen un elevado grado de
eficiencia de las soluciones de rehabilitación:
la época de construcción, los materiales y
sistemas constructivos y el tipo edificatorio. Estas
características están ligadas a su vez a los siguientes
parámetros:
Normativa de aplicación:
Si no se dispone de datos sobre la composición
de la envolvente, se puede obtener información de
la misma a partir de las normativas de aplicación
en el momento de la redacción del proyecto o de la
ejecución de la obra.
La primera legislación, de aplicación general,
encaminada a la consecución de ahorro energético fue
el Real Decreto 1490/1975, adoptado como medida
frente a los problemas derivados del encarecimiento de
la energía tras la crisis del año 1973. Posteriormente
se transpondría a la Norma Básica de la Edificación
relativa a Condiciones Térmicas: NBE-CT-79, de
obligado cumplimiento a partir de 1979, y que fue
mantenida hasta el año 2006.
A partir de septiembre de 2006 es de aplicación
el actual Código Técnico de la Edificación, en su
documento básico de Ahorro de Energía CTE-DB
HE1.
Sólo las viviendas anteriores a 1975, acogidas
a algún tipo de protección oficial, debían tener en
cuenta un reglamento técnico en el que se limitaba la
TRANSMITANCIA
(W/m²K)
Viviendas
protegidas
1939
Viviendas
protegidas
1969
NBE-CT 79
CTE-DB HE1
transmitancia de ciertos elementos de la envolvente
térmica (muros y cubiertas fundamentalmente).
Estas normas técnicas se inician en 1939 y se
fueron sucediendo hasta el año 1975.
En la Tabla 4.1.1 se recoge la evolución de los
límites de transmitancia mínimos y máximos exigidos
por los distintos reglamentos y para la totalidad de
las áreas climáticas de España. En ella se incluyen
normativas de viviendas protegidas previas a la
entrada en vigor de la NBE-CT-79 (una del año 1939
y la otra de 1969). A modo de referencia también se
incluyen los valores mínimos exigidos actualmente
en el CTE.
En contacto con ambiente exterior
MuroCubierta Suelo
En contacto con espacio no habitable
Vidrio y MuroCubierta Suelo
marco Vidrio y
marco
Máximo
2,00
exigido
2,90
-
-
-
2,90
-
-
Mínimo
1,62
exigido
1,62
-
-
-
2,00
-
-
Máximo
1,85
exigido
2,00
-
-
-
2,00
-
-
Mínimo
1,39
exigido
1,39
-
-
-
1,85
-
-
Máximo
1,80
exigido
1,40
1,00
-
2,00
1,40
1,40
-
Mínimo
1,20
exigido
0,70
0,70
-
1,60
1,20
1,20
-
Máximo
0,94
exigido
0,50
0,53
5,70
1,22
0,65
0,69
5,70
Mínimo
0,57
exigido
0,35
0,48
1,90
0,74
0,46
0,62
3,10
Tabla 4.1.1. Evolución de los límites de transmitancia según diferentes normativas y reglamentos
técnicos (Fuente: Elaboración propia a partir de las normativas indicadas).
177
Si se relaciona dicha tabla con la época de construcción de las edificaciones, según los datos del Censo
de Población y Vivienda de 2001 (INE, 2001), las construcciones históricas y/o artísticas, así como la mayor
parte de las viviendas construidas en las dos décadas del desarrollismo (años 60 y 70) presentan unas
elevadas transmitancias térmicas. Del mismo modo, se desprende que el 71% de los edificios existentes
destinados a vivienda son ineficientes en términos energéticos.
4.000.000
3.500.000
3.000.000
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
1991-2001
1981-1990
1971-1980
1961-1970
1951-1960
1941-1950
1921-1940
1900-1920
0
Antes de 1900
500.000
Figura 4.1.2. Número de viviendas según el periodo de construcción
(Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del Censo de Viviendas 2001 (Instituto Nacional de
Estadística, Enero de 2012)).
Materiales y sistemas constructivos:
El comportamiento de la envolvente varía en
función del tipo de materiales que la conforman,
tanto por su naturaleza (metales, cerámicos,
pétreos, plásticos y materiales compuestos) como
por sus propiedades específicas derivadas, como la
densidad aparente, conductividad térmica y el calor
específico, entre otras.
Además, es preciso distinguir los materiales en
función de su proceso de fabricación: artesanal
o industrializado, y de las temperaturas a las que
tiene lugar.
Por otro lado, las condiciones económicas y
sociales asociadas a cada periodo, como por
ejemplo la disponibilidad de materiales o la forma
de construcción, influyen directamente en la
caracterización de la envolvente térmica.
178
Hasta la industrialización, los sistemas
constructivos que se utilizaban se basaban en
materiales baratos y poco elaborados, y llevaban
mucha mano de obra asociada a su puesta en
obra. Esta forma de construcción prácticamente ha
desaparecido por su elevado coste económico.
La aparición de nuevos materiales, durante la
segunda mitad del s. XX, ha posibilitado el desarrollo
de otros sistemas constructivos. Por ejemplo, los
avances en materiales bituminosos y plásticos
determinaron el uso extendido de la cubierta plana, y
actualmente son numerosos los materiales aislantes
que permiten realizar o mejorar cerramientos
con menor espesor, pero eficaces desde el punto
de vista térmico. Su incorporación al proceso
constructivo propició edificios más ligeros y menos
masivos que los existentes en épocas anteriores,
y en los que se distinguía claramente estructura y
cerramiento. Esto posibilitó también el incremento
del número de plantas de las construcciones y de
su superficie útil. Sin embargo este modelo implica
escasa inercia térmica en los cerramientos de los
edificios. En España, con climas con importantes
oscilaciones térmicas en muchas zonas, este tipo
de construcción no optimiza la relación del edificio
con su entorno en términos energéticos.
Tipología edificatoria:
Este parámetro está asociado en gran medida
a la época de construcción. Por ejemplo, muchos
edificios de periferias urbanas españolas tienen
estructura vista, lo que implica la existencia de
puentes térmicos en el cerramiento. Por el contario,
en edificaciones tradicionales de los centros de
ciudades españolas, la estructura suele ser de
madera, por lo que los puentes térmicos pueden
considerarse despreciables debido a la reducida
conductividad térmica de este material.
Figura 4.1.4. Termografía de un muro medianero
de un edificio tradicional del centro de Madrid.
Figura 4.1.3. Muro medianero de un
edificio tradicional del centro de Madrid.
179
8,1 C
7,3 C
6,5 C
5,7 C
4,9 C
4,1 C
3,3 C
2,5 C
1,7 C
0,9 C
0,1 C
Figura 4.1.5. Termografía y fotografía de un edificio de viviendas en Valladolid, en donde se aprecian los
puentes térmicos en fachada provocados por la estructura (Fotos: EnergyLab, 2011).
19,1 C
18,3 C
17,5 C
16,7 C
15,9 C
15,1 C
13,5 C
12,7 C
11,9 C
11,1 C
Figura 4.1.6. Termografía y fotografía de un edificio de viviendas en Valladolid, en donde se aprecian los
puentes térmicos en fachada provocados por la estructura (Fotos: EnergyLab, 2011).
En el comportamiento térmico de la envolvente
también resulta fundamental las características de
los huecos, tanto el diseño de éstos, en cuanto a
orientación, dimensiones y protecciones, como a
los elementos que los componen, como tipo de
acristalamiento y los materiales de carpintería.
La disposición de los huecos también suele estar
relacionada con el periodo de construcción y la
tipología arquitectónica.Por ejemplo,la diferenciación
entre estructura y cerramiento de ciertos sistemas
constructivos modernos y la incorporación de
los sistemas de climatización permitieron en su
momento aumentar la superficie acristalada frente
a las construcciones tradicionales.
180
Como se ha visto, las variables que pueden
ayudar a caracterizar la envolvente de una edificación
son muy diversas y por ello, de cara a una posible
actuación para la mejora del comportamiento
energético, es necesario hacer un análisis específico
y pormenorizado, no siendo posible generalizar
absolutamente su comportamiento térmico en función
de la época de construcción u otras simplificaciones.
Junto a las descritas anteriormente, también hay
que tener en cuenta la compacidad, la orientación
y la configuración urbana, que determinan las
posibilidades y necesidades de utilizar o protegerse
de las condiciones climáticas y que son cuestiones
de difícil valoración de una forma unificada.
Para abordar esta complejidad, el arquitecto,
por su conocimiento integral de la edificación, que
incluye aspectos técnicos y energéticos y, además,
los ligados al uso del edificio, el confort, el diseño
arquitectónico y urbano, es un técnico muy adecuado
para coordinar e intervenir en estas cuestiones. Para
ello sería preciso tener en cuenta que la arquitectura
es un “medio de transformación y cualificación de
la energía” y por ello es posible “hacer emerger los
recursos energéticos y económicos desperdiciados
en procesos deficientes de interacción y
transformación de la energía en el urbanismo y la
edificación” (Pereda, 2011)
4.1.4 La mejora de la envolvente térmica
Como conclusión, puede establecerse que las
estrategias de mejora de la envolvente en una
edificación existente han de ser valoradas en función
de todas las variables descritas y de su relación
con el medio próximo. Las medidas de tipo pasivo,
como es la mejora de la capacidad aislante del
cerramiento, aunque pueden suponer una mayor
inversión inicial, tienen un periodo de amortización
más largo que medidas destinadas a sustituir los
aparatos de climatización, y se rentabilizan tanto más
cuanto mayor sea la severidad del clima en invierno y
el precio del combustible empleado, y por supuesto
cuanto peor sea la situación inicial del inmueble.
En la Tabla 4.1.2 se muestra un resumen de los
posibles ahorros en la demanda energética a través
de la envolvente térmica de algunos tipos genéricos
de edificaciones después de una actuación
de rehabilitación energética que contempla
transmitancias menores a las exigidas en el actual
DB-HE1.
Tipo de Edificio de Viviendas
Ahorro %
Edificios del centro de Madrid
Anterior a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Caso real
Anterior a NBE-CT-79 (caso más desfavorable)
Anterior a NBE-CT-79 (Protección Oficial)
Edificios de la periferia de Madrid
Entre medianeras
Anterior a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Anterior a NBE-CT-79 (caso más desfavorable)
Anterior a NBE-CT-79 (Protección Oficial)
En esquina
Anterior a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Anterior a NBE-CT-79 (caso más desfavorable)
Anterior a NBE-CT-79 (Protección Oficial)
Torre (7 plantas)
Anterior a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Anterior a NBE-CT-79 (caso más desfavorable)
Anterior a NBE-CT-79 (Protección Oficial)
60,04
36,92
41,64
69,00
56,85
61,14
40,02
69,34
53,09
61,21
40,16
69,51
53,03
59,70
40,85
69,41
50,24
Tabla 4.1.2. Porcentaje de reducción de demanda en diversos tipos de edificios por mejora de la
envolvente térmica para cumplir las exigencias del CTE DB-HE1 (Fuente: Estudio de casos reales
extraída de Luxán, 2008).
181
Estos datos se han obtenido para el estudio de casos reales en el municipio de Madrid, aunque son
extrapolables a numerosas localidades españolas. De estos datos se desprende que la mejora de la
eficiencia energética de los edificios que se encuentren en peores condiciones revierte en un efecto mayor
en términos de ahorro energético, con costes idénticos o similares.
8.000
Pérdidas edificio sin rehabilitar
Pérdidas edificio adaptado a CTE-HE1
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
Peor caso ant. a
NBE-CT-79
Caso medio ant. a
NBE-CT-79
Protección oficial
ant. a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Figura 4.1.7. Cuantificación de la mejora del comportamiento térmico de la envolvente para un edificio
en torre de la periferia de Madrid.
En la Figura 4.1.7, puede observarse que las pérdidas pueden reducirse entre el 35-70%, así como que
el sistema constructivo de mayor repercusión de la envolvente son los muros de fachada (Figura 4.1.8). De
forma que, para el caso de un edificio de torre construido antes de la NBE-CT-79, actuando sólo en aquéllos
se alcanzan ahorros del 70% sobre el total posible.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Peor caso ant. a
NBE-CT-79
Caso medio ant. a
NBE-CT-79
Protección oficial
ant. a NBE-CT-79
NBE-CT-79
Suelo
Cubierta
Huecos
Muros
Figura 4.1.8. Distribución de ahorros por elementos para un edificio en torre de la periferia de Madrid.
182
Teniendo en cuenta estos datos es recomendable que las intervenciones sobre la envolvente térmica
contemplen mejoras superiores a los valores exigidos actualmente en el Código Técnico de la Edificación
(CTE DB-HE1). El motivo es que esto implica un pequeño incremento en la inversión y supone una importante
reducción de la demanda de energía. En la tabla 4.1.3 se pueden apreciar las diferencias de reducción de
pérdidas en relación al coste de inversión de colocación de un aislamiento por el exterior en distintos tipos
de edificios, con características diferentes.
Tipo de vivienda
UM
UMlim Espesor Sistema
Actual Exigido Aislam. Aislam.
(W/m2K) (W/m2K) (cm)
(€/m2)
Increm
coste
(%)
Ahorro Increm.
Pérdidas Ahorro
(%)
(%)
Viviendas peores de la periferia
2,80
0,66
5
76,20
3 %
76,43
70,00
Viviendas medias de la periferia
y anteriores al año 1979
1,90
0,66
4
75,10
1 %
66,66
48,00
Viviendas de Protección Oficial
y anteriores al año 1979
1,40*
0,66
3
74,00
0
52,90
18,00
Viviendas que cumplan la
NBE-CT-79
1,20*
0,66
3
74,00
0
45,00
0,00
Viviendas que cumplan el
CTE-DB-HE1 (a partir del año 2007)
0,66*
0,66
-
-
-
-
-
Tabla 4.1.3. Cuadro comparativo de relación de incremento de coste y reducción de pérdidas
mediante la incorporación de aislamiento en muros.
No obstante, teniendo en cuenta que las
previsiones de cambio climático para España
estimadas por diversos estudios de la Agencia
Española de Meteorología indican un incremento
considerable de las temperaturas, habrá que tener
en cuenta que las condiciones en verano a largo
plazo serán más cálidas y buscar estrategias para
evitar el sobrecalentamiento, creando elementos
adecuados y eficaces para la protección solar
en verano, que además pueden tener una gran
repercusión no sólo en la actualidad, sino también
en el futuro.
Otra cuestión que puede también tener
relevancia es la elección de acabados exteriores de
color claro en los materiales, como es el caso de la
cubierta, que tiene mayor exposición solar y menor
repercusión sobre edificios colindantes. A modo de
ejemplo, en una trama urbana con una temperatura
exterior de 36 ºC, un tejado de teja cerámica clara
alcanzaría una temperatura de 38 ºC. Con la misma
teja, pero de color marrón, alcanzaría los 48 ºC
y si la teja fuera negra llegaría a 76 ºC, con una
influencia inmediata en las condiciones de los
espacios inferiores y sus necesidades de confort.
Si a esto se añade que el número de aparatos
de aire acondicionado se está incrementando
continuamente,
instalándose
cada
año
aproximadamente en un 2% de las viviendas
españolas existentes. Esto se puede atribuir no
sólo a la búsqueda de una imagen de prestigio,
sino también a que las normativas basadas sólo
en mejoras para calefacción no tienen en cuenta
el sobrecalentamiento en verano y priman los
aislamientos, sin valorar también la masa térmica
de las construcciones.
Por eso, complementariamente al análisis
de las transmitancias térmicas de los sistemas
constructivos que caracterizan la envolvente de
un edificio determinado, se ha de tener en cuenta
183
la conveniencia o no de buscar inercia térmica
en la construcción. Como hemos indicado, en los
climas más habituales en España, con elevadas
oscilaciones térmicas entre el día y la noche y las
estaciones del año, en edificaciones con un uso
permanente, disponer de sistemas de acumulación
térmica pasivos, puede suponer importantes ahorros
energéticos. Por ejemplo, en aquéllos casos en los
que sea conveniente el empleo de inercia térmica,
es conveniente aislar los edificios por el exterior de
tal forma que la masa térmica útil de los sistemas
constructivos en contacto directo con los espacios
habitables sea mayor y éstos participen en la mayor
estabilidad térmica de la construcción.
En resumen, todas las medidas destinadas a la
mejora de la capacidad térmica de la envolvente de
los edificios deben adecuarse a cada caso concreto
y tener en cuenta no sólo los aspectos técnicos
señalados, sino otras cuestiones como el nivel de
protección de la construcción, el impacto acústico,
la posibilidad de colocar andamios para la ejecución
de las obras o la accesibilidad y, además, otros más
subjetivos, como la modificación de la estética de
los edificios o la calidad urbana resultantes de los
espacios rehabilitados.
184
185
4.2
Diana Blanco, Javier Martínez y
Juan Rodríguez
Área de Edificación de EnergyLab
4.2
SISTEMAS EFICIENTES DE DISTRIBUCIÓN TÉRMICA
4.2.1. INTRODUCCIÓN
La climatización de edificios, entendiéndose como
tal la producción de calefacción y/o refrigeración
para el mantenimiento de unos estándares mínimos
de confort para los usuarios en su interior, comprende
un amplio rango de consideraciones a tener en
cuenta de cara a su optimización energética global.
En primer lugar, es de especial importancia un
cálculo minucioso y estricto de las cargas térmicas
y de la demanda energética del edificio en cuestión,
dimensionando el sistema generador térmico en base
a criterios energéticos y de acumulación térmica y no
en base a criterios de las máximas potencias térmicas
demandadas en momentos puntuales a lo largo del
año, que generen ineficiencias del sistema durante
la mayor parte de sus horas de funcionamiento
186
anuales por sobredimensionamiento de los equipos.
Para ello, será necesario realizar dicho análisis de
demandas térmicas en base a un conocimiento
profundo del comportamiento térmico del edifico y
de sus inercias térmicas, el cual, en muchos casos,
implica la necesaria utilización de herramientas
informáticas de simulación energética.
Así, la demanda energética de calor y/o frío
dependerá, entre otros factores, de la tipología de
edificio y de sus elementos constructivos, de su uso,
del número de usuarios y su actividad, de las cargas
térmicas internas generadas y de las ganancias
térmicas por incidencia solar, de los niveles de
ventilación requeridos y de su ubicación y, por tanto,
de la zona climática en la que se encuentre.
En cuanto a este último factor, el Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico (DB)
de Ahorro de Energía (HE), concretamente en el de Limitación de la Demanda Energética (HE1), Apéndice
D, establece 12 zonas climáticas en España en función de la severidad climática en invierno (A, B, C, D
y E, siendo A las zonas de clima menos frío) y en verano (1, 2, 3 y 4, siendo 1 las zonas de clima menos
cálido).
La Coruña
Pontevedra
Asturias
Lugo
Cantabria Vizcaya
Guipúzcua
Álava
León
MAPA NACIONAL DE
ZONAS CLIMÁTICAS
Navarra
Palencia Burgos
La Rioja
Orense
Zamora
Salamanca
Huesca
Girona
Lleida
Barcelona
Soria
Valladolid
Segovia
Zaragoza
Tarragona
Guadalajara
Teruel
Madrid
Castellón
Cuenca
Toledo
Cáceres
Mallorca
Valencia
Ciudad Real
Albacete
Badajoz
Alicante
Córdoba
Jaén
Murcia
Huelva
Sevilla
Málaga
La Palma
Lanzarote
Sta. C. de Tenerife
Granada Almería
Menorca
Ibiza
Formentera
A4
A3
B4
B3
C4
C3
C2
C1
D3
D2
D1
E1
Cádiz
Gomera
Hierro
Gran Canaria
Figura 4.2.1. Zonas climáticas en España de
acuerdo con el DB HE1 del CTE.
En segundo lugar, la selección del equipo de
generación de calor y/o frío es otro factor esencial,
siendo necesario seleccionar equipos generadores
eficientes y fiables. Entre ellos, se encuentran
aquellos que son capaces de trabajar a bajas
temperaturas de impulsión en modo calefacción,
puesto que consiguen ahorros de energía notables
respecto a los convencionales que trabajan a alta
temperatura. En la actualidad, existen diversas
tecnologías asociadas a equipos generadores
térmicos eficientes, de forma que su elección final
deberá estar basada en estrictos análisis técnicoeconómicos del proyecto global que permitan evaluar
las inversiones necesarias de uno u otro sistema y
obtener los períodos de retorno de aquellos que
supongan una mayor inversión inicial respecto al
resto de opciones, de forma que exista la máxima
información posible para la toma de decisiones.
diseño y parámetros de operación, en cuanto
a temperaturas de trabajo se refiere, permitan
obtener los mayores rendimientos o coeficientes de
prestaciones de los equipos de generación de calor
y/o frío a los que se conecten. La descripción de
estos sistemas y su importancia en la rehabilitación
de edificios se detallará a lo largo del presente
capítulo.
En tercer lugar, debe tenerse en cuenta la
instalación de sistemas emisores térmicos cuyo
Los sistemas de distribución térmica son los
elementos encargados de transmitir el calor o el frío
Por último, y completando la concepción global
de un sistema térmico eficiente, debe prestarse
especial atención a una adecuada regulación y
control de la instalación, que permita gestionar de
forma eficiente y optimizada el sistema térmico en
su totalidad garantizando el confort de los usuarios.
4.2.2 Sistemas de distribución térmica
187
a los espacios habitados con el objetivo de ofrecer
el máximo confort térmico a los usuarios.
Los radiadores convencionales son,principalmente,
de hierro fundido, los cuales tienen una mayor inercia,
o de aluminio, los cuales se calientan más rápido que
Tal y como se comentó anteriormente, tan los de hierro fundido pero también se enfrían antes.
importante es la selección de un equipo eficiente En general, deben instalarse en la pared más fría
de generación de energía térmica como la selección (bajo ventana) con el fin de obtener una temperatura
de un sistema de distribución térmica acorde con uniforme en todo el local.
el mismo. Es decir, la optimización global del
sistema de climatización se basa en la optimización
Generalmente, trabajan con temperaturas de
individual de sus componentes y en la adecuada impulsión elevadas (60-80ºC), lo cual impide su
combinación y gestión de los mismos.
conexión a generadores térmicos eficientes, como
puede ser la bomba de calor (en cualquiera de
A continuación, se describen los principales sus variantes: aerotérmica, geotérmica,…), la cual
sistemas de distribución de energía térmica.
obtiene sus mayores prestaciones, en modo calor,
a bajas temperaturas de impulsión (35-45ºC), pero
pudiendo operar hasta unas temperaturas máximas
4.2.2.1 RADIADORES
del orden de los 60-65ºC.
Los radiadores son emisores térmicos formados
No obstante, están disponibles en el mercado
por elementos térmicos unidos entre sí, cuya radiadores de baja temperatura o termoconvectores,
capacidad calorífica viene determinada por el que se dimensionan para unas temperaturas
número de elementos que constituye cada radiador. habituales de trabajo de entre 45-50ºC, y cuya
principal diferencia respecto a los radiadores
Estos elementos transmiten el calor mediante convencionales es que disponen de una mayor
convección y radiación. Es decir, el calor es, por una superficie de intercambio en, aproximadamente, el
parte, radiado por la superficie exterior del radiador, mismo espacio que ocupa un radiador convencional.
y, por otra, el aire caliente circula por la estancia Esto los hace muy interesantes en rehabilitaciones
a calefactar mediante un proceso de convección, integrales de instalaciones térmicas en el proceso
siendo, el proceso convectivo, el de mayor influencia de sustitución de los radiadores existentes de alta
en el proceso de transmisión térmica.
temperatura.
Transmisión de calor por convección (90%)
Figura 4.2.2. Transmisión de calor de los
radiadores por convección y por radiación.
188
Transmisión de calor por radiación (10%)
Figura 4.2.3. Sustitución de un radiador convencional por un radiador de baja temperatura sin carcasa
exterior al integrarse en mobiliario existente (Fuente: EnergyLab).
Figura 4.2.4.
Sustitución de un
radiador convencional
por un radiador de
baja temperatura con
carcasa exterior
(Fuente: EnergyLab).
4.2.2.2 Fancoils
4.2.2.3 SUELO RADIANTE
Un fancoil consiste en una batería de intercambio
agua-aire y un electro-ventilador. El aire de la
habitación es forzado a atravesar el intercambiador
de calor agua-aire, se enfría o calienta y se inyecta
de nuevo a la habitación.
Por suelo radiante se pueden encontrar dos
sistemas; por un lado, el suelo radiante eléctrico,
compuesto por cables eléctricos calefactores
instalados bajo el suelo y, por otro, el suelo radiante
por agua, en los cuales el agua es bombeada a
través de una red de tuberías instaladas, también,
En función de su ubicación se pueden encontrar bajo el suelo.
fancoils de suelo, de pared o de techo.
Mientras que el suelo radiante eléctrico es tanto
un sistema de distribución de energía térmica
como de generación, el sistema de suelo radiante
por agua es un sistema únicamente de distribución
Figura 4.2.5.
propiamente dicho.
Fancoil de techo.
Un sistema de suelo radiante por agua consiste en
una red de tuberías distribuidas uniformemente bajo
En modo calefacción, las temperaturas habituales el suelo por las cuales circula agua, consiguiéndose
de trabajo de este tipo de unidades terminales en el local a acondicionar un ambiente a una
oscilan entre 45-55ºC, mientras que en refrigeración temperatura homogénea y confortable. La normativa
son del orden de los 7-10ºC.
específica que determina la emisión térmica de
este tipo de sistemas, su dimensionamiento y los
requisitos a tener en cuenta en su instalación es la
Norma UNE-EN 1264.
189
El suelo radiante por agua se compone de los
siguientes elementos:
- Placa aislante: Con el fin de aislar el suelo del
forjado, reduciendo las pérdidas por la parte inferior
del sistema.
- Tubería: Para la distribución del agua de
calefacción o refrescamiento (generalmente, de
PEX).
- Banda perimetral: Con el fin de establecer un
aislamiento lateral.
- Colector: Permite la distribución del caudal
general de agua para cada uno de los circuitos
que conforman el sistema de suelo radiante. Están
equipados con sistemas de control como cabezales
electrotérmicos, caudalímetros para la regulación del
caudal de cada uno de los circuitos, purgadores, etc.
- Sistema de control: Formado por termostatos y
una centralita de control que permiten la adecuada
gestión del sistema en cuanto a satisfacer las
demandas térmicas por cada zona, adecuar
las temperaturas de impulsión a las demandas
existentes, etc.
Revestimiento
Mortero
Banda perimetral
Tubo
Film de polietileno
Panel aislante con tetones
Figura 4.2.6. Estructura del suelo radiante (Fuente: Orkli).
Figura 4.2.7. Colector de suelo radiante de 5
circuitos (Fuente: EnergyLab).
En cuanto a las formas de distribución de
la tubería, en el diseño de un sistema por suelo
radiante, uno de los primeros análisis que deben
hacerse es la forma en la que se distribuirá la tubería
en el suelo de la estancia a acondicionar, teniendo
en cuenta que debe cubrir toda la superficie de la
misma para que el reparto térmico resulte lo más
uniforme posible. Las formas de distribución del
suelo radiante más habitualmente empleadas
son en espiral, en serpentín sencillo y en doble
serpentín.
190
En modo calefacción, las temperaturas habituales
de trabajo de un suelo radiante son de entre 3540ºC, con saltos térmicos entre impulsión y retorno
no superiores a los 5-7ºC para mantener una
temperatura media en la superficie del suelo lo más
homogénea posible. En cuanto a la refrigeración
por suelo radiante, no puede decirse que pueda
proporcionarse una refrigeración como tal, sino que
más bien será un “refrescamiento” del ambiente, ya
que las temperaturas de impulsión en este modo de
operación del sistema están limitadas por el punto
de rocío correspondiente, no debiéndose impulsar
el agua de refrescamiento por debajo de 16-18ºC.
4.2.2.4 Otras superficies radiantes
Además del suelo radiante, debe tenerse en
cuenta que se pueden encontrar en el mercado
otras aplicaciones mediante superficies radiantes
con el mismo principio de operación como son los
techos, paredes o incluso zócalos radiantes.
En cuanto a los sistemas radiantes por techo, su
aplicación más habitual es para refrigeración ya que,
aunque siguen siendo de aplicación unos valores
límites de la temperatura de impulsión debidos al
límite de temperatura superficial marcado por el
punto de rocío, el sistema de refrigeración más eficaz
será aquel proporcionado desde las partes altas de
las estancias. No obstante, y para climatización de
grandes volúmenes (suelen ser sistemas mediante
impulsión de aire), se aplican con éxito tanto para
calefacción como para refrigeración.
4.2.2.5 Sistemas de atemperación
El principal objetivo de este tipo de sistemas
se basa en la idea de aprovechar la capacidad
acumuladora del propio edificio como sistema de
inercia para compensar las pérdidas (en invierno) y
ganancias térmicas (en verano).
Su principio se basa, por tanto, en el
aprovechamiento de la masa acumuladora de los
elementos de la construcción. De esta forma, el
agua de atemperación (que circula a temperaturas
de entre 19ºC y 25 ºC) fluye a través de los
elementos de hormigón macizo, obteniéndose en
cierta medida un efecto tampón tan grande como
el propio edificio, que permite reducir la demanda
energética de climatización.
En la Figura 4.2.8, se muestran unas referencias
en cuanto a los requerimientos térmicos para la
atemperación en núcleos de hormigón.
Ámbitos de aplicación de los techos fríos / calientes y atemperación de núcleo de hormigón
140
Potencia (W/m2)
120
100
80
60
40
20
0
Calentar
Techo frío / caliente (placas de metal)
Techo frío / caliente (placas de yeso)
Refrigerar
Atemperación de núcleo de hormigón, hacia abajo
Atemperación de núcleo de hormigón, hacia arriba
Figura 4.2.8. Ámbito de aplicación de los techos fríos/calientes y atemperación de núcleo de hormigón
(Fuente: Geoter Zent-Frenger).
191
4.2.3 La distribución óptima de
temperaturas
Existe una distribución ideal de la temperatura
en un local que se considera la óptima en relación
al confort proporcionado al usuario. Esto se puede
observar en la Figura 4.2.9, en la que se aprecia
como la calefacción ideal sería aquella en la que
la mayor temperatura se obtiene a la altura de los
pies, disminuyendo ligeramente a la altura de los
tobillos y manteniéndose constante hasta la cabeza.
A partir de ahí, la temperatura se reduce en la zona
más cercana al techo del local, donde realmente
no es necesaria una temperatura de confort para
satisfacer al usuario.
Así, se observa cómo la curva de la calefacción
por suelo radiante es la que más se asemeja a la
ideal, cumpliéndose con el objetivo de confort de
“pies calientes y cabeza fría”. No obstante, esto sólo
se cumple en el caso de calefacción, ya que para
el caso de refrigeración por superficies radiantes, lo
ideal sería refrigerar desde el techo para obtener la
óptima distribución de temperaturas en verano.
CURVAS DE TEMPERATURA
SEGÚN EL TIPO DE CALEFACCIÓN UTILIZADA
Calefacción ideal
ALTURA
DEL TECHO
Calefacción por suelo radiante
ALTURA
DEL TECHO
SUELO
SUELO
16 18 20 22 24 26 28 30
Calefacción por radiador en
pared exterior
ALTURA
DEL TECHO
16 18 20 22 24 26 28 30
Calefacción por techo
ALTURA
DEL TECHO
SUELO
SUELO
16 18 20 22 24 26 28 30
Calefacción por radiador en
pared interior
16 18 20 22 24 26 28 30
Calefacción por aire caliente
ALTURA
DEL TECHO
ALTURA
DEL TECHO
SUELO
SUELO
16 18 20 22 24 26 28 30
16 18 20 22 24 26 28 30
Figura 4.2.9. Distribución de la temperatura en función de los diferentes
sistemas de distribución térmica (Fuente: Orkli).
192
Por el contrario, otros sistemas de distribución como los sistemas de distribución por radiadores, por aire
caliente o por techo, se alejan considerablemente de la distribución óptima de temperaturas, siendo las
temperaturas del suelo inferiores a las del techo, lo que provoca una acumulación de calor precisamente
donde menos se necesita, traduciéndose en un malestar para el usuario y en una ineficiencia energética.
Además, con el suelo radiante se logra una uniformidad en la dispersión de calor en el local allí donde
se necesita, que no se logra con otro tipo de emisores de calor, tal y como se puede observar en la Figura
4.2.10.
Techo
18ºC
Techo
26ºC
Suelo
24ºC
Suelo
18ºC
Figura 4.2.10. Diferencia entre la dispersión de calor con suelo radiante (izquierda)
y con radiadores (derecha) (Fuente: Soltermia Energies Renovables).
4.2.4 Comparativa entre los diferentes sistemas de distribución térmica.
Ventajas e inconvenientes.
Como ya se ha comentado anteriormente, es
de especial importancia seleccionar un sistema
de distribución adecuado al sistema generador,
para la obtención de los mayores rendimientos o
coeficientes de prestaciones de este último y para
garantizar el confort de los usuarios. Para ello, es
necesario conocer las condiciones de trabajo y los
ahorros que pueden llegar a obtenerse instalando
un sistema más eficiente, así como las ventajas e
inconvenientes de cada uno.
Puesto que los tres sistemas de distribución
de energía más ampliamente utilizados son los
radiadores, los fancoils y el suelo radiante por agua,
este apartado se centrará en dichos sistemas. En relación a los radiadores convencionales,
es necesario tener en cuenta que la temperatura
media del agua de impulsión se encuentra entre
60-80ºC, lo cual los hace inapropiados para su uso
con equipos generadores eficientes que trabajen a
baja temperatura como por ejemplo las bombas de
calor aerotérmicas o geotérmicas. El hecho de que
trabajen con elevada temperatura se traduce en
unas mayores pérdidas energéticas.
En este sentido, los radiadores de baja
temperatura trabajan con temperaturas de impulsión
de entre 45ºC-50ºC, por lo que resultan mucho
más eficientes que los convencionales, pudiendo
llegar a alcanzar importantes ahorros energéticos en
combinación con sistemas eficientes de generación
térmica.
Entre las ventajas generales de los radiadores,
se tiene que ofrecen una rápida regulación y son
fáciles de instalar, mantener y controlar. Además, es
necesario resaltar el bajo coste de la instalación en
relación con otros sistemas de distribución.
Las principales aplicaciones de los radiadores se
dan en viviendas y oficinas.
193
Los fancoils, por su parte, son un sistema de
distribución de calor que trabaja con menores
temperaturas de impulsión para calefacción, en torno
a 45-55ºC. Al mismo tiempo, las temperaturas de
impulsión de refrigeración se sitúan entre 7-10ºC.
Entre sus principales ventajas se encuentran, por
tanto, que permiten modos de operación en calor
a temperaturas inferiores a las de los radiadores
convencionales y que ofrecen la posibilidad tanto
de calefacción como de refrigeración del local en un
mismo equipo.
Sin embargo, el uso de fancoils produce
desplazamientos de aire y polvo que pueden resultar
perjudiciales para las personas que padezcan de
alergias o incluso para aquellas que sean asmáticas.
Este tipo de equipos son además, en general,
bastante ruidosos.
Por todo lo anterior, suelen utilizarse en
climatización de superficies de grandes dimensiones,
como por ejemplo hoteles, oficinas, colegios,
residencias, comercios, etc., aunque también se
pueden encontrar para climatización en viviendas.
El suelo radiante, como se comentó anteriormente,
es el sistema de distribución ideal desde el punto
de vista de la transmisión de calor, puesto que es el
sistema que mayor confort proporciona al usuario y
el que distribuye el calor de manera más uniforme.
Además, al no haber movimientos de aire, como
el caso de los fancoils, y al calentar los materiales
y objetos del local por radiación, no se pierde la
humedad natural del aire ambiente.
El suelo radiante por agua es el sistema de
distribución de baja temperatura por excelencia,
ya que por los tubos se hace circular agua entre
35ºC y 40ºC, manteniendo la superficie del suelo
entre 20 y 28ºC para mantener una temperatura
ambiente de confort entre 18ºC y 22ºC.
24,4 C
23,2 C
22,0 C
20,8 C
19,6 C
18,4 C
17,2 C
16,0 C
14,8 C
13,6 C
13,6 C
12,4 C
Figura 4.2.11. Termografía de un suelo radiante en funcionamiento en un edificio de oficinas en Vigo
(Pontevedra), obtenida en Marzo de 2012 con 7ºC de temperatura exterior y 19,5ºC de temperatura
interior, en la que puede apreciarse la homogeneidad de las temperaturas de la superficie del suelo (entre
22 y 24ºC) y como las partes más frías se limitan a los marcos de las superficies acristaladas
(Fuente: EnergyLab).
194
Además, el suelo radiante permite la posibilidad
de refrescamiento en caso de que sea necesario,
haciendo pasar por los tubos agua a una temperatura
que oscila entre los 16ºC y los 18ºC. Esto permite
que la temperatura de la estancia se refrigere
aportando una sensación de bienestar al usuario.
Evidentemente, la solución ideal desde el
punto de vista energético y de confort, sería contar
con dos superficies radiantes: suelo radiante
para proporcionar calor y techo radiante para
refrescamiento en verano.
Es necesario tomar conciencia del importante
ahorro energético que se obtiene mediante este
sistema de distribución, ya que mientras que con
sistemas tradicionales se quema un combustible
a 800ºC, para calentar agua a 70-80ºC y lograr
mantener la casa a 20ºC, con el suelo radiante
se calienta agua a 35-40ºC para mantenerla a la
misma temperatura.
Aunque lo ideal es la combinación del suelo
radiante con equipos que generan calor a baja
temperatura, como las bombas de calor, o mediante
sistemas de captación de energía solar, como
los captadores de energía solar térmica, el suelo
radiante también es de aplicación con combustible
fósiles (calderas de condensación, calderas de baja
temperatura,…), aunque ello implique la pérdida, en
cierta medida, de la eficiencia global del sistema.
Además, es necesario tener en cuenta que el suelo
radiante puede combinarse con, prácticamente,
cualquier tipo de revestimiento de suelo. Aunque,
dependiendo del mismo, será necesario impulsar el
agua a una u otra temperatura para la obtención
de una misma temperatura superficial y un mismo
aporte energético. Por ejemplo, haciendo una
comparativa entre algunos de los revestimientos
más utilizados y tomando como referencia un tipo
de suelo cerámico, se tiene que:
1,2-1,5 cm: temperatura de impulsión necesaria
un 15-20% mayor respecto al revestimiento de
referencia.
- Revestimiento de madera de espesor entre
2,0-2,2 cm: temperatura de impulsión necesaria
un 40-45% mayor respecto al revestimiento de
referencia.
Es decir, que para un revestimiento cerámico
como el descrito, en el que para satisfacer una
determinada demanda energética y obtener una
determinada temperatura superficial del suelo sea
necesaria una temperatura de impulsión de 35ºC,
será requerida una temperatura de impulsión de
entre 40-42ºC con revestimiento de parquet y una
temperatura de impulsión de entre 49-51ºC con
revestimiento de madera.
Se tiene entonces que, aunque su aplicación
es posible con prácticamente todo tipo de suelos,
en términos energéticos, será tanto mejor cuanto
menor sea la temperatura de impulsión del agua.
Otra ventaja que influye de manera decisiva en
estancias en las que prima la estética, es el hecho
de que éstas quedan libres de aparatos que la
condicionen, como pueden ser los radiadores o los
fancoils.
Además, el aislamiento termoacústico inferior
que se incluye en toda instalación de este tipo,
impide que se propague el calor y los ruidos a través
de la superficie situada por debajo del solado,
proporcionando una mayor calidad a la vivienda.
- Revestimiento cerámico de 1 cm de espesor:
se tomará como referencia para la temperatura de
impulsión.
Es necesario tener presente, que el sistema de
calefacción por suelo radiante, tiene una mayor
inercia térmica que los sistemas convencionales,
puesto que antes de llegar a emitir calor a la estancia,
debe calentar toda la masa del suelo. Es por ello, por
lo que debe combinarse con un adecuado sistema
de regulación y control que permita anticipar su
marcha o paro a las necesidades térmicas concretas
de los locales a calefactar.
- Revestimiento de parquet de espesor entre
Entre sus inconvenientes están su mayor coste
195
respecto al resto de sistemas de distribución
térmica convencionales y que, desde el punto de
vista de la rehabilitación de instalaciones, supone
una elevación del suelo existente reduciendo la
altura de las estancias (aunque existen soluciones
de suelo radiante para rehabilitación, que cuentan
generalmente con una altura de instalación más
baja y bajo peso), lo cual dificulta su implantación
en edificios ya existentes, al requerir el levantamiento
del solado. Además, y como todo sistema de alta
inercia térmica, no resulta indicado para viviendas
o edificios de uso ocasional en los que exista la
necesidad de acondicionar rápidamente los locales
o estancias.
Para justificar lo anterior es necesario, en primer
lugar, definir el grado de confort. El grado de confort
que se puede alcanzar dentro de un medio con
cerramientos depende tanto de la temperatura
interior del aire, como de la temperatura media de
los cerramientos, a la altura de una persona; por
ello, se define como temperatura seca resultante (o
temperatura operativa) a la temperatura media entre
la temperatura de las paredes y la del ambiente, es
decir:
T p + Ta
Tsr =
2
(4.1.1)
Siendo:
Las aplicaciones del suelo radiante abarcan un
amplio abanico de posibilidades de implantación:
viviendas, hospitales, oficinas guarderías, complejos
deportivos, etc. Además de en el sector terciario
y residencial, el suelo radiante también tiene
aplicación en el sector industrial y al aire libre, como
sistema antihielo en parkings o zonas peatonales,
como calefacción en granjas o campos de fútbol,
etc.
4.2.5 Justificación de ahorro energético
con suelo radiante
Las causas por las que se logra una reducción del
consumo energético mediante el empleo de suelo
radiante frente a otros sistemas convencionales, son
las que a continuación se enumeran:
Uniformidad de temperaturas
Puesto que el foco de calor es toda la superficie
del suelo, la energía térmica se encuentra
uniformemente repartida de manera que se elimina
la necesidad de que existan emisores térmicos
muy calientes, para que las zonas alejadas a
dichos emisores se encuentren a la temperatura de
confort.
De esta forma, los sistemas de suelo radiante,
hacen que sea posible reducir la temperatura
ambiente en un valor aproximado de 2ºC,
manteniendo las condiciones de confort.
196
- Tsr: Temperatura seca resultante o temperatura
operativa.
- Tp: Temperatura de las paredes.
- Ta: Temperatura interior del aire.
Dependiendo, por tanto, el confort de esta
temperatura operativa, ésta se puede lograr bajando
la temperatura del aire interior a base de aumentar
la de los paramentos, o viceversa.
Por ejemplo, si en una habitación, se tienen los
paramentos de cierre de la misma a una temperatura
de 17ºC y el aire ambiental a 21ºC, la temperatura
operativa resultante será: (17+21)/2 = 19ºC, que
proporcionaría la misma sensación térmica que si
se incrementase la temperatura de los paramentos
a 20ºC y se redujese la del ambiente a 18ºC, ya
que la temperatura operativa resultante sería la
misma: (20+18)/2 = 19ºC.
Por ello, con una calefacción radiante, se consigue
reducir la temperatura del aire, a valores del orden
de los 18ºC, con lo que se experimenta la agradable
sensación de una respiración con aire más fresco,
sin perder el grado de confort, ya que la temperatura
de los paramentos es mayor. Obteniendo un confort
térmico uniforme con menores temperaturas
ambiente que con otros sistemas convencionales y,
por lo tanto, con un consumo energético también
menor.
Disminución de pérdidas en conducciones
generales
Mediante las tuberías generales se distribuye
el agua de climatización desde los sistemas
generadores térmicos hasta las unidades o sistemas
terminales. Debido a la diferencia de temperatura
existente entre el agua de distribución y el ambiente
que rodea a las tuberías a través de las cuales
circula, existe una transferencia de calor desde el
agua al ambiente, cuando ésta se encuentra a una
temperatura mayor (modo calefacción), y desde el
ambiente al agua, cuando ésta se encuentra a una
temperatura inferior (modo refrigeración); siendo,
todos estos intercambios térmicos una fuente de
pérdidas de energía y cuyo valor estará en función
de la diferencia térmica existente entre ambos.
Así, y comparando un sistema de calefacción
por suelo radiante (35-40ºC) frente a un sistema
convencional de radiadores de alta temperatura
(70-80ºC), existirá una diferencia de entre 3545ºC entre una temperatura de impulsión y otra,
lo que redundará en unas menores pérdidas
en conducciones generales en el sistema de
suelo radiante frente al de radiadores de alta
temperatura.
Pérdidas de calor por techo
De acuerdo con las figuras 4.2.9 y 4.2.10, las
temperaturas al nivel del techo entre un sistema
de calefacción por suelo radiante y un sistema
convencional a alta temperatura, pueden variar
hasta entre 10ºC y 12ºC.
Teniendo en cuenta estas diferencias y que una
parte importante de las pérdidas energéticas se
producen a través de los techos, las pérdidas de
calor por techo en un sistema de calefacción por
suelo radiante pueden llegar a reducirse en un 50%
respecto a otros sistemas convencionales.
Reducción de las pérdidas por renovaciones de
aire e infiltraciones
Este aspecto está directamente relacionado con
la capacidad de los sistemas por suelo radiante
de proporcionar la misma sensación térmica a los
usuarios con temperaturas ambiente del orden de
2ºC inferiores respecto a otros sistemas no basados
en superficies radiantes.
Estas pérdidas, se corresponden con el calor que
es necesario aportar al local o estancia a calefactar
para elevar la temperatura del aire exterior que se
introduce para la renovación del aire interior o que
se infiltra a través de puertas y ventanas, y que,
mediante el empleo de sistemas por suelo radiante,
pueden reducirse en un orden de un 10%.
Considerando los factores analizados, e
incluyendo la capacidad de autorregulación de los
sistemas por suelo radiante, puede cuantificarse en
un orden de un 15% el ahorro energético que supone
la utilización de este tipo de sistemas frente a otros
sistemas de distribución térmica convencionales. A
lo que habría que añadir el mayor grado de confort
de los usuarios.
Ampliando la comparativa e incluyendo la
parte de los equipos de generación térmica, la
combinación de sistemas radiantes con sistemas
de generación térmica eficientes y renovables,
puede suponer unos ahorros energéticos mucho
más elevados.
4.2.6 Los sistemas de distribución térmica
en la rehabilitación. Conclusiones
El empleo de un sistema u otro de distribución
térmica va a depender de varios factores, como
son:
- El presupuesto para acometer la inversión, el
cual acotará numerosos factores de la rehabilitación
del edificio.
- El estado del edificio, puesto que de ello
va a depender en gran medida el tipo de sistema
de distribución a instalar. Por ejemplo, puede no
resultar factible la implantación de suelo radiante
en un edificio en el que únicamente se rehabiliten
huecos y fachada, pero sí lo sería si la rehabilitación
se centrase en los suelos del edificio (soleras, etc.).
197
- El sistema generador de energía para
climatización. En función del tipo de sistema
generador de energía deberá implementarse un
sistema de distribución acorde a la obtención
de los máximos rendimientos o coeficientes de
prestaciones del primero. Por ejemplo, el empleo de
bombas de calor debería ir de la mano de sistemas
de distribución que no requieran de temperaturas
extremas: ni elevadas en modo calefacción, ni muy
bajas en modo refrigeración.
- Las necesidades del edificio. En función de
las necesidades de calefacción y/o refrigeración
que tenga el edificio según la zona climática en la
que esté ubicado.
198
- La importancia de los aspectos estéticos
del edificio a rehabilitar, jugando un papel muy
importante los sistemas por superficie radiante,
puesto que no limitan las posibilidades de
decoración, evitándose los elementos emisores a
la vista.
- El uso del edificio. Es muy importante discernir
entre los diferentes usos que se le van a dar al
edificio a rehabilitar, teniendo en cuenta aspectos
de ocupación (permanente u ocasional), de
limitación de ruidos (bibliotecas, museos o centros
de trabajo), etc.
199
4.3
JOSÉ IGNACIO URRACA PIÑEIRO
Ingeniero Industrial Asesor de ANFALUM
ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE FABRICANTES DE ILUMINACIÓN
4.3
EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ILUMINACIÓN Y OTROS CONSUMOS ELÉCTRICOS
En lo que respecta a la eficiencia energética en iluminación y otros consumos eléctricos, así como en lo
relativo a sus sistemas de regulación y control, se expone, previamente, la normativa a considerar.
4.3.1. Normativa general aplicable
En primer término, cronológicamente debe
contemplarse la Ley 38/1999, de 5 de Noviembre,
de Ordenación de la Edificación que de acuerdo
con su artículo 1, tiene por objeto regular en sus
aspectos esenciales el proceso de la edificación.
Independientemente, hay que considerar la
Directiva 2002/91/CE, de 16 de diciembre de
2002, cuya finalidad es fomentar la eficiencia
energética de los edificios.
Con la entrada en vigor del Código Técnico de
la Edificación, en adelante CTE, aprobado por Real
Decreto 314/2006, de 17 de marzo, se pretende
200
dar cumplimiento a la Ley de Ordenación de la
Edificación y a la Directiva 2002/91/CE, limitando
la demanda energética de los edificios.
Posteriormente, mediante Real Decreto
47/2007, de 19 de enero, se aprueba el
procedimiento básico para la certificación de
la eficiencia energética en edificios de nueva
construcción, que constituye la transposición de
la Directiva 2002/91/CE. Es de señalar que la
Directiva 2010/31/UE, de 19 de mayo, es una
refundición en lo concerniente a la eficiencia
energética de los edificios, que sustituye a la
Directiva 2002/91/CE.
La Directiva 2009/125/CE, de 21 de Octubre,
que deroga la Directiva 2005/32/CE establece
los requisitos de diseño ecológico aplicables a los
productos que utilizan energía, cuya implementación
tanto de la Directiva derogada como de la vigente se
lleva a cabo merced a la reglamentación siguiente:
• Reglamento (CE) nº 244/2009, de 18 de
marzo, relativo a los requisitos de diseño ecológico
para lámparas de uso doméstico no direccionales.
• Reglamento (CE) nº 245/2009, de 18 de marzo,
modificado por el Reglamento (CE) nº 347/2010,
de 21 de Abril, relativo a los requisitos de diseño
ecológico para lámparas fluorescentes sin balastos
integrados, para lámparas de descarga de alta
intensidad y para balastos y luminarias que puedan
funcionar con dichas lámparas.
Otras regulaciones europeas a tener en cuenta
son la Directiva 2006/32/CE, de 5 de abril, sobre
la eficiencia de uso final de la energía y los servicios
energéticos, así como la Directiva 2010/30/UE, de
19 de Mayo, referente a la indicación del consumo de
energía y otros recursos por parte de los productos
relacionados con la energía, mediante el etiquetado
y una información normalizada.
4.3.2. Rehabilitación de edificios
La Ley 38/1999, de 5 de noviembre, de
Ordenación de la Edificación en su artículo 2,
determina el ámbito de aplicación al proceso de
edificación en función del uso principal, teniendo
la consideración de edificación, además de las de
nueva construcción, las obras de rehabilitación que
se correspondan a “obras mayores” tanto las que
afectan a la totalidad de la edificación existente
como las que tengan intervención parcial, siempre
que produzcan una variación en:
• Las que tengan por objeto cambiar los usos
característicos del edificio.
Por otra parte, las “obras menores” de
rehabilitación pueden definirse como aquellas de
sencillez técnica, escasa entidad constructiva y
económica, que no alteran el volumen ni afecten
a la estructura, diseño exterior y condiciones de
habitabilidad o seguridad del inmueble.
Se destaca que, el apartado 3 del artículo 2 de la
referida Ley de Ordenación de la Edificación (LOE),
dispone que se consideran comprendidas en la
edificación, no solamente las instalaciones fijas y el
equipamiento propio, sino también los elementos de
urbanización que permanezcan adscritos al edificio.
El CTE constituye un instrumento normativo que
fija las exigencias básicas de calidad de los edificios
y sus instalaciones.
El CTE se aplica a las obras de edificación de nueva
construcción, excepto a aquellas construcciones de
sencillez técnica y de escasa entidad constructiva,
e igualmente resulta de aplicación a las obras de
ampliación, modificación, reforma o rehabilitación
que se ejecuten en edificios existentes, siempre
y cuando dichas obras sean compatibles con la
naturaleza de la intervención y, en su caso, con el
grado de protección que puedan tener los edificios
afectados.
Se entiende por obras de rehabilitación aquellas
que tienen como finalidad actuaciones tendentes a
lograr alguno de los siguientes resultados:
• La adecuación estructural.
• El acondicionamiento funcional, o realización
de las obras que proporcionen al edificio mejores
condiciones respecto de los requisitos básicos a los
que se refiere el CTE.
• La composición general exterior.
• La volumetría.
• El conjunto del sistema estructural.
• La remodelación de un edificio con viviendas
cuya finalidad sea modificar la superficie destinada
a vivienda o cambiar el número de éstas, o la
remodelación de un edificio sin viviendas que tenga
por finalidad crearlas.
201
El contenido del CTE se ordena en dos partes:
la primera que contiene las disposiciones y
condiciones generales de aplicación del CTE y las
exigencias fundamentales que deben cumplir los
edificios; y la segunda, que está constituida por los
denominados Documentos Básicos, en adelante
DB, para el cumplimiento de las prescripciones
esenciales del CTE.
Los DB contienen:
• La caracterización de las exigencias básicas y
su cuantificación.
• Unos procedimientos cuya utilización acredite
el cumplimiento de aquellos requerimientos
primordiales, concretamente en forma de métodos
de verificación o soluciones sancionadas por la
práctica.
Como complemento de los DB de carácter
reglamentario, incluidos en el CTE, se encuentran los
Documentos Reconocidos del CTE, definidos como
documentos técnicos sin carácter reglamentario que
podrán contener: especificaciones y guías técnicas o
códigos de buenas prácticas, métodos de evaluación
y soluciones constructivas, comentarios sobre la
aplicación del CTE, o cualquier otro documento que
facilite su aplicación.
El artículo 15 del CTE establece las exigencias
básicas de ahorro de energía (HE), cuyo objetivo
consiste en conseguir un uso racional de la energía
necesaria para la utilización de los edificios,
reduciendo a límites sostenibles su consumo.
Para satisfacer esta finalidad, los edificios se
proyectarán, construirán, utilizarán y mantendrán
de manera que se cumplan las estipulaciones
fundamentales determinadas en el CTE.
El Documento Básico “DB-HE Ahorro de Energía”
especifica parámetros objetivos y procedimientos
cuyo cumplimiento asegura la satisfacción de las
referidas exigencias básicas, así como la superación
de los niveles mínimos de calidad.
En lo que atañe a la prescripción esencial HE
202
3, correspondiente a la eficiencia energética de
las instalaciones de iluminación, el citado artículo
15 del CTE determina que los edificios dispondrán
de instalaciones de iluminación adecuadas a las
necesidades de sus usuarios y, a la vez, eficaces
energéticamente.
A tales efectos contarán con un sistema de
control que permita ajustar el encendido a la
ocupación real de la zona, así como de un sistema
de regulación que optimice el aprovechamiento
de la luz natural, en los sectores que reúnan unas
determinadas condiciones.
4.3.3. Eficiencia energética en las
instalaciones de iluminación
En la Unión Europea la proporción que
representa la iluminación dentro del consumo total
de electricidad varía considerablemente en función
del tipo de edificio: puede llegar al 50% en el caso
de los edificios de oficinas, a un 20-30% en el de
hospitales, a un 15% en el de las industrias, a un
10-15% en el de las escuelas y a un 10-12% en el
de los edificios residenciales.
El ámbito de aplicación de la exigencia básica HE
3, además de los edificios de nueva construcción y la
reforma de locales comerciales y de edificios de uso
administrativo en los que se renueve la instalación
de iluminación, comprende la rehabilitación de
edificios existentes con una superficie útil superior a
1.000 m2, donde se transforme más del 25% de la
superficie a iluminar.
Por otra parte, se excluye del ámbito de aplicación
del requisito fundamental HE 3, lo siguiente:
• Edificios y monumentos con valor histórico o
arquitectónico reconocido, cuando el cumplimiento
de las exigencias de esta sección pudiesen alterar
de manera inaceptable su carácter o aspecto.
• Construcciones provisionales con un plazo
previsto de utilización igual o inferior a 2 años.
• Instalaciones industriales, talleres y edificios
agrícolas no residenciales.
• Débil eficacia luminosa (11 a 9 lm/W).
• Edificios independientes con una superficie útil
total inferior a 50 m2.
• Baja duración de vida (1.000 horas).
• Gran sensibilidad a las variaciones de tensión.
• Interiores de viviendas.
• Excelente rendimiento de color (Ra = 100).
• Alumbrado de emergencia.
4.3.3.1 Componentes de la instalación de
alumbrado
Los componentes de una instalación de
alumbrado a los que se va a aplicar un sistema
de gestión de iluminación son las fuentes de luz
(lámparas y LED), balastos, transformadores y
luminarias.
4.3.3.1.1 Fuentes de Luz
Se deben distinguir las lámparas incandescentes
que comprenden las estándar y las halógenas, las
lámparas de descarga entre las que están incluidas
las de mercurio a baja presión (tubos fluorescentes
y fluocompactas), lámparas de alta intensidad de
descarga tales como las de vapor de mercurio a
alta presión, de vapor de mercurio con halogenuros
metálicos, vapor de sodio a alta presión y, por
último, los LED.
Lámparas incandescentes: Lámparas cuya
emisión luminosa se produce por calentamiento de
una resistencia metálica (filamento de wolframio)
al paso de una corriente eléctrica a su través
hasta alcanzar la temperatura de incandescencia,
en cuyo momento emite, entre otras formas de
radiación, radiación visible. La proporción de la
energía irradiada supone aproximadamente un
89% de energía térmica y un 19% de energía en
el espectro visible. El funcionamiento responde al
mecanismo de termorradiación y se regula del 1 al
100% mediante dimmers. Comprenden tanto las
incandescentes estándar cómo las halógenas.
Las incandescentes estándar presentan las
siguientes características:
Las lámparas incandescentes halógenas son de
las mismas características que las incandescentes
estándar, pero en las que a la mezcla de gases
contenida en el interior de la ampolla se le incorpora
un compuesto halogenado (principalmente bromuro
de metileno), produciéndose el denominado ciclo
halógeno que incrementa la vida y la eficacia
luminosa, al disminuir las pérdidas térmicas,
aumentando el flujo luminoso. Por tanto, las lámparas
halógenas son más eficientes energéticamente que
las incandescentes estándar.
La utilización de las lámparas halógenas, a
pesar de su bajo rendimiento energético o eficacia
respecto a las lámparas de descarga, se debe a las
características peculiares de su luz brillante, a su
excelente reproducción cromática, a su pequeño
tamaño, buenas características de precisión
fotométrica y a su amplia gama.
Además, ésta es una lámpara regulable en
cuanto a su flujo luminoso mediante reguladores de
fase (dimmers) del 1 al 100%
Las lámparas incandescentes halógenas tienen
las siguientes características:
• Baja eficacia luminosa (25-30 lm/ W).
• Débil duración de vida (2.000-4.000 horas).
• Excelente rendimiento de color (Ra = 100).
Lámparas de descarga: Son las fuentes de luz
que utilizan la emisión luminiscente producida como
consecuencia de una descarga en una columna
gaseosa, siendo los gases más empleados los
vapores de mercurio y sodio. El funcionamiento se
basa en el proceso de electrorradiación, salvo en los
fluorescentes que el proceso es de fotorradiación.
203
Debido a la sensibilidad de las lámparas de
alta intensidad de descarga (vapor de mercurio
a alta presión, halogenuros metálicos y vapor
de sodio a alta presión) a la disminución de su
tensión de extinción, son difícilmente regulables,
aun cuando algunos balastos electrónicos permiten
su regulación desde un 35 a un 100% del flujo
luminoso, que corresponde a un 40 a 100% de la
potencia eléctrica consumida.
Los principales tipos de lámparas de descarga
empleados en iluminación de interiores en edificios
son:
• Lámparas de mercurio a baja presión (tubos
fluorescentes):
Son lámparas de forma generalmente tubular,
rectilíneas o curvilíneas de vidrio, con un conductor
metálico en cada extremo denominado electrodo. El
tubo recubierto interiormente por polvo fluorescente
está lleno de gas inerte y vapor de mercurio a baja
presión.
Como consecuencia de la descarga eléctrica en
atmósfera de vapor de mercurio a baja presión, la
emisión de radiación ultravioleta excita las sustancias
luminiscentes del delgado revestimiento de polvo
fluorescente, que transforma dicha radiación invisible
en otras longitudes de onda visibles.
Son lámparas de eficacia luminosa relativamente
alta (entre 60 y 100 lm/W), elevado rendimiento de
color (Ra entre 75 y 98) y larga duración de vida,
superior a las 12.000 horas.
Dentro del ámbito de las lámparas fluorescentes
existen dos subtipos perfectamente diferenciados:
las tubulares estándar y las denominadas lámparas
fluorescentes compactas, de menor tamaño,
formadas por tubos fluorescentes más cortos,
doblados o conectados entre sí, que forman
conjuntos de varias unidades.
De entre las múltiples variedades de lámparas
fluorescentes tubulares o lineales, a las que han
dado lugar sucesivos desarrollos, es preciso destacar
las lámparas denominadas T5 y T8, que permiten la
204
obtención de reproducciones cromáticas excelentes
y que tienen una eficacia luminosa superior a 100
lm/w y son regulables del 1-3 al 100% mediantes
balastos electrónicos.
Estas lámparas, al poder funcionar con
balastos electrónicos de alta frecuencia, permiten
la regulación del flujo luminoso y de la potencia
eléctrica, lo que las hace muy adecuadas para el
aprovechamiento de la luz natural.
En cuanto a las lámparas fluorescentes
compactas, su eficacia luminosa es 5 veces superior
a las de incandescencia y presenta formas diversas.
Las lámparas fluocompactas son regulables del
3-10 al 100% mediante balastos electrónicos.
• Lámparas de vapor de mercurio a alta
presión:
Al contrario que otras lámparas de descarga, no
precisan de un arrancador para iniciar la descarga,
pero como las lámparas fluorescentes, son sensibles
a las bajas temperaturas.
Aun cuando en estas lámparas la emisión por
descarga proporciona mayor radiación visible y menor
ultravioleta, tienen una baja eficacia luminosa,
del orden de 60 lm/w, y una mala reproducción
cromática (Ra = 60, como máximo) y elevada vida
media de 15.000 horas.
Son regulables tan sólo hasta un entorno
de un 50% de su flujo luminoso y un 60% de su
consumo eléctrico. El modo de regularlos actual
en las instalaciones de alumbrado exterior es con
balastos inductivos de doble nivel o con reguladores
estabilizadores en cabecera de línea, por lo que
su empleo no es excesivamente recomendable
en dicho alumbrado ni en la iluminación interior,
teniendo en cuenta que en virtud de lo dispuesto
en el Reglamento (CE) nº 245/2009, y su posterior
modificación por el Reglamento (CE) nº 347/2010,
estas lámparas deberán retirarse del mercado en el
año 2015.
• Lámparas de vapor de mercurio con
halogenuros metálicos:
Estas lámparas son similares estructuralmente
a las de vapor de mercurio a alta presión, pero
funcionalmente son muy distintas: a la atmosfera
gaseosa de mercurio que llena el tubo de descarga
(que puede ser de cuarzo, como en la antigua
generación, o de cerámica como en la nueva), se le
añaden distintos aditivos en forma de halogenuros
de tierras raras (talio, indio, escandio, disprosio,
etc.). Estos aditivos son los que realmente definen
la distribución espectral de la emisión luminosa.
Las lámparas de vapor de mercurio con
halogenuros metálicos necesitan de un balasto para
regular la corriente, y un arrancador para provocar
la descarga. Pero, además, tienen un efecto muy
peculiar y es el de que dada la elevada temperatura
que se alcanza en el tubo de descarga, precisan de
al menos 10 minutos para que, en caso de corte
de suministro eléctrico durante su funcionamiento
puedan volver a reencender.
Sus ventajas más importantes son: alta eficacia
luminosa (aprox. 90-100 lm/w), reducción de la
radiación térmica y, por tanto, menos necesidad
de evacuación del calor; excelente reproducción
cromática (Ra > 90) y larga duración de vida (9.000
horas).
Estas lámparas son regulables en su flujo y
potencia eléctrica consumida, mediante balastos
electrónicos de alta frecuencia.
• Lámparas de sodio a alta presión:
Estas lámparas llevan además vapor de sodio a
alta presión en el tubo de descarga y son las de
mayor eficacia luminosa (90-140 lm/w), pero al
ser su índice de reproducción cromática muy bajo
(Ra < 40) apenas se suelen emplear en alumbrado
interior.
Para su funcionamiento requieren la instalación
de balasto, condensador y arrancador.
LED y equipo auxiliar (driver): El LED (Light
Emitting Diode) es un diodo compuesto por
la superposición de varias capas de material
semiconductor que emite luz en una o más longitudes
de onda cuando es polarizado adecuadamente.
Para la alimentación eléctrica de los LED existe
un equipo auxiliar (driver) que mediante técnicas de
modulación de la anchura de impulso (PWM) con
un sistema de mando por BUS, permite una gestión
total de la regulación del flujo luminoso emitido por
el LED.
El módulo LED es un sistema que comprende
varios LED individuales montados sobre un
circuito impreso con la posibilidad de incluir otros
dispositivos, como disipadores térmicos, sistemas
ópticos o fuentes de alimentación (drivers) que
modifican las características y especificaciones del
fabricante del LED individual.
La luminaria para LED está constituida por
módulos LED o múltiples LED, cuya correcta
orientación en la luminaria, unido al desarrollo de
un idóneo sistema óptico para dirigir la luz, permite
conseguir fotometrías adecuadas para cada
aplicación.
Las fuentes de luz basadas en la tecnología
LED, equipos auxiliares (drivers), las luminarias
y proyectores, tendrán que cumplir la normativa
siguiente:
• UNE-EN 55015 de 2006. Límites y métodos
de medida de las características relativas a la
perturbación radioeléctrica de los equipos de
iluminación y similares.
• UNE-EN 60598. Luminarias.
• UNE-EN 60838-2-2. Requerimientos para
conectores para módulos LED.
•
UNE-EN
61000-3-2.
Compatibilidad
electromagnética (CEM). Límites para las emisiones
de corriente armónica.
•
UNE-EN
61000-3-3.
Compatibilidad
electromagnética (CEM). Limitaciones de las
variaciones, fluctuaciones de tensión y flicker en las
redes públicas de suministro de baja tensión.
205
• UNE-EN 61347-2-13. Requisitos particulares
para dispositivos de control electrónicos alimentados
en corriente continua ó corriente alterna para
módulos LED.
Relativa a la aproximación de las legislaciones de
los estados miembros sobre el material eléctrico
destinado a utilizarse con determinados límites de
tensión.
• UNE-EN 61547. Equipos para alumbrado de
uso general. Requisitos de inmunidad CEM.
• Publicación CIE nº. 127 de 2007. Medida de
los LED.
• UNE-EN 62031. Seguridad de los módulos
LED.
• Publicación CIE nº 177 de 2007. Rendimiento
de color de fuentes de luz blanca de LED.
• UNE-EN 62384. Requisitos de funcionamiento
para dispositivos de control electrónicos alimentados
en corriente continua o corriente alterna para
módulos LED.
En cuanto a los requisitos exigibles a las
luminarias para LED:
• UNE-EN 62471 de 2009. Seguridad fotobiológica
de lámparas y aparatos que utilizan lámparas.
• UNE-EN 62560. Seguridad en lámparas LED.
• IEC-62612. Lámparas LED para iluminación
general. Requisitos de rendimiento.
• IEC-62717. Módulos LED para iluminación
general. Requisitos de rendimiento.
• IEC-62722. Luminarias LED para iluminación
general. Requisitos de rendimiento.
• UNE-EN 62031. Seguridad de los módulos
LED.
• Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el
que se aprueba el Reglamento Electrotécnico para
Baja Tensión.
• Directiva de Compatibilidad Electromagnética
2004/108/CEE. Relativa a la aproximación de las
legislaciones de los estados miembros en materia
de compatibilidad electromagnética y por la que se
deroga la directiva 89/336/CE.
• Real Decreto 208/2005, de 25 de febrero,
sobre aparatos eléctricos y electrónicos y la gestión
de sus residuos al final de su vida útil.
• Directiva de Baja Tensión
206
2006/95/CEE.
• Se dispondrá de la fotometría (matriz de
intensidades luminosas y curvas fotométricas).
• Se detallará el sistema óptico.
• Respecto al rendimiento y vida de la luminaria,
se cumplirá que para una duración de 50.000
horas el flujo luminoso no descienda por debajo del
85% del flujo inicial, con una tasa máxima de fallo
de LED de un 10% a la temperatura ambiente de
funcionamiento de 25º C, es decir, L85 B10 50.000
horas tq = 25º C.
• Se concretará la potencia nominal y el consumo
total del sistema de la luminaria para LED, incluido
el equipo auxiliar (driver).
• La eficacia luminosa del conjunto de la luminaria
para LED deberá ser en todos los casos superior a
70 lm/w.
• La temperatura de color del sistema de LED
en la luminaria oscilará entre 2700 K y 5800 K.
Deberán justificarse temperaturas de color fuera de
dicho intervalo.
• El índice de reproducción cromática IRC será
como mínimo Ra> 70.
• Cada luminaria para LED dispondrá de un
sistema capaz de gestionar de forma independiente
el flujo luminoso emitido, reduciéndolo como mínimo
un 20% del valor nominal.
• La intensidad aplicada al sistema LED de la
luminaria estará comprendida entre 350 y 550
mA, pudiéndose aplicar intensidades superiores,
siempre que se justifique un flujo superior emitido
por la luminaria y se garantice la vida útil del sistema
de LED en la luminaria, para cuya determinación
se tendrá en cuenta la vida útil de los equipos
auxiliares (drivers).
• Se especificarán las características de la luminaria
para LED, respecto al grado de estanqueidad, al
material del cuerpo y protector, sistema de cierre y
demás características que definan su calidad.
• Se aportarán los datos correspondientes sobre
la depreciación del flujo luminoso en el transcurso
de la vida de la luminaria.
En todo caso, el fabricante original de la luminaria
diseñada para lámpara de descarga de alta
intensidad y después adaptada o modificada para
LED por un tercero, quedará eximido de cualquier
responsabilidad.
Estipulaciones aplicables a los equipos
auxiliares para LED
Considerando que los LED se alimentan con
una fuente de corriente continua y que tienen un
comportamiento no óhmico, no aumentando la
tensión al aumentar la corriente, para la alimentación
eléctrica de los LED se incorpora una fuente de
alimentación denominada “driver” y dos métodos
fundamentales de gestión para variar el flujo de los
LED:
• Regulación continua
Los ensayos y certificados que correspondan,
deberán emitirse por Laboratorio acreditado por
ENAC o entidad internacional equivalente.
Adaptación de luminarias convencionales a
luminarias para LED
Siendo posible la adaptación o modificación de
luminarias fabricadas para lámparas de descarga
a luminarias para LED, al tratarse de tecnologías
diferentes, se recomienda que las luminarias
para LED sean de nuevo diseño específico para
dicha fuente de luz, aun cuando si se cumplen
las correspondientes prescripciones, resultara
admisible la referida modificación o adaptación de
luminarias.
No obstante, el autor de dicha adaptación
o modificación, que estará en posesión de las
certificaciones de las normas ISO 9001 e ISO
14001, deberá realizar de nuevo el marcado CE,
con la correspondiente declaración de conformidad
según las normas UNE-EN 66514-91 y EN 45014 a
las Directivas de Compatibilidad Electromagnética
2004/108/CE y de Baja Tensión 2006/95/
CE, cumplimentando así mismo la legislación
y normativa que se deriva de dichas Directivas
y del Real Decreto 208/2005, de 25 de febrero
(adhesión al sistema de gestión de luminarias al
final de su vida útil).
• Regulación
Modulation)
pulsada
PWM
(Pulse With
Las técnicas de modulación de la anchura de
impulso (PWM) con un sistema de mando por bus de
control, permiten una gestión total de la graduación
o regulación del flujo luminoso emitido por el LED,
teniendo en cuenta que se comporta de forma no
lineal en función de la corriente de alimentación.
La alimentación eléctrica de los LED se realizará
mediante dispositivos (“drivers”) del tipo de corriente
constante para garantizar la estabilización de la
potencia, tanto por la temperatura de los módulos
como por el transcurso del tiempo, dado que un
aumento de potencia puede provocar la destrucción
de los LED.
Se recomienda utilizar la adecuada intensidad
de corriente que asegure un nivel de iluminación
idóneo y se recomienda utilizar la mínima posible,
al objeto de preservar la vida de los LED.
Para asegurar e impedir que se supere la
temperatura máxima de funcionamiento, los “drivers”
deberán estar dotados de un control remoto de la
temperatura de los módulos, mediante una sonda
y de forma que el equipo permanezca encendido a
potencia reducida en lugar de apagarse, lo cual se
207
recomienda llevar a cabo mediante la técnica PWM,
para evitar que varíe el color de la luz emitida.
Los alimentadores de LED (drivers) deberán estar
dotados de aislamiento galvánico entre la entrada
de red y la salida a los LED, recomendándose 3.750
vac. equivalentes a 5.300 vdc. de rigidez dieléctrica,
de forma que constituyan transformadores de
aislamiento y se puedan marcar SELV (equivalente a
muy baja tensión de seguridad MBTS), si son de 50
V en corriente alterna y 75 V en corriente continua
o menos.
Asimismo, será necesario establecer un
aislamiento entre los circuitos de los LED y las
partes metálicas accesibles.
En todo caso, deberán ajustarse a lo dispuesto en
la Directiva de Baja Tensión 2006/95/CE, de modo
que, en lo relativo a la seguridad eléctrica, cumplan
la norma UNE-EN 61347-2-13 y, en lo que respecta
al funcionamiento, la norma UNE-EN 62384.
Además, en lo que concierne a la compatibilidad
electromagnética, estarán conformes a la Directiva
2004/108/CE y Real Decreto 1580/2006,
cumpliendo las normas UNE-EN 55015, UNE-EN
61000-3-2 y UNE - EN 61547.
La vida de los sistemas de alimentación
y regulación de los LED, al estar constituidos
fundamentalmente por elementos electrónicos,
depende en gran medida de la temperatura que
alcancen durante su funcionamiento y de la
temperatura ambiente de su entorno, indicándose
el rango de temperatura ambiente (Ta) a la que
puede funcionar el equipo.
Será necesario garantizar la vida media de los
sistemas de alimentación y regulación de los LED,
es decir, las horas a partir de las cuales pueden
aparecer fallos superiores a un determinado
porcentaje que, en principio, se estima de un 20%.
En todos los supuestos, la vida útil de los
equipos auxiliares (drivers) se ajustará a la vida útil
del sistema de LED en la luminaria.
208
El factor de potencia se ajustará a lo dispuesto
en la ITC-BT-09 del Reglamento Electrotécnico para
Baja Tensión.
OLED
La denominada “iluminación del estado sólido”
(SSL) es la más innovadora de cuantas tecnologías
están emergiendo en el mercado. Esta tecnología,
que comprende la iluminación LED y OLED, se basa
en materiales semiconductores fotoemisores que
convierten en luz la electricidad.
Los dispositivos OLED se basan en fuentes
luminosas orgánicas, por ejemplo, polímeros
que emiten luz homogéneamente desde una
superficie bidimensional y pueden fabricarse de
todas las formas y tamaños, incluso como paneles
transparentes.
Mientras la tecnología LED está alcanzando ya
su madurez, la OLED no lo ha hecho todavía, y en
la actualidad sólo hay disponibles en el mercado
pequeñas series de productos de gama alta.
Parece ser que dentro de unos pocos años
la tecnología (SSL) se puede convertir en la
tecnología más versátil y de menor consumo para la
iluminación general y, además de nuevas opciones
arquitectónicas y de diseño para un mayor confort
y bienestar, ofrecerá luz de alta calidad y un gran
rendimiento visual.
Por otra parte, las fuentes (SSL) pueden
determinar un ahorro de energía de hasta un 50%
en comparación con el consumo actual, y de hasta
un 70% si se combinan con sistemas inteligentes de
gestión del alumbrado.
4.3.3.1.2 Balastos y transformadores
Todas las lámparas de descarga, incluidas las
fluorescentes, tienen en común una impedancia
negativa, lo que implica que la intensidad de
corriente suministrada para una tensión constante
se incremente hasta la destrucción de la lámpara.
Debe instalarse un balasto, que es el elemento
fundamental del equipo eléctrico, para limitar la
corriente que fluye por la lámpara y proporcionar
los parámetros necesarios, dentro de los límites
establecidos en las normas, con las menores
pérdidas energéticas posibles.
progresiva del flujo luminoso emitido por las
lámparas fluorescentes, al controlar la potencia de
la lámpara mediante modulación de la frecuencia
de 20 a 100 KHz, que se controla con una señal
adicional de 1-10 voltios de c.c. a través de los
conductores.
Balastos electromagnéticos: Cuando el balasto
es electromagnético (BC), asociado al mismo
deberán preverse los elementos adecuados para la
corrección del factor potencia.
El protocolo DALI permite gobernar hasta 64
balastos electrónicos regulables por unidad de
control y memorizar hasta 16 escenas.
Para el arranque de las lámparas fluorescentes se
necesitan cebadores de efluvios y bimetálicos que
suministren impulsos de tensión suficientemente
altos como para activar la descarga y, por tanto, el
encendido.
Transformadores: Las lámparas halógenas de
baja tensión necesitan para su funcionamiento un
transformador, dado que la tensión normalizada de
la red de 230 V debe ser reducida a 3, 12 ó 24
voltios. En este caso, se emplean transformadores
reductores.
Además de los dispositivos de regulación de la
corriente de la lámpara (balasto) y de corrección
del factor de potencia (condensador), las lámparas
de alta intensidad de descarga a alta presión tales
como las de halogenuros metálicos y de vapor de
sodio a alta presión, necesitan una tensión muy
superior a la de la red para iniciar la corriente de arco
de la lámpara. Por tanto, tal y como se ha indicado
anteriormente, se precisa incluir en el equipo
auxiliar un dispositivo denominado arrancador que
proporcione y soporte en el instante del encendido
de la lámpara, la alta tensión necesaria para el
cebado de la corriente de arco de la lámpara.
Los transformadores pueden ser convencionales
ajustados a lo dispuesto en la norma UNE-EN
61558, que funcionan por transferencia de energía
desde el bobinado primario al secundario.
Además, existen en la actualidad transformadores
o convertidores electrónicos que deben cumplir
lo establecido en las normas UNE-EN 61046 y
61047.
4.3.3.1.3 Luminarias
Balastos electrónicos: Los balastos electrónicos
(BE) cumplen su tarea de limitar la corriente
y al mismo tiempo efectúan las funciones de
arrancadores y condensadores de compensación del
factor de potencia, los cuales no son necesarios en
las lámparas equipadas con balastos electrónicos.
Las luminarias son aparatos que sirven para
la distribución, el filtrado o la transformación de
la luz emitida por las fuentes de luz (lámparas y
LED), incluidos los componentes necesarios para
la fijación, la protección y el funcionamiento de las
fuentes de luz (Norma UNE-EN 60598).
En relación a los balastos para lámparas
fluorescentes, se han desarrollado balastos de
bajas pérdidas y electrónicos que, en el transcurso
del tiempo y en el ámbito de la Unión Europea,
sustituirán progresivamente a los balastos
electromagnéticos convencionales e incluso, en su
caso, a los de bajas pérdidas.
Para la descripción de una luminaria se utilizan
frecuentemente los lugares de montaje o de
ubicación: luminarias empotrables y adosadas,
luminarias suspendidas, proyectores instalados
en sistemas de suspensión por cables o barras o
raíles electrificados, luminarias de mesa, de pie, etc.
Adicionalmente se distinguen las luminarias según
su forma y la cantidad y el tipo de fuentes de luz que
se instalan en ellas.
Los balastos regulables permiten una variación
209
El tipo de luminarias viene determinado por
su clase fotométrica o distribución espacial de la
intensidad luminosa.
Para la iluminación general se consideran
convenientes las distribuciones de luz extensiva y/o
difusa, mientras que para la iluminación de acento
se estiman adecuadas las distribuciones intensivas
orientables. Para iluminación perimetral, de
estanterías y de expositores se estima recomendable
las distribuciones asimétricas.
En el caso de iluminación general para grandes
alturas resulta idónea la distribución intensiva.
CLASE DE DISTRIBUCIÓN
CLASE DE DISTRIBUCIÓN
Difusa
Iluminación general
Extensiva
Iluminación general
Intensiva
Iluminación general para grandes alturas
Iluminación perimetral
Asimétrica
Iluminación de estanterías y expositores
Intensiva orientable
Iluminación de acento
Figura 4.3.1. Clases de distribución y aplicaciones de luminarias.
210
La forma de la distribución de la luz de una
luminaria depende del tipo de lámpara con el
que esté equipada y del componente óptico que
incorpore: celosía, reflectores, lentes, diafragmas,
pantallas, etc.
En función del tipo de distribución luminosa
del haz con que se ilumine un objeto, se obtienen
resultados muy diferentes. En un objeto de textura,
la luz dirigida resaltará sus formas, mientras que
la luz difusa la disimulará. En algunos casos es
recomendable que las sombras no sean demasiado
marcadas, ya que endurecen las formas.
La selección de las luminarias depende de
la elección de las fuentes de luz y de la clase de
distribución luminosa requerida, de acuerdo con el
tipo de alumbrado adoptado por lo que un papel
importante en la decisión lo tienen, además del
perfil del local a iluminar, la tipología constructiva.
Para la iluminación general se considera
conveniente que el factor de utilización no sea
inferior al 25% con un valor medio del 35%, mientras
que en el caso de la iluminación de acento los
diagramas de distribución de la intensidad luminosa
informan sobre la luminaria que mejor cumple los
requerimientos deseados.
En el caso del rendimiento de la luminaria, para
la iluminación general se recomienda que como
mínimo sea = 0,60 – 0,70. En la iluminación de
acento dicho valor mínimo aconsejable es de =
0,45 – 0,50.
n
n
La calidad luminotécnica, la rentabilidad, la
seguridad y la comodidad del montaje son aspectos
importantes de la fabricación de luminarias. A
mayor abundamiento, las luminarias técnicas de
alta calidad cumplen las exigencias más elevadas
en consonancia con una conformación moderna: su
diseño – o sea el volumen del cuerpo, forma de la
superficie y color – no es menos importante que su
funcionalidad.
La estética de la luminaria y su aspecto deberán
ir en armonía con el nivel del establecimiento o local
iluminado.
El distintivo CE y el distintivo ENEC documentan
la seguridad en el funcionamiento y la conformidad
con las normas de las luminarias de calidad.
4.3.3.2. Sistemas de iluminación
Se pueden considerar cinco tipologías básicas
en la iluminación de zonas, locales o tiendas, que
resultan complementarias entre sí, tales como la
iluminación general, localizada, flexible, de ambiente
y de acento.
Iluminación general: Se trata fundamentalmente
de un alumbrado funcional que proporciona una
luminosidad básica uniforme, con un adecuado
nivel de iluminación y apropiada limitación del
deslumbramiento con la finalidad de facilitar un
buen rendimiento visual.
Este tipo de iluminación se consigue mediante
una distribución uniforme de luminarias en la
que se recomienda el encendido por grupos con
sistemas de regulación, al objeto de incrementar su
flexibilidad.
Iluminación localizada: Se trata, por ejemplo,
de la iluminación de estanterías, anaqueles o zonas
de acceso en un centro comercial que requieren una
iluminación localizada, que se utiliza para resaltar la
mercancía expuesta o limitar las áreas de venta.
Iluminación flexible: Se utilizan tomas de
corriente distribuidas uniformemente para la
conexión de luminarias individuales, tales como
tiras continuas o raíles electrificados, pudiendo
conectarse en circuitos múltiples.
Las luminarias pueden ser adaptables a las
diferentes necesidades ajustando su distribución
de la luz o reparto de la intensidad luminosa,
completando la iluminación flexible los sistemas de
regulación del flujo luminoso.
Iluminación ambiente: Es la iluminación
diseñada para generar un entorno más agradable
y cómodo, mediante la inserción de elementos
decorativos luminosos. Estos elementos decorativos
211
de iluminación, por ejemplo, de una tienda juegan
un papel muy importante en la determinación de
su ambiente.
Ello supone, no solamente la utilización de
luminarias de pie, de pared y candelabros, sino
también de elementos, como son las bóvedas de luz,
techos estrellados, cornisas y zócalos iluminados,
proyecciones sobre superficies, etc.
Estos elementos también pueden emplearse
para influir en el modelo de circulación, por ejemplo,
en el interior de un establecimiento comercial y, de
esta manera, llamar la atención e incluso destacar
grupos de productos seleccionados.
Iluminación de acento: La iluminación de acento
es la iluminación direccional instalada, por ejemplo,
en una tienda, para realzar un producto y dirigir la
atención del cliente para su observación.
La forma de los objetos y la textura de las superficies
pueden hacerse más evidentes destacándolos de su
entorno, utilizando la iluminación de acento, como
complemento de la iluminación general.
Aumentando o disminuyendo la intensidad de
la iluminación se puede crear un variado patrón
de luces y sombras, con contrastes que sugieren
dinamismo, de forma que cuanto más duras sean
las sombras, más espectacular, dramático y agresivo
será el efecto logrado.
4.3.3.2.1 Luz Natural
La luz natural puede proporcionar parte de la
iluminación, pero cambia de nivel y de composición
espectral en el transcurso del tiempo y, por ello,
proporciona una variación en el interior de la vivienda
o del edificio (local de trabajo, uso terciario, etc.).
Por otra parte, la luz natural puede llegar a
crear un modelado específico y una distribución
poco armoniosa de luminancias, debido a su flujo
luminoso casi horizontal procedente de las ventanas
laterales.
212
Las ventanas facilitan el contacto visual con
el mundo exterior, que es deseado por la mayor
parte de las personas, pero para reducir el posible
deslumbramiento de las ventanas, deberá preverse
un apantallamiento cuando sea apropiado, mediante
toldos, cortinas, persianas, etc.
Tal y como se ha indicado, la luz diurna varía su
nivel de iluminación y temperatura de color en el
transcurso del día, lo que produce efectos positivos
sobre el estado de ánimo y la estimulación de las
personas.
Estas influencias positivas también pueden
lograrse con una iluminación artificial dinámica, no
sólo en los cambios de niveles de iluminación, sino
también en las variaciones de la temperatura de
color, mediante luces más cálidas o más frías.
4.3.3.2.2 Confort visual
Para un buen rendimiento visual, entendido
como expresión que cuantifica las aptitudes de
una persona para detectar, identificar y analizar
los detalles que entran en el campo de visión, las
mediciones básicas son un nivel de iluminación
apropiado y un deslumbramiento lo más reducido
posible.
Cuanto más difícil es la tarea visual a desarrollar,
tanto más alta tiene que ser la iluminancia.
Un servicio regular de mantenimiento del sistema
de iluminación garantiza que se conserva esta
iluminancia necesaria, también en beneficio de la
presentación de los productos y género expuestos.
La correcta distribución de la luminancia o
sensación de luminosidad influye esencialmente en
el rendimiento y en el confort visual.
La distribución de luminancias en el campo de
visión controla el nivel de adaptación de los ojos
que afecta a la visibilidad de la tarea.
Es necesaria una luminancia equilibrada para
aumentar:
• La agudeza visual (visión detallada tanto de
cerca como de lejos).
• La sensibilidad al contraste (discriminación de
diferencias de luminancia relativamente pequeñas).
• La eficiencia de las funciones oculares (tales
como acomodación, convergencia, contracción de la
pupila, movimientos del ojo, etc.).
Diferencias de luminancias excesivamente
marcadas en el campo visual producen cansancio,
ya que el ojo tiene que adaptarse continuamente
deteriorándose el rendimiento visual y el bienestar;
diferencias demasiado suaves transmiten una
sensación de monotonía al local, que se considera
igualmente desagradable, al tiempo que aumenta el
esfuerzo de concentración necesario para distinguir
correctamente los objetos, incrementándose la
fatiga.
No obstante, en determinadas tareas visuales, por
ejemplo, donde se quiera examinar detalladamente
superficies y texturas, se necesita la existencia
marcada de sombras provocadas mediante una
dirección de la luz convenientemente establecida.
La instalación de luminarias individuales adicionales
dotadas con un haz de luz muy concentrado cubren
esta necesidad.
Las
sombras
también
se
prestan
intencionadamente, pero con limitaciones, para
marcar un determinado estilo: esbatimentos fuertes
o ausencia de sombras difusas llaman así la
atención como efectos luminosos especiales.
Por tanto, las sombras pronunciadas, como las
obtenidas por un modelado duro sobre un área
pequeña, se pueden utilizar para producir efectos
dramáticos intencionados.
Deslumbramiento
La solución está en una distribución armoniosa
y equilibrada de luminancias, en la que los objetos
que se ven, gracias a la misma, resaltan y destacan
notoriamente de su entorno.
Orientación en el local
La correcta distribución de la luz y la existencia
equilibrada de sombras es necesaria para la clara
percepción (modelado) de las formas, por ejemplo,
de la mercancía y estructuras de las superficies,
que subrayan el efecto plástico de los productos
expuestos y con ello una orientación fácil del cliente
en el local.
Considerando que el modelado es el equilibrio
entre la luz difusa y la luz direccional, las sombras
equilibradas con márgenes suaves garantizan
buenas condiciones visuales. En las tiendas, en
las que incide la luz natural, la dirección de la
intensidad luminosa procedente de las luminarias
debería coincidir con la dirección de la luz natural.
Los criterios de modelado (capacidad de la
iluminación para destacar formas y texturas) son de
gran importancia en la iluminación de volumetrías
en las tiendas y áreas comerciales.
El deslumbramiento –apreciación subjetiva
del grado de incomodidad o incapacidad
experimentado en la visión– merma el rendimiento
visual y contrarresta el confort visual, produce
inseguridad y cansancio prematuro. Por eso se debe
limitar el deslumbramiento (sensación producida
por áreas brillantes dentro del campo de visión, por
ejemplo, tanto en el local de venta como también
en el escaparate) para no distraer la atención de
los clientes y del personal. Se definen dos tipos de
deslumbramiento: directo y reflejado.
El deslumbramiento directo es el ocasionado
directamente por las propias luminarias,
insuficientemente
apantalladas, debido
a
luminancias demasiado elevadas producidas por
lámparas directamente visibles, o por la luz natural
solar que incide de forma incontrolada a través de
ventanas o lucernarios. Dicho deslumbramiento
incomoda pudiendo llegar a incapacitar el campo
visual del cliente en un edificio comercial, o de los
trabajadores en un edificio de oficinas.
Luminarias, lámparas o elementos luminosos
en la línea de visión del cliente o del trabajador,
deben tener un brillo controlado, de forma que se
213
recomienda que la luminancia para los ángulos de
visión críticos (de 45 a 85º) sea inferior a 1.500
cd/m2.
Para áreas con monitores de televisión o
pantallas de ordenador se considera recomendable
que las luminarias tengan una luminancia inferior a
500 cd/m2 para ángulos mayores de 65º tomados
desde la vertical.
Como se señala en la publicación CIE 117
de la Comisión Internacional de Iluminación, para
cuantificar el deslumbramiento directo procedente
de las luminarias, se utiliza el método de tabulación
del índice de deslumbramiento unificado (UGRL),
cuyos valores máximos se han adoptado en la
norma UNE EN 12464-1.
El deslumbramiento reflejado se produce,
según el ángulo de incidencia, fundamentalmente
en las superficies brillantes debido a la reflexión
ocasionada por lámparas o luminarias con
luminancias excesivamente altas. El brillo del
deslumbramiento por reflexión puede atraer la
atención, pero su exceso resulta tan molesto como
el deslumbramiento directo.
Además, el deslumbramiento reflejado reduce los
contrastes que son imprescindibles para una visión
inalterada y sin molestias. Para evitar reflexiones
y deslumbramiento reflejado, por ejemplo, en
las cajas informatizadas de un edificio comercial
con pantalla de ordenador, son aplicables las
prescripciones para puestos de trabajo equipados
con pantallas de ordenador, que establece la
norma UNE EN 12464-1.
Equilibrio de luminancias
Conocida la adaptación del ojo a niveles de
iluminancia (lux) tan dispares como la luz solar de
mediodía de verano, que puede llegar a 100.000
lux y los 0,5 lux que proporciona por la noche la
luna llena, y que las iluminancias determinan sobre
los productos iluminados luminancias nítidamente
diferenciadas, el ojo, no obstante, necesita una
adaptación al pasar de un nivel a otro, o lo que es
lo mismo, de una luminancia a otra.
214
En un edificio o centro comercial, entre las
mercancías y género situados en el campo visual,
debe existir un adecuado equilibrio de luminancias,
ya que si se sobrepasan los límites por exceso
aparece el efecto de deslumbramiento, con el
consiguiente deterioro de las prestaciones visuales
y el bienestar. Si, por el contrario, no se alcanzan los
límites por defecto, se produce monotonía y aumenta
el esfuerzo del cliente para distinguir correctamente
los objetos expuestos, incrementándose su fatiga.
El valor de la luminancia se obtiene al multiplicar
la iluminancia por el grado de reflexión de las
superficies iluminadas. En el caso de superficies
perfectamente difusas (L = ρ E/π), las luminancias
(luminosidad o brillo) son uniformes desde cualquier
dirección de observación, no dependiendo de la
dirección de la iluminación.
En el caso de superficies especulares –espejos
y escaparates- la luminancia varía con la dirección
de observación, el tamaño, posición e intensidad
luminosa suministrada por la lámpara, así como con
el grado de especularidad de la superficie vista.
Se consigue una adecuada adaptación visual
mediante idóneas relaciones o equilibrio de
luminancias entre la tarea visual y su entorno. Los
límites máximos recomendados son los siguientes:
Tarea y alrededores inmediatos
Tarea y fondo general
Luminaria y entorno
Dos puntos cualesquiera
5a1
15 a 1
30 a 1
50 a 1
Cuando las reflectancias de las superficies
iluminadas no pueden ser seleccionadas, el
control se debe realizar optimizando la orientación,
posición y luminancia de las luminarias, así como la
iluminancia sobre las distintas superficies.
En el equilibrio de luminancias no sólo debe
tenerse en cuenta la iluminación artificial, también
la luz natural puede descompensarlo, de forma
que cuando el nivel de luz natural sea excesivo se
debe reducir con apantallamientos, toldos, cristales
opales, persianas, etc.
Po otra parte, no debe olvidarse que la reflexión
de fuentes de luz en superficies transparentes
o especulares, como espejos, escaparates y
mostradores, puede causar deslumbramiento y
la disminución de la visibilidad de los objetos
expuestos.
4.3.3.2.3 La luz y el color
La luz y el color determinan el ambiente de un
local, produciendo en el observador reacciones
psíquicas o emocionales. El color, en un edificio
comercial, es uno de los medios más firmes para
atraer, crear ambiente, guiar al cliente y estimular
la venta.
Aun cuando no existen normas permanentes
para elegir un color apropiado para lograr un
efecto determinado, pueden considerarse una
serie de experiencias en las que se ha comprobado
las sensaciones que producen en las personas
determinados colores.
Una de las primeras sensaciones es la de calor
o frio, de ahí que se hable de “colores cálidos” y
“colores fríos”. Los colores cálidos son los que en el
espectro visible van desde el rojo al amarillo verdoso
y los fríos desde el verde al azul, denominando
“colores neutros” a los grises. Un color será más
cálido o más frío de acuerdo con su tendencia hacia
el rojo o hacia el azul, respectivamente.
La claridad del color también tiene unos
efectos psicológicos. Los colores claros animan
y dan sensación de ligereza, mientras que los
colores oscuros deprimen y producen impresión de
pesadez.
Por otra parte, cuando se combinan dos o más
colores y producen un efecto agradable, se dice que
hay una proporción y correspondencia entre ellos.
La armonía de colores se produce, pues, eligiendo
una adecuada combinación de colores que resulte
agradable y hasta placentera para las personas.
Composición espectral de la luz
Se utiliza el término “espectro” para determinar
todas las longitudes de onda que caracterizan una
radiación electromagnética como es el caso de la
luz.
La característica que distingue las radiaciones
visibles es fundamentalmente su longitud de onda.
Sólo las radiaciones comprendidas entre longitudes
de onda de 300 a 1.000 nm pueden ser percibidas
por el ojo humano y, por tanto, cabría clasificarlas
como radiaciones luminosas.
Pero estos límites no son invariables, pues no
todas las personas poseen la misma sensibilidad
visual. En la mayoría de los casos, los límites de
percepción sólo alcanzan desde 380 nm (violeta)
hasta 760 nm (rojo). Estos límites no son absolutos
dependiendo de diversos factores como la intensidad
energética, el individuo y el grado de fatiga del ojo
en el momento de la percepción.
Las zonas del espectro visible correspondiente a
los distintos colores son las siguientes:
Violeta
Azul
Verde
Amarillo
Naranja
Rojo
380 a 450 nm
450 a 490 nm
490 a 550 nm
550 a 590 nm
590 a 630 nm
630 a 760 nm
Estos límites en las longitudes de onda para
pasar de un color a otro no tienen un carácter
absoluto, por cuanto dicho paso se efectúa de
forma insensible.
Las longitudes de onda de las radiaciones
ultravioletas están comprendidas aproximadamente
ente 10 y 380 nm, mientras que el dominio de las
radiaciones infrarrojas se sitúa en el intervalo entre
760 y 106 nm, aproximadamente.
Por otra parte, la sensibilidad del ojo humano no
es la misma para radiaciones de distintas longitudes
de onda, comprendidas dentro del espectro visible.
La máxima sensibilidad tiene lugar en la llamada
radiación de Langley, situada entre 500 y 600 nm,
que corresponde al color amarillo verdoso.
215
Como consecuencia de la distribución espectral
de las emisiones de una lámpara aparecen dos
conceptos luminotécnicos, cuyos efectos deben ser
claramente comprendidos y diferenciados. Éstos
son:
•
(4.3.3)
Si se opera se obtiene:
Tono de luz o temperatura de color.
En consecuencia:
•
(4.3.4)
Reproducción cromática.
4.3.3.3. Valor de la eficiencia energética
de la instalación
(4.3.5)
Por tanto:
El valor de eficiencia energética (VEEI) es un
índice que evalúa la eficiencia energética de una
instalación de alumbrado interior de una zona o
local (Ecuación 4.3.1).
(4.3.1)
Donde:
VEEI: valor de la eficiencia energética de la
instalación, en (W/m2) por cada 100 lux.
W: potencia total instalada en lámparas más el
consumo de los equipos auxiliares, en vatios.
S: superficie iluminada, en m2.
E: iluminancia media horizontal mantenida, en
lux.
Por otra parte, la iluminancia (E) en servicio con
mantenimiento de la instalación, en función del flujo
luminoso instalado (F) emitido por las lámparas,
los factores de utilización de la instalación (Fm) y
de mantenimiento (FU), así como de la superficie
iluminada (S) es la siguiente:
(4.3.2)
Además, la eficacia luminosa de la lámpara se
define mediante la expresión:
216
(4.3.6)
El valor de la eficiencia energética (VEEI) mide el
consumo de energía por cada 100 lux de iluminancia
media y por m2 de superficie iluminada.
A mayor VEEI más ineficiente será la instalación,
de forma que la exigencia básica HE 3 del CTE
establece unos valores límite o niveles máximos de
VEEI.
En todo caso, VEEI depende de la eficacia
luminosa de las fuentes de luz ( ) del factor de
utilización de la instalación ( ) y del factor de
mantenimiento ( ), de forma que cuanto más
elevados resulten estos parámetros, más eficiente
será la instalación de iluminación, al resultar menor
el consumo de energía.
Factor de utilización
Se define el factor de utilización (Fu) como la
relación entre el flujo útil procedente de la luminaria
que incide sobre la zona a iluminar y el flujo emitido
por la totalidad de las lámparas instaladas en la
luminaria.
El tipo de curva de distribución de las intensidades
luminosas determina el nivel de aprovechamiento
de la luz emitida por la luminaria. Distintas tareas
y dispares factores geométricos del local exigen
diferentes distribuciones de luz, para optimizar la
iluminación a la función requerida.
El factor de utilización es función de los siguientes
parámetros:
• Características geométricas o índice del local (K):
(4.3.7)
Siendo:
L: longitud del local.
A: anchura del local.
H: distancia del plano a iluminar a las luminarias.
n
• Rendimiento de la luminaria ( ).
• Clase fotométrica de la luminaria (distribución
espacial de la intensidad).
• Modo de instalación de las luminarias en el
local (implantación).
• Factores de reflexión de las paredes, techo del
local y plano útil iluminado.
En función del índice del local (K), los valores
medios del factor de utilización de la instalación son
los mostrados en la Tabla 4.3.1.
ÍNDICE DEL LOCALFactor de utilizaciónFactor de utilización
(valores medios) *
(intervalo)
K > 1,5
Fu = 0,40
0,30 – 0,50
1,5 ≤ K < 3
Fu = 0,50
0,375 – 0,625
K > 3
Fu = 0,60
O,45 – 0,75
Tabla 4.3.1. Valores medios del factor de utilización
(Aclaración: (*) Estos valores del factor de utilización pueden oscilar en un ± 25%).
Los diagramas de distribución de la intensidad
luminosa informan sobre la luminaria que mejor
cumple los requerimientos deseados. Por tanto,
el examen y valoración de dichos diagramas
suministrados por los fabricantes constituyen la
guía para elegir la luminaria más eficiente para la
iluminación en estudio.
Salvo en supuestos excepcionales, el factor de
utilización de la instalación (Fu), en muy elevado
porcentaje, casi siempre es inferior a la unidad.
luminarias y superficies del local.
(4.3.8)
En consecuencia, el factor de mantenimiento
(fm) es la cifra por la cual se debe dividir el valor
recomendado de la iluminancia media en servicio
a mantener, para obtener la iluminancia media
inicial utilizada en los cálculos del proyecto de
iluminación.
Factor de mantenimiento
El factor de mantenimiento (fm) es la relación
entre la iluminancia media en servicio con
mantenimiento de la instalación y la iluminancia
media inicial, y, por tanto, es el producto de los tres
factores de depreciación relativos a las lámparas,
(4.3.9)
En general, el factor de mantenimiento para un
entorno limpio es fm = 0,8. Y, por tanto:
217
(4.3.10)
En el caso de entorno medio fm = 0,55 y, para
entorno sucio, fm = 0,30.
La iluminancia proporcionada por la iluminación
interior de los locales decrece a medida que la
instalación funciona y se envejece.
A este respecto, la exigencia básica HE 3 del
CTE dispone que en el proyecto de iluminación se
incluya un plan de mantenimiento que contemplará,
entre otras, las acciones siguientes:
• Operaciones de reposición de fuentes de luz con
la frecuencia de reemplazamiento.
• Limpieza de luminarias con la metodología
prevista, así como de la zona iluminada, incluyendo
en ambas la periodicidad necesaria.
Este descenso del nivel de iluminancia se debe a:
• Pérdida del flujo luminoso de las lámparas en el
transcurso de su funcionamiento.
• Fallo o extinción de algunas lámparas.
• Ensuciamiento de las fuentes de luz y superficies
ópticas de las luminarias.
• Reducción de los factores de reflexión de las
superficies del local.
• Disminución de los factores de transmisión y de
reflexión de los sistemas ópticos de las luminarias.
• Agotamiento de las baterías o de las lámparas
en el alumbrado de emergencia autónomo.
La celeridad de este decrecimiento del valor
de la iluminancia es función del entorno, de las
condiciones de utilización y mantenimiento, así
como de la antigüedad de la instalación.
El valor inicial prácticamente puede recuperarse
procediendo a la limpieza de las luminarias, zona
iluminada y a la reposición de lámparas con
cadencia adecuada.
Todo ello exige establecer un acertado plan
de mantenimiento que garantice en el transcurso
del tiempo, tanto la eficiencia energética de la
instalación, como la permanencia de los niveles
de los parámetros luminotécnicos a los que más
adelante se hará referencia.
218
Dicho plan de mantenimiento también deberá
tener en cuenta los sistemas de regulación y control
utilizados en las diferentes zonas.
Eficacia luminosa de las fuentes de luz (Efl)
Se adaptarán las fuentes de luz (lámparas y
LED) de mayor eficacia luminosa Efl (lum/W) y larga
duración de vida, fluorescentes tubulares de alto
rendimiento, compactas de ahorro energético, con
sus correspondientes balastos electrónicos, etc.
Las lámparas, balastos y luminarias se ajustarán
a lo dispuesto en el Reglamento (CE) 244/2009,
así como en el Reglamento (CE) 245/2009,
modificado por el Reglamento (CE) 347/2010,
que implementan la Directiva 2009/123/CE que
establece los requisitos de diseño ecológico.
Valores límites de VEEI
La prescripción esencial HE 3 del CTE dispone el
establecimiento de niveles máximos o valores límite
VEEI, según una clasificación en zonas englobadas
en los dos grupos siguientes:
• Grupo 1: Zonas de no representación o
espacios en los que el criterio de diseño, la imagen
o el estado anímico que se quiere transmitir al
usuario con la iluminación, queda relegado a un
segundo plano frente a otros criterios como el nivel
de iluminación, el confort visual, la seguridad y la
eficiencia energética.
GRUPO
ZONAS DE ACTIVIDAD
1
Zonas de no
representación
VEEI Límite
Administrativo en general
Andenes de estaciones de transporte
Salas de diagnóstico
Pabellones de exposición o ferias
Aulas y laboratorios
Habitaciones de hospital
Zonas comunes
Almacenes, archivos, salas técnicas y cocinas
Aparcamientos
Espacios deportivos
Recintos asimilables a Grupo 1 no descritos en la lista anterior
3,5
3,5
3,5
3,5
4,0
4,5
4,5
5
5
5
4,5
En el Grupo 1, el VEEI límite o valor máximo, oscila entre 3,5 y 4,5, según el tipo de zona.
Tabla 4.3.2. Límites de valor máximo (Grupo 1).
• Grupo 2: Zonas de representación o espacios donde el criterio de diseño, imagen o el estado anímico
que se quiere transmitir al usuario con la iluminación, son preponderantes frente a los criterios de eficiencia
energética.
GRUPO
2
ZONAS DE ACTIVIDAD
Zonas de no
representación
VEEI Límite
Administrativo en general
Estaciones de transporte
Supermercado, hipermercados y grandes almacenes
Bibliotecas, museos y galerías de arte
Zonas comunes en edificios residenciales
Centros comerciales (excluidas tiendas)
Hostelería y restauración
Religioso en general
Salones de actos, auditorios y salas de usos múltiples y
convenciones, salas de ocio o espectáculo, salas de
reuniones y salas de conferencias
Tiendas y pequeño comercio
Zonas comunes
Habitaciones de hoteles, hoteles, etc.
Recintos interiores asimilables a Grupo 2 no descritos en la lista anterior
6
6
6
6
7,5
8
10
10
10
10
10
12
10
En el Grupo 2, el VEEI límite o valor máximo varía entre 6 y 12, según el tipo de zona.
Tabla 4.3.3. Límites valor máximo (Grupo 2).
Los valores de VEEI límite incluyen la iluminación general y la iluminación de acento, pero no las
instalaciones de iluminación de escaparates y zonas específicas.
219
4.3.3.4. Parámetros luminotécnicos
De conformidad con la exigencia básica HE 3, para cada zona o local a iluminar se establecen los
siguientes parámetros:
•
•
•
Iluminancia media E, en lux a mantener (valor mínimo).
Índice de deslumbramiento unificado, UGRL (valor máximo).
Índice de rendimiento de color, Ra (valor mínimo).
Para ello se tiene en cuenta fundamentalmente, la norma UNE-EN 12464-1 “Alumbrado en zonas de
trabajo interior”, así como la norma UNE-EN 12193 “Alumbrado en instalaciones deportivas”.
Entre más de 270 zonas, tareas visuales, tipos de trabajo o actividades contemplados en la norma
UNE-EN 12464-1, en la que se especifican los correspondientes valores mínimos de iluminancia media
(E) a mantener y rendimiento de color (Ra), así como los niveles máximos de deslumbramiento (UGRL), se
recogen, a titulo de ejemplo, los mostrados en la Tabla 4.3.4.
Zonas, tareas visuales y tipos de
trabajos o actividades
Zona de circulación y pasillos
Escaleras, muelles de carga
Tiendas, zonas de venta
Tiendas, zona de caja
Tiendas, zona de almacén
Espacios públicos, vestíbulos
Zona de ventanillas
Restaurantes y hoteles, zonas de
recepción, caja y conserjes
Cocinas
Clases escolares de primaria
y secundaria
Sala de conferencias
Sala de diseño industrial
Sala de dibujo
Laboratorio
Iluminancia Media Deslumbramiento
a mantener
Molesto
Valor Mínimo
Valor Máximo
(E)
(UGRL)
100
150
300
500
100
100
300
300
28
25
22
19
25
22
22
22
40
40
80
60
80
80
80
80
500
500
22
19
80
80
500
750
500
500
19
16
16
19
80
80
80
80
Tabla 4.3.4. Parámetros luminotécnicos.
220
Rendimiento
de Color
Valor Máximo
(Ra)
En Tabla 4.3.5, se detallan los parámetros luminotécnicos en la iluminación interior de oficinas.
Zonas, tareas visuales y tipos de
trabajos o actividades
Iluminancia Media Deslumbramiento
a mantener
Molesto
Valor Máximo
Valor Máximo
(E)
(UGRL)
Clasificación de documentos, copias
Lectura, escritura y tratamiento de datos
Dibujo técnico
Puesto de trabajo de CAD
Salas de y conferencias
Mostradores de recepción
Archivos
300
500
750
500
500
300
200
19
19
16
19
19
22
25
Rendimiento de
Color
Valor Mínimo
(Ra)
80
80
80
80
80
80
80
Tabla 4.3.5. Parámetros luminotécnicos en oficinas.
Asímismo, además de diferentes observaciones,
la norma UNE-EN 12464-1 dispone que, en los
locales ocupados por los trabajadores de forma
continua, la iluminancia media (E) a mantener no
sea inferior a 200 lux.
Los posibles deslumbramientos directos por
luz natural o debidos a las propias luminarias, así
como el deslumbramiento reflejado, se deben evitar
siempre en las superficies de las pantallas de los
ordenadores y en la mesa o tablero de dibujo.
Además, las luminarias se deben disponer de
forma tal que la luz no quede tapada por el propio
dibujante. Por tanto, la dirección de la luz tiene
mucha importancia.
Por último, se logra una adecuada adaptación
visual mediante apropiadas relaciones o equilibrios
de luminancias entre la tarea visual y su entorno.
4.3.3.5. Sistemas de regulación y control
De acuerdo con la prescripción esencial HE 3,
las instalaciones de alumbrado interior, tienen que
disponer para cada zona de un sistema de regulación
y control con las siguientes condiciones:
• Toda zona tendrá, al menos, un sistema de
encendido y apagado manual, cuando no disponga
de otro sistema de control, no aceptándose los
sistemas de encendido y apagado en cuadros
eléctricos como único sistema de control.
• Las zonas de uso esporádico estarán dotadas
de un control de encendido y apagado por
sistema de detección de presencia o sistema de
temporización.
• Cuando arquitectónicamente resulte posible,
se instalarán sistemas de aprovechamiento de la
luz natural, que regulen el nivel de iluminación en
función de la aportación de la luz solar.
La Instrucción Técnica Complementaria ITCBT-51 del Reglamento Electrotécnico para Baja
Tensión aprobado por Real Decreto 842/2002, de
2 de Agosto, regulariza las instalaciones de sistemas
de automatización, gestión técnica de la energía
y seguridad para viviendas y edificios, también
conocidos como sistemas domóticos.
El campo de aplicación comprende, entre otros
sistemas, el accionamiento de receptores de forma
centralizada o remota, con excepción de aquellos
sistemas independientes e instalados como tales.
Se excluyen las instalaciones de redes comunes
de telecomunicaciones en el interior de los edificios,
221
así como los sistemas de seguridad y protección
contra incendios.
La red de control del sistema domótico, debe
integrarse con la red de energía eléctrica y coordinarse
con el resto de redes con las que tenga relación, de
forma que la instalación interior eléctrica y la red
de control domótico están reguladas por el citado
Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.
La red de control domótico puede realizarse
bien mediante un cableado específico, por ondas
portadoras acopladas a la red eléctrica de baja
tensión o por señales radiales.
Las redes de telefonía, televisión y tecnologías
de la información están regladas por el Reglamento
Regulador de Infraestructuras Comunes de
Telecomunicaciones para el Acceso a los Servicios
de Telecomunicación en el Interior de los Edificios,
aprobado por Real Decreto 346/2011, de 11 de
Marzo, que ha sido desarrollado por la Orden
del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio
ITC/1644/2011, de 10 de Junio, aunque también
están afectadas por el Reglamento Electrotécnico
para Baja Tensión en lo referente a la seguridad
eléctrica.
Sistemas de automatización
Los sistemas de automatización son aquellos que
controlan aparatos o sistemas como la iluminación
exterior de los edificios.
Es de señalar que un reloj-programador simple de
encendido/apagado o similar no puede evaluarse
como un sistema domótico en si mismo, dado
que aun cuando emita una orden de encendido o
apagado, no recibe información externa ni procesa
información alguna. No obstante, en el supuesto que
el reloj programador esté integrado en un sistema
de automatización, se considera parte del sistema
domótico.
Asimismo, cuando un alumbrado interior cuenta
solamente con un sensor de presencia para evitar
que la luz permanezca encendida sin ocupación
del local, no puede valorarse como un sistema
222
domótico en si mismo. En el caso que se integre en
un sistema más complejo, debe considerarse como
parte del sistema domótico.
En un sistema de automatización de la iluminación
interior de un edificio el nodo es el ordenador o
autómata que recibe las señales de los sensores
de iluminación, mientras que el actuador es el
regulador de la intensidad de la luz y el dispositivo
de entrada son las células fotoeléctricas.
Deben diferenciarse el sistema centralizado,
en el cual todos los componentes se unen en un
nodo central que dispone de funciones de control y
mando, del sistema descentralizado en el que todos
los componentes comparten la misma línea de
comunicación, teniendo cada uno de ellos funciones
de control y mando.
La terminología complementaria a tener en
cuenta en los sistemas de automatización es la
siguiente:
• Protocolo: Lenguaje de comunicación para
controlar el intercambio ordenado de información
entre dispositivos conectados a una red de
comunicaciones, bien en un sistema central o entre
si.
• Bus (binary unit system): Línea de intercambio
de datos a la que se pueden conectar gran cantidad
de componentes (nodos, actuadores o dispositivos
de entrada), permitiendo la comunicación entre
éstos.
El bus de comunicaciones se refiere al cable
eléctrico sobre el que se transporta el protocolo.
Puede ser bifilar y tener o no polaridad, existiendo
también aquellos que suministran la tensión por un
par de cables adicionales. Asimismo, hay buses que
necesitan más de dos cables y algunos que incluso
requieren de cable apantallado.
El bus par a par es aquel en el que todos
los controladores del bus tienen el mismo nivel
de capacidad de software, y que comunican
directamente entre ellos sin precisar un maestro de
comunicaciones.
• Topología: Término utilizado para definir la
estructura de la red, así como la configuración del
sistema y se refiere a la forma en la que el bus de
comunicaciones podrá ser cableado.
• Jerarquía: Significa que se dispone en el sistema
de automatización de un controlador maestro, que
gestiona a un conjunto de controladores esclavos y
las comunicaciones de los mismos.
• Soporte físico: Un protocolo puede circular sobre
cable eléctrico específico (bus de comunicaciones),
sobre cable de la red eléctrica mediante corrientes
portadores por radiofrecuencia fibra óptica, etc.
- Radiofrecuencia (RF): Transmisión de señal
sin requerir de un medio físico, ni de alineación
libre de obstáculos entre el emisor y el receptor,
generalmente de frecuencia comprendida entre 3
KHz y 3 GHz.
- Pasarela residencial: Elemento de conexión
entre diferentes redes de una vivienda o un edificio
(control domótico, telefonía, televisión y tecnologías
de la información) a una red pública de datos,
como por ejemplo Internet, efectuando en su
caso la adaptación y traducción entre diferentes
protocolos. La red de control domótico puede estar
o no conectada a la pasarela residencial; en el caso
de que esté conectada, el nodo puede desempeñar
también las funciones de pasarela residencial
(residential gateway).
• Punto de acceso al usuario (PAU): Es el
elemento en el que comienza la red interior de
telecomunicación del domicilio del usuario, que
permite la delimitación de responsabilidades en
cuanto al origen, localización y reparación de averías.
Se sitúa en el interior del domicilio del usuario.
• Interfaz: Conjunto de circuitos y protocolos
necesarios para conectar dos dispositivos. Por
ejemplo, la impresora tiene un interfaz para
comunicarse con el ordenador.
Tipos de sistemas de automatización:
De acuerdo en lo dispuesto en la Instrucción
Técnica Complementaria ITC-BT-51 del Reglamento
Electrotécnico para BajaTensión se pueden considerar
tres tipos de sistemas de automatización:
• Sistemas que utilizan en todo o en parte señales
que se acoplan y transmiten por la instalación
eléctrica de baja tensión, tales como sistemas de
corrientes portadoras.
• Sistemas que emplean en todo o en parte
señales transmitidas por cables específicos para
dicha función, tales como cables de pares trenzados,
paralelo, coaxial y fibra óptica.
• Sistemas que usan señales radiadas, tales
como ondas de infrarrojo, radiofrecuencia,
ultrasonidos, o sistemas que se conectan a la red
de telecomunicaciones (sistemas domóticos que
utilizan dicha red como soporte de transmisión de
las señales domóticas, sean o no radiadas).
Respecto a los requerimientos exigibles a las
instalaciones, los nodos, activadores y dispositivos
de entrada, deben cumplir las correspondientes
exigencias de seguridad y compatibilidad
electromagnética como la Directiva 2004/108/CE,
así como la normativa que desarrolla dicha Directiva.
Cuando estén incorporados en otros aparatos, en lo
que resulta de aplicación, se tienen que ajustar a
lo preceptuado para los productos en los que se
integren.
Se debe cumplir la norma UNE-EN 50090-22 relativa a las prescripciones de compatibilidad
electromagnética y de seguridad aplicables a
componentes y subsistemas de la red de control
domótico.
Cuando el sistema domótico esté alimentado
por muy baja tensión o la interconexión entre nodos
y dispositivos de entrada se ejecute en muy baja
tensión, las instalaciones e interconexiones entre
dichos elementos se adaptarán a lo dispuesto en la
Instrucción Técnica Complementaria ITC-BT-36.
Para el resto de los supuestos se seguirán las
estipulaciones que son de aplicación a las tensiones
ordinarias.
223
Las lámparas, equipos auxiliares y luminarias
cumplirán lo establecido en los Reglamentos
(CE) nº 249/2009, (CE) nº 245/2009 y su
posterior modificación por el Reglamento (CE) nº
347/2010.
Respecto a los sistemas que emplean señales
que se acoplan y transmiten por la instalación
eléctrica de baja tensión, los nodos que inyectan
señales de 3 KHz hasta 148,5 KHz cumplirán lo
determinado en la norma UNE-EN 50065-1 en lo
relativo a compatibilidad electromagnética. Para
el resto de frecuencias resultará de aplicación la
norma armonizada en vigor.
En lo referente a los sistemas que usan señales
transmitidas por cables específicos para dicha
función, sin perjuicio de las prescripciones que los
fabricantes de nodos, activadores o dispositivos
de entrada concreten para la instalación, cuando
el circuito que transmite la señal transcurra por la
misma canalización que otro de baja tensión, el
nivel de aislamiento de los cables del circuito de
señal será equivalente a la de los cables del circuito
de baja tensión adyacente, bien en un único o en
varios aislamientos.
Los cables coaxiales y los pares trenzados
utilizados en la instalación serán de características
equivalentes a los cables de las siguientes normas:
• UNE-EN 61196: Cables de radiofrecuencia.
• UNE-EN 212002: Cables y conductores aislados
de baja frecuencia con aislamiento y cubierta de
PVC.
Para los sistemas que para su funcionamiento se
sirvan de señales radiadas, adicionalmente deberán
ajustarse a la legislación vigente correspondiente al
“Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias de
Ordenación de las Telecomunicaciones”.
En la gestión de la iluminación interior se
considera un grado de automatización básico, el
detector de presencia para control de la iluminación
en zonas de paso.
El grado de automatización en la gestión del
alumbrado se evalúa normal con los siguientes
dispositivos:
• Detector de presencia para control de la
iluminación en zonas de paso.
• Regulación luminosa en salas con elección de
ambientes de iluminación predefinidos.
• Control de los puntos de luz (mínimo un 80%).
4.3.3.5.1. Sistemas de gestión de
alumbrado interior
Una vez decidida la tecnología de regulación
y sistema de gestión del edificio, la elección del
protocolo de comunicaciones determinará la
topología del cableado, el tipo de bus o línea de
transmisión, la velocidad de comunicación, la
posibilidad de utilizar distintos soportes físicos,
quedando fijado el potencial del propio sistema de
gestión.
Entre los modos de control o formas de actuación
sobre los diferentes aspectos del entorno de trabajo
en un edificio de usos terciarios, que puedan
efectuarse de manera separada o combinada,
se encuentran la detección de movimiento, la
regulación en función de la luz natural, la regulación
mediante nivel de iluminancia constante, el control
horario y por fechas, así como el registro de horas
de activación.
En el sistema de gestión del alumbrado las
luminarias se agrupan en circuitos que se conectan
a una salida del módulo de control, de forma que
dicha salida controla el encendido/apagado y
regulación de las luminarias del circuito.
Aun cuando es posible elegir el número de
luminarias por circuito en función de los requisitos
de flexibilidad del diseñador, se suele utilizar una
luminaria en cada circuito o salida, al objeto de
disponer de la máxima flexibilidad.
En este último caso, el ajuste de la iluminación
224
en una zona debido a una nueva distribución del
espacio resulta bastante fácil y no requiere cambio
costoso en el cableado. La referida flexibilidad
alcanza un mejor aprovechamiento con el protocolo
DALI cuando se utilizan balastos electrónicos para
fluorescencia.
Enlazar luminarias concretas a otras luminarias
para que se controlen conjuntamente se suelen
usar en pasillos y vías de escape, para asegurar que
siempre permanezcan encendidas mientras lo estén
las luminarias de la oficina o del local iluminado.
Puede vincularse el sistema de gestión de
alumbrado a otros sistemas de gestión del
edificio, generalmente a través de una integración
total entre sistemas. De esta forma mediante
un bus de comunicaciones común, los sistemas
pueden intercambiar información para controlar
el alumbrado en función de otros servicios, como
seguridad, sistemas contra incendios, accesos,
grupo electrógeno, etc.
Los sistemas que controlan el nivel de iluminación
o de luz son los que se utilizan más habitualmente.
El control automático de la iluminación interior
puede basarse en uno o varios criterios:
• La luz artificial se controla por la cantidad de
luz natural disponible (aportación de luz natural).
Corresponde a los denominados sistemas de control
en respuesta a la luz natural.
• Ausencia de personas, de forma que la luz
artificial se apaga automáticamente en salas o
locales sin ocupar.
• En función del tiempo (encendidos y apagados
automáticos de la luz a horas previamente fijadas).
Considerando la posición del detector, los
sistemas de regulación del flujo luminoso se
dividen en sistemas de control de bucle abierto y
bucle cerrado. El primero de ellos es un sistema de
control predeterminado que mide la iluminancia en
el tejado o fachada como nivel de luz natural, o una
luminosidad relacionada con la luz natural y que,
en función de ésta, controla el alumbrado artificial
empleando algunos algoritmos predeterminados.
Respecto al de bucle cerrado, se trata de un
sistema de control con realimentación, que mide
el nivel de luminosidad completo (suma de la luz
natural más la luz artificial) del lugar de trabajo, en
distintas zonas del local, procediendo a regular el
alumbrado artificial en función de esta suma.
Cuando la regulación del flujo luminoso se lleva
a cabo proporcionalmente al nivel de luz medido o
el nivel de luz total de la sala, se trata de sistemas
de regulación proporcionales.
Sistemas de soportes constantes son aquellos en
los que la regulación del flujo luminoso se efectúa
de tal modo que resulte constante la suma de los
niveles de luz natural y artificial. Los sistemas de
soporte constante son siempre sistemas de bucle
cerrado.
En un sistema de control tiene importancia su
modularidad, entendiendo por tal la posibilidad de
instalar un sistema de forma escalonada, desde
el módulo más básico hasta el más completo, de
forma que en su caso, se pueda integrar con el resto
de instalaciones de un edificio.
Control y regulación de la iluminación
La idónea gestión de la iluminación proporciona la
luz adecuada en el lugar y en el momento correcto. El
control y la regulación automáticos de la iluminación
de un local de trabajo o de venta garantiza diversas
ventajas importantes: alta flexibilidad, adaptación
de la iluminación a diferentes tareas visuales,
efectos de iluminación dinámicos y especiales y, a
mayor abundamiento, lograr una buena eficiencia
energética de la instalación y, consecuentemente,
un ahorro de costes.
La gestión de la iluminación debe tener en
cuenta, entre otros:
• Los periodos y las tasas de ocupación de la
zona o local.
• La luminosidad exterior.
225
La gestión puede ser general, por zonas o locales;
y son diferentes, no implicando la utilización del
mismo material ni iguales inversiones.
regulador especial adaptado al comportamiento
de los transformadores durante el proceso de
regulación del flujo luminoso de las lámparas.
Por lo general, es requisito básico del control
de luz, que las luminarias estén conectadas en
grupos y que se puedan regular. Una regulación
de la iluminación, indistintamente si se efectúa
manualmente, por medio de temporizadores o
por ordenador, solo es factible si la instalación ha
sido planificada y diseñada de acuerdo con las
necesidades del local o edificio que se ilumina.
Las lámparas conectadas a transformadores
electrónicos sólo se pueden regular con dimmers
de entrada o de salida de fase, debiéndose tener
en consideración las instrucciones facilitadas por el
fabricante.
Las posibilidades en la gestión de la iluminación
son múltiples y van desde dispositivos reguladores
del flujo luminoso, hasta sensores de movimiento,
de luminosidad, y sistemas automatizados por
ordenador con eventos luminosos previamente
programados que permiten cambios en la
iluminación para crear ambientes diversos.
Los sistemas de control y regulación admiten
efectuar encendidos selectivos y regular el flujo
emitido por las luminarias y, en consecuencia, el
nivel de iluminación durante periodos determinados,
según la actividad a desarrollar.
Sensores
Los sensores de luminosidad permiten el montaje
de instalaciones de iluminación reguladas. Teniendo
en cuenta, en cada caso, la parte de luz natural,
mediante los sensores de luminosidad se mantienen
los niveles de iluminación programados.
Los sensores de luminosidad son componentes
claves para los sistemas de regulación de la
iluminación en función de la luz solar como, por
ejemplo, en los escaparates de las tiendas. Estos
sistemas comparan la luz solar existente, con los
registros programados con los niveles óptimos,
de forma que conectan o desconectan luminarias
cuando las desviaciones persisten durante un
tiempo determinado.
Regulación de lámparas fluorescentes
El balasto electrónico (BE) regulable asociado
a las lámparas fluorescentes, para la regulación de
este tipo de lámparas, establece la frecuencia de
forma variable en la parte de alta frecuencia de las
lámparas fluorescentes.
De esta manera, se baja el flujo luminoso y el
consumo de las lámparas fluorescentes mediante
regulación sin escalonamientos de modo continuo.
Regulación de lámparas halógenas
Regular lámparas halógenas de 230 V no es
ningún problema con reguladores o dimmers de
entrada de fases.
Las lámparas halógenas de baja tensión que
operan a través de un transformador convencional
o un transformador de núcleo anular, necesitan un
226
Los sensores de movimiento o receptores de
infrarrojos reaccionan a las invisibles radiaciones
infrarrojas (IR) de calor emitidas por las personas en
movimiento. Están dotados de un rango individual
de ajuste e iluminación activa, con una preselección
a lo largo del tiempo.
Instalados, por ejemplo, en la parte exterior del
escaparate de la tienda, los sensores de movimiento
permiten proporcionar una iluminación adicional
cuando es necesaria, al tiempo que crea un efecto
sorpresa para el paseante. Además, aseguran la
luz idónea para disuadir a los delincuentes por la
noche.
Combinación de los elementos de gestión
Los distintos elementos de control y regulación
de la luz pueden combinarse de la forma siguiente:
• Selección de escenas de luz para diferentes
lugares y actividades.
• Conexión de la iluminación por medio de
sensores de movimiento en función del control
de presencia accionado: conexión inmediata,
desconexión desfasada o regulación.
• Regulación del nivel de iluminación en función
de la luz natural, accionando la desconexión parcial
de luminarias o activando las regulaciones de flujo
luminoso, como es el caso de grandes centros
comerciales con muchos puntos de luz mediante:
• Sensores de luminosidad en luminarias
individuales.
• Sensores de luminosidad en el local.
múltiples maneras.
La condición para la instalación del sistema
BUS, es la implantación de aparatos adaptados
y equipados con la electrónica correspondiente
(también las luminarias). Asimismo, se precisa que
el sistema sea uniforme y a la vez abierto, que no
dependa de desarrollos específicos de empresa y
que, por otra parte, facilite a todas las compañías
la posibilidad de fabricar aparatos compatibles con
este sistema.
Para asegurar estas condiciones, se ha fundado
la Asociación Europea de Instalaciones BUS
(European Installation BUS Asssociation – “EIBA”),
que determina las normas técnicas correspondientes
para el sistema y los aparatos conectados, establece
las prescripciones de calidad, así como los métodos
de verificación.
• Sensores de luminosidad en el exterior.
Los componentes de control y de regulación que
contiene el sistema de gestión de la iluminación
están integrados en las luminarias o se definen para
un local o para un grupo de locales.
Tecnología de gestión de sistemas de edificios
La tecnología de gestión de los sistemas de
instalaciones en edificios ofrece el máximo nivel de
flexibilidad y de regulación denominada “inteligente”.
Todas las instalaciones técnicas de los edificios, como
la iluminación, persianas y parasoles, instalación de
climatización (aire acondicionado y calefacción) o
la técnica de seguridad, están conectadas, a través
de una red de BUS. Al estar la inteligencia instalada
en los aparatos finales, la red de BUS de un edificio
no necesita ningún control centralizado costoso.
Los sensores, como barrera de infrarrojos,
sensores de luminosidad o receptores de infrarrojos,
captan señales y situaciones desde el exterior. Estas
informaciones son transmitidas a través de la red de
BUS y atendidas por el destinatario correspondiente
en cada caso como, por ejemplo, las luminarias.
Fijando los sensores y los receptores, se pueden
programar los controles y las regulaciones de
Los instrumentos, equipamiento y los
componentes adecuados para el sistema uniforme
EIBA – BUS, están identificados por medio del
distintivo “EIB”. El protocolo europeo DALI puede
integrarse en el EIB.
Por tanto, también es posible, por ejemplo,
programar que las persianas o paralúmenes de las
ventanas bajen automáticamente, mientras que al
mismo tiempo suba el nivel de iluminación a la
medida necesaria.
DALI (Digital Addressable Lighting Interface)
es un protocolo europeo que está adaptado
especialmente a las exigencias de instalaciones de
iluminación modernas: un sistema para la gestión
de iluminación “inteligente” de fácil aplicación,
económicamente rentable y con la opción, en caso
de necesidad, de integrar DALI a través de módulos
de interfaz en la tecnología de edificios con EIB o
LON (Local Operating Network).
4.3.3.6. Iluminación de edificios de
viviendas
Se trata del denominado dominio residencial,
tanto individual como colectivo.
227
Tal y como se ha indicado con anterioridad, la
exigencia básica HE 3 del CTE, excluye de su ámbito
de aplicación las instalaciones de iluminación en
interiores de viviendas. No obstante, se dispone
que en el proyecto se justificarán las soluciones
adoptadas, en su caso, para el ahorro de energía en
la instalación de alumbrado interior.
En ese sentido, seguidamente se desarrollan
las actuaciones que se deben contemplar en el
diseño de las instalaciones de alumbrado interior
en edificios de viviendas, con la finalidad de que
resulten eficientes energéticamente.
En el dominio residencial el alumbrado
representa el 16% del consumo eléctrico específico
(sin considerar la calefacción y el agua caliente
sanitaria) de la vivienda, que constituye para los
particulares una fuente reconocida de mejora del
hábitat.
En la actualidad, gracias a la mejora de la
eficacia luminosa de las fuentes de luz (lámparas y
LED) en relación a la débil eficacia y corta vida de la
incandescencia, se puede al mismo tiempo reducir
el consumo eléctrico de la iluminación y mejorar la
calidad y cantidad de luz artificial disponible.
Un sistema de alumbrado optimizado en la
vivienda se consigue mediante la asociación de
fuentes de luz eficaces con un sistema de gestión
que comprenda el control y regulación automática
para la instalación, de forma que permita responder
a las diferentes necesidades de los usuarios.
Sistemas de alumbrado residencial
Comprende el conjunto fuentes de luz – luminaria,
compatibilidad de las fuentes de luz – sistema de
gestión de la iluminación, así como el control y
regulación automática del alumbrado.
previamente programados, que permiten cambios
en la iluminación para crear ambientes diversos.
Conjunto fuentes de luz – luminaria
Al margen del interés decorativo de la luminaria,
que tiene su trascendencia, la calidad del conjunto
fuentes de luz – luminaria se caracteriza por su
capacidad de restituir, difundir, repartir o distribuir
la luz.
En este caso, es importante tener en cuenta
la eficacia luminosa de la fuente de luz (lámpara
o LED) definida en lúmenes por vatio (lm/W), su
capacidad para proporcionar un color verdadero
a los objetos y a las personas, con un índice de
rendimiento de color IRC superior a 80, un ambiente
de luz ni muy amarillo ni demasiado azul, es decir,
con una temperatura de color comprendida entre
2.800 K y 4.000 K.
Pero también se necesita elegir luminarias con
rendimientos adecuados que repartan y distribuyan
la luz eficazmente hacia las zonas deseadas.
La adopción de estas consideraciones permite
obtener una instalación de iluminación eficiente en
el consumo de energía eléctrica y que al tiempo
respete las necesidades de alumbrado demandadas
por los usuarios (cantidad de luz, ambiente
confortable, etc.).
El conjunto fuentes de luz – luminaria deberá
cumplir los niveles siguientes:
• Alumbrado general: eficacia luminosa ≥ 65
lm/W.
• Alumbrado de apoyo o acentuación: eficacia
luminosa ≥ 40 lm/W.
• Índice del rendimiento de color ≥ 80.
Las posibilidades en la gestión de la iluminación
son múltiples y van desde dispositivos reguladores
del flujo luminoso, hasta sensores de movimiento o
detectores de presencia, sensores de luminosidad,
así como sistemas automatizados por ordenador
incluso, en su caso, con efectos luminosos
228
Compatibilidad fuentes de luz – sistema de
gestión de la iluminación
Ciertas fuentes de luz (lámparas, fluorescentes,
LED, etc.) funcionan gracias a un dispositivo
eléctrico que puede estar instalado en el casquillo
de la lámpara o en la luminaria.
la compatibilidad entre dichas fuentes de luz y el
sistema de gestión.
Si se desea efectuar el control y regulación de
estas fuentes de luz mediante un sistema de gestión
automático del alumbrado, es necesario asegurarse
Para la regulación del flujo luminoso de las
lámparas, las fuentes de luz que no lo permitan
deben indicarlo en su embalaje.
Tipos de Fuentes de luz
Clase de eficiencia energética
(marcada en el embalaje)
Compatibilidad con un
sistema de gestión
Halógenas baja tensión (BT: 230 V)
C
Si
Halógenas muy baja tensión (TBT: 12 V)B ó C
Si
Fluorescentes compactas LEDAA verificar
(indicado en el embalaje)
Tabla 4.3.6. Principales fuentes de luz utilizadas en viviendas.
Gestión automática de la iluminación
La gestión automática del alumbrado permite encender automáticamente la iluminación cuando resulta
necesario (presencia, movimiento, luminosidad natural insuficiente, etc.) y apagarla, asimismo, de forma
automática (ausencia de movimiento, luminosidad natural suficiente, interruptor horario, etc.).
229
En todos los casos el usuario conserva siempre
la posibilidad, en caso de necesidad, de realizar el
encendido o apagado de forma manual.
Ejemplos de sistemas que permiten controlar el
consumo eléctrico debido a la iluminación son los
siguientes:
• Interruptores automáticos o con programadores
y en función de un umbral de luminosidad. Para la
bodega, el vestidor, el estudio de bricolaje, cuartos
de baño, etc.
• Reguladores en los cuartos de los niños o de los
padres y en el salón.
• Sensores de movimiento o de presencia en las
escaleras.
Estas soluciones se pueden utilizar con el conjunto
de fuentes luminosas (lámparas incandescentes,
halogenuros, fluocompactas, LED), disponibles bien
empotradas o salientes, para uso interior y exterior.
Estas soluciones:
La sustitución de luminarias ineficaces por
luminarias eficientes proporcionando el mismo
servicio, o la instalación de detectores o sensores
de presencia en sitios adecuados, todavía permiten
aumentar las mejoras en el consumo energético.
En una economía de eficiencia energética,
la reposición de fuentes de luz y luminarias
consumidoras de energía por otras de alta eficiencia
energética, es prioritario respecto a la instalación de
un sistema de control automático.
Las ganancias en confort, calidad y cantidad
de luz generadas por sistemas de alumbrado
eficientes, no se cuantifican en el exclusivo enfoque
energético.
4.3.3.6.1 Alumbrado interior en zonas
comunes de edificios de viviendas
El dimensionamiento de las instalaciones de
alumbrado interior de los espacios comunes de
las comunidades de propietarios, se ajustará a las
directrices establecidas en los apartados 4.3.3 y
4.3.3.9.
• Son simples.
• Fáciles de instalar (en nueva edificación y/o en
renovación).
• No necesitan trabajos pesados sobre la
construcción.
• Mejoran la eficiencia energética de la vivienda
y facilitan la vida de los ocupantes.
En cuanto a los beneficios potenciales, la
evaluación de las ganancias debidas a la puesta
en servicio de soluciones de alumbrado económico,
depende de la instalación existente.
Una instalación compuesta exclusivamente
por lámparas incandescentes, que se sustituyen
por fuentes de luz de ahorro energético (lámparas
fluorescentes o LED) genera una economía en el
consumo de energía eléctrica superior al 50%.
230
Se adoptarán las fuentes de luz, lámparas y
LED de mayor eficacia luminosa (lm/W) y larga
duración de vida, fluorescentes tubulares de alto
rendimiento y compactas de ahorro energético, con
sus correspondientes balastos electrónicos, LED,
etc. En zonas comunes interiores de presentación
como, por ejemplo, portales podrán instalarse
lámparas incandescentes halógenas, siempre y
cuando los valores de eficiencia energética (VEEI) no
superen los valores máximos o límite establecidos
seguidamente.
El valor de eficiencia energética de las
instalaciones de iluminación de las zonas comunes
interiores de no representación (zonas de paso en
sótano, locales de instalaciones técnicas, etc.), en
edificios de viviendas será como máximo o VEEI
límite el siguiente:
VEEI = 4,5 (W/m2) por cada 100 lux
En el caso de aparcamiento o garajes, el valor
límite o máximo de eficiencia energética de las
instalaciones de iluminación será el siguiente:
Respecto a los sistemas de control y regulación
se adoptarán para las lámparas fluorescentes,
incandescentes, halógenas y LED, los sistemas
indicados en el apartado 4.3.3.5.
VEEI = 5 (W/m2) por cada 100 lux
El valor de eficiencia energética de las
instalaciones de iluminación de las zonas comunes
interiores de representación (portal, escaleras,
rellanos, pasillo, etc.), en edificios de viviendas será
como máximo o VEEI límite el siguiente:
VEEI = 7,5 (W/m2) por cada 100 lux
Las pérdidas en equipos y lámparas serán como
máximo las determinadas en los Reglamentos
(CE) nº 244/2009, nº 245/2009 y su posterior
modificación nº 347/2010 que implementan
las Directivas 2005/32/CE y 2009/125/CE que
deroga la anterior.
Las lámparas, equipos y luminarias cumplirán lo
dispuesto en los referidos Reglamentos (CE).
Se sectorizarán los interruptores de alumbrado
de escaleras, rellanos, pasillos, garaje, etc., y se
preverán sensores de presencia o pulsadores
asociados a temporizadores, para evitar que se
enciendan a la vez todas las lámparas.
En los locales donde pueda aprovecharse la luz
diurna se instalarán sensores de luminosidad.
El mantenimiento de las instalaciones de
alumbrado interior se adaptará a lo preceptuado al
respecto en los apartados 4.3.3 y 4.3.3.9.
Parámetros Luminotécnicos:
Los parámetros luminotécnicos de la iluminación
interior de los espacios comunes de los edificios de
viviendas se ajustarán a los valores reflejados en la
Tabla 4.3.7.
Los factores de utilización (Fu) y de mantenimiento
(fm) de la instalación serán los mayores posibles.
Tipo de interior y actividad
Em(lux)
UGRL
Ra
Observaciones
Portal
Zona ascensores
Escaleras y pasillos
Rellanos
Garajes
• Rampas acceso
• Calles circulación
• Áreas de aparcamiento
Salas de instalaciones térmicas
Zonas circulación sótanos
Almacenes
300
300
150
200
22
22
25
25
80
80
80
80
100 lux por la noche
300
75
75
150
100
100
25
25
-
25
28
25
20
20
20
80
40
60
200 lux recomendados
75 lux por la noche
(se deben reconocer los
colores de seguridad)
Tabla 4.3.7 Valores de parámetros luminotécnicos:
luminación interior de espacios comunes en edificios de viviendas.
231
4.3.3.7. Alumbrado interior en el dominio
del sector terciario
Comprende la iluminación de los edificios
correspondientes al sector terciario, contemplando
las diferentes zonas, tareas visuales y tipos de
trabajos o actividades a desarrollar.
Al objeto de que las instalaciones de alumbrado
interior sean eficientes energéticamente, los
valores mínimos de iluminancia media (E) y
de rendimiento de color (Ra), así como el nivel
máximo del deslumbramiento molesto o índice de
deslumbramiento unificado (UGRL), se ajustarán
a lo establecido en las distintas zonas para cada
tipo de trabajo o actividad en las normas UNE-EN
12464-1 “Alumbrado en zonas de trabajo interior”,
así como en la norma UNE-EN 12193 “Alumbrado en
instalaciones deportivas”, tal y como se ha puesto
de manifiesto en el apartado 4.3.3.4.
Los niveles máximos o valores límite de VEEI,
cumplirán lo dispuesto en la exigencia básica
HE 3 del CTE, sin superar para el Grupo 1 (zonas
de no representación) y el Grupo 2 (zonas de
representación) los valores VEEI límite, tal y como se
ha expuesto en el apartado 4.3.3.3.
Para ello, se deberá elaborar un idóneo proyecto
de alumbrado interior de acuerdo con las directrices
reseñadas en el apartado 4.3.3.9, dado que el ahorro
en la energía consumida por la referida instalación
pasa por la calidad del proyecto de iluminación, que
deberá considerar la implantación de un material
eficiente en lo que concierne a las fuentes de luz
(lámparas y LED), como a los equipos auxiliares
y luminarias, así como un sistema de gestión que
tenga en cuenta un control y regulación que se
adapte adecuadamente a cada zona iluminada.
Las lámparas, equipos auxiliares y luminarias
deberán cumplir lo determinado en el Reglamento
(CE) nº 245/2009, de 18 de Marzo, Requerimientos
de diseño ecológico para lámparas fluorescentes
sin balasto integrado, para lámparas de descarga
de alta intensidad y para balastos y luminarias
que puedan funcionar con dichas lámparas; y su
posterior modificación por el Reglamento (CE) nº
232
347/2010, de 21 de Abril, que implementan la
Directiva 2005/32/CE y Directiva 2009/125/CE
que deroga la anterior.
Además, una instalación de alumbrado interior
optimizada incluye un conjunto de fuentes de luz
– luminaria de elevadas prestaciones, asociado a
un aparellaje de alimentación electrónico que, si la
utilización del espacio lo justifica, permite el control
y mando automático vía detector de presencia/
movimiento y, en su caso, tener en cuenta de forma
continua la luz natural, ajustando permanentemente
la iluminación artificial para que proporcione
únicamente el complemento de luz necesario para
alcanzar el nivel de iluminancia deseado en la zona
de trabajo.
Conjunto fuentes de luz-luminarias:
La calidad del conjunto fuentes de luz-luminarias
se caracteriza por la consideración que tiene en
cuenta, por una parte, los criterios de ergonomía y
de salud visual (nivel de iluminancia y uniformidad
suficientes, ausencia de deslumbramiento, etc.) y,
por otra parte, los consumos de energía eléctrica.
La renovación de instalaciones antiguas en la
rehabilitación de edificios permite mejorar estos dos
aspectos importantes al mismo tiempo.
Ello exige en la elección de fuentes de luz
(lámparas y LED) sopesar los tres criterios que debe
proporcionar el fabricante:
• La eficacia luminosa que especifica la cantidad
de luz (en lúmenes) emitida por la fuente de luz
para cada vatio de energía eléctrica consumida.
• El rendimiento de color de la fuente de luz o
capacidad para ofrecer un verdadero color a los
objetos y las personas.
• La temperatura de color que fija el ambiente
luminoso que el autor del proyecto desea crear, por
ejemplo, luz cálida, dulce e íntima un poco amarilla
(2.800 K a 3.500 K), o luz fría, intensa y dinámica,
más bien azulada (4.500 K a 6.000 K), o neutra
comprendida entre las dos anteriores.
Pero también se hace necesario seleccionar
luminarias de elevados rendimientos que distribuyan
y repartan eficazmente la luz emitida por las lámparas
hacia las zonas que se desean iluminar.
sistemas de gestión global del alumbrado de un
espacio.
La adopción en el proyecto de iluminación y en
su posterior ejecución de estos criterios, permite
conseguir una instalación de alumbrado interior
eficiente en el consumo de energía eléctrica, cuyo
buen rendimiento limita la cantidad de luz perdida, al
tiempo que respeta las necesidades de iluminación
demandada por los usuarios (cantidad de luz,
ambiente confortable, etc.).
Los sistemas de mando deben ser compatibles
con las fuentes de luz y luminarias que se van a
instalar.
Se recomienda que el conjunto de fuente de luz –
luminaria cumpla los valores mínimos siguientes:
• Alumbrado general: eficacia luminosa ≥ 65
lm/W.
Los detectores pueden estar integrados en cada
luminaria o bien en una luminaria maestra que mande
sobre las otras. También pueden ser implantados
separadamente de las luminarias a nivel de local o
de planta.
• Alumbrado de apoyo o acento: eficacia luminosa
≥ 40 lm/W.
Los detectores son compatibles con los sistemas
de control centralizado del edificio.
• Índice de rendimiento de color ≥ 80.
Un sistema de detección de presencia y/o de
regulación de la iluminancia en función de la luz
natural lleva a cabo de forma automática el encendido,
apagado y variación de la cantidad de luz.
4.3.3.7.1. Sistemas de alumbrado terciario
• Rendimiento de la luminaria ≥ 55% con
distribución de la luz directa o directa-indirecta.
Aparellaje de alimentación:
Para las lámparas fluorescentes, solamente los
balastos electrónicos clase A1 ó A1 BAT permiten
la instalación de sistemas de regulación de la luz
manuales o automáticos, así como ocasionalmente
Tipos de fuentes de luz
Sistemas de mando:
Todas las lámparas, salvo algunas fluocompactas
y de descarga de alta intensidad, pueden dotarse de
un sistema de detección y/o de regulación del flujo
luminoso.
Cuando se proceda al cambio de lámparas, resulta
conveniente comprobar que el fabricante indique esta
posibilidad de detección y/o regulación.
Aparellaje regulable asociado
Halógenas baja tensión (BT: 230 V)
Regulador o dimmer
Convertidor electrónico (20 a 25% menor
Halógenas muy baja tensión (TBT: 12 V)
consumo energético que un transformador) + regulador
Fluocompactas de integraciónBalasto electrónico variable numérico o analógico
Tubos fluorescentes T5 ó T8Balasto electrónico variable numérico o analógico
Lámparas de descarga de vapor deBalasto electrónico variable numérico o analógico
sodio a alta presión
sobre ciertas potencias
Lámparas de descarga de halogenurosBalasto electrónico variable sobre ciertas potencias
metálicos (cerámica)
a reserva de las características técnicas de las lámparas
Sistema LEDAparellaje electrónico
Tabla 4.3.8. Principales fuentes de luz utilizadas en el sector terciario.
233
Los equipos auxiliares para lámparas
fluorescentes darán cumplimiento al Reglamento
(CE) nº 245/2009 y su posterior modificación por
el Reglamento (CE) nº 347/2010 que, aún cuando
deroga la Directiva 2000/55/CE (Directiva de
balastos), constituye una ampliación y revisión de
la misma.
La diferencia entre la Directiva 2000/55/CE y
los Reglamentos (CE) nº 245/2009 y 347/2010
estriba fundamentalmente, en que el índice de
eficiencia energética (IEE) no se basa en la potencia
del sistema como sucedía en la Directiva de
balastos, sino en la eficiencia del balasto; de esta
manera la potencia de la lámpara se divide por la
potencia del sistema.
En el caso de rehabilitación de edificios se
recomienda sustituir las lámparas T10 y T12 por
lámparas T8, con un rendimiento de color Ra>80, así
como llevar a cabo cualquier renovación utilizando
balastos A1 BAT, A2 y A2 BAT, lámparas de vapor
de sodio a alta presión y de halogenuros metálicos
de elevado rendimiento, así como luminarias
eficientes de nuevo diseño que operen con balastos
electrónicos.
Las luminarias deben ajustarse a lo determinado
en la Directiva de Baja Tensión 2006/95/CE y
Directiva de compatibilidad electromagnética
2004/108/CE.
En lo que atañe a lo propuesto por el Reglamento
(CE) nº 245/2009, modificado por el nº 347/2010
en los Anexos V, VI y VII en referencia a las luminarias,
se trata de criterios de referencia indicativos
proporcionados a efectos informativos y, por tanto,
carecen de la consideración de prescripciones
obligatorias.
Los factores de depreciación del flujo luminoso
y los de supervivencia para lámparas de vapor de
sodio a alta presión y de halogenuros metálicos,
satisfarán los valores mínimos establecidos en los
mencionados Reglamentos (CE).
234
4.3.3.7.1.1. Accionamiento automático del
alumbrado
Los detectores de presencia permiten apagar
o encender las fuentes de luz instaladas en las
luminarias, así como variar automáticamente el
nivel de iluminancia en función de la ocupación del
local, e igualmente responder a ciertos retrasos o
esperas en términos de seguridad.
Las células fotoeléctricas o emisoras de
luminosidad mantienen en una zona el nivel de
iluminancia escogido teniendo en cuenta la luz
natural, de forma que los ahorros en el consumo de
energía eléctrica se producen porque el alumbrado
artificial solamente funciona para suministrar la
cantidad de luz necesaria para complementar el
alumbrado natural.
Detector de presencia:
• Nivel de servicio: Encendido/apagado
automático (encendido progresivo o no, según la
utilización del local).
• Aplicación: Locales de utilización intermitente,
pasos de circulación, etc.
Célula fotoeléctrica:
• Nivel de servicio: Mantiene un nivel de
iluminancia constante en la zona iluminada (con
ahorro energético al considerar las aportaciones de
la luz natural).
• Aplicación: Todos los locales que puedan
beneficiarse de la luz natural.
Detector de presencia + célula fotoeléctrica:
• Nivel de servicio: Combinación de los dos
automatismos.
• Aplicación: Locales terciarios.
4.3.3.7.1.2. Gestión de la iluminación
ambiental
Los sistemas de gestión de la iluminación
ambiental ofrecen la posibilidad de tener
programados varios escenarios que el usuario
puede activar simplemente o modificar según las
necesidades.
Programador:
Nivel de servicio: Secuencias diarias, semanales,
mensuales y anuales.
Gestor de ambientes o de escenarios:
Nivel de servicio: Planteamiento de ambientes
luminosos y escenarios programados previamente.
Se recomienda la gestión de la iluminación
ambiental en los siguientes locales:
• Salas de reunión y de exposición.
• Vestíbulos.
• Vitrinas.
• Escaparates.
• Tiendas y comercios.
• Salas polivalentes.
4.3.3.7.1.3. Gestión centralizada de la
iluminación
Permite el control, mando y gestión de la
instalación de alumbrado interior en los periodos de
tiempo previstos.
También faculta para conocer el estado de los
consumos eléctricos de la instalación interior del
conjunto del edificio y puede integrarse en un
sistema de gestión técnica del edificio.
Gestión del alumbrado de un edificio en red.
Sistema DALI:
Facilita una gestión óptima de la iluminación
interior. Las luminarias están conectadas en red
para la creación de ambientes luminosos.
El encendido, apagado y la variación del
alumbrado se efectúa mediante un accionamiento
numérico que propicia una óptima gestión de la
luminosidad (nivel de iluminancia constante).
Nivel se servicio: Puesta en red de las luminarias
con su equipamiento (fuentes de luz y aparellaje
auxiliar) para el control y supervisión de la
iluminación, configuración programada que facilita
la explotación y mantenimiento de la instalación.
La gestión centralizada de la iluminación se
recomienda en los locales siguientes:
• Edificios de oficinas.
• Grandes conjuntos hoteleros o asimilados.
• Palacios de congresos.
• Centros comerciales.
A continuación, se describe un ejemplo basado
en la rehabilitación de un pequeño local terciario
de 150 m2 cuya instalación de alumbrado interior
ha sido renovada de acuerdo con los siguientes
criterios:
• En alumbrado general, instalación de luminarias
de un rendimiento del 80%, dotadas con lámparas
fluorescentes T8 de una eficacia luminosa de
80 lm/W, equipadas con balastos electrónicos,
que sustituyen a las luminarias originales con un
rendimiento del 50% y lámparas fluorescentes de
60 lm/W con balastos electromagnéticos.
• En la iluminación de zonas de circulación, salas
de reunión y aseos, implantación de luminarias para
lámpara fluocompactas con balasto electrónico
y luminarias con LED, en lugar de las luminarias
existentes con lámparas halógenas de muy baja
tensión (TBT) y poco eficientes energéticamente
(elevado consumo).
• En las zonas con luz natural el alumbrado
artificial se ha modulado en régimen continuo
para que no consuma más que lo necesario para
completar la luz natural, alcanzando los niveles de
iluminancia asignados a cada zona.
• La iluminación de los aseos, zonas de circulación
235
y ciertas oficinas se controlan mediante detectores
de presencia/movimiento.
Las cifras de ahorro o economías obtenidas con
la renovación de las instalaciones de alumbrado
interior son las siguientes:
Consumo: 68%
Emisiones de CO2: 68%
Costos de mantenimiento: 70%
El análisis de rentabilidad, teniendo en cuenta
el sobrecoste de los nuevos aparatos eficientes
energéticamente, en relación a una renovación de la
instalación de alumbrado con aparatos idénticos o
los existentes, proporciona un periodo de retorno de
la inversión (sobrecoste) entorno a 1 año.
Esta solución completa depara hasta un 70%
de ahorro sobre el consumo eléctrico inicial de la
instalación de alumbrado. Además, conduce a una
reducción en los costes de explotación gracias a la
gestión flexible de la iluminación.
A pesar de todo lo anterior, es muy importante
priorizar las acciones a llevar a cabo en una
rehabilitación, ya que no resulta racional instalar
automatismos en una instalación de alumbrado
interior constituida por luminarias, lámparas
y equipos auxiliares (balastos) vetustos, muy
consumidores de energía y con una tecnología
superada.
Un buen sistema de iluminación, primeramente,
debe estar dotado de luminarias, fuentes de luz
(lámparas y LED) y equipos auxiliares eficientes
gestionados, seguidamente y según cada caso, por
automatismos de detección de presencia o de luz
natural.
4.3.3.8. Procedimiento de Verificación
En consonancia con lo determinado en la
exigencia básica HE 3 del CTE, deberá seguirse
la secuencia de verificaciones que se expone
seguidamente:
236
• Cálculo del valor de eficiencia energética de la
instalación VEEI en cada zona, constatando que no
se superan los valores límite (niveles máximos) de
las tablas correspondientes a los grupos 1 y 2.
• Comprobación de la existencia de un sistema
de control y, en su caso, de regulación que optimice
el aprovechamiento de la luz natural.
• Verificación de la existencia de un plan de
mantenimiento.
4.3.3.9 Proyecto de iluminación
La iluminación interior requiere un adecuado
planteamiento profesional que deberá plasmarse
en un buen proyecto de iluminación, teniendo en
cuenta:
Dimensionamiento: Las instalaciones de
iluminación interior en las diferentes zonas exigen
elaborar el proyecto de iluminación, teniendo
presentes previamente unos datos y parámetros
iniciales tales como:
• Tipología de la zona a iluminar.
• Utilización de la zona a iluminar.
• Niveles de iluminación necesarios.
• Dimensiones de los espacios a iluminar (índice K del local).
• Reflectancias de paredes, techos y suelos de las zonas.
• Condiciones de la luz natural.
• Características de los techos.
• Tipo de acabado y pintura.
• Mobiliario previsto.
Método de cálculo: Se llevará a efecto el cálculo
luminotécnico por el método punto por punto, bien
manualmente o mediante un programa informático,
solvente, fiable y debidamente contrastado, asociado
al método de cálculo.
El método de cálculo utilizará como datos de
partida los señalados en el dimensionamiento, así
como los derivados de los materiales adoptados en
las soluciones propuestas, tales como fuentes de
luz, equipos auxiliares, luminarias, etc.
Desarrollo: En el desarrollo y realización del
proyecto deberán seguirse, entre otras, las siguientes
secuencias:
• Establecimiento del índice del local (K) utilizado
en el cálculo.
• Fijación del factor de mantenimiento (fm)
previsto.
• Señalamiento del tono de luz o temperatura de
color (Tc), del rendimiento de color (Ra) y eficacia
luminosa (Efl) de las fuentes de luz (lámparas y
LED) adoptadas.
• Selección de las luminarias y proyectores a
instalar con detalle de la clase (distribución de
la intensidad luminosa), rendimiento, control de
deslumbramiento, etc.
• Modo de instalación de las luminarias y
proyectores, así como determinación del factor de
utilización (Fu) de la instalación.
• Determinación de la iluminancia media horizontal
mantenida (E) y, en su caso, iluminancia media
vertical mantenida (Ev) e índice de deslumbramiento
unificado (UGRL).
• Evaluación de la uniformidad de iluminancia
general y, en su caso, extrema.
• Aprovechamiento, cuando sea posible, de la luz
natural.
• Cálculo de los valores de eficiencia energética
de la instalación (VEEI).
• Control y regulación de la luz apropiadas a las
necesidades.
• Delimitación de los criterios, en su caso, de
distancia mínima entre la fuente luminosa y el objeto
iluminado para protección de altas temperaturas.
de filtros y protectores de luz contra las radiaciones
ultravioletas (UV) e infrarrojas (IR).
Iluminancias: Se calcularán en servicio por
lo que se considerará la depreciación del flujo
luminoso de las fuentes de luz y su supervivencia,
las pérdidas por ensuciamiento de las luminarias
y la reducción de los factores de reflexión de las
superficies de la zona.
En general, para un entorno limpio puede tenerse
en cuenta un factor de mantenimiento Fm = 0,8.
En locales tales como almacenes, garajes, salas
técnicas, zonas de circulación en sótanos, etc., en
función del grado de suciedad, se adoptarán los
siguientes factores de mantenimiento:
Entorno medio
Entorno sucio
0,55
0,30
Deslumbramiento molesto: El índice de
deslumbramiento molesto directamente procedente
de las luminarias de una instalación de iluminación
interior se determinará utilizando el método de
tabulación del Índice de Deslumbramiento Unificado
(UGRL), propuesto por la Comisión Internacional de
Iluminación (CIE), basado en la expresión:
(4.3.11)
Donde:
• L es la iluminancia de las partes luminosas de
cada luminaria en la dirección del ojo observador,
en cd/m2.
• w es el ángulo sólido subtendido por las partes
luminosas de cada luminaria y el ojo del observador
(estereorradianes).
• P es el índice de posición de Guth para cada
luminaria individual, que se relaciona con su
desplazamiento en relación con el eje visual.
• N es el número de luminarias.
• Implantación, cuando sea necesario, de sistemas
237
• Lb es la iluminancia de fondo, en cd/m2, que
se define como la luminancia uniforme de todo el
entorno del campo visual que produciría la misma
iluminancia sobre un plano vertical en el ojo del
observador, excluyendo la iluminancia producida
directamente por las luminarias.
Las propiedades de reproducción del color de las
lámparas marcarán la exactitud de la precepción del
color y se describen mediante el índice “Ra”, como
porcentaje referido a una fuente de luz ideal. Este
índice de reproducción de color (Ra) se clasificaría
en grupos que irían de Ra 90 (muy buena) a Ra <
40 (muy baja).
Lb se calcula mediante la fórmula:
(4.3.12)
Donde Ei es la iluminancia indirecta en el ojo del
observador, en lux.
La publicación CIE-117 de 1995 establece la
fórmula UGRL que proporciona la probabilidad
más exacta posible de determinación del
deslumbramiento molesto.
Sin embargo, en numerosos casos un método
simplificado utilizando las tablas de UGRL
facilita en la práctica resultados aceptables del
deslumbramiento molesto, acordes con el cálculo
directo obtenido mediante la fórmula de la CIE.
Es importante considerar que la escala de valores
del deslumbramiento molesto UGRL obtenidos
utilizando la fórmula, se extiende desde 10 para
la ausencia de deslumbramiento hasta 31 para un
deslumbramiento molesto intolerable, siendo mayor
el deslumbramiento cuanto más alto resulte el valor
obtenido de UGRL.
Desde el punto de vista práctico, la escala de
valores de UGRL es la siguiente: 10 – 13 – 16 –
19 – 22 – 25 – 28 – 31; dado que la experiencia
ha demostrado que intervalos inferiores a 3 no
resultaban significativos.
Rendimiento de color: El color es aquella
cualidad de los objetos de absorber unas
determinadas longitudes de onda del espectro
visible y reflejar otras.
El color que presenta un objeto depende de la
distribución de la energía espectral de la luz con que
está iluminado y de las características reflexivas de
dicho objeto.
238
Temperatura de Color: La temperatura de color
a tono de luz es el aspecto general del ambiente
que proporciona la iluminación, y puede ser cálido,
neutro o frio, de acuerdo con las características
siguientes:
• Tono de luz blanco cálido: Con una temperatura
de color Tc < 3.300 K, adecuada para un ambiente
relajado y tranquilo.
• Tono de luz blanco neutro: Con unas temperaturas
de color comprendidas entre 3.300 y 5.000 K,
acertado para un ambiente práctico y activo.
• Tono de luz blanco frio: Con una temperatura de
color TC > 5.000 K, apropiado fundamentalmente
para tareas visuales de elevada concentración con
altos niveles de iluminación.
Plan de mantenimiento: Tal como se ha señalado
anteriormente, el factor de mantenimiento (fm) es
la relación entre la iluminancia media en servicio
y la iluminancia media obtenida al inicio de su
funcionamiento como instalación nueva.
(4.3.13)
El factor de mantenimiento que es siempre
menor que la unidad (fm < 1), interesa resulte lo
más elevado posible.
La adopción del factor de mantenimiento implica
concretar, desde el inicio de la elaboración del
proyecto, un plan de mantenimiento que contemple
la programación de los trabajos y su frecuencia,
que se corresponda con el factor de mantenimiento
adoptado.
El valor del factor de mantenimiento adoptado
permite calcular en el proyecto la iluminación media
inicial (Ei) a la puesta en marcha de la instalación,
para que la iluminancia media en servicio (E) a
mantener en el transcurso del funcionamiento de
la misma esté garantizada durante toda la vida
de la instalación, al llevar a la práctica el plan de
mantenimiento establecido.
Documentos del Proyecto: Previa consideración
de las necesidades a satisfacer y las soluciones
técnicas propuestas, en la memoria se detallan
los datos que definen la instalación de alumbrado
interior.
Como anexo de la memoria se incorporan los
cálculos luminotécnicos y de los valores de eficiencia
energética (VEEI) de cada zona de la instalación, así
como el plan de mantenimiento de la misma.
Los planos del proyecto deben ser lo
suficientemente descriptivos para que puedan
deducirse de ellos las mediciones que sirvan de
base para las valoraciones pertinentes.
En el Pliego de Condiciones Técnicas se realiza
la descripción de las obras y se regula su ejecución,
consignándose las características que hayan de
reunir los materiales a instalar y ensayos a los
que deban someterse, así como las normas para
la elaboración de las distintas unidades de obra,
precauciones a adoptar durante su ejecución,
medidas de seguridad, etc.
Los servicios generales comprenden todos
los servicios eléctricos que son de uso común
de todos los usuarios que forman la comunidad
de propietarios en un edificio de viviendas, o de
los trabajadores en el caso de un edificio de uso
terciario.
Por tanto, en un edificio son servicios generales
la iluminación de portales, vestíbulos, accesos,
escaleras incluidos rellanos, posibles interiores,
aseos, locales de instalaciones técnicas (calefacción
central, cuarto de maquinaria de ascensores, grupos
de presión, etc.) garajes, zonas de circulación en
sótano, etc., es decir, todas aquellas zonas que
son de uso de la comunidad o de los trabajadores
y necesitan una instalación eléctrica para su
funcionamiento.
Respecto al valor máximo de la eficiencia
energética (VEEI límite) y los parámetros
luminotécnicos (iluminancia, deslumbramiento
molesto y rendimiento de color) de las instalaciones
de alumbrado interior en zonas comunes, se da
por reproducido lo especificado en apartados
precedentes.
La carga eléctrica correspondiente a los servicios
generales es la suma de la potencia prevista en
ascensores, aparatos elevadores, iluminación
interior de zonas comunes, etc.
Carga de ascensores y montacargas
El presupuesto del proyecto contiene los capítulos
de mediciones, cuadros de precios, presupuestos
parciales y generales.
Los valores característicos de las potencias (kW)
de los aparatos elevadores son los detallados en la
Tabla 4.3.9.
4.3.4. Otros consumos eléctricos
4.3.4.1. Servicios generales
En un edificio de viviendas o de usos terciarios,
sin considerar la calefacción y el aire acondicionado
objeto de otros capítulos, los servicios generales
generan consumos eléctricos además de los
ocasionados por los electrodomésticos en las
viviendas.
239
Tipo de aparato elevadorCarga (kg)Nº de Personas Velocidad (m/s) Potencia (kW)
ITA-1
400
5
0,63
4,5
ITA-2
400
5
1,00
7,5
ITA-3
630
8
1,00
11,5
ITA-4
630
8
1,60
18,5
ITA-5
1.000
13
1,60
29,5
ITA-6
1.000
13
2,50
46,0
Tabla 4.3.9. Previsión de potencia para aparatos elevadores.
Carga correspondiente a alumbrado
Para el alumbrado del portal y otros espacios
comunes se puede estimar una potencia de 15 W/
m2 si las lámparas son incandescentes y de 8 W/m2
si son fluorescentes.
4.3.4.2. Electrodomésticos
La energía que consumen las viviendas constituye
aproximadamente un 18% del consumo energético
total en España. Los electrodomésticos suponen
un 13% del consumo total de la vivienda, mientras
que la iluminación interior alcanza un 16%.
Para el alumbrado de la caja de la escalera
se puede adoptar una potencia de 7 W/m2 para
incandescencia y de 4 W/m2 para alumbrado con
fluorescencia.
Carga de los garajes
Se calculará considerando un mínimo de 10 W/
m2 y planta para garajes de ventilación natural, y de
20 W/m2 para la ventilación forzada, con un mínimo
de 3.450 W a 230 V y coeficiente de simultaneidad
1.
Cuando sea necesario un sistema de ventilación
forzada para la evacuación de humos de incendio,
se estudiará de forma específica la previsión de
cargas de garajes.
Cargas totales
La carga total de los servicios generales será la
suma de todas las cargas unitarias.
Se estudiará el posible sobrecoste de energía
reactiva, al objeto de eliminarlo y, en su caso, se
unificará en un solo contador todos los suministros
eléctricos con contadores independientes, siempre
y cuando suministre energía eléctrica a los servicios
generales correspondiente a una sola comunidad
de propietarios o edificio de oficinas.
240
Figura 4.3.2. Etiqueta energética.
La etiqueta energética permite al consumidor
conocer la eficiencia energética de un
electrodoméstico, siendo su ámbito de aplicación
europeo. La etiqueta energética tiene que estar de
forma obligatoria en cada electrodoméstico puesto
a la venta. Los electrodomésticos que deben incluir
el etiquetado energético son los siguientes:
• Frigoríficos y congeladores.
• Lavadoras.
• Lavavajillas.
• Secadoras.
• Lavadoras-secadoras.
• Fuentes de luz domésticas.
• Horno eléctrico.
• Aire acondicionado.
Tal y como consta en la Figura 4.3.2, existen
siete clases de eficiencia energética identificadas
por un código de colores y letras, que van desde el
color verde y la letra (A) para los electrodomésticos
más eficientes, hasta la letra (G) para los menos
eficientes. Esta escala está evolucionando hacia
arriba incorporando las clases (A++) y (A+++),
tendiendo a desaparecer las clases inferiores o de
menor eficiencia energética. Salvo los frigoríficos,
que se recomienda adquirir la clase (A++) y (A+++),
para el resto de electrodomésticos se recomienda
la clase (A), bien entendido que el consumo de
energía para prestaciones similares puede llegar a
ser casi tres veces más en los electrodomésticos de
la clase (G) que en los de la clase (A).
241
4.4
Marisol Fernández
Directora de CEDOM – Asociación Española de Domótica
4.4
LOS SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL
La domótica es el conjunto de tecnologías aplicadas al control y la automatización inteligente de la
vivienda, que permite una gestión eficiente del uso de la energía, además de aportar seguridad, confort y
comunicación entre el usuario y el sistema.
Cuando la automatización se aplica a edificios no destinados a vivienda, es decir oficinas, hoteles,
centros comerciales, de formación, hospitales y terciario, se denomina, inmótica.
En este capítulo se analizarán los beneficios de instalar domótica e inmótica y su contribución a la
eficiencia energética en la edificación ya sea de nueva construcción o en rehabilitación.
4.4.1. Domótica en el sector residencial
Un sistema domótico es capaz de recoger
información proveniente de unos sensores o
entradas, procesarla y emitir órdenes a unos
actuadores o salidas. El sistema puede acceder a
redes exteriores de comunicación o información.
La domótica facilita la gestión integrada de los
diferentes dispositivos del hogar: la iluminación,
los toldos y persianas, la calefacción, el aire
acondicionado, los sistemas de riego, los sistemas
de seguridad, etc. Mediante una consola portátil
242
o incluso con el mando de la televisión, puede
controlarse todo el sistema domótico cómodamente
desde un sofá. O si se prefiere, también puede
hacerse desde el ordenador de la oficina a través
de Internet, o desde la entrada a la vivienda con el
videoportero, o desde cualquier lugar a través del
móvil o del portátil. Además, la domótica actúa de
forma inteligente ya que permite programar diferentes
escenarios que se ajusten a las necesidades del
usuario.
La domótica se integra en la vivienda de forma
que no se percibe su presencia, sino la normalidad
de su uso. En función de la información que percibe
de los usuarios, se comporta adaptándose a la
necesidad de cada momento, con los cambios que
se deriven, porque las personas no son las mismas
cada día a la misma hora. Se trata de una tecnología
que aprende, interpreta y actúa, con inteligencia
propia.
Actualmente, existen en el mercado diversos
sistemas domóticos fácilmente instalables en
cualquier tipo de vivienda: protección oficial, libre,
ya construida, de nueva construcción, unifamiliares
aisladas, adosadas o en bloque.
En función de los requerimientos de cada
proyecto, se aplicará una solución a medida que
satisfaga las necesidades del hogar y se adapte al
modo de vida del usuario.
Un sistema se considera domótico si cumple
con el nivel uno de la tabla de niveles de CEDOM
(disponible en www.cedom.es) basada en la
Especificación AENOR EA0026: 2006 “Instalaciones
de sistemas domóticos en viviendas. Prescripciones
generales de instalación y evaluación”.
Es necesario que el sistema esté integrado de
forma que todos los dispositivos se comuniquen e
interactúen entre sí.
Instalar un sistema domótico en una vivienda
está al alcance de cualquier bolsillo. Con una
pequeña, pero inteligente inversión, no sólo se
recupera la inversión, sino también se respeta el
medio ambiente.
En los últimos años, el sector ha evolucionado
considerablemente, y en la actualidad ofrece una
oferta más consolidada. Hoy aporta soluciones
dirigidas a todo tipo de viviendas, desde las
construcciones de vivienda protegida (VPO) a
las de alto standing. Actualmente, existen más
funcionalidades por menos dinero, más variedad
de producto y, gracias a la evolución tecnológica,
son más fáciles de usar y de instalar.
En definitiva, la oferta es mejor y de mayor
calidad y su utilización es ahora más intuitiva
y perfectamente manejable por cualquier perfil
de usuario. Paralelamente, los instaladores han
incrementado su nivel de formación y los modelos
de implantación se han perfeccionado. Asimismo,
los servicios posventa garantizan el perfecto
mantenimiento de todos los sistemas.
4.4.2. Inmótica en el sector terciario
La Inmótica es el control inteligente de un
edificio para la gestión energética, la mejora
del confort, de la accesibilidad, la salubridad, la
seguridad, las comunicaciones y el confort. Un
sistema inmótico interconecta e integra a los
diferentes sistemas existentes en un edificio y
garantiza su funcionamiento eficiente de acuerdo
con las necesidades de uso del edificio. El
término inmótica es aplicable a cualquier tipo de
edificación del sector terciario, como pueden ser
hoteles, hospitales, residencias geriátricas, centros
comerciales, oficinas, aeropuertos, etc.
Un Sistema Inmótico se divide en dos subsistemas,
el BMS (Building Management System) y el RMS
(Room Management System). El BMS controla la
infraestructura y las zonas comunes del edificio,
mientras que el RMS controla el funcionamiento de
cada una de las estancias.
Optimiza la gestión del edificio porque integra
desde un único punto de control todos los sistemas
de un edificio: ascensores, sistemas antiincendios,
alarmas técnicas, cuadros eléctricos, ventilación,
iluminación, climatización, toldos y persianas,
microgeneración, etc.
Alarga el ciclo de vida del edificio con un
mantenimiento predictivo que prolonga la vida útil
de los equipos, ahorrando tanto en materiales como
en horas de trabajo, y evitando averías.
La inmótica incorporada al edificio, como un
valor diferenciador, aporta la posibilidad de ofrecer
edificios con más y nuevas prestaciones que
contribuyen a reducir el periodo de comercialización,
ya que su inclusión revalorizará el valor de
tasación.
243
4.4.3. Contribución de los sistemas de automatización a la eficiencia energética.
En España, de un total de 25 millones de viviendas,
la mitad tiene más de 30 años de antigüedad y en
torno al 20% (cerca de seis millones), supera los
cincuenta años. En muchos casos estas viviendas
presentan importantes carencias en su eficiencia
energética, accesibilidad y habitabilidad.
Según datos del IDAE, el consumo doméstico de
energía de las familias españolas supone un 17%
del consumo total de energía del país y cada hogar
es responsable de producir hasta 5 toneladas de
CO2 anuales.
El buen uso de una instalación domótica puede
suponer un ahorro mínimo del 25% de la factura
energética anual (el gasto medio de una familia es
de 900 €/año).
En España, un hogar medio consume unos
4.000 kWh al año. Suponiendo que en un hogar
el único suministro de energía fuera la electricidad,
el consumo quedaría repartido según se detalla
en la Figura 4.4.1 (extraída de la “Guía de cómo
ahorrar energía instalando domótica en la vivienda”,
publicada en colaboración con el IDAE).
Cocina
Aire acondicionado
2,0%
Electrodomésticos
3,8%
Iluminación
11,6%
Agua caliente
11,9%
Calefacción
27,9%
42,9%
Figura 4.4.1. Reparto del consumo eléctrico doméstico
(Fuente: “Guía de cómo ahorrar energía instalando domótica en la vivienda”).
Al instalar un sistema de automatización en una vivienda o edificio se posibilita la gestión eficiente
del uso de la energía, contribuyendo al ahorro de agua, electricidad y combustibles. En la Figura 4.4.2, se
muestran algunos valores de referencia en cuanto a las reducciones de consumo de energía asociadas a
determinadas actuaciones en sistemas inmóticos.
244
% DE REDUCCIÓN DE ENERGÍA CONSUMIDA POR APLICACIONES DE INMÓTICA
90%
80%
80%
70%
60%
60%
50%
50%
40%
40%
45%
30%
20%
10%
0%
Control del clima
por estancia
Automatización
del clima por
estancia
Control de
persianas
Control de
iluminación
Control de la
ventilación / aire
Figura 4.4.2. Reducción de energía consumida por aplicaciones de inmótica (Fuente: Estudio realizado
por la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach (Alemania), por encargo de la Asociación Alemana
de Fabricantes Eléctricos y Electrónicos).
4.4.3.1. Ahorro en el consumo eléctrico
Los sistemas de iluminación eficientes adaptan
el nivel de iluminación en función de la variación
de la luz solar, la zona de la casa o la presencia de
personas, ajustándola a las necesidades de cada
momento. Por ejemplo, detectan la presencia de
personas en zonas de paso, como son los pasillos
de la vivienda o de las zonas comunes de un
edificio, y las iluminan sólo cuando es necesario.
El ahorro de consumo eléctrico se puede conseguir
a través de un control automático inteligente de
toldos, persianas y cortinas de la vivienda, así como
con un control automático del encendido y apagado
de todas las luces de la vivienda y de las luces
exteriores en función de la luz solar.
Lo mismo sucede con la climatización, ya que el
ahorro de consumo eléctrico también se consigue a
partir de sistemas de regulación de la calefacción y
el aire acondicionado que adaptan la temperatura
de la vivienda en función de la variación de la
temperatura exterior, la hora del día, la zona de la
casa o la presencia de personas, y también con un
control automático inteligente de toldos, persianas y
cortinas de la vivienda que facilite el aprovechar al
máximo la energía solar.
Además, el control o secuenciado de la
puesta en marcha de electrodomésticos, que son
programados para que funcionen en horarios en
los que el precio de la energía es menor, contribuye
asimismo al ahorro del consumo eléctrico, así como
la detección y gestión del consumo “en espera”
de los electrodomésticos o la programación de la
desconexión de circuitos eléctricos no prioritarios
antes de alcanzar la potencia contratada.
4.4.3.2. Ahorro en el consumo de
combustibles
Los sistemas domóticos e inmóticos permiten
también el ahorro del consumo de combustibles
con sistemas de regulación de la climatización,
como termostatos o cronotermostatos, que adaptan
245
la temperatura de la vivienda en función de la variación de la temperatura exterior, la hora del día, la zona
de la casa o la presencia de personas. Pero además detectan también la apertura y el cierre de ventanas,
y avisan al usuario si hay ventanas abiertas cuando está activada la climatización.
En lo referente a las fugas de gas, los sistemas de control y regulación centralizados detectan las averías,
avisan sobre ellas y provocan un corte del suministro que evite los peligros que pudieran ocasionarse.
Figura 4.4.3. Esquema de funcionalidades domóticas para el ahorro energético
(Fuente: “Guía de cómo ahorrar energía instalando domótica en la vivienda”).
4.4.3.3. Ahorro en el consumo de agua
Adicionalmente, la instalación de un sistema de
automatización favorece el ahorro del consumo de
agua a través de sistemas de control y regulación
centralizados que detectan si se produce una
inundación, dando una señal de aviso, y provocan un
corte del suministro. Estos sistemas además aportan
información sobre comportamientos anómalos. Con
un control inteligente de riego, a través de un sensor
de humedad o de lluvia, detectan la humedad del
suelo y de forma autónoma riegan sólo cuando es
necesario.
Otra forma de contribuir al ahorro de agua es
reciclar las aguas grises mediante sistemas de
medición de la calidad del agua que facilitan la
gestión del reciclaje, junto con grifos inteligentes
246
que gestionan el caudal y la temperatura del agua.
Un grifo inteligente que regula y elimina el agua
transitoria, por ejemplo, permite ahorrar hasta un
25% más de agua que un grifo monomando.
Cualquier tipo de ahorro de agua, aunque no se
trate de agua caliente, conlleva un ahorro energético,
ya que el agua que llega a nuestras viviendas lleva
asociada una serie de procesos, como la depuración
o el bombeo, que consumen energía.
4.4.3.4. MONITORIZACIÓN DE CONSUMOS
En la actualidad, los sistemas domóticos
e inmóticos ofrecen una gran variedad de
funcionalidades orientadas a monitorizar el consumo
de agua, de combustibles y el consumo eléctrico de
todos los electrodomésticos, iluminación, sistemas
de comunicaciones, refrigeración y/o calefacción,
etc. Esto permite hacer una gestión personalizada
del consumo (por franjas horarias, diario, mensual,
etc.), así como detectar malos funcionamientos de
los equipos del hogar.
La información obtenida permite optimizar el
ahorro energético en el futuro y corregir las pautas
de comportamiento.
Además, monitorizar la calidad del suministro
eléctrico permite notificar la información al
suministrador de electricidad de forma remota,
mejorando así el funcionamiento global del sistema
de distribución eléctrica para ajustar con más
exactitud los patrones de producción a los hábitos
de consumo.
En aquellos inmuebles que disponen de sistemas
de generación de electricidad por energía solar
fotovoltaica u otros sistemas (microgeneradores,
aerogeneradores, etc.), se puede monitorizar y
gestionar la producción de electricidad. El usuario
sabe en cada momento cuánta energía se está
inyectando en la red y puede obtener informes
diarios, semanales y mensuales que le permitan
incluso realizar la gestión económica de los ingresos
que se obtienen mediante la venta de la energía.
Esta misma información resulta de gran utilidad
también para la empresa compradora de energía,
no sólo a efectos de facturación, sino también para
poder prever la energía inyectada en red por los
pequeños productores y planificar la producción que
debe obtener a partir de otras fuentes de energía
(por franjas horarias, estaciones, etc.).
4.4.4. Otros beneficios de instalar
domótica e inmótica
4.4.4.1. Facilita la accesibilidad de los
edificios
La domótica y la inmótica ponen la tecnología al
servicio de las personas, facilita la adaptación del
entorno a los requerimientos particulares de cada
uno, aumentando su calidad de vida y mejorando
su integración social.
Tareas como abrir puertas, subir persianas,
controlar desde un único punto la climatización y
la iluminación, comunicarse fácilmente con sus
personas cercanas, cuidadores o con el personal
médico, controlar la medicación, alarmas médicas,
etc. son algunas de las necesidades que tienen estos
colectivos a las que la domótica aporta soluciones.
4.4.4.2. Aporta seguridad técnica y
antiintrusión
Detecta, avisa y actúa ante fugas de gas,
incendios e inundaciones, garantizando la seguridad
de las personas, animales y bienes materiales
Aporta además seguridad antiintrusión tanto
preventiva, a través de la simulación de presencia,
como de actuación, a través de alarmas conectadas
con centrales remotas. Permite también controlar el
acceso a la vivienda o edificio.
4.4.4.3. Permite una comunicación
bidireccional
El sistema puede controlarse fácilmente,
tanto desde la propia vivienda o edificio, como
remotamente, a través de diferentes dispositivos
como puede ser una consola (fija o portátil), el
videoportero, un mando, la televisión, el teléfono
móvil o desde cualquier ordenador vía internet.
Paralelamente a través de los mismos dispositivos
el usuario recibe información, alarmas, consumos
energéticos, tiempo de vida útil de los equipos,
cambios en las pautas de comportamiento, etc.
Aportando autonomía a personas mayores, con
necesidad de asistencia o con alguna discapacidad.
247
Figura 4.4.4. Interacción entre el usuario y el sistema domótico
(Fuente: “Guía de cómo ahorrar energía instalando domótica en la vivienda”).
4.4.4.4. Mantenimiento preventivo
La automatización en viviendas y edificios también
facilita una buena gestión del mantenimiento de las
instalaciones, con el consecuente ahorro económico
que esto supone.
- La población se estanca: descenso del índice
de natalidad (2 de cada 3 hogares europeos no
tiene ningún niño, tan solo el 17% de los hogares
tiene 2 o más).
El sistema detecta las averías de forma
inmediata y centralizada, reduciendo así el tiempo
de respuesta.
La posibilidad de reprogramar la instalación
conservando la estructura principal de la instalación
permite realizar modificaciones en las instalaciones
o mecanismos conectados al sistema de control de
un modo mucho más rápido y económico que en
sistemas convencionales.
- Aumento de la esperanza de vida, incremento de
la autonomía residencial de las personas mayores
(1 de cada 5 europeos es mayor de 65 años).
4.4.4.5. Mejora la calidad de vida y adapta
la vivienda a los cambios estructurales de
la sociedad
Según el informe “Nuevas formas de habitar”
(2008) de El Observatorio de Tendencias del Hábitat,
los cambios demográficos y sociales en Europa de
los últimos diez años son:
248
- Aumento de la inmigración.
- Desjerarquización de la familia.
- Aumento del individualismo, cada uno de los
miembros de la familia demanda su propio espacio
en la casa.
- Nomadismo: la casa no es para siempre, ya no
se concibe la casa como un elemento susceptible
de ser heredado.
- Aumento del número de hogares unipersonales
(1 de cada 4 hogares europeos es unipersonal, más
de 54 millones de europeos viven solos).
- Incorporación de las mujeres al mundo laboral
(entre 1997 y 2007 la población ocupada ha
crecido en el caso de las mujeres un 79,3%).
- Emancipación tardía de los jóvenes, dificultad
de los jóvenes para encontrar trabajo, alto precio de
la vivienda (el 52,3% de los jóvenes entre 25 y 29,
el 33% de más de 30 años y el 20% de los de 35
años, vive con los padres).
- Aumento de los divorcios y las separaciones.
- El número de viviendas aumenta, la superficie
media por hogar se reduce y la media de habitantes
por vivienda decrece.
- Retorno del trabajo al ámbito privado del hogar,
aumento del teletrabajo.
- Aumento del endeudamiento, de la inseguridad
económica y de la incertidumbre derivada de la
situación económica global.
- Mayor concienciación medioambiental por
parte de la ciudadanía.
- Aumento de la sensación de inseguridad (en
relación a los últimos cinco años, el 66% considera
que el mundo es menos seguro que antes).
La domótica de hoy da respuesta a los
requerimientos que plantean los cambios sociales
y nuevas tendencias de nuestra forma de vida, que
están generando nuevos hábitos en la sociedad.
Ayuda a diseñar casas y hogares más humanos,
más personales, polifuncionales y flexibles, que se
adapten a los cambios de uso de la vivienda, a lo
largo del recorrido de la vida de sus habitantes.
Nuestras viviendas, los edificios en los que
trabajamos, los hospitales, hoteles, centros
comerciales y de formación, tienen que adaptarse a
los cambios estructurales que vive la sociedad.
La domótica ofrece soluciones que cubren las
necesidades actuales de sentirse más seguros, más
independientes, mejor comunicados, de cuidar el
medio ambiente y en definitiva, de tener una mayor
calidad de vida.
4.4.4.6. Una tecnología en constante
innovación
El sector de la automatización, está directamente
vinculado al desarrollo tecnológico, ha evolucionado
considerablemente en los últimos años, y en la
actualidad ofrece una oferta más consolidada.
Actualmente existen más funcionalidades por menos
dinero, más variedad de producto y los sistemas son
más fáciles de usar y de instalar. En definitiva, la
oferta es mejor y de mayor calidad y su utilización es
ahora más intuitiva y perfectamente manejable por
cualquier perfil de usuario.
Es además una tecnología transparente y
adaptable a la estética de cualquier edificio.
4.4.4.7. Contribuye al cumplimiento de la
legislación
La red de control del sistema domótico se integra
con la red de energía eléctrica y se coordina con el
resto de redes con las que tenga relación: telefonía,
televisión y tecnologías de la información, cumpliendo
con las reglas de instalación aplicables a cada una de
ellas. Las distintas redes coexisten en la instalación
de una vivienda o edificio. La instalación interior
eléctrica y la red de control del sistema domótico
están reguladas por el Reglamento Electrotécnico
para Baja Tensión (REBT). En particular, la red de
control del sistema domótico está regulada por la
instrucción ITC-BT-51 “Instalaciones de sistemas
de automatización, gestión técnica de la energía y
seguridad para viviendas y edificios”.
La domótica no solo contribuye al cumplimiento
de las exigencias básicas de ahorro de energía del
Código Técnico de la Edificación (CTE), sino también
a las de seguridad en caso de incendio, seguridad
de utilización y salubridad:
- DB-HE Ahorro de energía: Con sistemas de
control de clima, como instalaciones destinadas
249
a proporcionar bienestar térmico. Con detectores
de presencia y temporizadores, para el encendido
y apagado de zonas de paso o uso esporádico.
Con sistemas de regulación para aprovechamiento
de la luz natural. Con una gestión inteligente de
las aperturas de la fachada del edificio: ventanas,
persianas, toldos y cortinas. Con sistemas de
control, medida y protección de la contribución solar
mínima de ACS. Con sistemas de control, medida y
protección de la contribución fotovoltaica de energía
eléctrica.
- DB-SI Seguridad en caso de incendio: A través
de sistemas de detección y alarmas de incendios,
CCTV y control de accesos.
- DB-SU Seguridad de utilización: Con pilotos
balizados autónomos y centralizados para limitar
el riesgo provocado por iluminación inadecuada en
zonas de circulación, con alumbrado de emergencia
para limitar el riesgo provocado por iluminación
inadecuada en caso de emergencia y protecciones
contra sobretensiones, para limitar el riesgo causado
por la acción de rayos, etc.
- DB-HS Salubridad: Con controladores
programables e interoperables para sistemas de
extracción mecánica para la ventilación del interior
de los edificios para la renovación, extracción y
expulsión del aire viciado. Con sistemas completos
de control y regulación de la presión del suministro
de agua que faciliten el ahorro y el control del
caudal y con sistemas completos de regulación y
control del ACS.
Desde Europa se está potenciando la incorporación
de la domótica en viviendas y edificios por su
contribución al ahorro y la eficiencia energética.
La reciente Directiva 2010/31/UE relativa a la
eficiencia energética de los edificios, que determina
que los edificios tendrán que ser de “contaminación
cero” y consumo de energía prácticamente nulo,
invita en su articulado a los Estados miembros a
fomentar la instalación de sistemas de control
activos, como sistemas de automatización, control y
gestión orientados al ahorro de energía, cuando se
construya un edificio o se efectúen en él reformas
de importancia.
250
La domótica puede contribuir a la necesaria
renovación del parque inmobiliario español,
aportando soluciones a las importantes carencias en
eficiencia energética, accesibilidad y habitabilidad.
Teniendo en cuenta que el 50% del parque actual
de viviendas tiene más de 30 años de antigüedad.
La domótica además, aporta al actual stock de
viviendas la posibilidad de diferenciarse y reducir el
tiempo del ciclo de venta.
4.4.5. Clasificación de los sistemas de
automatización
Los sistemas de automatización pueden
clasificarse de varias formas en función de la
tipología, de la topología y de los medios de
transmisión.
4.4.5.1. Tipología de un sistema
Según cómo la red una los distintos puntos o
lugares se dispondrá de lo que se viene en llamar
arquitectura de control de la red. Pueden ser de
varios tipos:
- Sistemas centralizados: Los sistemas
centralizados se caracterizan por tener un único
nodo que recibe toda la información de las entradas,
que la procesa y envía a las salidas las órdenes de
acción correspondientes. Están unidos a un nodo
central que dispone las funciones de control y
mando.
- Sistemas descentralizados: En los sistemas
descentralizados, todos los elementos de red
actúan de forma independiente unos de los otros.
Comparten la misma línea de comunicación y cada
uno de ellos dispone de funciones de control y
mando.
- Sistemas distribuidos: Los sistemas
distribuidos combinan las tipologías centralizada
y descentralizada. La inteligencia del sistema está
localizada en cada uno de los nodos de control y
cada nodo tiene acceso físico directo a una serie
limitada de elementos de red.
4.4.5.2. Topología de un sistema
Otro aspecto que caracteriza a un sistema es su
topología, que es la organización física y lógica de
los “nodos” de la red:
- Estrella: Los dispositivos de entrada (sensores)
y los de salida (actuadores) van cableados hasta
la central de gestión que es quien efectúa el
tratamiento de los datos del conjunto.
- Anillo: Los nodos se conectan en un bucle
cerrado y los datos se transmiten de nodo en nodo
alrededor del bucle, siempre en la misma dirección.
- Bus: Todos los elementos del sistema (sensores,
actuadores y nodos) están ligados sobre una línea
que describe el conjunto o una parte de la red.
- Mesh Network: En las redes malladas existen
diferentes nodos que permiten el envío de los datos
por distintos caminos. Cada nodo puede enviar y
recibir mensajes, además de tener la capacidad de
reenviar mensajes de sus vecinos.
4.4.5.3. Medios de transmisión
Para que los diferentes dispositivos de una red
se comuniquen e intercambien información entre sí,
los medios que principalmente se utilizan son:
- Sistemas que usan en todo o en parte señales
que se acoplan y transmiten por la instalación
eléctrica de Baja Tensión, tales como sistemas de
corrientes portadoras.
- Sistemas que usan en todo o en parte señales
transmitidas por cables específicos para dicha
función, tales como cables de pares trenzados,
paralelo, coaxial o fibra óptica.
- Sistemas que usan señales radiadas, tales como
ondas de infrarrojo, radiofrecuencia, o ultrasonidos.
- Sistemas que se comunican vía IP que permiten
intercambiar información mediante el uso de redes
LAN, WAN, redes públicas de telefonía, etc.
4.4.5.4. Protocolos e interoperabilida
Un protocolo de comunicaciones es el conjunto
de reglas normalizadas para la representación,
señalización, autenticación y detección de errores
necesario para enviar información a través de un
canal de comunicación. Estas reglas determinan por
ejemplo, quién empieza la comunicación, cómo se
comunican, con quién, con qué prioridad, etc.
En un protocolo se define:
- El tipo de error o comprobación de error que
utiliza.
- El método de compresión de datos, si está
incluido.
- El modo en que el dispositivo que envía el
mensaje indica que ha terminado de enviarlo.
- El modo en que el receptor indica que ha
recibido el mensaje.
La definición de protocolo propietario o protocolo
no propietario se asocia al sistema propietario o
sistema no propietario, respectivamente.
Existen varios tipos de protocolos:
- Privados o patentados: Protocolo desarrollado
por una compañía para uso exclusivo de sus clientes,
no son públicas sus características y prestaciones.
- Abiertos: Un protocolo abierto es aquel que
es conocido por todas las empresas y los usuarios
disponen de información y documentación
necesaria para su implementación. Normalmente
están respaldados por grupos de empresas que se
asocian para el desarrollo del protocolo.
- Normalizado o estándar: Este concepto sólo se
usa para los protocolos Abiertos. Cuando el grupo
251
de interés de un determinado sistema ofrece a un
organismo normalizador reconocido su protocolo y
éste lo estudia y decide publicarlo bajo una norma
(por ejemplo, EN a nivel europeo), se dice que un
determinado protocolo está Normalizado, lo que da
una garantía a los consumidores.
La interoperabilidad es una propiedad, asociada
a los sistemas abiertos, que se define como la
capacidad de integrar productos de distintos
fabricantes en sistemas flexibles y funcionales
sin necesidad de desarrollar hardware, software o
herramientas a medida. Por integrar no se entiende
el hecho de poder “ver” a otro dispositivo, sino
la capacidad de hacer cosas como utilizar un
único sensor de ocupación para el sistema de
climatización, el de alumbrado y el de seguridad de
un edificio.
Los productos interoperables permiten a los
diseñadores de cada proyecto usar el mejor
dispositivo para cada sistema o sub-sistema sin
necesidad de utilizar una línea entera de productos
de un mismo fabricante. Así mismo, estos productos
incrementan la oferta del mercado permitiendo a
diferentes fabricantes competir en un segmento
que de otra manera les estaría completamente
prohibido. De esta manera, los diferentes fabricantes
se esfuerzan por disponer de la mejor solución y
esto se traduce en una mayor calidad y libertad de
elección para el usuario final.
4.4.6. Datos de mercado y perspectivas de
futuro
estallido de la burbuja inmobiliaria ha provocado
en los últimos cuatro años, una caída del 62% del
número de viviendas de nueva construcción. Esta
caída se ha trasladado al sector de la domótica en
un descenso del 60% en el número de instalaciones
domóticas en vivienda de obra nueva. El porcentaje
de implantación de domótica se ha mantenido
estable.
La recesión inmobiliaria y económica se produjo
justo en un momento en el que el sector podía,
por primera vez, apoyarse en una base normativa
y legislativa, que auguraba un marco favorable con
buenas expectativas para crecer, tras la publicación
de la ITC-BT-51 del REBT, instrucción que establece
“los requisitos específicos de la instalación de los
sistemas de automatización, gestión técnica de
la energía y seguridad para viviendas y edificios,
también conocidos como sistemas domóticos”
y posteriormente de la Especificación de AENOR
EA0026, pionera en Europa, que determina los
requisitos mínimos que debe cumplir un sistema
domótico.
La facturación del sector de la domótica en
España en 2010 se sitúa en 144.419.454 €.
Esta cifra contempla todo el proceso del ciclo de
venta, incluida la instalación y hace referencia al
sector residencial y pequeño y mediano terciario. La
facturación cayó un 22% en el año 2009. Durante
2010 la caída se amortigua hasta casi la mitad,
alcanzando un 12%. En 2011 se estima que el
descenso se ha frenado y se estima un crecimiento
próximo a cero.
El crecimiento del sector de la domótica ha
sido sostenido en el tiempo y no ha crecido
exponencialmente como algunos expertos
vaticinaban hace una década. La incorporación
de tecnología está siendo más paulatina en la
vivienda, que en otros ámbitos como los vehículos o
el entorno personal.
Ante la situación del mercado de obra nueva, el
sector afincado hasta ahora en vivienda nueva está
redirigiendo su actividad hacia la rehabilitación y el
pequeño y mediano terciario. En 2010, el porcentaje
de domótica dirigida a obra nueva ha pasado al
64% frente al 85% de hace seis años. El 46% de
la domótica que se está instalando en el sector
residencial, está destinado a la rehabilitación.
Hace seis años en pleno boom inmobiliario, el
85% de la domótica se instalaba en vivienda de obra
nueva, llegando a duplicarse el grado de penetración
de la domótica, que alcanzó en 2007 el 8%. El
Paralelamente también se percibe un cambio de
tendencia del sector residencial hacia el pequeño
y mediano terciario, que alcanza ya el 46% de la
facturación del sector.
252
El factor de compra se ha desplazado. En 2004 el principal factor que motivaba a la instalación de un
sistema domótico era el confort y el ocio. Hoy sigue siendo un motivo prioritario, pero prácticamente se
ha equiparado al ahorro energético. La tercera posición la ocupa la inquietud de las personas de sentirse
más comunicadas que ha desplazado a la seguridad ante intrusión. Sentirse más seguros ante fugas de
gas, incendios e inundaciones, sigue siendo la cuarta razón que satisface a un cliente que quiere dotar su
vivienda de inteligencia (Figura 4.4.5).
DEMANDA DE LOS USUARIOS EN 2010 CATALOGADA POR ÁREAS DE ACTUACIÓN
25%
23%
20%
20%
16%
15%
15%
14%
10%
10%
5%
3%
0%
Confort
Ahorro
Seguridad
Energético Comunicaciones Técnica
Seguridad
Intrusión
Ocio
Accesibilidad
Figura 4.4.5. Interacción entre el usuario y el sistema domótico
(Fuente: “Estudio CEDOM 2011 de las tendencias del mercado español de domótica e inmótica”).
Las funcionalidades que incluye cada área, son:
- Confort: Automatización, control centralizado
desde diferentes interfaces (móvil, pantalla táctil,
ordenador, mando, video portero), programación de
escenas, etc.
- Ahorro Energético: Control inteligente de
climatización e iluminación en función de la
zona, la hora del día, la presencia, los recursos
naturales existentes, control de toldos y persianas,
apagado general, gestión del consumo en espera,
programación y desconexión de circuitos no
prioritarios, encendido de electrodomésticos en
función de tarifas de menor coste, monitorización
de consumos, control del riego, etc.
- Seguridad Técnica: Detección, actuación y aviso
en caso de fugas de gas, incendios, inundación,
fallo del suministro eléctrico, etc.
- Seguridad Anti intrusión: Simulación de
presencia, vigilancia, avisos de intrusión, conexión
con CRA, etc.
- Ocio: Home cinema, vídeo bajo demanda,
multimedia, etc.
- Accesibilidad: Alarma de pánico, apertura de
puertas y persianas.
Esta variación en la demanda del usuario, con
mayor concienciación medioambiental, se ha
trasladado a la oferta. Actualmente la inversión en
253
I+D+i se realiza principalmente en soluciones para
el ahorro energético y el confort. El foco principal
tres años atrás era la inversión en soluciones de
seguridad técnica. El porcentaje promedio de
inversión en I+D+i de los fabricantes de sistemas
domóticos está en torno al 5%. En los últimos
tres años esta cifra se ha mantenido sin grandes
oscilaciones.
sociedad de la información. Desde la Administración
se está potenciando el modelo de negocio de las
empresas de servicios energéticos (ESE) que puede
ser un catalizador del mercado. El parque inmobiliario
español precisa de una renovación (el 50% de los
edificios tiene más de 30 años), y el actual stock
de viviendas necesita reducir el tiempo del ciclo de
venta, ofreciendo un producto mejor y diferenciado.
Actualmente convergen varias circunstancias que
pueden suponer un impulso para el desarrollo del
sector: la Directiva 2010/31/UE para la eficiencia
energética de los edificios fomenta la instalación de
sistemas de control en viviendas y edificios, el Plan
de Acción de la E4 para el 2011-2020 incluye en sus
medidas actuaciones con domótica, la Certificación
Energética de Edificios contemplará la inmótica en
un futuro próximo como tecnología que contribuye
al ahorro energético. El nuevo reglamento de
Instalaciones Comunes de Telecomunicaciones (ICT),
incluye un Anexo de Hogar Digital con el objetivo de
promover la implantación y desarrollo generalizado
de tecnologías en la vivienda dotándola de
seguridad, accesibilidad, ahorro energético, confort,
comunicaciones y acceso a los servicios de la
Además de un marco legislativo favorable, existen
otras palancas de impulso del sector como las
sinergias que se establecen con otros desarrollos
tecnológicos como la implantación del vehículo
eléctrico, y de los contadores, redes y ciudades
inteligentes fomentados por Directivas Europeas.
254
Paralelamente, los cambios demográficos y de
las estructuras sociales, obligan a las viviendas y
edificios a actualizarse para dar respuesta a las
nuevas necesidades de la ciudadanía.
Se espera que todos estos factores influyan
positivamente en el crecimiento del sector, un
escenario optimista que está condicionado por la
cautela que imprime la situación económica actual.
255
4.5
Patxi Hernández
Dr. Ingeniero de la Unidad de Construcción de TECNALIA
4.5
EDIFICIOS PASIVOS Y DE CONSUMO ENERGÉTICO CASI NULO
4.5.1. Introducción. Historia de los edificios cero-energía
Los primeros intentos documentados de construir
edificios cero-energía, fueron en realidad intentos de
conseguir edificios de cero-calefacción, manteniendo
condiciones interiores de invierno en niveles de
confort. La “Casa Solar MIT I” (Figura 4.5.1) del
Massachusetts Institute of Technology de EE.UU,
construida en 1939, incluía una gran superficie de
captación solar térmica y almacenamiento de agua
(Butti K., Perlin J., 1980). La “Bliss House” (Bliss
R.W., 1955), utilizaba captadores solares de aire
y almacenamiento térmico en rocas, consiguiendo
también suplir toda la demanda de calefacción
con energía solar. En los años 70 y después de
la primera crisis del petróleo, el concepto de casa
“cero energía” volvió a tomar fuerza, y se construyó
la vivienda “cero energía” de Vagn Korsgaard en
Dinamarca (Esbensen T.V., Korsgaard V., 1977), y
la vivienda “Saskatchewan Conservation House” en
Canada (Besant R.W., Dumont R.S., Schoenau G.,
256
1979). Estas casas en climas relativamente fríos,
empezaron a aplicar muy elevados espesores de
aislamiento, que combinados con ganancias solares
conseguían un consumo nulo en calefacción.
Figura 4.5.1. Casa Solar MIT I.
Estos primeros ejemplos han tenido una gran
influencia en los actuales diseños, contribuyendo
a la definición de estándares edificatorios y la
promulgación de las correspondientes normativas
y reglamentos. De hecho, estándares de edificios
de baja energía que aplican los principios de alto
aislamiento, elevada estanqueidad al aire y sistemas
de recuperación del calor de ventilación, son cada
vez más populares, ya que aplican estos conceptos
en busca de la reducción de la demanda energética
con una optimización técnica y económica.
Soluciones como el estándar “Passive House”,
que permite una demanda de calefacción máxima de
15 kWh/m2, son consideradas por muchos expertos
como buenas aproximaciones hacia edificios “cero
energía”, particularmente en climatologías frías
donde la demanda térmica en calefacción supone
una parte importante de la energía total, y puede
reducirse notablemente aplicando estas estrategias.
Por otro lado, estos estándares son de dudosa
aplicación en climas más templados, donde la
demanda de calefacción ya no es tan predominante
en el consumo energético, y donde desde una
perspectiva de ciclo de vida del edificio, ha habido
una mayor “inversión energética” indirecta en otras
fases distintas a la fase de uso del edificio, como el
uso energético para la fabricación del aislamiento
adicional, tema que se tratará en el siguiente
apartado sobre ciclo de vida y sostenibilidad.
De cara a un concepto de edificio “cero energía”
no solo basado en la calefacción sino en todos los
consumos energéticos del edificio, se puede hablar
de dos conceptos diferentes: edificios autónomos
y edificios de energía neta nula. Los edificios
autónomos, serían aquellos que no requieren ningún
tipo de energía de fuentes exteriores al edificio,
optimizando el uso de energías renovables y su
acumulación y distribución en el mismo edificio. Un
ejemplo de este tipo de edificio es el mostrado en la
Figura 4.5.2. Obviamente hay muchas limitaciones
para este concepto de casas autosuficientes,
ya que generalmente requerirán sistemas más
complejos que suponen inversiones muy altas,
como baterías eléctricas o acumuladores de calor,
que hacen que económica y medioambientalmente
no sean una buena solución, si no es en situaciones
especiales donde esta autonomía aporte un alto
valor añadido.
Figura 4.5.2. Casa autosuficiente
en Friburgo. Nótese que para este
tipo de casa es necesario suficiente
espacio para energías renovables y
sistemas de acumulación.
El concepto de edificios con energía neta nula o “net zero energy buildings” (NZEB) es el más extendido
en la actualidad cuando se habla de edificios cero energía. Este concepto incluye ya no solo la calefacción,
sino todos los consumos energéticos de un edificio, y se refiere a un edificio conectado a la red eléctrica, a
través de la cual hay un intercambio de energía, pero que debe ser cero a lo largo del año, o negativo en el
caso de que haya que compensar también otras fuentes de energía no renovables usadas en el edificio (por
ejemplo, el uso de gas debería ser compensado con una mayor inyección de electricidad a red).
257
Figura 4.5.3. Edificio “energía neta cero” de
Acciona Solar en Navarra. Obsérvese que gran
parte de cubierta y fachada sur están cubiertas
de paneles fotovoltaicos para lograr un balance
anual neto nulo de energía en uso.
En países como EEUU ya hay objetivos de progresar hacia este tipo de edificios de energía neta nula
en fase de uso, combinando la reducción de la demanda energética de edificios con la introducción de
energías renovables, como se puede observar en la Figura 4.5.4.
Typical 2200 sq. ft.
home - $1600/yr.
Energy Demand
2200 Typical
at 15% savings
Building America
goal: 60-70%
energy savings
Net-Zero Energy Use
Purchased
Energy
2020 Energy Production
ZEH-0 supplies the
remaining 30-40% of
energy needs from solar
electricity and heat
Solar
Supply
2000
ZEH-50
ZEH-25
ZEH-0
Progression to Full ZEH
Figura 4.5.4. Intenciones de progresión hacia edificios cero energía en EEUU.
En Europa, la Directiva de Eficiencia Energética
en Edificios, refundida en Mayo de 2010, propone
que a más tardar el 31 de diciembre de 2020, todos
los edificios nuevos sean edificios de consumo de
258
energía casi nulo; y que después del 31 de diciembre
de 2018, los edificios nuevos que estén ocupados
y sean propiedad de autoridades públicas sean
también edificios de consumo de energía casi nulo.
En este contexto, se define un «edificio de
consumo de energía casi nulo» como aquel con un
nivel de eficiencia energética muy alto, calculado en
conformidad con los parámetros establecidos en
la mencionada Directiva, que son los que han sido
tenidos en cuenta por las diferentes metodologías de
cálculo energético empleadas en los distintos países
Europeos, y que han sido aplicadas generalmente
a través de herramientas informáticas (en España,
LIDER/CALENER).
La definición continúa exigiendo que “la cantidad
casi nula o muy baja de energía requerida debería
estar cubierta, en muy amplia medida, por energía
procedente de fuentes renovables, incluida energía
procedente de fuentes renovables producida in situ
o en el entorno”.
Aunque la definición concreta de lo que es
“cero energía” o “casi cero energía” está todavía
sin concretar, al igual que aspectos como la
consideración de energías renovables cercanas al
edificio en los cálculos, esta directiva es un buen
ejemplo de cómo se percibe la evolución hacia
edificios “cero energía” como una combinación
de eficiencia energética e integración de energías
renovables en los edificios.
4.5.2. Introducción al análisis energético
de edificios y herramientas disponibles
Durante los últimos 50 años se han desarrollado
multitud de herramientas de cálculo y simulación
energética que permiten analizar el comportamiento
energético de los edificios en gran detalle.
Herramientas de referencia en este campo han sido
desarrolladas por el Lawrence Berkeley National
Laboratory (LBNL) en EEUU, e incluyen el THERM,
para análisis de puentes térmicos en elementos
constructivos o el WINDOW para análisis detallado
de propiedades térmicas y de trasmisión solar de
cerramientos acristalados. Estas herramientas son
especialmente interesantes cuando se combinan
con motores de cálculo del edificio completo, como
el DOE o el EnergyPlus.
Las herramientas de cálculo y simulación
han evolucionado hasta un nivel que permite
actualmente un análisis detallado de edificios y
fachadas más complejas con una mayor sencillez
y rapidez para el usuario. Herramientas como
DesignBuilder permiten el modelado en 3D de
diferentes opciones de construcción, y sirven
como plataforma de usuario para usar los motores
de cálculo como el EnergyPlus, facilitando el
calculo de consumos horarios y anuales de un
edificio (subdividido en calefacción, refrigeración,
ventilación e iluminación), las cargas máximas,
radiación solar, flujos térmicos en cada componente
de construcción, emisiones de CO2, contribución
de iluminación natural, grado de deslumbramiento
(glare index), confort térmico, etc.
Incluso a nivel normativo existen herramientas en
los distintos países, como el CALENER en España,
que sin ser especialmente adecuadas para su uso
en fase de diseño permiten calcular los consumos
energéticos de un edificio y estudiar diferentes
variables.
La Figura 4.5.5, muestra un modelo de oficina
desarrollado con DesignBuilder; y la Figura 4.5.6,
muestra una página de resultados para el edificio
anterior, calculada por EnergyPlus con DesignBuilder
como plataforma.
Figura 4.5.5. Ejemplo de modelo para cálculo
energético de una oficina desarrollado con
DesignBuilder.
259
Temperature (ºC)
30
25
20
15
10
5
0
Air Temperature
Radiant Temperature
Operative Temperature
Culside Dry - Build Temperature
Heat Balance (kW)
250
200
150
100
50
0
-50
-100
11 Mon
Glazing
Occupancy
12 Tue
13 Wed
14 Thu
15 Fri
Walls
Ceilings (int)
Flors (int)
Ground Floors
Solar Gains Exterior Windows
Zone/Sys sensible Hating
16 Sat
17 Sun
Roofs
General Lighting
Zone/Sys sensible Cooling
Computer + Equip
Figura 4.5.6. Ejemplo de resultados para el edificio anterior, de lunes a domingo en invierno, donde
se puede observar temperaturas horarias (temperatura operativa alrededor de 20ºC en horario de
ocupación), cargas térmicas necesarias para alcanzar esas temperaturas, ganancias solares, etc.
Este tipo de herramientas, junto a la multitud de
soluciones de productos constructivos altamente
eficientes que existen actualmente en el mercado,
ofrecen posibilidades a arquitectos e ingenieros de
colaborar en el diseño y especificación de edificios
con mínimos consumo de energía y máximo confort,
a un nivel que hasta hace poco no era posible. Son
una herramienta básica para permite avanzar hacia
los edificios “cero energía” del modo definido en la
Directiva de Eficiencia Energética en Edificios, con
gran eficiencia y muy reducida demanda de energía,
que se puede satisfacer con sistemas de energías
renovables.
En el siguiente apartado se muestra como
incluso este detallado análisis puede no ser
suficiente para optimizar edificios hacia el concepto
de “cero energía”, ya que este concepto debería
evolucionar hacia la consideración de todo el ciclo
260
de vida del edificio, incluyendo la fabricación de
sus componentes y todos aquellos aspectos de
influencia en dicho ciclo.
4.5.3. Perspectiva de ciclo de vida en
edificios cero-energía
La construcción de un edificio y su equipamiento
requiere un gran aporte energético y de recursos
naturales debido a los procesos de extracción,
transporte y procesado de materiales. Es lo que
frecuentemente se conoce como “energía embebida”
de un producto. Este aporte energético que es
incorporado en el edificio ha sido tradicionalmente
ignorado, puesto que el consumo de energía en uso
del edificio a lo largo de su vida útil era mucho mayor.
Actualmente, y a medida que creamos edificios más
eficientes y complejos, la energía embebida en la
construcción se incrementa y hay casos en los que
puede ser comparable a la energía consumida en
el uso del edificio a lo largo de su vida útil. Para los
edificios “cero energía” que aspiran a un balance
energético nulo anual, la energía incorporada
representa obviamente el 100% del consumo
energético durante el ciclo de vida. Por esto, es
cada vez más importante evaluar de algún modo la
energía incorporada o embebida en cada uno de
los componentes del edificio, tanto en la envolvente,
como en los sistemas de acondicionamiento, en
los sistemas de energías renovables, etc. Esta
evaluación forma parte de lo que se llama análisis
de ciclo de vida de un edificio.
El análisis del ciclo de vida se ha utilizado
desde los años 70 para cuantificar aspectos
medioambientales de diferentes productos, desde
la extracción de los materiales, el procesado, uso y
reciclaje o deshecho del material. Originariamente
usado para procesos de envasado en industrias
químicas, en los años 90 se empezó a popularizar
como método de cuantificación de uso de recursos
e impacto medioambiental de edificios. Desde
entonces, se han desarrollado numerosas bases
de datos y herramientas que permiten calcular con
diferentes indicadores y grados de complejidad
los impactos medioambientales de los diferentes
materiales usados en construcción. Herramientas
como GABI o SIMAPRO contienen datos sobre
impactos medioambientales de multitud de
materiales y elementos constructivos, separados
en distintos indicadores y categorías, como pueden
ser el efecto sobre el cambio climático, consumo
de diferentes recursos, consumo de materiales de
referencia, contaminantes atmosféricos, etc.
Aspectos del análisis del ciclo de vida también
se vienen integrando de manera indirecta desde
hace casi dos décadas en sistemas voluntarios
de certificación medioambiental como el LEED o
el BREEAM. Junto con multitud de otros aspectos
medioambientales como la ecología, residuos,
aguas, calidad de ambiente interior, etc., cuidando
aspectos del ciclo de vida se ayuda a puntuar en
las distintas categorías para obtener un nivel de
certificación que, por ejemplo, viene definido como
plata, oro o platino en LEED.
Pero a pesar de la importancia del análisis del
ciclo de vida y de la existencia de estos métodos y
herramientas, la realidad en la mayoría de métodos
de certificación energética actuales, incluyendo
los métodos derivados de la mencionada Directiva
Europea de Eficiencia Energética en la Edificación
(en España el método derivado del RD 47/2007),
se basan en métodos exclusivamente referidos a
los cálculos de la energía en uso. Como ejemplo,
estos métodos otorgarían la misma calificación a un
edifico que ha especificado al detalle materiales de
bajo impacto ambiental y baja energía embebida,
y que alcanza a ser “cero energía” mediante un
cuidado diseño pasivo y una selección de energías
renovables de bajo impacto, que a un diseño de
edificio convencional e ineficiente al que simplemente
se le añaden multitud de paneles fotovoltaicos. Para
poder comparar diferentes edificios “energía cero”,
es necesario añadir otros indicadores que se puedan
integrar fácilmente en los cálculos energéticos
habituales, y desde la perspectiva de ciclo de
vida uno de los más interesantes es el consumo
de energía primaria no renovable por unidad de
producto, que es lo que generalmente se conoce
como energía embebida. Conocer este dato sobre
los elementos constructivos de un edificio permitiría
comparar la energía embebida con la energía usada
para acondicionar el edificio durante su vida útil.
Una de las barreras para la aplicación de esta
aproximación, consiste en que actualmente no
existen datos para muchos productos específicos
y para hacer este tipo de análisis hay que utilizar
datos genéricos de bibliografía o bases de datos no
públicas. Sin embargo, el Reglamento de Productos
de la Construcción, publicado en 2011, añade un
nuevo requisito a los productos de construcción:
el “uso sostenible de los recursos naturales”. Que
obligará a todos los productos de construcción a
declarar el consumo de recursos, entre otros la
energía embebida, a partir de Julio de 2013.
Por tanto, teniendo en cuenta tanto la Directiva
que exigirá edificios “cero energía”, como el
Reglamento de Productos que proporcionará
datos de energía embebida de componentes de
construcción, el siguiente paso en la definición
de “cero energía” podría ser un nuevo estándar
261
como el de “Edificio cero energía en el ciclo de
vida” o “Life Cycle Zero Energy Buildings” (LC-ZEB),
donde la suma de la energía primaria consumida
en la operación del edificio y la energía primaria
incorporada en sus materiales y sistemas, deben
ser compensados por la energía producida por los
sistemas de energías renovables en el edificio.
En la Figura 4.5.7 se puede observar una
descripción gráfica de la definición, con la línea
LC-ZEB describiendo a aquellos edificios donde
la energía embebida en los productos y sistemas
del edificio (anualizada por año de vida útil) es
compensada por la energía negativa en fase de
uso. Estos edificios estarían típicamente en el
cuarto cuadrante del gráfico. Esta nueva definición
permitiría distinguir entre dos edificios “cero
energía”, que no tienen consumo en fase de uso
pero tienen diferente energía embebida, y en este
gráfico estarían a diferente distancia del LC-ZEB.
Uso anual de energía
(kWh energía primaria)
Edificio convencional
Edificio de bajo consumo
Edificio de muy bajo consumo
Edificios ‘cero energía’ (diferente energía embebida)
Energía embebida anualizada
(kWh energía primaria)
Edificio productor de energía
EB
-Z
LC
Figura 4.5.7. Concepto de LC-ZEB, Adaptado de Hernández P., Kenny P (Fuente: “From net energy
to zero energy buildings: Defining life cycle zero energy buildings (LC-ZEB)”. Energy and Buildings
2010;42:815–821).
4.5.4. Ejemplo práctico de cálculo de opciones en rehabilitación hacia cero energía
Anteriormente, se han comentado las
herramientas que pueden permitir hacer un análisis
de ahorro de consumo energético mediante
cálculo y simulación, y que son fundamentales a
la hora de estimar los beneficios de una solución
de rehabilitación. Paralelamente a estos análisis,
y en particular a medida que nuestros objetivos
se orientan hacia edificios de consumo nulo de
energía, un objetivo fundamental de diseño debería
262
ser también minimizar la energía embebida que
acarrea la utilización de elementos constructivos
más complejos. En todo caso se debe asegurar
que la energía embebida adicional que se añade
al edificio sea menor que la energía que se va a
ahorrar con esa medida de rehabilitación durante su
vida útil. Esto se puede volver complicado a medida
que nos acercamos a niveles muy bajos de energía,
y se llega a límites, por ejemplo, donde es mejor
buscar alternativas de energías renovables que
seguir aislando la envolvente.
En la práctica, para efectuar este tipo de análisis se
necesita tanto una herramienta de cálculo detallado
de consumo energético como una potente base de
datos de materiales y elementos de construcción.
La energía embebida de cada elemento constructivo
se divide por sus años de vida útil, de modo que el
indicador de energía embebida sea representado en
kWh/m2·año, permitiendo una comparación directa
con los datos de consumo energético que aportan las
herramientas de cálculo y simulación energética. Un
detalle esquemático de este concepto aplicado a la
simulación de un edificio de oficinas con diferentes
fachadas se puede ver en la Figura 4.5.8.
Confort Visual
Localización
(Datos climáticos)
Aislamiento
envolvente
Edificio a
rehabilitar:
Opciones de
actuación
Sistemas
calefacción /
refrigeración
Energías
renovables
Datos de simulación (Sistemas de
calefacción, refrigeración, ocupación,
cargas internas, etc.)
Cálculos Energéticos
(DESIGNBUILDER/
CALENER, etc.)
Confort Visual
CARGAS TÉRMICAS
Diseño sistemas calefacción
- refrigeración - ventilación
EN USO:
kWh/m2 año
Kg CO2/m2 año
TOTAL (EN USO + EMBEBIDA)
kWh/m2 año - Kg CO2/m2 año
Energía Embebida
Carbón Embebido
BASE DE DATOS
Energía Embebida:
kWh/m2 año
Carbón Embebido
Kg CO2/m2 año
Figura 4.5.8. Diagrama de flujo de método de perspectiva de ciclo de vida en el análisis
energético de edificios
Tomando como referencia un edificio a rehabilitar, se pueden ir integrando medidas de mejora energética.
Aplicando este cálculo combinado, se estima al mismo tiempo el efecto que tienen estas medidas en la
reducción del uso energético en fase de uso y la energía embebida asociada a las medidas.
El “beneficio energético neto” de aquellas soluciones que se quieran implantar en un edificio será la
diferencia entre la energía total (la energía en uso más la energía embebida) de las diferentes opciones.
En cuanto a este “beneficio neto”, se debería intentar que sea lo mas alto posible y, por ejemplo, para
variaciones en diseños de la envolvente, se debería intentar que el beneficio neto siempre supere aquel
beneficio neto que se podría lograr con energías renovables instaladas en el propio edificio.
Para ayudar en la toma de decisiones, se puede introducir el concepto de “Ratio de Energía Neta” (REN)
para la evaluación del ciclo de vida energético de las diferentes opciones de rehabilitación. El REN se
calcula como el número de veces que una medida de mejora energética en un edificio “devuelve” en forma
de ahorros energéticos la energía embebida de esta medida:
(4.5.1)
263
Para el cálculo, se necesita expresar ambos
parámetros en un indicador relevante al uso de
recursos energéticos, como son los kWh de energía
primaria no renovable.
Para los productos asociados a una medida de
mejora, se considerará su energía embebida dividida
por la vida útil, de modo que se pueda expresar
en kWh/año, y sea directamente comparable con
los resultados de los ahorros energéticos anuales
obtenidos. De esta manera, el REN nos permite
comparar distintas medidas desde un punto de
vista energético de ciclo de vida.
Un cálculo detallado requiere cuantificar la
procedencia y el proceso de fabricación de cada
uno de los materiales, su transporte, instalación o
puesta en obra, etc. Por simplificación, y dado que
por el momento estos datos en España no están
disponibles, este estudio utiliza datos estándar de
varias referencias (en lo posible, europeas). Con
iniciativas como el Proyecto Singular Estratégico
CICLOPE, las cada vez más comunes Declaraciones
Ambientales de Producto, o el Reglamento de
Productos de la Construcción ya comentado,
se espera que estos datos estén cada vez más
disponibles en un futuro próximo. De esta manera,
este tipo de estudios podrían ser concretados con
datos mas específicos como energía embebida de
un suministrador en concreto, costes energéticos por
transporte hasta la obra, puesta en obra, instalación
y mantenimiento, etc.
A continuación, se van a evaluar, con la
perspectiva de ciclo de vida explicada, diferentes
opciones de mejora de un edificio de viviendas en
Eibar, Gipuzkoa.
El edificio consta de una planta baja y cinco
plantas de viviendas, con cuatro viviendas por
planta. El total de área acondicionada del edificio
es de 1,600 m2, con un área media por vivienda
de 80m2. En el eje central del edifico se sitúan
las zonas de comunicación y en cada uno de sus
extremos, el edificio presenta una zona acristalada
para favorecer la ventilación cruzada de las viviendas,
evitando con esta solución la instalación de equipos
de refrigeración.
Figura 4.5.9. Modelo 3D del edificio estudiado.
Este edificio tiene características que se ajustan a los requisitos actuales mínimos para el cumplimiento
del Código Técnico de la Edificación (CTE); por ejemplo, el nivel de aislamiento en fachada corresponde a
una U=0,73 W/m2K.
264
En este estudio se considerarán diferentes
opciones de mejora del comportamiento energético
en la fase de operación del edificio, y adicionalmente
se considerará la energía embebida que supone la
implementación de estas mejoras, para obtener una
perspectiva del uso energético en el ciclo de vida.
A los habituales cálculos del comportamiento
energético del edifico en fase de operación, se le
añade, por tanto, el consumo de energía primaria
(en kWh) que va embebida en los productos y
sistemas usados en la construcción del edificio. De
esta manera, para diferentes opciones de diseño
y especificación del edificio, puede compararse
directamente la energía embebida con la energía
consumida en la operación del edificio, y calcular
el REN de cada actuación, de modo que puedan
seleccionarse las estrategias que más se aproximen
a un edificio LC-ZEB.
La herramienta de cálculo empleada para la
evaluación del comportamiento energético y los
ahorros de las diferentes opciones de diseño del
edificio en su fase operativa ha sido el EnergyPlus,
programa desarrollado por el Departamento
de Energía de los Estados Unidos (DOE) para
simular los procesos de transferencia de calor, la
ventilación natural, los sistemas de climatización,
la iluminación y otros factores relacionados con el
consumo energético de los edificios. El interface
DesignBuilder ha sido utilizado para facilitar la
creación del modelo virtual del edificio, la inserción
de datos de uso y ocupación del edificio, los
parámetros y eficiencia de sistemas y equipos y
para la creación del modelo virtual del edificio.
Las cargas térmicas debidas a la iluminación y
otros equipos eléctricos, el índice de ocupación y
los horarios de utilización, se han definido acordes
al uso previsto del edificio (vivienda residencial).
La temperatura ambiente de referencia en modo
calefacción ha sido considerada de 20ºC para
todas las viviendas, en horas de ocupación. Una
caldera de gas de rendimiento 80% es empleada
para provisión de calefacción y agua caliente.
Para el modelo de edificio existente, que se
limita al cumplimiento de los requisitos del CTE,
el consumo mensual viene detallado en la Figura
4.5.10 (los datos se presentan en forma de energía
primaria). De esta manera, cada kWh de consumo
de gas ha sido multiplicado por el factor 1,07 y
cada kWh de consumo de electricidad por el factor
2,466, de acuerdo con los factores de conversión a
energía primaria publicados por el IDAE.
Agua Caliente Sanitaria (Gas)
Calefacción (Gas)
Iluminación
Electricidad - Varios
kWh energía primaria
25000
20000
15000
10000
5000
0
Mes del año
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Figura 4.5.10. Consumo energético de energía primaria para el bloque de viviendas estudiado, con
especificaciones de acuerdo al CTE (edificio de referencia).
265
El mayor consumo es para calefacción, con
aproximadamente el 34% del consumo total de
energía primaria anual, que se concentra obviamente
en la temporada invernal. El agua caliente se
corresponde aproximadamente con el 16% de la
energía consumida anualmente, con una distribución
de consumo bastante estable a lo largo del año. Los
consumos de iluminación y otros varios de electricidad
suman aproximadamente el otro 50% de la energía
primaria anual, y también están distribuidos de
manera bastante homogénea a lo largo del año.
En el siguiente apartado, se analizan desde
la perspectiva del ciclo de vida las siguientes
estrategias de mejora del comportamiento
energético del edificio:
- Incrementar el aislamiento de los cerramientos
opacos hasta que se alcance un valor de U=0,20
W/m2K.
opacos hasta que se alcance un valor de U=0,10
W/m2K.
- Añadir 40 m2 de paneles solares térmicos en
cubierta, para contribuir a la reducción de energía
consumida para agua caliente sanitaria.
- Añadir otros 80 m2 adicionales de paneles
solares térmicos en cubierta, para contribuir a la
reducción de energía consumida para agua caliente
sanitaria y calefacción.
- Añadir una instalación de intercambio
geotérmico con bomba de calor, para suministrar
calefacción y agua caliente al edificio.
- Añadir paneles solares fotovoltaicos en cubierta,
para producir electricidad y compensar el uso
energético del edificio.
Incremento de niveles de aislamiento:
- Incrementar el aislamiento de los cerramientos
opacos hasta que se alcance un valor de U=0,15
W/m2K.
- Incrementar el aislamiento de los cerramientos
La Figura 4.5.11, compara los consumos
energéticos de la opción de referencia y los tres
niveles considerados de mejora del aislamiento, en
forma de resultado anual en kWh energía primaria.
160000
kWh energía primaria
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
Referencia
(U=0.73 W/m2k)
Mejora 1
(U=0.20 W/m2k)
Mejora 2
(U=0.15 W/m2k)
Agua Caliente Sanitaria (Gas)
Calefacción (Gas)
Mejora 3
(U=0.10 W/m2k)
Iluminación
Electricidad - Varios
Figura 4.5.11. Consumos totales del edificio para diferentes niveles de aislamiento.
266
Puede observarse que los únicos cambios en el
consumo energético que se producen al aumentar
el aislamiento son en calefacción. La primera
mejora de 0,73 a 0,20 W/m2K supone un ahorro
de cerca de 17.000 kWh al año, mientras que los
sucesivos incrementos de los niveles de aislamiento
hasta valores de 0,15 W/m2K de 0,10 W/m2K
(valores que se pueden alcanzar en viviendas que
se diseñen de acuerdo al estándar Passivhaus) sólo
suponen ahorros adicionales de 1.700 kWh y 1.650
kWh, respectivamente.
Se han calculado (en kWh) los valores de
energía embebida añadida al edificio para cada
intervención de mejora del nivel de aislamiento por
el exterior mediante poliestireno. Para compararlo
directamente con la energía consumida anualmente
en la operación del edificio, los valores totales se
dividen entre el número estimado de años de vida
útil. Inicialmente, para este estudio se considera
una vida útil de 50 años para el aislamiento. Este
resultado se puede considerar como “energía
embebida anualizada” y se puede comparar con los
resultados de ahorro en calefacción.
La Tabla 4.5.1 presenta estos resultados para las
diferentes opciones de mejora consideradas en este
estudio.
Concepto
REF- M1M1-M2M2-M3
Energía embebida total (kWh energía primaria)
63.692
29.282
58.472
Energía embebida anualizada (50 años) (kWh energía primaria)
1.274
586
1.169
Ahorro en calefacción (kWh energía primaria)
17.000
1.700
1.650
13,3
2,9
1,4
Ratio Energía Neta (REN)
Aclaración:
REF = Nivel aislamiento de Referencia, U=0,73 W/m2K.
M1 = Mejora 1 de nivel de aislamiento, U=0,20 W/m2K.
M2 = Mejora 2 de nivel de aislamiento, U=0,15 W/m2K.
M3 = Mejora 3 de nivel de aislamiento, U=0,10 W/m2K.
Tabla 4.5.1. Energía primaria embebida, ahorro en calefacción y ratio de energía neta (REN) para cada
mejora progresiva de aislamiento (exterior con poliestireno)
Puede observarse que la primera mejora de aislamiento, tiene unos ahorros en calefacción muy grandes
en comparación con la energía embebida. Si se emplea el indicador “ratio de energía neta” (que se ha
definido como el cociente entre los ahorros anuales y la energía embebida anualizada), el ratio representará
el número de veces que la energía embebida es “compensada” por la mejora propuesta. Así, se observa
que la Mejora 1 tendría un excelente ratio de energía neta, mayor de 13; para las Mejoras 2 y 3, al ser los
ahorros en calefacción bastante menores, el ratio de energía neta disminuye progresivamente, de modo que
para la mejora número 3 el ahorro en calefacción no llega al doble del valor en energía embebida.
Hay que señalar que en este análisis se ha usado un valor de vida útil de 50 años para el aislamiento,
el cual corresponde a un valor típicamente usado en estudios de vida útil de edificios, asumiendo que el
cerramiento no cambia durante su vida útil.
Los valores de energía embebida usados en este apartado están sacados de la bases de datos
ECOINVENT.
267
Inclusión de paneles solares térmicos:
La Figura 4.5.12 compara los consumos energéticos de la opción de referencia y de dos opciones de
inclusión de paneles solares térmicos: de 40 m2 para contribución a producción de agua caliente sanitaria
y de 120 m2 para contribución a producción de agua caliente sanitaria y calefacción.
Los cálculos en este apartado combinan EnergyPlus con el estándar de cálculo UNE-EN 15316-4-3:2008
Sistemas de calefacción en los edificios. Método para el cálculo de los requisitos de energía del sistema y
de la eficiencia del sistema. Parte 4-3: Sistemas de generación de calor, sistemas solares térmicos.
160000
kWh energía primaria
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
PANELES SOLARES
40 m2 AC
EDIFICIO
DE REFERENCIA
Agua Caliente Sanitaria (Gas)
Calefacción (Gas)
PANELES SOLARES
120 m2 ACS Y CALEFACCIÓN
Iluminación
Electricidad - Varios
Figura 4.5.12. Consumos anuales para el edificio de referencia y para las dos opciones con integración
de paneles solares térmicos.
Si se instalan 40 m2 de paneles solares térmicos,
puede observarse que se produce un ahorro
importante en energía primaria usada para producir
agua caliente sanitaria, que asciende a 16.700 kWh
por año.
Si se instalan 120 m2 de paneles, se produce un
ahorro tanto en calefacción (17.400 kWh) como en
ACS (15.200 kWh), suponiendo un ahorro total de
32.600 kWh anuales.
Se observa, por tanto, que al triplicar la
superficie captadora la energía primaria ahorrada
268
aproximadamente se duplica, lo que es lógico si
se tiene en cuenta que una superficie grande de
paneles supondrá una alta captación de energía
solar en verano que no será íntegramente utilizada,
y que, por otra parte, podría dar problemas de
sobrecalentamiento de instalaciones.
Para determinar la energía embebida de las
instalaciones solares, existen múltiples referencias
bibliográficas, con considerables variaciones en los
resultados dependiendo del método de análisis de
ciclo de vida utilizado, la localización del análisis
y las fuentes de información. En este estudio, se
considera como una primera aproximación 900
kWh de energía primaria por metro cuadrado de
instalación, incluyendo tanques de almacenamiento,
bombas, válvulas y resto de componentes. Los datos
se han obtenido de ECOINVENT y de trabajos de
Ardente et al., 2005, Crawford and Treloar, 2004, y
Kalogirou, 2009. Proyectos en marcha a nivel estatal
como RENIA (2011), tratan de obtener datos de
fabricantes y desarrollar herramientas de análisis
de ciclo de vida para obtener estos datos, con lo
que este valor se podrá ajustar más a condiciones
de una instalación en concreto.
Este estudio considera una vida útil de 20 años
para las instalaciones solares, con lo que la energía
embebida anualizada equivaldría a 45 kWh por
metro cuadrado de instalación y año.
La Tabla 4.5.2 muestra la energía embebida, los
ahorros totales conseguidos y el ratio de energía
neta para las dos instalaciones.
40 m2 de captación
80 m2 de capt. solar
Concepto
solar térmicatérmica adicional (total 120 m2)
Energía embebida anualizada (20 años)
(kWh energía primaria)
1.800
3.600
Ahorro en ACS y calefacción
(kWh energía primaria)
16.700
15.900
9.3
4.4
Ratio Energía Neta (REN)
Tabla 4.5.2. Energía primaria embebida, ahorros totales conseguidos y ratio de energía neta (REN) para
las dos instalaciones solares consideradas.
Otra opción considerada para la mejora del
balance total de energía del edificio, es la instalación
de paneles fotovoltaicos en cubierta para producir
electricidad y contribuir a la reducción de energía
eléctrica consumida en el edificio. La producción
eléctrica anual se ha calculado de acuerdo a la
UNE-EN 15316-4-6:2008 Sistemas de calefacción
en los edificios. Método para el cálculo de los
requisitos de energía del sistema y de la eficiencia
del sistema. Parte 4-6: Sistemas de generación de
calor, sistemas fotovoltaicos.
estimar una producción anual de 90 kWh eléctricos
por metro cuadrado de instalación fotovoltaica.
Asumiendo que esta producción fotovoltaica
sustituye al consumo eléctrico (factor de energía
primaria de 2,466) puede decirse que la producción
equivale a 222 kWh de energía primaria por metro
cuadrado de instalación al año. Al igual que para
paneles solares térmicos, hay una variedad de
estudios sobre energía embebida de instalaciones
fotovoltaicas de donde se han sacado los datos
(ECOINVENT, 2010, Raugei et al., 2007, Pacca et
al., 2007, Fthenakis and Alsema, 2006). Como
aproximación, en este estudio se consideran 1.300
kWh por metro cuadrado de instalación, y asignando
una vida útil de 25 años, la energía embebida
“anualizada” equivaldría a 52 kWh de energía
primaria. Por tanto, el REN para una instalación
fotovoltaica, dividiendo el ahorro de energía entre la
energía embebida, sería ligeramente superior a 4.
Este método simplificado de cálculo permite
En cuanto a esta tecnología hay que destacar que
Puede observarse que la instalación solar
térmica de 40 m2 (para agua caliente sanitaria) en
este edificio daría un REN mayor que 9, y bajaría a
4,4 para la ampliación de la instalación hasta 120
m2 (para agua caliente sanitaria y calefacción).
Inclusión de paneles solares fotovoltaicos:
269
en la actualidad hay múltiples métodos de fabricación
de paneles fotovoltaicos, que progresivamente han
ido reduciendo la energía embebida y aumentando
la eficiencia a conversión eléctrica. En la actualidad,
por ejemplo, con el uso de paneles policristalinos
de alta eficiencia o con la aplicación de tecnología
de capa fina, el REN de la fotovoltaica podría ser
sensiblemente superior al valor empleado en este
estudio. El proyecto RENIA, actualmente en marcha
financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación,
aportará datos más detallados en este contexto.
captador geotérmico se estima en 71.422 kWh de
energía primaria y su vida útil 40 años. La energía
embebida de la bomba de calor se estima en 2.152
kWh y su vida útil en 10 años. Para el depósito
de almacenamiento de 2.000 litros, su energía
embebida asociada se estima en 13.642 kWh y su
vida útil en 40 años.
Instalación de una bomba de calor con
intercambio geotérmico:
Al operar con un COP de 4, la energía eléctrica
necesaria para cubrir la demanda térmica de
55.895 kWh es de 13.974 kWh eléctricos, que en
energía primaria (factor 2,466) equivalen a 34.460
kWh/año. Puede verse, por tanto, que la energía
embebida es muy inferior a la energía primaria
asociada al consumo eléctrico de la bomba de calor
(del orden del 7%), por lo que el rendimiento de la
instalación (COP) será el factor más influyente en el
análisis de ciclo de vida energético.
Otra opción que se plantea en este estudio es la
aplicación de una bomba de calor con intercambio
geotérmico para satisfacer las necesidades de
calefacción y agua caliente.
La demanda térmica del edificio de referencia se
ha calculado anteriormente como 37.969 kWh para
calefacción y 17.927 kWh para agua caliente, lo que
supone un total de 55.895 kWh anuales térmicos.
Que, considerando la eficiencia de la instalación de
gas y el factor de energía primaria del gas, asciende
a 74.761 kWh de energía primaria.
Los cálculos de la instalación geotérmica para
satisfacer estas necesidades se han hecho en este
caso a partir de datos de fabricantes de equipos
de intercambio geotérmico y bombas de calor. La
bomba de calor proyectada para satisfacer las
demandas térmicas del edificio de referencia es
de 10 kW de potencia eléctrica que, con un COP
de 4, recuperará 30 kW del terreno y proveerá,
por tanto, de una potencia máxima de 40 kW al
edificio, que en combinación con un depósito de
almacenamiento será suficiente para proveer al
edificio de calefacción y agua caliente. Para el
cálculo de la energía embebida de la instalación,
hace falta calcular la profundidad de sondeo
necesaria y los equipos asociados a la instalación.
El intercambio geotérmico con el terreno en esta
localidad se estima en 40 W por metro de sondeo,
por lo que se proyectan 750 metros distribuidos
en 7 perforaciones, que permitirían extraer los 30
kW térmicos del terreno. La energía embebida del
270
Anualizando todos estos valores, la energía
embebida de la instalación geotérmica equivale a
2.342 kWh/año.
Suponiendo que esta instalación sustituye a
la caldera de gas (74.761 kWh/año de energía
primaria), el REN se podría definir en este caso como
la energía primaria sustituida en la opción con gas
natural entre el gasto energético de energía primaria
anual en la bomba de calor más su energía embebida
anualizada asociada. De este modo, el REN para la
instalación con COP de 4, es del orden de 2.
4.5.5. Conclusiones
Tomando como referencia el ejemplo anterior, se
han calculado los valores de REN para diferentes
estrategias de mejora del edificio, cada una
aplicada independientemente sobre dicho edificio.
Es muy importante observar que si se combinan
varias estrategias para disminuir el consumo de
energía térmica, el ahorro de energía posible no es
proporcional. Cuanto más disminuya la demanda
térmica, el REN de las sucesivas actuaciones de
mejora energética puede disminuir rápidamente,
como ya se ha comprobado al aumentar los
espesores de aislamiento o al aumentar la superficie
de la instalación solar térmica.
Por ejemplo, a medida que se aumenta el
aislamiento y así disminuye el uso en calefacción,
si se quisiera incluir una instalación solar o
una instalación de bomba de calor, los ahorros
potenciales sería menores y la energía embebida
cobraría cada vez mayor importancia, disminuyendo
el REN de estas instalaciones.
Para las instalaciones fotovoltaicas, por el
contrario, la relación entre producción eléctrica
y energía embebida se mantiene prácticamente
constante (o incluso puede mejorar levemente por
economía de escala). Por tanto, en instalaciones
fotovoltaicas el REN se mantiene prácticamente
constante, independientemente del tamaño de la
instalación y la energía producida, siempre que la
instalación este conectada a una red que emplee
eficientemente la energía eléctrica generada.
El indicador REN, usado a menudo en el campo
de la generación de energía, aplicado en edificación
expresa el ratio entre los ahorros energéticos y la
energía embebida asociada a ellos. Permite de esta
manera la comparación de diferentes estrategias de
diseño y especificación, o de integración de energías
renovables en el edificio desde un punto de vista
del ciclo de vida energético, que puede facilitar la
toma de decisiones para rehabilitar edificios con el
objetivo “cero energía en el ciclo de vida”.
Se ha observado que para el edificio de estudio,
en un clima marítimo, el REN para opciones de
mejora de aislamiento es muy beneficioso (valores
REN muy altos) con los valores actuales del CTE y
hasta que se alcanzan valores de U de alrededor de
0,20 W/m2K. Si se quisiera reducir aún mas el valor
de U, el uso de materiales de baja energía embebida
sería necesario para mantener un REN superior al
de las energías renovables. Soluciones extremas de
aislamiento podrían dar ratios menores que el de la
fotovoltaica (con un REN que puede estar en torno a
4 y superiores) y menores que la solar térmica (REN
de 9 para instalación solar térmica para ACS y REN
de 4,4 para una ampliación de la instalación que
también contribuye a calefacción).
relacionado al COP de la instalación, y puede estar
en torno al 2 para una bomba de calor con un COP
de 4.
Una buena estrategia para llegar a rehabilitar
este edificio hacia “cero energía en su ciclo de vida”
sería por tanto priorizar aquellas medidas con un
mayor REN, lo cual supondría en primer lugar una
mejora del aislamiento hasta valores de U en torno
a 0,20 W/m2K, después la instalación de paneles
solares térmicos para agua caliente (al menos, 40
m2) y finalmente la incorporación de un sistema
solar fotovoltaico hasta suplir la demanda restante
de energía.
Como conclusión final de este análisis de
conceptos de edificios cero energía y de estrategias
de rehabilitación, hay que insistir en que la
minimización del consumo energético del edificio
en fase de uso no debe realizarse dejando de lado
la evaluación de la energía embebida y de otros
aspectos medioambientales asociados a materiales
y equipos instalados en edificios. La normativa
actual y la Directiva 2010/91/CE relativa a la
eficiencia energética de los edificios (refundición),
que expresa que los edificios nuevos deben ser a
partir de 2021 de consumo “casi nulo”, considera
de momento únicamente la fase de uso del edificio,
ignorando la energía embebida. Añadiendo a esta
directiva un análisis conjunto de la energía embebida
y utilizando nuevos indicadores como el “ratio de
energía neta”, presentado en este estudio para
tomar decisiones en estrategias de rehabilitación,
se puede evolucionar hacia una perspectiva más
amplia que ayude a minimizar el uso de recursos
energéticos en todo el ciclo de vida.
Para sistemas como la utilización de bombas de
calor con intercambio geotérmico, el REN estará muy
271
REFERENCIAS
4
4.1
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• Norma UNE–EN 1264-1; Calefacción por suelo radiante. Sistemas y componentes: Definiciones y símbolos.
• Norma UNE–EN 1264-2; Calefacción por suelo radiante. Sistemas y componentes: Determinación de la emisión
térmica.
272
• Norma UNE–EN 1264-3; Calefacción por suelo radiante. Sistemas y componentes: Dimensionamiento.
• Norma UNE–EN 1264-4; Calefacción por suelo radiante. Sistemas y componentes: Instalación.
• Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) aprobado mediante el RD 1027/2007 del 20 de Julio
de 2007.
• Código Técnico de la Edificación (CTE) aprobado mediante el RD 314/2006 del 17 de Marzo de 2006.
4.5
• ARDENTE, F., BECCALI, G., CELLURA, M. & LO BRANO, V. (2005) Life cycle assessment of a solar thermal collector.
Renewable Energy, 30, 1031-1054.
• Besant, R.W., R.S. Dumont, and G. Schoenau, The Saskatchewan conservation house: Some preliminary performance
results. Energy and Buildings, 1979. 2(2): p. 163-174.
• Butti K., Perlin J. “A Golden Thread, 2500 Years of Solar Architecture and Technology”. Van Nostrand Reinhold
Company. ISBN: 0442240058. 1980.
• Bliss R W, Design and Performance of the Nation’s only Fully Solar-Heated House. Air Conditioning, Heating and
Ventilating, 1955. 52(10): p. 92.
• BREEAM. Sistema de evaluación medioambiental de edficios. www.breeam.org.
• CODIGO TÉCNICO EDIFICACIÓN (2010), www.codigotecnico.org
• CRAWFORD, R. H. & TRELOAR, G. J. (2004) Net energy analysis of solar and conventional domestic hot water systems
in Melbourne, Australia. Solar Energy, 76, 159-163.
• CICLOPE , Proyecto Singular Estratégico, www.pseciclope.es
• DESIGNBUILDER simulation software. Disponible en www.designbuilder.es
• ECOINVENT V2 (2010). Base de datos de Inventario de Ciclo de Vida. www.ecoinvent.org
• Esbensen, T.V. and V. Korsgaard, Dimensioning of the solar heating system in the Zero Energy House in Denmark.
1977: United States. p. Pages: 195-199.
• EnergyPlus Building Energy Simulation Software. Disponible en http://apps1.eere.energy.gov/buildings/
energyplus/.
• FTHENAKIS, V. & ALSEMA, E. (2006) Photovoltaics Energy Payback Times, Greenhouse Gas Emissions and External
Costs: 2004 - early 2005 status. Progress in photovoltaics: research and applications.
• KALOGIROU, S. (2009) Thermal performance, economic and environmental life cycle analysis of thermosiphon solar
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• GABI, Software de análisis de ciclo de vida, http://www.gabi-software.com
• LEED: Sistema de Certificación Medioambiental de edificios. http://www.usgbc.org/LEED.
• PACCA, S., SIVARAMAN, D. & KEOLEIAN, G. A. (2007) Parameters affecting the life cycle performance of PV
technologies and systems. Energy Policy, 35, 3316-3326.
• RAUGEI, M., BARGIGLI, S. & ULGIATI, S. (2007) Life cycle assessment and energy pay-back time of advanced
photovoltaic modules: CdTe and CIS compared to poly-Si. Energy, 32, 1310-1318.
• RENIA, Proyecto INNPACTO, Ministerio Ciencia e Innovación , 2011 www.reniaproject.org
• SIMAPRO , Software de análisis de ciclo de vida , http://www.simapro.com/.
273
5
Servando Álvarez Domínguez
Grupo de Termotecnia de AICIA-Asociación de Investigación y
Cooperación Industrial de Andalucía
5
ÁMBITO LEGAL Y NORMATIVO
5.1 INTRODUCCIÓN
Para reducir el consumo de energía y las emisiones de CO2 en la Unión Europea, el Parlamento Europeo
se dotó en 2002 de varios instrumentos, uno de los cuales fue la Directiva 2002/91/CE relativa a la
eficiencia energética de los edificios.
En el espíritu de esta directiva subyace la
necesidad de acometer tres grupos de medidas con
carácter simultáneo:
– El endurecimiento progresivo de la
reglamentación sobre calidad térmica de los
edificios de nueva planta. Son los denominados
requisitos mínimos.
– La promoción de edificios de nueva planta
cuyo consumo de energía sea netamente inferior
al que se deriva de la aplicación estricta de la
reglamentación.
– En el sector de los edificios existentes se trata
de identificar, para cada edificio, una relación de
medidas de mejora que, dentro de un contexto de
viabilidad técnica y económica, supongan una mejora
significativa de la eficiencia de dicho edificio.
274
La normativa en materia energética se convirtió
en el gran instrumento para la implementación
de políticas energéticas y el cumplimiento de los
compromisos internacionales.
No obstante, por un lado esta directiva no ha
cumplido con las expectativas creadas y por otro
nos encontramos con un nuevo contexto energético
y medioambiental más exigente que nos habla de:
– Aumentar la eficiencia energética para alcanzar
el objetivo de reducir el consumo energético en la
Unión Europea en un 20% para 2020.
– Reducir, para 2020, las emisiones totales
de gases de efecto invernadero en un 20% como
mínimo con respecto a los niveles de 1990.
– Fomentar el uso de energía procedente de
fuentes renovables con el objetivo vinculante de
que la energía procedente de fuentes renovables
represente el 20% del consumo de energía total de
la Unión para 2020
En consecuencia, el Parlamento Europeo y
el Consejo de la Unión Europea deciden que
“debiéndose llevar a cabo modificaciones sustantivas,
conviene, en aras de una mayor claridad”, proceder
a la refundición de dicha Directiva que pasa a
denominarse Directiva 2010/31/UE relativa a la
eficiencia energética de los edificios (refundición).
OBJETIVOS TRANSPOSICIÓN EN ESPAÑA
El endurecimiento progresivo de la
reglamentación sobre calidad térmica
de los edificios de nueva planta
Real Decreto 314/2006
Código Técnico de la Edificación
CTE - (DB-HE)
La promoción de edificios de nueva
planta con alta eficiencia energética
Real Decreto 47/2007
Certificación energética de edificios
nuevos
Identificación de medidas de mejora
de la eficiencia energética en edificios
existentes dentro de un contexto de
viabilidad técnica y económica
Real Decreto 1027/2007
Reglamento de Instalaciones térmicas
de edificios
Real Decreto X/2012
Certificación energética de edificios
existentes
Figura 5.1. Esquema general de la transposición de la DEEE.
275
5.2.1 Estructura de los aspectos energéticos en el Código Técnico de la Edificación
(Documento Básico – HE)
Los aspectos energéticos del CTE (sección de
ahorro de energía) se encuadran en 5 documentos
básicos (Figura 5.2).
A diferencia de la mayoría de los países de la
UE, puede comprobarse que en España no existe
una exigencia global en consumo energético o en
emisiones (el denotado nivel 0) ni siquiera una
exigencia para los usos de la energía. Los documentos
básicos lo que contienen son exigencias indirectas
relativas a la limitación de demanda, la mejora del
rendimiento o de empleo de energías renovables, tal
como se esquematiza en la Figura 5.2, en la que se
puede observar cómo las prescripciones de nivel 2
se corresponden fielmente con el contenido de los
documentos básicos.
NIVEL 0NIVEL 1NIVEL 2CTE
Consumo
Demanda
HE1
Calefacción
Total
Rendimiento
HE2
Demanda
HE1
Refrigeración
Rendimiento
HE2
Cont. Solar
HE4
Agua Caliente Sanitaria
Rendimiento
HE2
Cont. Solar
HE5
Iluminación
Rendimiento
HE3
Uso general electricidad
Cont. Solar
HE5
Figura 5.2. Jerarquía de prescripciones en el CTE-DB-HE
Cada uno de los aspectos anteriores incluye una
toma de decisiones a cuatro niveles diferenciados:
–
–
–
La cuantificación de las exigencias
Su materialización formal.
Los procedimientos de verificación.
A título de ejemplo de lo anterior, las exigencias
vinculadas a la limitación de la demanda,
contenidas en el DB HE1 se basan en conseguir
un ahorro medio del 25% frente a la situación
reglamentaria anterior (NBE-CT 79). Las exigencias
276
se materializan con un procedimiento relativo
en el que el edificio a construir se compara con
un edificio de referencia con unas calidades
constructivas de referencia que dependen del clima
y del uso del edificio. Finalmente, la comparación
se hace directamente comparando las calidades
constructivas (la denominada vía prescriptiva
o simplificada) o indirectamente mediante un
procedimiento informático denominado LIDER
o cualquier otro procedimiento reconocido (la
denominada vía prestacional o general). Ambas
vías se ilustran en la Figura 5.3.
BB HE 1: OPCIONES DE CUMPLIMENTACIÓN
EDIFICIO
OPCIÓN SIMPLIFICADA
OPCIÓN SIMPLIFICADA
VALORES LÍMITE
DE PARÁMETROS
CARACTERÍSTICOS
¿CUMPLE?
DEMANDA
EDIFICIO
OBJETO
NO
NO
DEMANDA
EDIFICIO DE
REFERENCIA
≤
¿CUMPLE?
SI
SI
CUMPLE LAS EXIGENCIAS DE LA SELECCIÓN HE1,
LIMITACIÓN DEMANDA ENERGÉTICA
Figura 5.3. Opciones de cumplimentación del DB HE1.
5.2.2 Estructura de la certificación
energética de edificios
Una vez que el edificio ha cumplido con las
exigencias del código técnico, se debe proceder a su
certificación energética. Como se indica en la DEEE,
uno de los objetivos del certificado de eficiencia
energética de un edificio es que el consumidor
pueda comparar y evaluar la eficiencia energética
de un edificio determinado frente a otros. Puesto
que cumplir con el CTE-HE sólo garantiza unos
mínimos de calidad energética, es obvio que habrá
edificios que se limiten a satisfacer esos mínimos
mientras que habrá otros que presenten niveles muy
superiores.
La elaboración del esquema de certificación ha
requerido la toma de decisiones a tres niveles:
– Qué se
comportamiento).
compara
(Indicadores
de
– Cómo se materializa la comparación (Escala
de calificación).
– Qué procedimientos se utilizan para obtener los
indicadores que permiten comparar los edificios.
En España, se comparan muchas cosas
(indicadores intermedios) aunque el indicador
definitivo son las emisiones globales de CO2 por m2
y año que tiene el edificio con un uso estandarizado
durante un año climático de referencia.
La comparación se materializa con la ya clásica
escala de 7 letras (A hasta G) que se denominan
clases de eficiencia energética. Para entrar en esta
escala hay que calcular los denominados indicadores
de eficiencia energética. En síntesis, un indicador de
eficiencia energética es el ratio entre el indicador
277
de comportamiento energético correspondiente al
edificio objeto y un valor de referencia consistente.
En la Figura 5.4, se muestra la relación entre el
indicador de eficiencia energética y las clases de
eficiencia para un caso concreto, en este caso,
viviendas unifamiliares situadas en Madrid.
A
B
C
D
E
F
Clase A
Clase B
Clase C
Clase D
Clase E
Si
Si
Si
Si
Si
IEEG < 0.37
0.37 < IEEG < 0.60
0.60 < IEEG < 0.93
0.93 < IEEG < 1.43
1.43 < IEEG
G
Figura 5.4. Ejemplo de relación entre el indicador de eficiencia energética y las clases de eficiencia.
Puede comprobarse de la tabla de asignación de
clases cómo la referencia (IEEG =1) se encuentra
en la clase de eficiencia D y cómo por ejemplo para
obtener la clase de eficiencia A el edificio objeto
debe tener unas emisiones de CO2 un 63% (10037) inferiores a las de referencia.
Desde el punto de vista de las autoridades que
elaboran las políticas energéticas, el objetivo del
certificado es promover edificios mucho mejores
energéticamente que los que se derivarían del
cumplimiento estricto del CTE-HE para lo que se
han arbitrado subvenciones (normalmente en forma
de €/m2) para aquellos edificios que alcanzan las
clases de eficiencia B o A.
En cuanto a los procedimientos que se utilizan
para obtener los indicadores de eficiencia energética,
CALENER es la herramienta oficial y, en principio, se
utilizará en todos los casos para los que se haya
utilizado previamente LIDER.
Para los edificios que hayan optado por la opción
prescriptiva existe la posibilidad de obtener también
278
el certificado energético por una vía prescriptiva
aplicable a edificios de viviendas. Para cada zona
climática hay una serie de soluciones técnicas y en
síntesis su filosofía viene a decir que “los edificios
de viviendas que se limitan a cumplir los requisitos
del CTE y no demuestran ningún otro aspecto relativo
a sus prestaciones energéticas tienen por defecto
la clase E, con la excepción de aquellos que están
incluidos en alguna de las soluciones técnicas a los
que se les asigna la clase D”.
Se puede fácilmente concluir que las dos vías
que se han desarrollado hasta el presente están
muy alejadas entre sí, tanto por complejidad de
aplicación como por la calidad que se le permite
a los edificios que opten a ellas, por lo que se han
desarrollado opciones simplificadas intermedias.
REQUISITOS MÍNIMOS
CTE - HE
EDIFICIO
OPCIÓN SIMPLIFICADA
OPCIÓN GENERAL
VALORES LÍMITE
DE PARÁMETROS
CARACTERÍSTICOS
LIDER
CERTIFICACIÓN
PRESCRIPTIVA LETRAS D Y E
PROCEDIMIENTOS
SIMPLIFICADOS
CE2, CERMA, CES
CALENER
CERTIFICACIÓN
Figura 5.5. Relación entre procedimientos de verificación del CTE y procedimientos de certificación.
5.3 ASPECTOS DIFERENCIALES ENTRE LA CERTIFICACIÓN DE EDIFICIOS NUEVOS Y LA CERTIFICACIÓN DE
EDIFICIOS EXISTENTES
El borrador de proyecto de real decreto por el
que se aprueba el procedimiento básico para la
certificación de eficiencia energética de edificios
existentes (versión de 31 de octubre de 2008)
incorpora dos diferencias sustanciales respecto a su
homólogo 47/2007 para edificios de nueva planta.
Al igual que éste, el ámbito de aplicación obliga a
que todos los edificios existentes, cuando se vendan
o alquilen, dispongan de un certificado de eficiencia
energética. La novedad, que además incrementa
la exigencia fijada por la propia Directiva, al hacer
obligatorio que cualquier edificio que tenga una
instalación centralizada con una potencia nominal
térmica en generación de calor o frio mayor de 400
kW, con independencia de su venta o alquiler, deba
disponer de un certificado de eficiencia energética
en unos plazos de tiempo determinados. Se pretende
así, que el parque de edificios más consumidores
de energía de nuestro país se comience a calificar
energéticamente de forma ordenada comenzando
en primer lugar por aquellos edificios con un mayor
consumo energético, de forma que puedan disponer
de recomendaciones que les permita reducir su
consumo de energía.
Es precisamente éste último tema de las
recomendaciones la segunda de las novedades.
Entre la información que debe contener el certificado
de eficiencia energética del edificio existente se
encuentra un nuevo documento “conteniendo
un listado con un número suficiente de medidas,
recomendadas por el técnico certificador, clasificadas
en función de su viabilidad técnica, funcional y
económica, así como su repercusión energética,
que permitan, en el caso de que el propietario
del edificio decida acometer voluntariamente esas
medidas, que la calificación energética obtenida
mejore como mínimo un nivel en la escala de
calificación energética, si la calificación de partida
fuera la B, o dos niveles, si la calificación de partida
fuera C, D, E, F o G”.
279
Traducido lo anterior a términos prácticos se
encuentra que, salvo en el improbable caso de que
el edificio originariamente fuera clase A o B, en los
restantes casos se deben proponer medidas que
supongan una reducción del orden del 50% de las
emisiones de CO2, lo cual no es en absoluto trivial.
No obstante, hay que hacer notar que la escala
de calificación, para los edificios destinados a
vivienda, no está totalmente definida en el Real
Decreto 47/2007, sino sólo de manera cualitativa.
Ha sido necesario, por tanto, realizar un trabajo
complementario orientado a determinar los valores
medios de los indicadores del parque edificatorio.
En efecto, la norma CEN EN 15217 establece que
los límites de las clases de energía se establecerán
en base a 3 indicadores energéticos:
– El correspondiente al edificio objeto.
– El valor medio del indicador correspondiente
a edificios similares de nueva planta que sean
conformes con la reglamentación vigente en el año
2006.
– El valor medio del indicador correspondiente
a los edificios similares del parque edificatorio
existente en el año 2006.
En España, el valor medio del indicador de
edificios conformes con la reglamentación 2006
está situado en la clase D, mientras que el valor
medio del indicador correspondiente a los edificios
similares del parque edificatorio está justo en la
frontera entre las clases E y F. A título de ejemplo,
la Figura 5.6 despliega la escala correspondiente al
indicador de demanda de calefacción para viviendas
unifamiliares en Sevilla, donde puede apreciarse las
líneas rojas que corresponden a los dos valores
medios citados.
ESCALA DE CALIFICACIÓN PARA EDIFICIOS NUEVOS Y EXISTENTES
Referencia 1 promedio
CTE - HE 2006
1
AB C
0.9
Referencia 2 promedio
stock edificios existentes
D
E
F
G
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140
Demanda de Calefacción Unifamiliares (kWh/m2)
Figura 5.6. Escala de calificación para demanda de calefacción de viviendas unifamiliares en Sevilla,
indicando las dos referencias usadas.
280
Finalmente, y aunque no está exclusivamente
relacionado con los edificios existentes, el borrador
de Real Decreto incluye una disposición final cuarta
que modifica el Real Decreto 47/2007. Se añade
un nuevo apartado al artículo 12 con la siguiente
redacción:
“3. Los edificios pertenecientes a la Administración
General del Estado y sus Organismos y sociedades
dependientes como Ministerios, Organismos
públicos, sociedades contempladas en el artículo
166.1, letras c) y d) de la Ley 33/2003, de 3 de
noviembre, del Patrimonio de las Administraciones
Publicas, así como las Fundaciones públicas
estatales, de nueva construcción o los existentes
que se modifiquen, reformen o rehabiliten con una
superficie útil superior a 1.000 m2 donde se renueve
más del 25 por cien del total de sus cerramientos,
deben alcanzar una calificación energética de clase
A o B”.
Esta disposición es totalmente coherente con
los nuevos requisitos mínimos que constituyen la
obligatoria revisión del CTE-HE.
5.4 GENERALIDADES SOBRE LOS
PROCEDIMIENTOS DE CARACTERIZACIÓN DE
EDIFICIOS EXISTENTES
El objetivo general de todo esquema de la
certificación de edificios existentes debe ser
promover la implementación de medidas de mejora
de la eficiencia energética de dichos edificios dentro
de un contexto de viabilidad técnica y económica.
El conocimiento, por tanto, de la clase de
eficiencia que alcanza el edificio en su estado inicial
no es un objetivo en sí mismo sino que tiene carácter
formal e instrumental al proporcionar un marco para
establecer una política de subvenciones en base a
comparar la eficiencia energética del edificio antes y
después de que se propongan intervenciones sobre
el mismo.
Los procedimientos que se usen para la
certificación de estos edificios deben estar en
consecuencia orientados hacia el objetivo general,
es decir, a la identificación y cuantificación de las
medidas que permiten una mejora de la eficacia
energética del edificio en un tiempo y con unos
medios adecuados (y proporcionados) a la mejora
perseguida.
Lo que interesa es el ahorro (energético,
económico y en emisiones de CO2) en términos de
mejora de clase de eficiencia que se alcanza entre
la situación de partida y lo que denominaremos
situación mejorada. En algunos casos, el rigor del
procedimiento deberá dejar paso a la consecución
del objetivo anterior.
Existen fundamentalmente dos categorías de
procedimientos, los basados en simulaciones
(“asset rating” en la terminología del CEN) y los
basados en medidas (“opperational rating” en la
terminología del CEN).
Los basados en simulaciones pueden subdividirse
a su vez en:
– Detallados (que satisfacen el estándar de
cálculo contenido en el “Documento de condiciones
de aceptación de Procedimientos Alternativos a
LIDER y CALENER”).
– Simplificados (el resto).
Los basados en medidas pueden, en general,
basarse en:
– Facturas.
– Monitorización de corto plazo.
– Monitorización continua.
La ventaja principal de los métodos basados en
simulaciones, es que permiten la estimación fácil
del potencial de ahorro de cualquier intervención
sobre la envuelta o los sistemas.
Los inconvenientes son:
– Necesitan la recopilación de información técnica
sobre el edificio muchas veces no disponible y por
tanto tienen incertidumbres respecto a los datos de
entrada.
281
– Riesgo de desglose por usos poco realistas y
posibles discrepancias entre el consumo estimado
y el real (debidas a los modelos, al uso real del
edificio, al mantenimiento, a las temperaturas de
consigna de instalaciones, etc.).
Por su parte, la ventaja de los métodos basados
en medidas, es que reflejan consumos energéticos
reales con el verdadero patrón de uso del edificio
(informan incluso de las mejoras alcanzadas
entre dos periodos evaluados en caso de que sea
monitorización continua)
Como inconvenientes se incluyen:
familia dada.
5.5 EL PROCEDIMIENTO Ce3
5.5.1 INTRODUCCIÓN
El procedimiento Ce3 es uno de los dos
procedimientos oficiales que permitirán la obtención
de la calificación de la eficiencia energética de los
edificios existentes.
– Necesitan desglose por usos y desagregación
de cada uso entre efecto de la demanda y de los
sistemas.
Ce3 comprende un paquete de procedimientos
simplificados que cubren la calificación de los
edificios de viviendas, pequeño, mediano y gran
terciario. Ha sido encargado por el Instituto para
la Diversificación y el Ahorro Energético (IDAE),
conforme a las disposiciones del proyecto de Real
Decreto de certificación energética de edificios
existentes, al equipo de trabajo formado por:
– Requiere datos climáticos del periodo para
proceder a la neutralización del clima.
– Departamento de eficiencia energética de
Applus Norcontrol SLU.
Puesto que las dos alternativas (simulación o
medidas) tienen ventajas e inconvenientes que se
compensan mutuamente, es factible en principio
pensar en una alternativa híbrida (“taylored” rating
en la terminología del CEN).
– Grupo de Termotecnia de AICIA-Universidad de
Sevilla.
– No permiten la estimación fácil de potenciales
de ahorro.
Conceptualmente, este procedimiento híbrido
puede verse en las dos direcciones:
– Procedimiento de simulación cuyos resultados
se corrigen con las medidas.
– Procedimiento de medidas complementado
con la simulación.
– Fundación privada Institut Ildefons Cerdá.
– Unidad de calidad en la construcción del
Instituto Eduardo Torroja.
– Unidad de edificación y ordenación del territorio,
Fundación Labein-Tecnalia.
– Grupo de Ingeniería Térmica de la Universidad
de Cádiz.
– REPSOL-Dirección de Tecnología.
La complementariedad de los dos métodos en
un procedimiento híbrido puede hacerse a nivel de
la obtención de la clase de eficiencia inicial o a nivel
de la cuantificación de las medidas de mejora.
Por último, la complementariedad puede hacerse
con información procedente del propio edificio o de
estadísticas de edificios que pertenezcan a una
282
Además del programa informático que soporta
el procedimiento, Ce3 incluye una documentación
complementaria formada por:
– Manual de usuario.
– Manual de fundamentos técnicos.
– Manual de casos prácticos.
– Guía de recomendaciones para la mejora de la
eficiencia energética.
5.5.2 CRITERIOS
Para delimitar las características de los
procedimientos que se han realizado, se han
barajado los siguientes criterios:
a) Los procedimientos deben ser realistas y
poderse llevar a cabo con los datos disponibles y
deben por tanto proporcionar alternativas en caso
de que la información disponible sea incompleta o
de muy difícil y/o costosa determinación.
b) Cuando sea factible, se utilizarán para la
calificación y la identificación de las mejoras los
datos obtenidos de la eventual inspección periódica
de eficiencia energética de la instrucción técnica
ITE-4 del RITE y del análisis de los rendimientos de
los equipos y del asesoramiento energético al que
vienen obligadas las empresas de mantenimiento
autorizadas por el RITE en su instrucción técnica
IT3.4 (Programa de Gestión Energética).
c) Los esquemas pueden ser interactivos de
forma que los datos de entrada y, en definitiva, la
complejidad del procedimiento sean función del
proceso de toma decisiones en relación con las
mejoras viables.
f) El énfasis en la precisión de los procedimientos
simplificados se pone en las medidas de mejora.
g) Los indicadores para edificios de viviendas
y para edificios del sector terciario deben ser
los mismos en número (con excepción de la
iluminación) aunque se calculen de diferente
manera.
h) Las escalas deben ser únicas para edificios
nuevos y existentes.
i) Los procedimientos para asignar la clase de
eficiencia de un edificio nuevo y un edificio existente
respectivamente deben ser interconsistentes, ya
que un edificio que se certifica como nuevo en el
momento de su construcción y alcanza una cierta
clase de eficiencia debe poder alcanzar la misma
letra al certificarse como existente a los pocos
años si no se han producido variaciones en el
mismo.
j) Deben poder obtenerse (o estimarse) los
mismos indicadores para nuevos y existentes. Si
en un determinado edificio existente no se puede o
no se exige el cálculo de alguno de los indicadores
debe existir un protocolo que permita asignar al
mismo un valor por defecto.
5.5.3 METODOLOGÍA
d) En la medida de lo posible se utilizarán
procedimientos formalmente análogos a los ya
implementados para edificios de nueva planta.
El objetivo sería aprovechar los conocimientos
ya adquiridos por los proyectistas para reducir un
proceso de formación que de otra manera sería tan
largo y costoso como el que se ha llevado a cabo (y
se sigue llevando) para la certificación energética de
edificios de nueva construcción.
De acuerdo con el objetivo general de
la certificación de edificios existentes, los
procedimientos desarrollados ponen el énfasis
en la identificación y evaluación de las medidas
de mejora y, por tanto, los procedimientos que se
han realizado son todos métodos de simulación.
Al mismo tiempo, en todos los casos posibles se
arbitrará un esquema para corregir la evaluación de
los ahorros pronosticados en base a las facturas.
e) En la medida de lo posible se utilizarán
procedimientos análogos a los propuestos por el
Comité Europeo de Normalización para situaciones
equivalentes y a los ya empleados con éxito en
los estados miembros de referencia de la Unión
Europea.
En definitiva, los procedimientos propuestos
son procedimientos simplificados basados en
simulaciones cuyos resultados se corrigen con las
medidas (facturas) a nivel de la cuantificación de
las medidas de mejora.
283
La estructura metodológica de todos los procedimientos es idéntica, estando formada por 3 bloques de
elementos:
– Procedimiento de evaluación de los consumos energéticos y de las emisiones de CO2 (y a partir de
ellos obtención de la clase de eficiencia).
– Bases de datos y procedimientos de obtención de rendimientos medios estacionales.
– Identificación y evaluación de las medidas de ahorro de energía (MAE´s).
5.5.4 Los procedimientos de evaluación de consumos energéticos y emisiones de CO2
El esquema general se muestra en la Figura 5.7. Mencionar que, en relación con la definición geométrica,
existen diferentes alternativas (Tabla 5.1) que se justifican en base no tanto a la información disponible
sino, más bien, en base a las posibles intervenciones de mejora energética que se pueden implementar en
el edificio.
Por un motivo análogo, coexisten diferentes métodos para calcular las demandas y los rendimientos de
los sistemas (Tabla 5.2).
PROCEDIMIENTO DE CERTIFICACIÓN
Definición
Geométrica
Constructiva
Operacional
Instalaciones
Cálculo demandas y cosumos
Cálculo indicaciones
Calificación
Aceptación de
mejoras
Identificación y proposición
medidas de mejora
Documentación administrativa
Situación original
Documentación administrativa
Situación modificada
Figura 5.7. Esquema general del procedimiento Ce3.
284
SUPERFICIES / ESQUEMA
IMPORTACIÓN
TIPOLOGÍA ORIENTACIONESGRÁFICOLIDER / CALENER
Viviendas asignadas tipología
X
Otras viviendas
X
Viviendas en bloque
X
global y por vivienda
Pequeño y Mediano Terciario
X
X
Gran Terciario
X
X
X
Tabla 5.1. Alternativas de definición geométrica.
BASE DE CÁLCULO
DE LA DEMANDA
Horaria
BASE DE CÁLCULO DE LAS INSTALACIONES
HORARIA
MENSUAL
ESTACIONAL
CE 3_simplificado
CE 3_simplificado
GT
PyM T
CE 3_simplificado
viviendas
(Edificios genéricos,
incluyendo viviendas
concretas en tipologías)
Mensual
CE 3_simplificado
viviendas
(Tipologías)
Estacional
Tabla 5.2. Alternativas de estimación de consumos.
5.5.5Bases de datos de componentes de la envolvente
Uno de los aspectos determinantes de la
evaluación energética y medioambiental de los
edificios existentes es la calidad de la envolvente
térmica (fachadas, cubiertas, suelos, huecos, etc.),
ya que será esta la que limite la demanda energética
del edificio.
Para identificar los cerramientos que componen
la envolvente, pueden encontrarse las siguientes
situaciones:
a) Todas las características necesarias que sirven
como datos de entrada a los procedimientos son
conocidas y/o se encuentran documentadas a
través del proyecto del edificio.
b) Se conoce el tipo de cerramiento de manera
cualitativa pero no se tiene información suficiente
para caracterizarlo térmicamente.
c) No se conoce nada sobre las características
de la envolvente.
d) Se han podido determinar con medidas los
parámetros constructivos de algún elemento de la
envolvente.
En el primer caso, podrán determinarse los
parámetros que caracterizan los cerramientos de
la envolvente, tal y como se hace con edificios de
nueva construcción.
La elaboración de las bases de datos que
constituyen el objetivo de esta actividad se ha
285
orientado a facilitar la caracterización térmica de
la envolvente en los casos b y c. Hay dos tipos de
bases de datos, las referidas a elementos completos
y las referidas a materiales o productos que pueden
formar parte de los elementos anteriores.
En el caso de elementos completos, para
cada sector edificatorio, tipología, localización y
antigüedad del edificio, se ha incluido para todos
los procedimientos la siguiente información:
– Transmitancia térmica de los cerramientos
exteriores (muros, cubiertas y suelos) que componen
la envolvente térmica.
– Transmitancia térmica de huecos (contemplando
tipo de vidrio y marco).
– Transmitancia lineal de puentes térmicos
integrados y de encuentros.
El cerramiento se identificará de manera
cualitativa y en cada caso se propondrá un valor
por defecto correspondiente a la situación más
probable en el edificio en cuestión.
En algunos casos para contemplar de manera
explícita la inercia de los cerramientos será necesario
proporcionar información adicional relativa al peso
de los cerramientos (por m2) y a la posición de la
capa aislante (caso de que exista).
En relación con el comportamiento dinámico
antes aludido se ha desarrollado una tarea
complementaria para, a partir de los datos globales
(transmitancia, peso y situación del aislante),
buscar el cerramiento equivalente compatible
con la definición específica de cada uno de los
procedimientos citados.
En esta actividad se incluye también el desarrollo
de un método específico para la obtención de las
características de infiltración por defecto del edificio,
tanto la debida a los huecos como la procedente
de fallos de estanqueidad de otros elementos de
la envuelta.
5.5.6 Bases de datos y prestaciones medias
de instalaciones
La caracterización de los sistemas que consumen
energía y sus respectivos equipos auxiliares en un
edificio existente responde a una de las siguientes
situaciones:
a) Todas las características necesarias que sirven
como entradas a los procedimientos son conocidas
y/o se encuentran documentadas a través del
proyecto del edificio.
b) Los datos recopilados son insuficientes para
algunas de las unidades activas.
c) No se conoce nada sobre las características
de las instalaciones.
d) Se han podido determinar con medidas las
prestaciones medias de los equipos activos.
En el primer caso, se podría directamente simular
el sistema en los procedimientos a partir de los datos
recabados en la inspección del edificio, salvo con
un posible factor de envejecimiento dependiendo
del uso del equipo y de su nivel de mantenimiento.
En el caso de la situación b, es necesario asignar
valores por defecto a los parámetros característicos
del equipo indefinido.
En el caso c, hay que asignar por defecto un valor
global de rendimiento a todo el sistema.
En el caso d, es necesario adaptar los
procedimientos detallados para que admitan como
dato de entrada equipos de rendimiento constante
e igual a la prestación media determinada mediante
los procedimientos aceptados por el RITE.
El alcance de los equipos y sistemas a considerar
será, en primera instancia, el contenido en los
programas de referencia CALENER-VYP y CALENERGT.
En la medida en que se amplíe el alcance
de dichos programas sería factible, en etapas
286
posteriores, trasladar dichas ampliaciones a los
procedimientos que se ofertan.
En el caso de los procedimientos detallados,
teniendo en cuenta la antigüedad de los equipos
y evaluando el parque de equipos existentes, las
bases de datos por defecto contendrán:
– Prestación nominal del sistema (rendimiento,
COP o EER).
las correlaciones correspondientes que han
dependido obviamente del tipo de equipo o sistema
(prestaciones nominales y curva característica)
y antigüedad del mismo. Además se ha tenido en
cuenta:
– Clima en el que está situado.
– Edificio donde está instalado y, entre otras
cosas, su esquema de ocupación (que condiciona
la carga parcial).
– Curva característica del equipo.
Para las viviendas y el pequeño y mediano
terciario, el valor por defecto es la prestación media
mensual o estacional de los equipos y sistemas.
Para la evaluación de las prestaciones medias
estacionales hay que distinguir claramente entre
edificios de viviendas y otros edificios.
Para los edificios de viviendas, al tener un patrón
de ocupación claramente definido, se determinará
la prestación media utilizando el procedimiento de
factor de ponderación desarrollado en el documento
reconocido “Prestaciones medias estacionales de
equipos y sistemas de producción de frío y calor en
edificios de viviendas”. El factor de ponderación se
determina en función del tipo de equipo, grado de
centralización, tipo de edificio y zona climática. El
concepto de factor de ponderación puede extenderse
sin dificultad a equipos de uso en edificios existentes
y no permitidos en la actualidad.
Para las instalaciones en edificios del sector
terciario no es aplicable el método del factor
de ponderación por lo que se ha desarrollado
un método distinto, habida cuenta la diversidad
tipológica y de patrones de uso posibles.
Una tarea previa ha sido la evaluación y selección
del método de caracterización más apropiado. Se
han evaluado procedimientos tales como IPLV, SEER,
EN 15243, EN 15316 o procedentes de esquemas
de certificación de estados miembros de referencia
(tales como el SBEM, del Reino Unido).
Con el método seleccionado se han generado
– Dimensionado (o más bien, sobredimensionado)
de su potencia,
5.5.7 Estrategia general de identificación y
evaluación de medidas de mejora.
El problema general de mejorar (reducir) el
consumo energético de un edificio tropieza en
general con dos grandes incertidumbres:
– ¿Qué conceptos o elementos hay que mejorar
y se pueden mejorar?
– ¿Hasta donde es interesante dicha mejora, en
un contexto de rentabilidad técnico-económica?
Como ya se ha comentado anteriormente, para
los edificios existentes se añade una incertidumbre
adicional derivada de la escasa información
disponible sobre los datos que definen la geometría
(no suele haber planos) y la construcción (no se
conoce la composición ni las propiedades de los
diferentes componentes de la envolvente) y las
características de los sistemas de producción de
calor y frío.
El proceso de mejora de la energética de un
edificio existente es sustancialmente distinto del
que se emplea para edificación nueva. Como ya
se ha comentado, el objetivo es la determinación
de las medidas potencialmente interesantes y su
priorización Es decir, se trata de conocer sobre qué
elementos hay que actuar con carácter preferente
y tener una estimación de cuánto va a costar
dicha intervención y del tiempo que se va a tardar
287
en recuperar el capital invertido en la misma. El
problema es que se debe combinar la exploración
de un gran número de propuestas de intervención
con falta de datos, poco tiempo disponible, coste
reducido, escasa experiencia de los técnicos
intervinientes, etc.
Por todo lo anterior, en los procedimientos
que componen Ce3, la identificación y evaluación
de las medidas de ahorro de energía no se han
pensado como una aplicación recurrente de los
procedimientos de certificación evaluando al azar
el efecto de variaciones sobre los datos de partida
que reflejen mejoras de componentes, equipos,
estrategias o sistemas.
Por el contrario, se ha diseñado una estrategia
que ayuda en el proceso de toma de decisiones y
lo simplifica.
El proceso genérico para todos los procedimientos
incluye:
– Calificación energética de la situación inicial
(¿cuál es la eficiencia energética del edificio?).
– Diagnóstico del comportamiento del edificio
en su situación inicial en base a indicadores de
eficiencia energética (¿por qué es esa la eficiencia
energética?).
– Evaluación individual y conjunta de Medidas de
Ahorro de Energía (MAEs) precuantificadas (¿qué
se puede hacer para mejorar la eficiencia hasta
conseguir el objetivo?).
Estas medidas son las siguientes:
– Medidas para reducir la demanda:
– Aumento del nivel de aislamiento en muros,
cubiertas y suelos.
– Modificación de huecos, instalación de
protecciones solares.
– Modificación del caudal de aire exterior/
infiltración.
– Medidas para la mejora de los sistemas:
– Sustitución de calderas y/o plantas enfriadoras
por otras de mejor rendimiento.
– Fraccionamiento de potencia.
– Incorporación de evaporación a condensadores
de aire.
– Enfriamiento gratuito.
– Recuperación de energía del aire de
extracción.
– Enfriamiento
ventilación.
evaporativo
del
aire
de
– Mejora del aislamiento de redes hidráulicas
– Mejora del factor de transporte.
– Empleo de la producción térmica solar.
Cuando el técnico calificador
consumos dominantes y la causa de
es posible una primera evaluación de
a aplicar utilizando las denominadas
ahorro precuantificadas.
conoce los
los mismos,
las medidas
medidas de
Estas medidas de ahorro precuantificadas
son independientes del edifico concreto que se
está certificando, no obstante se han obtenido de
estudios estadísticos basados en simulaciones
sobre edificios del mismo tipo, del mismo uso y en
el mismo clima.
288
– Medidas para la mejora de luminarias:
– Reducción de la potencia instalada.
El técnico calificador elige las medidas que
potencialmente pueden implementarse y la
intensidad con la que se va a proceder a dicha
implementación. En los casos de medidas de la
envolvente, la aplicación informática le sugiere 2
niveles de intensidad para cada medida seleccionada
y le permite al usuario especificar un tercero.
Con la lista total de medidas seleccionadas, la
aplicación realiza un estudio paramétrico automático
para la optimización de la mejora a partir de la
obtención de todas las combinaciones formadas
por las variaciones sucesivas y/o simultáneas de
las medidas.
Esta herramienta estará vinculada con
un procedimiento de evaluación económica
externo a Ce3 que proporcionará información de
ahorros económicos asociados a las diferentes
combinaciones, coste de ciclo de vida, periodo de
retorno de la inversión, etc. Se podrá pues establecer
un proceso de optimización que concluya con la
identificación de las intervenciones que cumplen
determinada función objetivo (coste, periodo de
retorno, ahorro energético, ahorro en emisiones en
términos de mejora de clase de eficiencia, etc.).
La herramienta externa a Ce3 contiene asimismo
una posible corrección de los ahorros pronosticados
en base a las facturas. El objetivo de esta corrección
es ajustar los ahorros, haciéndolos consistentes
con el coste real que el usuario tiene por el
consumo energético de los diferentes usos. Sin esta
corrección se puedan crear serias disfunciones en
la cuantificación de las medidas de mejora que
crearían la desconfianza del propietario y serían, en
última instancia, un fraude para la administración
en caso de que se aplicaran subvenciones derivadas
del ahorro conseguido. Por ejemplo, no se pueden
pronosticar ahorros de, digamos, 500 € anuales de
calefacción, cuando la factura media anual para
este uso es inferior a dicha cantidad.
La corrección puede hacerse con facturas y
encuestas procedentes del propio edificio (pequeño
y mediano terciario) o de estadísticas de facturas
de edificios que pertenezcan a una tipología y clima
determinado (caso de las viviendas).
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Eficiencia energética y
energías renovables en rehabilitación de edificios