Libro Eficiencia Energética de Edificaciones

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LAEDIFICACIÓN

SEMINARIO PERMANENTE EN TECNOLOGÍASENERGÉTICAS

PUBLICACIONESDE LA UNIVERSIDADPONTIFICIA COMILLAS

PEDIDOS:Servicio de Publicacionesc/ Universidad Comillas, 3Tel.: 91 734 39 50 - Fax: 91 734 45 70

AUTORES:

Javier Serra María-Tomé – Antonio Paniego GómezJosé Ignacio Ajona Maeztu – Juan Antonio Alonso González

David Arzoz del Val – Adolfo Sanz IzquierdoMiguel Zamora García – Domingo Guinea Díaz

EFICIENCIA ENERGÉTICA ENLA EDIFICACIÓN

SEMINARIO PERMANENTE EN TECNOLOGÍASENERGÉTICAS

COORDINADORES:

JOSÉ IGNACIO LINARES HURTADOBEATRIZYOLANDA MORATILLA SORIA

2008

© 2008 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASC/. Universidad Comillas, 3

28049 Madrid

© 2008 INSTITUTO DE INGIENERÍA DE ESPAÑA

I S BN : 9 7 8 - 8 4 - 8 4 6 8 - 2 4 1 - 7

Depósito Legal: BU-408. – 2008

Diseño de cubierta: BELÉN RECIO GODOY

Fotocomposición: Rico Adrados, S.L.Abad Maluenda, 13-15 bajo • 09005 Burgos

Impreso porAmábar, S.L.

Impreso en España - Printed in Spain

Reservados todos los derechos.El contenido de esta obra está protegido por las leyes,que establecen penas deprisión y multas, además de las correspondientes indemnizaciones por daños y perjuicios, para quienesreprodujeran total o parcialmente el texto de este libro por cualquier procedimiento electrónico o mecánico,incluso fotocopia, grabación magnética, óptica o informática, o cualquier sistema de almacenamiento deinformación o sistema de recuperación, sin permiso escrito de los propietarios del copyright.

Agradecimientos

La Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas en nombrede la Universidad Pontifica Comillas agradece el patrocinio brindado desde laFundación SAMCA y MARTINSA-FADESA que sirve de apoyo al desarrollo desus actividades.

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ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................ 7

PRESENTACIÓN ...................................................................................................... 11

PRÓLOGO ............................................................................................................. 13

RESUMEN EJECUTIVO ............................................................................................. 17

CAPÍTULO I. Aspectos energéticos del nuevo Código Técnico de la Edi-ficación ................................................................................... 21Javier Serra María-Tomé

CAPÍTULO II. El nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edi-ficios: cambios esperables en la manera de diseñar las ins-talaciones ................................................................................ 31Antonio Paniego Gómez

CAPÍTULO III. Experiencia desde la industria de paneles solares térmicos dela entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación ... 39José Ignacio Ajona Maeztu

CAPÍTULO IV. Políticas de promoción de la cogeneración de pequeñaescala ...................................................................................... 45Juan Antonio Alonso González

CAPÍTULO V. Micro-poligeneración en el sector residencial empleandomotores de gas ....................................................................... 55David Arzoz del Val

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EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN

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CAPÍTULO VI. Generación distribuida con pilas de combustible y sistemasde trigeneración con microturbinas ..................................... 67Adolfo Sanz Izquierdo

CAPÍTULO VII. Bombas de calor geotérmicas ............................................... 75Miguel Zamora García

CAPÍTULO VIII. Gestión eficiente de la energía en la edificación ................. 93Domingo Guinea Díaz

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PRESENTACIÓN

El Comité de Energía y Recursos Naturales del Instituto de la Ingeniería deEspaña y la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de laUniversidad Pontificia Comillas decidieron en 2006 aunar sus esfuerzos y es-tablecer el “Seminario Permanente en Nuevas Tecnologías Energéticas”. Setrata de un foro de reflexión y debate sobre soluciones energéticas aplicables,de actualidad, que se desarrolla mediante varias conferencias y mesas redon-das a lo largo de un curso académico.

El Seminario cubre un tema de interés y actualidad en el ámbito de las Tec-nologías Energéticas y para ello invita a profesionales y académicos de recono-cido prestigio a que impartan conferencias sobre las diferentes aproximacionesal tema central escogido, pasando seguidamente a establecer un debate con losasistentes. Entre los objetivos que los organizadores nos hemos marcado en es-te Seminario se encuentra que el enfoque de los temas abordados sea eminen-temente práctico, es decir, se centre en las tecnologías técnica y económica-mente viables, comparando desde estos puntos de vista las diferentesalternativas y seleccionando las más interesantes para su aplicación tanto en elcontexto internacional como en España. Este planteamiento no es incompati-ble con el rigor científico, sino que trata de combinarlo con el enfoque aplicadoque busca el sector empresarial, con el objetivo de lograr un máximo calado ydar sugerencias a los responsables de gestionar la energía en España.

Se han abierto dos vías para alcanzar la repercusión deseada en estas se-siones de reflexión. Por una parte se ha dispuesto una página web pública ac-cesible tanto desde el Comité como desde la Cátedra en la que se recogen laspresentaciones de los diferentes ponentes. De este modo en un plazo casi in-mediato es posible analizar la información dada en cada sesión. Por otra par-te se elabora una publicación que recoge toda la actividad del curso y que serealiza a partir de una transcripción de las conferencias, que una vez montada

con las figuras más relevantes de las presentaciones es revisada por los po-nentes. Esta publicación se elabora tanto en versión papel como digital1.

Este volumen es la segunda publicación del Seminario Permanente y reco-ge las actividades que tomando como centro la eficiencia energética en la edi-ficación se llevaron a cabo en el curso 2007-08. Se realizaron cuatro sesionesen las que ocho ponentes analizaron la oportunidad actual de esta tecnologíadado el apoyo que está teniendo desde el Código Técnico de la Edificación(CTE), el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y elnuevo marco regulatorio del Régimen Especial (RD 661/2007). También sepresentaron soluciones tecnológicas disponibles en el mercado actual para lapoligeneración y la climatización eficiente, así como un ejemplo de integra-ción de todas estas tecnologías.

Tanto desde el Comité de Energía y Recursos Naturales como desde la Cá-tedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas esperamos que estainformación resulte útil a la sociedad y contribuya a dar elementos y criteriosde juicio a los responsables del ámbito energético, tanto de la Administracióncomo del sector empresarial.

JESÚS CASADO DE AMEZÚA

Presidente del Comité de Energía y Recursos NaturalesInstituto de la Ingeniería de España

JOSÉ IGNACIO LINARES HURTADO

Director de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías EnergéticasUniversidad Pontificia Comillas

PRESENTACIÓN

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1. Las diferentes presentaciones llevadas a cabo en el Seminario Permanente, así como lasPublicaciones están disponibles en http://www.upcomillas.es/catedras/crm/seminario.html.

PRÓLOGO

La limitación de emisiones de CO2 a la atmósfera supone una restricción ala libre contaminación acordada internacionalmente en el marco de la res-puesta a una de las primeras crisis ambientales globales a las que la Humani-dad va a tener que enfrentarse. Nuestro modelo productivo industrial –aho-ra extendido a todas las sociedades humanas a través de la globalización– esun modelo que, debido a su base de recursos mineral, genera un flujo cons-tante de residuos que se vierten al medio contaminándolo y transformándo-lo. El reconocimiento de la responsabilidad humana en el cambio climático–una de esas transformaciones del medio– y la evaluación de los costes eco-nómicos y sociales que ello implica, ha conducido al acuerdo internacional dereducción de emisiones de gases de efecto invernadero, de forma que el usode combustibles fósiles –nuestra principal fuente energética: más del 80% dela energía primaria usada por la Humanidad– está ya restringido desde princi-pios del 2008 en virtud de los acuerdos de Kyoto, de los cuales España es fir-mante como parte de la Unión Europea.

Por otro lado, y como ya avanzase hace décadas el geólogo M.K. Hubbert,la extracción de petróleo siguiendo una demanda en aumento exponencial,genera la incapacidad de la oferta de responder al aumento de esa demandaa partir del momento en que aproximadamente la mitad de las reservas hansido ya extraídas. Ello implica un aumento de precio del recurso para ajustarla demanda a la oferta, lo que ocasiona el fin de un primer periodo de preciosmuy competitivos en el mercado y que históricamente ha generado la evolu-ción de la demanda del recurso. Ésta puede ser en breve –si no es ya hoy– lasituación a la que debemos enfrentarnos, lo que se ha llamado el fin del ‘cheapoil’, del petróleo barato: lejos aún de agotarse las reservas, la capacidad ex-tractiva de petróleo no podrá responder a una demanda en continuadoaumento sin una escalada de precios de la que, quizá, estemos viviendo estosaños sus primeros balbuceos. Una subida de precios que, aunque activará la

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oferta de otras fuentes de energía, presionará nuestros sistemas energéticos,más aún considerando la dependencia del petróleo como fuente energéticaprincipal –por su disponibilidad– de muchos sectores de consumo.

Ambas situaciones –independientes una de la otra pero coincidentes en eltiempo– presionarán con fuerza nuestro sistema energético produciendotransformaciones que irán mucho más allá de un ajuste en la oferta energéti-ca para constituir una auténtica revolución en el uso de la energía que puedesignificar, a largo plazo, una nueva reconsideración de todo nuestro sistemaproductivo.

En un primer estadio –y como cualquier usuario de la energía– la edifica-ción se enfrentará a esta doble crisis, que se manifestará en un aumento deprecios de la energía, mediante un intento de reducción de consumo deenergía comercial. Una reducción de consumo que –para no disminuir susprestaciones– forzará a obtener más utilidad de cada unidad de energía co-mercial usada y que, por tanto, debe leerse también como una exigencia deaumento de la eficiencia energética. Una eficiencia energética que va a ser po-sible realizar en función de la capacidad de actuar sobre los factores que de-terminan el consumo: la demanda energética de los edificios, la oferta deenergía utilizable para satisfacerla, y el uso y la gestión de los edificios.

El primer factor –la demanda energética– es el más determinante porcuanto establece el perfil de las necesidades: qué tipo de energía, qué canti-dad, en qué momento y en qué lugar debe librarse la energía para satisfacertanto las condiciones de habitabilidad como las demandas energéticas de lasactividades que el edificio acoge. A partir de ahí, los demás factores trabajanpara satisfacer ese perfil con la máxima eficiencia. En edificación, el clima, lascondiciones de habitabilidad y las otras demandas energéticas de las activida-des que debe acoger el edificio establecen el planteamiento de un problemaal cual cada edificio da respuesta en forma de un determinado perfil de de-manda energética. Una respuesta que, hasta la aparición del Código Técnicode la Edificación (CTE), no era una respuesta consciente por parte de los pro-motores y los diseñadores de edificios. A partir de esa norma, la demandaenergética que establece un proyecto de edificación debe ser evaluada enmuchos casos y, en consecuencia, pasa a ser un factor de diseño del edificio.

La oferta de la energía utilizable para satisfacer el perfil de demanda ener-gética es el segundo factor ligado al consumo energético en edificación. Re-ducir la dependencia de las fuentes energéticas emisoras de carbono y redu-cir las pérdidas en la confección de la oferta energética –captación,transformación y transporte y distribución– suponen las estrategias básicas enese factor. Y ello ha generado una discusión sobre la escala en que debe arti-cularse la oferta energética que resulta muy interesante por la capacidad detransformación que puede tener tanto en el sector energético como en la edi-ficación.


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Así, el aprovechamiento de las fuentes locales de energía –como la geotér-mica, la eólica o la solar– se mueve entre la opción de las grandes centralescaptadoras –como los ‘huertos’ fotovoltaicos o los parques eólicos– que si-guen la tradicional tendencia de concentración de potencia en la transforma-ción, y la exigencia normativa –en el CTE y en numerosas ordenanzas munici-pales– que promueven el aprovechamiento de la energía solar a escala deedificación para usos térmicos o para transformación fotovoltaica, lo que tien-de a distribuir la captación y la transformación de la energía para obtener elmáximo aprovechamiento de las condiciones locales.

Asimismo, evitar las pérdidas en la distribución de la energía también oca-siona vaivenes de escala en la transformación energética, y mientras la pro-ducción de calor para usos domésticos se centraliza para mejorar el rendi-miento de las calderas, la generación eléctrica de origen térmico se distribuyepara evitar pérdidas de transmisión, emergiendo la co-generación como unaestrategia de aprovechamiento que no sólo extrae el máximo aprovechamien-to del combustible usado, sino que reúne ambas tendencias ofreciendo ade-más, por su escala de gestión, la posibilidad de integrar las fuentes locales enuna oferta eficiente y más limpia, aunque más compleja de gestionar para ob-tener su máximo aprovechamiento.

Todo ello va configurando un nuevo panorama en el que los edificios vana tener que disponer de una estrategia de eficiencia energética como una par-te fundamental de su diseño, una exigencia para la que la calificación energé-tica de edificios es una primera respuesta. Unas estrategias en las que la esca-la de la demanda y su articulación con la oferta disponible va a resultarfundamental a medida que los costes energéticos vayan resultando determi-nantes: ¿es la vivienda individual, el edificio plurifamiliar, el bloque, la manza-na o el barrio la escala óptima para conformar una demanda más eficiente?

Una discusión que no puede resolverse sin considerar el tercer factor quedetermina el consumo energético: el uso y la gestión de los edificios. Más alláde la presión de los costes de la energía sobre el usuario individual para em-pujarle a hacer un uso eficiente de ella, la gestión eficiente requiere de unosinstrumentos que generan también una escala óptima, que introduce un nue-vo elemento a considerar en la ecuación para encontrar la máxima eficienciaenergética en edificación.

Y aún más. No podemos pensar que el problema se plantea en el campode la nueva edificación. La batalla de la reducción de emisiones y del consu-mo energético se libra esencialmente en la edificación existente, y es ahí elúnico lugar donde realmente puede ganarse. Articular nuevas configuracio-nes eficientes de demanda-oferta-uso y gestión de la energía sobre el patri-monio edificado existente es una necesidad imperiosa en una perspectiva delimitaciones energéticas. La rehabilitación energética del patrimonio construi-do, a través de estrategias que consideren los tres factores articulados a una

PRÓLOGO

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escala de gestión que asegure la máxima eficiencia energética, debe ser unode los motores del sector de la edificación frente a la doble crisis que se nospresenta.

Y es un primer paso. A medida que las restricciones en el uso de la energíaaumenten, el proyecto de edificación, considerado como la generación deuna demanda de un recurso costoso, se transformará hasta convertir la efi-ciencia en uno de los fines de la actividad edificatoria: ¿cómo procurar la má-xima habitabilidad con el mínimo uso de recursos energéticos?

La verdad es que el futuro va a ser un lugar interesante.

DR. ALBERT CUCHÍ I BURGOS

Profesor Titular de la Universidad Politécnica de CataluñaDepartamento de Construcciones Arquitectónicas I de la UPC


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RESUMEN EJECUTIVO

El consumo energético de las familias españolas supone un 30% del con-sumo de energía final del país, repartiéndose casi a partes iguales entre la vi-vienda y el vehículo privado. Cada hogar es responsable de la emisión de has-ta 5 toneladas anuales de CO2. Además de estos elevados consumos Españaes una isla energética, siendo su nivel de dependencia del exterior del 82%,superior al de la media de la UE, que se sitúa en el 50%. El consumo energé-tico de una vivienda media española es de 1 tonelada equivalente de petróleoanual (11,6 MWh), estando destinado el 41% a calefacción y el 26% a produc-ción de agua caliente sanitaria, mientras que los consumos eléctricos supo-nen el 22 %. A nivel nacional el consumo eléctrico para aire acondicionado só-lo supone el 1% del consumo del sector residencial, si bien es previsible queesta cifra aumente con el paso del tiempo. Estos datos demuestran que el sec-tor residencial merece la pena ser tenido en cuenta en la planificación ener-gética, debiéndose considerar medidas específicas para él y adaptando tecno-logías a su escala con objeto de favorecer la eficiencia energética, la reducciónde emisiones de CO2 y el ahorro en energía primaria. Tanto las tecnologíaspropias como las medidas de apoyo son abordadas en estas páginas.

El Capítulo I analiza lo que ha supuesto el Código Técnico de la Edificaciónen el apoyo a la eficiencia energética y ahorro de energía en la construcción. Elpropio Código es innovador en cuanto supone un cambio en la estructura de lareglamentación, situándose entre los más avanzados del mundo. Contempla unaestructura jerárquica de objetivos y metas a lograr, y actúa de dos maneras: sobrela envolvente edificatoria, lo que permitirá reducir la demanda energética, y so-bre la integración de energías renovables en el edificio para cubrir parte de la de-manda térmica destinada a la producción del agua caliente sanitaria. Estas ener-gías renovables son principalmente solar térmica, pero también pueden serotras como biomasa, cogeneración, etc. También se contempla para ciertos edi-ficios la obligatoriedad de integrar energía solar fotovoltaica.

El Capítulo II es un complemento natural al anterior, en la medida en queestá dedicado al Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios, alcual se remite desde el Código Técnico. El Reglamento se ha modificado entérminos similares al Código, preocupándose porque la eficiencia de las ins-talaciones que han de satisfacer las demandas energéticas del edificio sea má-xima, reduciendo por tanto el consumo al mínimo. Esto va a suponer un cam-bio de mentalidad en el diseño de las instalaciones, complementando elcálculo que se establecía hasta ahora para las máximas condiciones con unaevaluación de la demanda energética horaria que sea traducida de manera re-al al consumo, lo que permitirá dimensionar de manera más eficiente las ins-talaciones, dotándoles de sistemas de almacenamiento adecuado y de fraccio-namientos de potencia lógicos que eviten el funcionamiento prolongado ensituaciones de carga parcial. En definitiva, se pasará de diseñar por potenciaa hacerlo por energía, sentando las bases del “buen hacer” para el diseño.

En el Capítulo III se presenta la percepción del sector de la industria solar tér-mica respecto al apoyo que supone para ellos la entrada en vigor del CódigoTécnico de la Edificación. Se analizan las posibilidades reales de alcanzar las ci-fras esperadas usando diferentes fuentes, concluyéndose que es viable que laaplicación del Código suponga la instalación de 2.700.000 m2 de superficie decaptación hasta 2010. Se realizan también unas consideraciones sobre la conve-niencia de establecer desde la Administración unas herramientas claras y comu-nes para los instaladores con objeto de poder comparar de forma transparentediferentes diseños, así como la necesidad de establecer controles y verificacionesanuales en las instalaciones que comprueben los ahorros esperados, de modoque la percepción social de esta tecnología no resulte negativa.

El capítulo IV continúa abordando las políticas de apoyo, en esta ocasiónlas dedicadas al fomento de la cogeneración aplicable a edificios, esto es, lamicrocogeneración (menos de 50 kWe) y la cogeneración de pequeña esca-la (menos de 1 MWe). Los estudios de potencial demuestran que la poten-cia instalable en el sector residencial y terciario es de 6.400 MWe, de los quesólo se han instalado 175. Para fomentar la penetración de esta tecnologíaen estos sectores se ha reformado el marco regulatorio del Régimen Espe-cial que a través del RD 661/2007. Éste establece un decidido apoyo para lacogeneración, introduciendo medidas específicas para la promoción de es-ta tecnología en el sector de la edificación, como por ejemplo la no expul-sión del Régimen Especial de las instalaciones de edificios cuando operenpor debajo del rendimiento eléctrico equivalente mínimo. Otras medidasgenerales, como la revisión automática de tarifas según el precio del com-bustible y del IPC darán a la cogeneración la viabilidad económica necesariapara que la sociedad se pueda aprovechar de los ahorros de energía prima-ria que produce. De igual modo, el complemento por eficiencia fomenta eldiseño de máximo ahorro.


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Los capítulos V y VI están dedicados a tecnologías de cogeneración a peque-ña escala que se encuentran disponibles hoy día a nivel comercial. Con caráctergeneral, ambos capítulos se centran en las ventajas de la generación distribuida,entendida como la integración de los pequeños productores en al red común.De forma específica el capítulo V analiza el empleo de motores de gas natural,presentando tamaños entre 5 y 90 kWe. Lo más significativo de estas unidades essu integración en las instalaciones convencionales de la vivienda, dimensionán-dolos para trabajar en carga base. El capítulo VI se centra en las pilas de combus-tible y en las microturbinas de gas, exponiendo sus prestaciones tanto de formagenérica como en casos reales de instalaciones. Los ejemplos presentados sondel mercado estadounidense, donde están dedicados más bien a la generaciónen isla o al autoconsumo eléctrico. Se trata de unidades de tamaño medio (en-tre 200 y 400 kWe para las pilas y entre 180 y 360 kWe para las microturbinas) conmuy bajas emisiones y con importantes capacidades multicombustibles, queabarcan desde el gas natural hasta el biogas.

El capítulo VII se centra en la climatización mediante bombas de calor geotér-micas. Esta tecnología es ampliamente empleada en países del Norte de Europa,pero apenas está implantada en España. Se detallan las dos partes integrantes dela instalación: el sistema de captación geotérmica a través de diferentes tipos deintercambiadores, explicando sus diferencias y esbozando las técnicas de cálculoy la bomba de calor en sí misma, que es de tecnología agua/agua. Se describen ex-periencias operativas en Valencia que demuestran la viabilidad técnica de esta tec-nología y se justifica su consideración como energía renovable en la medida enque esto permita el acceso a ayudas para reducir el período de retorno.

El último capítulo muestra una integración inteligente de las demandas yofertas energéticas a que está sometida una vivienda. Se ilustran técnicas de cap-tación y almacenamiento térmico selectivo, de modo que es posible gestionaradecuadamente la energía solar incidente para contrarrestar con ella la deman-da térmica. Incluso es posible también satisfacer la demanda eléctrica a partir deenergía solar fotovoltaica, recurriendo al almacenamiento en hidrógeno paraadaptar demanda y oferta. En resumen, se plantea la gestión energética integralde la vivienda como si de un sistema de información se tratase, integrando co-rrectamente todas las energías y tecnologías, buscando el uso selectivo de lasmismas, demostrando con ello que una vivienda de consumo cero es posible.

BEATRIZ YOLANDA MORATILLA SORIA

Secretaria del Comité de Energía y Recursos NaturalesInstituto de la Ingeniería de España

JOSÉ IGNACIO LINARES HURTADO

Director de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías EnergéticasUniversidad Pontificia Comillas

RESUMEN EJECUTIVO

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CAPÍTULO I

ASPECTOS ENERGÉTICOS DEL NUEVO CÓDIGOTÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

Javier Serra María-ToméSubdirector General de Innovación y Calidad de la Edificación

Ministerio de Vivienda

INTRODUCCIÓN

Uno de los aspectos más importantes del Código Técnico de la Edificación(CTE) [I-1] es su propuesta energética, siendo éste un aspecto que cada vezinteresa más a la sociedad, tanto a nivel nacional como internacional. Por elloel Ministerio de la Vivienda entiende que con este reglamento se está prepa-rando el camino para un nuevo tipo de edificios del futuro, tanto los construi-dos de nueva planta como los existentes que acometan grandes reformas.

La edificación en España tiene unos patrones de consumo que se reflejan enla Tabla I-1 que permiten identificar los puntos en los que la normativa ha de in-cidir especialmente buscando la eficacia de los resultados. Así, en el sector re-sidencial el Agua Caliente Sanitaria (ACS) representa una cuarta parte y la ilumi-nación un escaso 3%, siendo el consumo en calefacción/refrigeración del 59%.Por tanto, es en la climatización donde el CTE ha de incidir, fundamentalmen-te a partir de medidas de tipo pasivo que incidan en el diseño del edificio, suasilamiento, configuración, protecciones solares, etc. El agua caliente presentaunas pautas y patrones de consumo que son difíciles de reducir, aunque no im-posible. Así, el Canal de Isabel II de Madrid ha reducido el consumo de agua enpoco tiempo del orden del 10% mediante campañas de sensibilización y mejo-ras de su propia red. El CTE no actúa sobre el patrón de consumo de ACS, sinoque exige que la energía necesaria para su preparación sea de origen solar, o engeneral renovable. En cuanto al resto de consumos en iluminación y equipospresentan otros tratamientos, como el etiquetado energético.

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Residencial OficinasUsos % Usos %

Calefacción y59

Calefacción 23refrigeración Refrigeración 31ACS 26 ACS –Equipos 12 Equipos 11Iluminación 3 Iluminación 35


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Tabla I-1.

Patrones de consumo de energía en edificios (Fuente: Elaboración propia)

Por lo que se refiere al sector terciario, por ejemplo los edificios de ofici-nas, se aprecia que las estrategias han de ser distintas, y de hecho el CTE asílo contempla. Así por ejemplo, se hace mayor énfasis en la energía eléctricadestinada a iluminación, ya que supone el 35% de la energía consumida. Tam-bién existen diferentes acciones encaminadas a reducir la demanda en refri-geración y calefacción.

Si se sigue en el mismo camino llevado hasta ahora, en ausencia de las me-didas previstas en el CTE se produciría un alejamiento cada vez mayor del ob-jetivo marcado por Kioto, materializado en el Plan Nacional Asignación de De-rechos de Emisión para 2008-2012 [I-3], mientras que si se aplican lasmedidas previstas en el CTE sería posible no sólo frenar la tendencia sino ini-ciar un proceso de convergencia hacia el objetivo del Plan Nacional de Asigna-ción. Por otra parte, y debido al aumento del parque inmobiliario el incre-mento en la demanda de electricidad del sector doméstico y de servicioscrece de forma acusada, doblándose la demanda del sector servicios en 2006respecto a la de 1990 y aumentando un 30% la del sector doméstico en esemismo período. Esto viene acompañado del incremento de la superficieconstruida (2,5 veces en ese período), que aunque alguna de ella sea de se-gunda residencia en general hace prever un importante repunte de la deman-da energética. Por todo ello, el sector se enfrenta a una situación de incre-mento del parque inmobiliario y ante ello es preciso tomar una serie demedidas para moderar el incremento asociado en demanda energética. Conestas medidas se persigue controlar la demanda de los edificios construidos ytratar de reducirla en términos relativos en los nuevos, tratando incluso de lo-grar edificios que se comporten como fuentes de energía.

Existen muchas medidas y políticas que no son objeto de este capítulo, co-mo la Estrategia E4 [I-4] con su nuevo plan de acción que abarcará del 2008 al

2012, el nuevo Decreto del Plan Nacional de Asignaciones en aplicación delProtocolo de Kioto y también la Estrategia Española de Desarrollo Sostenible[I-5] en la que la parte energética es un elemento fundamental. Como medi-das concretas en el sector de la edificación surgen el CTE y el Reglamento deInstalaciones Térmicas en la Edificación (RITE) [I-6], conducente a la Califica-ción Energética de Edificios.

ESTRUCTURA DEL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

El CTE presenta una estructura peculiar que se adapta al enfoque de losreglamentos más modernos del mundo, siendo de carácter prestacional don-de ha de quedar clara una jerarquía piramidal de objetivos, exigencias, méto-dos de verificación y soluciones aceptadas como la mostrada en la Figura I-1.

ASPECTOS ENERGÉTICOS DEL NUEVO CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

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Objetivos

Exigencias

Solucionesaceptadas

Métodos deverificación

Exig

enci

alIn

stru

men

tal

Figura I-1. Esquema del CTE.

Los objetivos del código estaban establecidos como requisitos básicosen la Ley Orgánica de la Edificación del año 1999 [I-7], siendo expresión delos intereses esenciales del usuario en cuanto al edificio y condiciones quehacen del mismo que sea adecuado al uso previsto. Las exigencias básicas

están constituidas por las condiciones específicas que deben verificar el di-seño del edificio, sus sistemas constructivos y los productos que lo compo-nen para cumplir los objetivos de los Reglamentos Básicos. Su contenidoes de carácter técnico y se expresa generalmente de forma cualitativa, aun-que también en algunos casos de forma cuantitativa. En cuanto a los méto-dos de verificación, éstos son herramientas para comprobar y demostrarque una solución cumple exigencias que le afecten en proyecto y ejecu-ción. Finalmente, las soluciones aceptadas son aquellas que se consideracumplen las exigencias.

LA ENERGÍA EN EL CTE

En el CTE la energía es la mayor protagonista. Hay otros requisitos queson también importantes pero que ya estaban regulados con bastante detalle,como los requerimientos estructurales o los acústicos, aprobados reciente-mente. Siendo el requerimiento acústico sensible a la percepción social, noincide en demasía sobre el medio ambiente; por el contrario, la energía afec-ta a la sociedad desde un punto de vista económico y también al entorno des-de un punto de vista medioambiental. Es por ello que en el CTE se ha lleva-do a cabo una revisión de la Norma Básica de la Edificación de 1979 [I-8] conel criterio de aplicar una reducción del consumo energético entre un 25 y35%, según el tipo de edificio y las zonas climáticas.

El documento básico del CTE denominado DB HE establece las exigenciasbásicas a nivel energético del Código, dando concreción y métodos de verifi-cación con los objetivos de:

• Limitar la demanda energética.• Mejorar el rendimiento de los sistemas térmicos.• Lograr una iluminación energéticamente más eficiente.• Impulsar las energías renovables, en concreto la solar térmica para pro-

ducción de ACS y la fotovoltaica para producción eléctrica2.

El objetivo de la exigencia básica del CTE en cuanto al ahorro de energíaconsiste en conseguir un uso racional de la necesaria para la utilización de losedificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo, consiguiendo así mis-mo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable,como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso ymantenimiento. En concreto, para conseguir este objetivo los edificios dis-pondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamen-te la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en fun-


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2 Existen otras alternativas, como la cogeneración o la biomasa (consultar Capítulo IV).

ción del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano yde invierno, así como por sus características de asilamiento e inercia, perme-abilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de apa-rición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que pue-den perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentestérmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas hi-grométricos en los mismo.

Como estrategia para limitar el consumo, es decir, el cociente entre de-manda del edificio y rendimiento de los equipos, se puede actuar de tresformas:

• Reduciendo la demanda. Esto está regulado en el CTE a través del do-cumento DB HE1.

• Aumentando el rendimiento de los sistemas. Esto queda regulado a tra-vés del RITE y del documento DB HE3 del CTE.

• Actuando en ambos casos.

Como medida complementaria se puede obligar al empleo de energías re-novables, contemplado en los documentos DB HE 4 y 5 del RITE. Seguida-mente se comentarán estas estrategias.

Limitación de la demanda

La demanda depende del diseño, de la calidad de la envolvente, de laorientación y de la zona de severidad climática. Del proyecto dependen la ca-lidad de la envolvente y las orientaciones, pudiendo estar condicionadas éstaspor el urbanismo.

En el CTE se plantean dos opciones para limitar la demanda, según el dia-grama de flujo de la Figura I-2.

La opción prescriptiva se corresponde con el camino de la izquierda dela Figura I-2, denominada “opción simplificada”. En ella se tratan de estable-cer unas limitaciones a los diferentes componentes de la envolvente, de ma-nera que el cumplimiento de todas esas restricciones garantiza el cumpli-miento del Código. Se trata de un procedimiento fácil de aplicar que conducea resultados más conservadores. Constituye la opción reglamentaria simplifi-cada y presenta ciertas analogías con la NBE-CT-79 [I-8]. Se basa en un núme-ro limitado de parámetros de comportamiento relativos a la calidad de loscomponentes de la envolvente edificatoria. Así, los cerramientos opacos loscaracteriza por la transmitancia y los huecos mediante la transmitancia y elfactor solar modificado en la estación de refrigeración. A partir de estos pará-metros por componentes se obtienen valores promedio (proporcionales a lasáreas) de los mismos a cuatro niveles:


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• muros de fachada• huecos de fachada• cubiertas• suelos y cerramientos en contacto con el terreno

Para la implantación de lo anterior se han confeccionado para cada una delas 12 zonas climáticas unas tablas que determinan los valores máximos admi-sibles de los parámetros que caracterizan la calidad de los componentes delos cerramientos.

La opción prestacional, que se corresponde con el camino de la dere-cha de la Figura I-2, resulta un camino “general”, de aplicación más complica-da pero que da mayor libertad al proyectista, permitiéndole obtener mayorprecisión y economía. Esta opción se aplica a través de una herramienta infor-mática que proporciona el Código, denominada LIDER (LImitación de la De-manda enERgética), que ha sido desarrollada por la Universidad de Sevilla yque constituye el método oficial del cálculo. No obstante, el Código acepta lautilización de programas alternativos, siempre que cumplan con requisitos dealcance y exactitud que los hagan homologables con el oficial.

La herramienta LIDER presenta una estructura como la que se muestra enla Figura I-3, estando dotada de una base de datos de materiales de construc-


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Requerimientosmínimos

Cumple exigencia básicaHE 1

limitación de demandaenergética

Opciónsimplificada

Opcióngeneral

Valores límites decomponentes de laenvolvente térmica

Demandaedificio

Demandaedificio

referencia

¿Cumpletodos?

Mod

ifica

rdi

seño

¿De<Der?

Figura I-2.Opciones para limitar la demanda energética contempladas en el CTE.

ción, de una interface gráfica y de un motor de cálculo, presentando los resul-tados en pantalla para poder comprobar el cumplimiento del Código y emi-tiendo finalmente un impreso para la verificación administrativa. En esencialo que establece la herramienta en su motor de cálculo es una comparaciónde la demanda energética anual del edificio proyectado con la de uno que ellamisma construye y que se considera de referencia, de modo que la demandadel edificio proyectado no ha de superar la del de referencia.


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Figura I-3.Estructura de la herramienta informática LIDER, incluida en el CTE.

Rendimiento de las Instalaciones

El rendimiento de las instalaciones térmicas queda regulado en el CTE através de la exigencia HE 2, la que remite al RITE [I-6], aprobado en julio de2007. Pretende mejorar los niveles de rendimiento global estacional de los sis-temas de forma que el consumo anual disminuya. De este modo el CTE apli-ca la filosofía de que menor demanda y mayor rendimiento conducen a unmenor consumo.

En cuanto a las instalaciones de iluminación, éstas quedan recogidas en laexigencia HE 3, que resulta de aplicación a edificios de nueva construcción, aaquellos que teniendo más de 1.000 m2 se reforme más del 25% de su super-ficie y a locales comerciales y edificios de uso administrativo que se reformeny se renueve la instalación de iluminación.

Bases de Datos Interfaz GráficaVerificación Administrativa

Resultados en pantalla

Motor de Cálculo

Ayuda en Pantalla

Energías renovables

La aportación mínima de energías renovales queda regulada en las exigen-cias HE 4 y HE 5 del Código, que se refieren a la energía solar térmica y foto-voltaica, respectivamente. Esta exigencia persigue contribuir al cumplimientode objetivos políticos en términos energéticos y ambientales, como el Plan deFomento de las Energías Renovables (PER) [I-9], los compromisos alcanzadosen el Protocolo de Kioto, la estrategia E4, …

Respecto a la energía solar térmica el Código establece que una parte de la de-manda energética para la producción del agua caliente sanitaria y para la climati-zación de piscinas cubiertas será cubierta mediante la incorporación de sistemasde captación, almacenamiento y utilización de energía solar de baja temperatura,adecuada a la radiación solar global del emplazamiento del edificio. Los valoresestablecidos por esta exigencia tendrán la consideración de mínimos, sin perjui-cio de los que establezcan las Administraciones locales o autonómicas.

En cuanto a la energía solar fotovoltaica el esquema es similar. Esto es, losedificios a los que les sea de aplicación incorporarán sistemas de captación ytransformación de energía solar en energía eléctrica para uso propio o sumi-nistro a la red. Los valores derivados de esta exigencia tendrán la considera-ción de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser im-puestos por las administraciones competentes.

El CTE indica la aplicación de captadores fotovoltaicos en edificios congran demanda de energía eléctrica que superen unos ciertos límites, tal comorecoge la Tabla I-2.


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Tabla I-2.Límites mínimos para la instalación de paneles fotovoltaicos. (Fuente: CTE)

Tipo de edificio Límite mínimo

Hipermercado 5.000 m2

Centro comercial y de ocio 3.000 m2

Nave de almacenamiento 10.000 m2

Administrativo 4.000 m2

Pabellón de recinto ferial 10.000 m2

Hoteles 100 plazasHospitales 100 camas

Los objetivos del CTE en el fomento de la energía solar en la edificaciónson:

• Instalar 4,5 millones de m2 de paneles solares térmicos para el 2010.• Incrementar la energía solar fotovoltaica desde 143 hasta 400 MW para

2010, en concordancia con lo establecido en el PER.

Las consecuencias de estas acciones se dejarán sentir en la competitividadde las empresas, ya que aquellas que producen, comercializan e instalan siste-mas de energía solar verán multiplicada su facturación, creando más empleos.

CONCLUSIONES

El sector de la edificación en España se enfrenta a un incremento del par-que de viviendas que traerá como consecuencia un alejamiento mayor que elactual de los objetivos de reducción de emisiones de CO2 debido al incremen-to en la demanda energética que llevará asociado.

Una de las herramientas para paliar este incremento en el consumo ener-gético lo constituye el Código Técnico de la Edificación, aplicable a viviendanueva y grandes rehabilitaciones. Las líneas de actuación del CTE son la limi-tación de la demanda energética a través de unas exigencias en la epidermisdel edificio, el incremento de la eficiencia de las instalaciones, regulado por elRITE, y la integración de energías renovables en la edificación tanto para laproducción del agua caliente sanitaria como para la producción de energíaeléctrica.

Las medidas previstas en el CTE constituyen un primer paso para sentar lasbases de una construcción sostenible en España, estableciendo unos criterioscomparables a los más avanzados del mundo, que permitirán hacer un uso másracional de la energía en la edificación, tanto residencial como terciaria.

REFERENCIAS

[I-1] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.[I-2] Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas so-

bre el cambio climático. (Kyoto, 11 de diciembre de 1997). Recogido enEspaña por el Boletín Oficial de las Cortes Generales, núm. 259, 15 de fe-brero de 2002.

[I-3] Plan Nacional de Asignación de derechos de emisión de gases de efectoinvernadero para el período 2008-2012. RD 1370/2006.

[I-4] Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España E4 (2004-2012).28 de noviembre de 2003. Ministerio de Economía. (BOE, 3 de febrero de2004).

[I-5] Estrategia Española de Desarrollo sostenible. Aprobado en Consejo deMinistros el 23 de noviembre 2007. Ministerio de la Presidencia. NIPO:000-07-041-5. (www.la-moncloa.es)

[I-6] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD1027/2007, de 20 de julio.


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[I-7] Ley de Ordenación de la Edificación (LOE). Ley 38/1999, de 5 de noviembre. [I-8] Norma básica de la edificación de 1979 (NBE CT-79). RD 2429/1979, de 6 de

julio.[I-9] Plan de Energías Renovables 2005-2010. Ministerio de Industria, Turis-

mos y Comercio. Aprobado por Acuerdo del Consejo de Ministros el 26 deagosto de 2005.


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CAPÍTULO II

EL NUEVO REGLAMENTO DE INSTALACIONESTÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS: CAMBIOS ESPERABLES

EN LA MANERA DE DISEÑAR LAS INSTALACIONES

Antonio Paniego GómezATECYR. Ingeniero Consultor, miembro del Comité Técnico de Atecyr

INTRODUCCIÓN

El objetivo buscado en el nuevo Reglamento de las Instalaciones Térmicasde los Edificios (RITE) [II-1], queda perfectamente expuesto en el artículo 1del mismo en el que textualmente se dice:

“Objeto.- El reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE, es-tablece las exigencias de eficiencia energética y seguridad que deben cum-plir las instalaciones térmicas en los edificios para atender la demandadel bienestar e higiene de las personas tanto en las fases de diseño, dimen-sionado y montaje, como durante su uso y mantenimiento.”

La publicación del RITE cumplimenta el Código Técnico de la Edificación(CTE) [II-2] en el Documento Básico HE-2, relativo al rendimiento de la insta-laciones térmicas, para lo cual establece un articulado y desarrolla unas ins-trucciones técnicas agrupadas en cuatro capítulos fundamentales de los cua-les el primero de ellos, Diseño y dimensionamiento, es el que presentamayor importancia de cara a la limitación del consumo energético de los edi-ficios.

En las ediciones anteriores del RITE se insistía principalmente en los me-dios y condiciones de diseño con la finalidad de conseguir un mayor ahorroenergético, pero en esta nueva edición se plasma el objetivo fundamental quees “atender la demanda del bienestar e higiene de las personas”, conside-

rando que para lograr este objetivo se han de cumplir las condiciones de efi-ciencia energética recalcadas una y otra vez en ediciones anteriores.

Por medio de estas Instrucciones Técnicas se aborda uno de los temas decapital importancia que es el del confort, sin que esto vaya en detrimento, si-no al contrario, de la intrínseca finalidad de la Instrucción que es el ahorroenergético.

EXIGENCIAS DE BIENESTAR E HIGIENE

Comienza en su instrucción IT 1.1.4.1.2 fijando las condiciones de diseñode la temperatura operativa y la humedad relativa, teniendo en cuenta paraello la actividad metabólica de las personas, su grado de vestimenta y el por-centaje de personas insatisfechas. Es esto importante desde el punto de vistadel bienestar, ya que no se limita como en reglamentos anteriores a fijar unatemperatura seca de diseño, sino que fija los puntos que se deben considerarcomo exigencia de bienestar e higiene y que resume en los siguientes:

Calidad térmica del ambienteCalidad del aire interiorHigiene ambientalCalidad del ambiente acústicoDotación suficiente y adecuada de ACSEficiencia energéticaUna deficiencia del nuevo RITE, en mi opinión, es que no trata la eficacia

de los sistemas, pues si bien un sistema puede ser eficiente energéticamen-te, puede no ser eficaz para conseguir la finalidad propuesta con el mínimocoste energético.

Calidad Térmica del ambiente

Para satisfacer la exigencia de calidad térmica del ambiente es preciso ana-lizar cuáles son las condiciones que influyen en el bienestar y cuáles son loselementos que generan el malestar térmico, enumeradas seguidamente:

Bienestar térmico

• Temperatura seca del aire• Humedad relativa• Temperatura radiante de los cerramientos• Velocidad del aire• Actividad metabólica• Grado de vestimenta


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Malestar térmico

• Corrientes de aire• Gradiente vertical de temperatura• Temperatura del suelo• Asimetría de la temperatura radiante

Estos factores que conforman el bienestar térmico deben considerarse a lahora de fijar las condiciones interiores de diseño, que por su interacción defi-nirán la temperatura operativa, a la que hace referencia la IT 1.1.4.1.2. Es im-portante el matiz de que no habla de temperatura seca, y por tanto toma enconsideración para su consecución factores antes mencionados como son latemperatura radiante y la velocidad del aire, estableciendo una temperaturadeterminada en función del grado de actividad metabólico y del grado de ves-timenta, todo ello considerando el porcentaje de personas insatisfechas y elsistema diseñado para la difusión del aire.

Es importante que en las condiciones interiores de diseño se considerentodos estos factores enumerados bajo el epígrafe de bienestar y malestar tér-mico, pues ello incide directamente en el número de personas insatisfechas.Un porcentaje de un 15% de insatisfechos puede considerarse como un logroimportante al menos en los sistemas por mezcla.

En el RITE tampoco se habla de la temperatura efectiva, aquélla que com-bina los efectos de la temperatura seca del aire y la temperatura radiante me-dia, representada en la temperatura operativa con la presión parcial del vaporde agua, quizás por considerar los amplios márgenes que en el diagrama deconfort se determinan para la humedad relativa, ya que el RITE considera vá-lidos valores comprendidos entre 40 y 60%

Calidad del aire

Otro de los puntos que toma en consideración es el de la calidad del aire, tanto interior como exterior, así como su humedad, sobre todo en elambiente interior. Para ello clasifica las aplicaciones en función de la cali-dad ambiental y establece el grado de filtración necesario en función delas calidades exigibles, de acuerdo con su aplicación y la calidad del aireexterior.

Sobre la calidad del aire exterior, en algunas zonas de las ciudades, conuna calidad inferior a la del aire interior, se está estudiando la edición de unosmapas en los que se indicará por zonas la calificación de esta calidad.

Para asegurar la calidad del aire interior establece diferentes métodos deevaluación del caudal de aire exterior a introducir en función de los siguien-tes criterios:

EL NUEVO REGLAMENTO DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS…

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• Por nivel de CO2, indicativo de los biofluentes humanos.• Por calidad del aire percibido, basado en la percepción de sustancias

olorosas. Presenta el inconveniente que a los pocos segundos de perci-birlas el olfato deja de discernir estos olores.

• Por tasa de aire exterior por persona. Se trata de un método indirecto,válido para aquellos espacios en que la emisión de elementos polutan-tes sea de baja intensidad y no esté permitido fumar, principalmenteoficinas y lugares donde sea previsible concentraciones de personasmás o menos normales.

• Por niveles de concentración de contaminantes específicos, basado enla dilución en el aire de los elementos polutantes para disminuir la con-centración de los mismos. Este método es válido cuando se conocenlas emisiones de los elementos contaminantes, como por ejemplo enun garaje.

Higiene

Con la finalidad de satisfacer la exigencia de higiene, el RITE establece lasconsideraciones a tener en cuenta para:

• Preparación del ACS• Humectación del aire• Enfriamiento adiabático• Inspección y limpieza de conductos• Tomas y descarga de aire• Refrigerantes

En estos primeros puntos, insiste continuamente en el riesgo que la utili-zación de agua pulverizada entraña respecto a la posible contaminación delaire o del agua por legionella, para lo cual no deja de recomendar los trata-mientos adecuados para evitarlo.

En lo que respecta a la inspección y limpieza de las canalizaciones remitea las Normas UNE pertinentes, recalcando lo importante que es desde el pun-to de vista higiénico la limpieza de los conductos.

Este RITE habla por primera vez de la situación de las tomas y evacuacio-nes del aire para evitar su contaminación bien por elementos polutantes co-mo por recirculaciones y acciones no deseables del viento circundante.

También aborda las unidades de tratamiento de aire en lo que respecta asu estanqueidad y limpieza así como a la eficacia y mantenimiento de los ele-mentos filtrantes.

Por último, clasifica los refrigerantes en función de su toxicidad e inflama-bilidad.


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Calidad del ambiente acústico

También tiene en cuenta otro de los puntos conflictivo de las instalacionesdesde el punto de vista del confort, que es el ruido producido por los equi-pos, las conducciones y elementos accesorios, para lo cual establece una se-rie de recomendaciones que desarrolla según los puntos siguientes:

• Ruidos y vibraciones en los equipos• Ruido en las conducciones de agua y aire• Ruido en las unidades terminales• Ruido en las salidas de aire

Para todos estos puntos recoge recomendaciones e índices que deben derespetarse para alcanzar los resultados apetecidos.

EFICIENCIA ENERGÉTICA

Esquema de trabajo

La finalidad primordial del RITE como elemento integrado en el CTE es laeficiencia energética y para ello dice textualmente en su artículo 12 que “Lasinstalaciones térmicas deben tener un consumo reducido de energía con-vencional y, como consecuencia, una producción limitada de emisiones degases de efecto invernadero y de contaminantes atmosféricos”. En este sen-tido hila todavía más fino que en reglamentos anteriores sobre la eficienciaque deben de reunir los equipos, indicando incluso limitaciones para equipostradicionales como pueda ser la bomba de calor. Recomienda los sistemascentralizados de producción térmica, por edificios o grupo de edificios, e in-cluso la conexión a redes procedentes de centrales urbanas. Para ello estable-ce la eficiencia energética según un esquema que podría resumirse en lospuntos siguientes:

• Consumo de energía y emisiones de CO2

• Comparación del sistema elegido para la producción térmica con otrossistemas alternativos

Para determinar las emisiones de las diferentes fuentes de energía laAdministración deberá indicar los coeficientes de conversión a emplearpara pasar de consumo energético en kWh a emisiones de CO2, revisablescada año en función de la aportación de energías limpias en su produc-ción. En la actualidad se ha fijado un coeficiente de paso publicado por elIDAE.


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Para evaluar el consumo energético y justificar que un proyecto cumple conlas exigencias del RITE se puede optar por una de las opciones siguientes:

• Método prescriptivo• Método prestacional

En el primer método será suficiente con dar satisfacción a todas y cada unade las exigencias de eficiencia energética prescritas en el RITE y en el segun-do método no habrá que seguir fielmente las indicaciones del RITE, siempreque las emisiones de CO2 sean equivalentes o inferiores a las que se obtendríancon la aplicación del método anterior, con lo que se da una cierta libertad pa-ra proyectar sistemas más en consonancia con las nuevas tendencias en lasque predomina el ahorro energético y el confort.

Para cualquiera de los dos métodos expuestos el procedimiento a seguiren la elaboración del proyecto sería:

• Cálculo de las carga térmicas del edificio• Cálculo de la demanda térmica mensual y anual del edificio• Selección del sistema de climatización• Simulación de las prestaciones energéticas del sistema para averiguar el

consumo de energía para cada una de las fuentes• Cálculo de las emisiones de CO2

En los edificios con superficie total superior a los 1.000 m2 establece que elproyecto incluya una comparación del sistema elegido para la produccióncon otros sistemas alternativos como puedan ser:

• Fuentes de energía renovable, como paneles solares térmicos y bioma-sa, empleadas directamente o a través de unidades de absorción o mo-tores Stirling

• Producción de energía térmica mediante cogeneración• Energía geotérmica

Es especialmente importante el capítulo de inspección en el que se reco-ge la obligación de las revisiones periódicas, estableciendo los tiempos en losque deben volver a inspeccionarse los equipos, distinguiendo entre los defrío y de calor, ya que es sabido que el rendimiento de los generadores dismi-nuye considerablemente sin un mantenimiento adecuado, y también la revi-sión la instalación completa, opción esta muy importante pues la instalacióndebe conservar sus características de diseño para así cumplimentar la eficien-cia energética para la que fue proyectada sin “inventos” o modificaciones ul-teriores que en la mayoría de los casos lo único que consiguen es disminuir laeficiencia de la instalación así como su eficacia.


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Influencia en el diseño de las instalaciones

La manera en que todo lo expuesto puede influir en la forma de diseñarlas instalaciones implica dos puntos de vista totalmente diferenciados. En unode ellos, el que se podría llamar prescriptivo, se recogerían los documentosjustificativos que deberá incorporar el Proyecto tal como indica el propioRITE desde el punto de vista de ahorro energético, que serían los siguientes:

• Justificación de la eficiencia de los generadores• Justificación de la eficiencia de las redes de tuberías y conductos• Justificación de la eficiencia del control• Justificación de la contabilización de consumos• Justificación de la recuperación energética• Justificación del uso de energías renovables• Justificación de limitación de uso de la energía convencional• Estimación del consumo en energía primaria y emisiones de CO2

• Justificación del sistema elegido en función de la eficiencia energética• Comparación del sistema de producción con otros alternativos• Cálculo del impacto total de calentamiento equivalente

En el otro, que sería el prestacional, estaría esa labor de diseño más es-crupulosa que recogería todos los condicionantes expuestos desde el puntode vista del confort que deberían ser debidamente tenidos en cuenta en loscálculos de la instalación y en el propio diseño del sistema a emplear.

Todo ello supondrá en las medianas y grandes instalaciones el descartaraquello “de que todo vale” para llegar finalmente a ofrecer unas instalacionesque den el confort que el cliente intuye con las calidades y el ahorro energé-tico que para nuestra vergüenza están dando desde hace tiempo otros países.

Calificación energética

Todo lo anterior va encaminado a que el diseñador ha de seleccionar unasinstalaciones que sean capaces de satisfacer las demandas de confort de losusuarios y a la vez lo hagan con un consumo energético y unas emisiones deCO2 dentro de unos límites coherentes con las exigencias de desarrollo soste-nible que se ha impuesto la sociedad actual.

Para llevar lo anterior a la práctica el RITE aplica finalmente un procedi-miento de “calificación energética” a los nuevos edificios que evalúa los con-sumos energéticos del mismo atendiendo a su tipología y funcionalidad yemitiendo un código (A, B, C, …) que califica la eficiencia de sus instalacionesdesde el punto de vista de su eficiencia energética, como desde hace tiempoocurre con los electrodomésticos.


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La calificación energética de los nuevos edificios que exige el nuevo CTEa través del RITE constituye el espaldarazo definitivo para el buen hacer en elcampo de la climatización.

CONCLUSIONES

El nuevo RITE presta especial atención al confort y a la eficiencia energé-tica, obligando a limitar las emisiones de CO2 y el consumo de las instalacio-nes al mínimo pero de forma compatible con el confort de los usuarios deledificio.

Desde el punto de vista energético el nuevo Reglamento supone un cam-bio drástico en la manera de dimensionar las instalaciones en la medida enque ahora se exige dimensionar por energía y no por potencia. Es decir, sedeben llevar a cabo unas simulaciones que determinen el consumo mensualy anual de las instalaciones, debiendo compararse diferentes alternativas enedificios grandes. Esto supone un cálculo muy meticuloso que evitará futurossistemas sobredimensionados que pierden eficiencia al trabajar mucho tiem-po a carga parcial.

Todos los cálculos del nuevo RITE se resumen en un nuevo documento, la“calificación energética del edificio”, que sienta las bases para el correcto di-mensionado de los nuevos sistemas de climatización.

REFERENCIAS

[II-1] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD1027/2007, de 20 de julio.

[II-2] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.


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CAPÍTULO III

EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELESSOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA EN VIGOR DEL

CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

José Ignacio Ajona MaeztuDirector Wagner Solar

INTRODUCCIÓN

El mercado de la energía solar térmica en España se está desarrollandocon paso firme apoyándose recientemente en una normativa (el Código Téc-nico de la Edificación, CTE) [III-1] que es novedosa y que incluso está sirvien-do de modelo a otros países. De hecho ahora se están publicando una seriede Directivas Europeas encaminadas a promover el mercado solar térmico.

El impulso a este mercado lo da el CTE a través del Documento Básico HE-4 en el que se exige la instalación de paneles solares térmicos para producir unahorro energético significativo en la satisfacción de la demanda del agua ca-liente sanitaria (ACS). Es importante remarcar que este ahorro se centra en lademanda energética del ACS y no sobre el consumo de la misma (demanda fi-nal del usuario). Así, la demanda energética incluye no sólo la energía necesa-ria para producir el ACS que se consume sino para su preparación en las con-diciones adecuadas, satisfacer las pérdidas térmicas en los conductos ytanques, etc. Esa es una de las características claves del CTE, que no habla desuperficie de colectores por vivienda sino de porcentaje de cobertura solar dela demanda. Esa cobertura solar de la demanda varía por zonas, siendo porejemplo del 30% en Asturias y del 70% en Madrid, en función del recurso solar.

Estos requisitos de demanda están en función de buscar la calidad en eltiempo. Esto se refiere a que hay unas exigencias técnicas ligadas al propioCTE en las que se persigue una explicación de cómo hacer las cosas, pero

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también es preciso que una vez construida la instalación se verifique que añoa año se está cubriendo el porcentaje solar de demanda establecido en el pro-yecto, para lo que se requieren unos instrumentos y mecanismos de controladecuados.

IMPACTO DEL CTE EN LA EVOLUCIÓN DEL MERCADO SOLAR TÉRMICO

España lleva un retraso respecto a Europa de aproximadamente unos 10años en el sector solar térmico. En este sentido el sector está esperanzadocon el objetivo del PER [III-2] que prevé pasar de 900.000 m2 de superficie decaptación en 2006 a 4.900.000 m2 en 2010, pero eso aún seguirá siendo unaproporción por habitante pequeña. Por poner un ejemplo, hay ya algunas zo-nas de Austria que están a un nivel de 0,7 m2/habitante, siendo el conjunto delpaís de 0,35 m2/habitante; Alemania, con unos niveles de radiación muchomenores que en España se sitúa en 0,10 m2/habitante. Con los objetivos delPER se alcanzaría en 2010 una proporción por habitante en España similar alque actualmente tiene Alemania, cuando nuestro recurso solar es mucho másabundante.

Las aplicaciones fundamentales que el CTE impone son la producción deACS y climatización de piscinas. Esas aplicaciones representan el 25 % de lademanda energética, por lo que aún queda mucho por hacer. Existen borra-dores de legislaciones que estarían preparando una segunda fase de exigen-cias, contemplando la aplicación a calefacción y refrigeración.

Para valorar si ese objetivo del PER, posibilitado por el CTE, es alcanzablees preciso evaluar cuántas viviendas se van a construir a lo largo del tiempo.En la actualidad se están construyendo una media de 400.000 viviendas poraño, superando esta tasa la de otros países europeos. De éstas, entre el 15 y20% se corresponden con vivienda unifamiliar, siendo el resto edificación enaltura. El promedio de viviendas rehabilitadas es de unas 25.000 por año. Seestá pensando en la actualidad en fomentar la instalación de energía solar tér-mica en el sector de la rehabilitación mediante la inserción de ayudas públi-cas. Desde la Asociación de la Industria Solar Térmica, ASIT, se estima que elimpacto del nuevo CTE supondrá la instalación de 2.700.000 m2 de superficiede captación, lo que supone el 69% del objetivo del PER.

Para alcanzar esos objetivos es preciso tener en cuenta la producción delmercado. Hace unos diez años ésta se situaba entre los 10.000 a 30.000 m2. Pa-ra alcanzar los ritmos previstos en el PER es preciso alcanzar producciones de500.000 a 1.000.000 de m2 anuales. Uno de los objetivos de ASIT es establecercolaboraciones con la Administración para facilitar que estos ritmos de pro-ducción puedan ser alcanzados. En este sentido es preciso que el mercadosolar se abra a nuevas situaciones, como la rehabilitación y las instalaciones


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industriales, incluso. Por otra parte, el mismo coste de los combustibles fósi-les está facilitando ya la competitividad de la producción solar.

Desde ASIT se mira con atención la evolución del mercado de la vivienda,por ser éste un sector fundamental para la aplicación de la energía solar tér-mica. La Figura III-1 recoge la evolución de los visados de proyectos de nue-vas viviendas desde el año 2003. El repunte observado en 2006 se debe al in-tento de evitar la aplicación del nuevo CTE, en vigor desde septiembre de eseaño.

EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELES SOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA…

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En cualquier caso, hasta ahora ha habido una tendencia al alza, si bien esatendencia se estima que en 2008 va a ser a la baja, manteniéndose esta reduc-ción en algunos años posteriores. Según estimaciones propias de ASIT el nú-mero de visados en 2007 experimentará una reducción del 16% y para 2008del 25%.

Otro dato importante es el alargamiento de los plazos de ejecución. Así, siantes en viviendas en altura se manejaban plazos entre uno y dos años ahorala horquilla se sitúa entre dos y tres años. Ese doble efecto va a provocar queel número de viviendas acabadas se vaya a reducir. Así, y según datos del Mi-nisterio de Vivienda en 2006 el número de viviendas finalizadas fue de657.990; en el primer semestre de 2007 de 329.030, con una previsión de

1000000

900000

800000

700000

600000

500000

400000

300000

200000

100000

02003 2004 2005 2006 2007

Total anual

Hasta julio

Figura III-1.Evolución del número de visados de nuevas viviendas

(Fuente: Ministerio de Fomento)

650.000 al finalizar el año. De ellas, no más del 30% contará con instalacionessolares, obligadas fundamentalmente por ciudades con ordenanzas en estetema, anteriores al CTE. Para el 2008 la previsión se sitúa en 575.000 vivien-das, de las que por los desfases temporales no más del 65% (equivalente a520.000 m2) contarán con instalaciones solares. Para 2009 la previsión es de520.000 viviendas, alcanzando ya la penetración solar el 90% (660.000 m2), fi-nalizando en 2010 con 490.000 viviendas de las que el 98% contarán con ins-talaciones solares, lo que supondrán unos 672.000 m2. Es decir, que pese a lareducción en el número de viviendas finalizadas cada año el mercado solar iráen incremento, debido a los desfases temporales de visados, reglamentacio-nes y plazos de ejecución, logrando ritmos entre 500.000 y 600.000 m2/año.Añadiendo otras instalaciones, como el sector terciario, con 80.000 m2/año, sepuede alcanzar la cifra de 2.650.000 m2 de mercado solar completo en el perío-do 2007 a 2010, casi coincidente con la prevista por ASIT como imputable alimpacto del CTE (2.700.000 m2).

EVALUACIÓN Y SEGUIMIENTO DE LAS INSTALACIONES

Otro tema, al margen de la evolución cuantitativa, es conocer si las instalacio-nes producen los resultados esperados, con qué calidad se está trabajando, si seestá prescribiendo cumpliendo el CTE y si se está ejecutando con fiabilidad. Sesupone que se está prescribiendo según el CTE, pero aún no están establecidosadecuadamente los mecanismos de verificación a lo largo del tiempo del cumpli-miento. Tanto el RITE [III-3] como el CTE incluyen muchas exigencias pero porel momento es complicado verificar si se cumplen adecuadamente, dado que losmecanismos de comprobación están transferidos a las comunidades autónomas.Para ello, desde ASIT se apuesta por establecer mecanismos de verificación conlas administraciones incluso locales que sirvan para determinar el nivel de cum-plimiento del CTE a lo largo de los años, es decir, que se cumplan adecuadamen-te los porcentajes de cobertura de la demanda solar, etc.

A lo largo de los primeros quince meses de aplicación del CTE han queda-do patentes algunas de las indefiniciones del CTE. Una de las más claras es ladebida a las pérdidas térmicas. Antes se ha explicado que el CTE se refiere ala demanda de la energía para el ACS, y no al consumo. Una de las diferenciasentre demanda y consumo son las pérdidas térmicas en conductos y tanques.En el CTE se establecen las pérdidas térmicas máximas en estos equipos, y enla mayoría de los casos esto no se está aplicando. Ya ha habido experiencias,como por ejemplo con la ordenanza de Barcelona [III-4], en la que se llevó acabo un estudio entre lo que debería de producir la instalación y lo que real-mente producía, observándose que en la mayoría de los casos la producciónera menor de lo esperado debido a que en el diseño no se tuvieron en cuen-


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ta las pérdidas térmicas, que tomaban una cantidad importante de la deman-da. En este sentido es importante de cara a la fase de realización del proyec-to que existan herramientas comunes que permitan establecer una compara-ción importante entre proyectos.

De este modo ASIT ha propuesto a la Administración un método de cálcu-lo que valide de forma homogénea el cumplimiento del CTE, de modo quetodos los proyectos puedan ser juzgados en las mismas condiciones, empe-zando por ejemplo por unos mismos datos de partida (radiación, temperatu-ra del agua de red, …). El objetivo sería desarrollar un documento reconoci-do del CTE y RITE que ayude al diseñador a resolver de diversas formas lasexigencias solares, prestando atención a sus especificidades para garantizar elcorrecto cumplimiento de los objetivos previstos.

Uno de los aspectos que más preocupa a ASIT es que la competencia sealimpia. Estos reglamentos han generado unas expectativas de mercado im-portantes. De este modo, el crecimiento de empresas dedicadas a la energíasolar ha crecido exponencialmente en estos años, aunque con diferentes ni-veles de experiencia. Para garantizar las correctas reglas de juego es precisoque los usuarios conozcan las exigencias de garantías y mantenimientos queel CTE y el RITE imponen, y que por tanto pueden exigírselos a las instalado-ras; también que por parte de las Direcciones Generales de Industria de lascomunidades autónomas se establezcan los mecanismos adecuados de ins-pección, de modo que de forma general se establezca un Plan de Control decumplimiento propuesto por ASIT.

Como ejemplo de todo esto, se ha mencionado ya la Ordenanza de Barcelo-na, que fue una de las primeras en abordar este tema, y que ha tenido que refor-marse precisamente para garantizar de forma adecuada el cumplimiento de susobjetivos. Así, en la nueva ordenanza [III-5] se establece un programa informá-tico común a todos que permite calcular la instalación de forma homogénea. LaAgencia de la Energía de Barcelona ha desarrollado un mecanismo de supervi-sión de obra específico para la instalación solar y además se monitorizan algunasinstalaciones tipo para conocer el nivel de cumplimiento.

Todas estas medidas son importantes para garantizar que la percepción socialde la energía solar térmica sea adecuada, pues sin duda constituye una inversiónen las instalaciones de la vivienda y por tanto ha de ser vigilada su rentabilidad entérminos del ahorro de energía que producen, para que además logren alcanzarel ahorro de emisiones de CO2 perseguido por la Administración.

CONCLUSIONES

El CTE constituye un importante apoyo al sector solar térmico dado queobliga a satisfacer un cierto porcentaje de cobertura de la demanda del ACS

EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELES SOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA…

43

y la climatización de piscinas mediante energía solar térmica (u otras renova-bles). Desde ASIT se estima que el apoyo del CTE supondrá cubrir el 69% delos objetivos del PER.

Para que las nuevas instalaciones cubran las expectativas tanto de la Admi-nistración en cuanto a ahorro de emisiones de CO2 como de los usuarios enahorro de energía primaria es preciso que se desarrollen técnicas de monito-rización y control que evalúen anualmente el cumplimiento de las exigenciasdel CTE, así como herramientas de cálculo comunes para que se parta deunas ciertas garantías desde la fase de diseño de las instalaciones.

REFERENCIAS

[III-1] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.[III-2] Plan de Energías Renovables 2005-2010. Ministerio de Industria, Turis-

mos y Comercio. Aprobado por Acuerdo del Consejo de Ministros el 26 deagosto de 2005.

[III-3] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD1027/2007, de 20 de julio.

[III-4] Ordenanza Solar Térmica de Barcelona (OST). Butlletí Oficial de la Pro-víncia de Barcelona, 30 de julio de 1999.

[III-5] Modificación integral del anexo sobre Captación Solar Térmica de la or-denanza General de Medio Ambiente Urbano. Aprobada por el plenariodel Ayuntamiento de Barcelona el 24 febrero de 2006.


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CAPÍTULO IV

POLÍTICAS DE PROMOCIÓN DE LA COGENERACIÓNDE PEQUEÑA ESCALA

Juan Antonio Alonso GonzálezDirector de Ahorro y Eficiencia Energética. IDAE

INTRODUCCIÓN

En este capítulo se abordan de manera sucinta los apoyos y posibilidadesque desde la Administración se brindan para introducir la cogeneración en elsector residencial. Las posibilidades para la introducción de esta técnica deeficiencia energética no se deben sólo a un apoyo normativo, sino también auna madurez y disponibilidad de la tecnología adecuada, inexistente haceunos pocos años. Es así mismo importante la reflexión y concienciación de lasociedad sobre la necesidad de hacer un uso racional de la energía. Esta con-cienciación social queda complementada con el análisis de viabilidad técnica-económica llevado a cabo desde las empresas.

Utilizando los criterios de la Directiva Comunitaria sobre cogeneración[IV-1], transpuesta en el RD 616/2007 [IV-2] se tienen las siguientes defini-ciones:

• Microcogeneración: unidad de cogeneración con una potencia máximainferior a 50 kWe

• Cogeneración a pequeña escala: unidad de cogeneración con una po-tencia instalada inferior a 1 MWe

Ambas formas de cogeneración son consideradas de “alta eficiencia” siahorran energía primaria, es decir, si la energía primaria empleada en la coge-neración es menor que la requerida para obtener las mismas cantidades deenergía final producida de forma separada.

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Las definiciones anteriores tienen repercusión en todo el marco normati-vo, tanto el actual como en el que se está trabajando para dar apoyo a estaspequeñas unidades. Así, pese a la viabilidad técnica y económica de la coge-neración a pequeña escala existen trabas burocráticas, dándose la situaciónde que se exige la misma documentación para un motor de 50 kWe que parauna cogeneración industrial de 40 MWe, lo que constituye un freno a las uni-dades pequeñas. Lo que se busca con las denominaciones es desarrollar unmarco normativo adecuado a cada escala.

EVOLUCIÓN DE LA COGENERACIÓN EN ESPAÑA Y PREVISIONES DE CRECIMIENTO

La Figura IV-1 recoge la evolución de la cogeneración en España desde losaños 90 hasta la entrada en vigor del RD 661/2007 de Régimen Especial [IV-3].Entre los años 1994 y 2000 las tasas de crecimiento de la potencia instalada sesituaban entorno a los 600 MW/año, justificado por la aparición en 1994 delRD 2366/1994 [IV-4] que crea un marco económico favorable para la cogene-ración. Una vez producido el despegue de esta tecnología se produjo un fuer-te incremento de los costes de los combustibles, el cual tuvo como conse-cuencia que a partir del 2000 se redujera significativamente la nueva potenciaanual instalada en cogeneración.

Pese a la evolución real los estudios de potencial para el año 2004, resumi-dos en la Tabla IV-1 muestran que en la industria y en el sector del refino hayun grado de disponibilidad para incrementar la cogeneración de entre un 46y un 60%, por lo que el estancamiento en las nuevas instalaciones no está mo-tivado por la saturación de los sectores. Siendo esto importante, resulta mu-cho más significativo el potencial tecnológico en el sector residencial y tercia-rio para toda España de más de 6.400 MWe (similar a la potencia industrialinstalada), cuando sólo se han instalado realmente 175 MWe, quedando portanto un grado de disponibilidad en este sector del 97%. Este gran potencialpendiente aún por aprovechar es lo que mueve a la Administración a desarro-llar el marco legislativo adecuado para propiciar el mejor aprovechamiento dela cogeneración.

Las estimaciones que hay sobre el crecimiento de la población españo-la, crecimiento de la industria, mejora del confort en los hogares,… se hanconjugado en un estudio sobre el fututo de la cogeneración, resumido enla Tabla IV-2 que muestra que para 2010 la cogeneración podría satisfaceralgo más de 137.000 GWh, dando un potencial tecnológico de más de22.700 MWe. Para ese mismo año en el sector residencial y terciario se pre-vé un potencial de más de 8.000 MWe, en 2015 más de 9.400 y en 2020 másde 9.700 MWe.


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Tabla IV-1.Situación y potencial tecnológico de la cogeneración en España en 2004

(Fuente: IDAE).

POLITÍCAS DE PROMOCIÓN DE LA COGENERACIÓN DE PEQUEÑA ESCALA

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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 20060

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

Año

Potencia anual instalada (MWe)

Potencia acumulada instalada (MWe)

Fig. IV-1.Evolución histórica de la cogeneración en España

(Fuente: Comisión Nacional de la Energía).

Potencial Potencia Grado de Grado de tecnológico instalada penetración disponibilidad(MWe) (MWe)

Industria 9.393 5.048 54% 46%Refino 1.430 577 40% 60%Residencial yterciario 6.414 175 3% 97%Tratamiento yvalorización de 2.084 412 20% 80%residuos

TTOOTTAALL 1199..332211 66..221122 3322%% 6688%%

Evolución de la cogeneración

Tabla IV-2.Situación y potencial tecnológico de la cogeneración en

España en el medio plazo (Fuente: IDAE).


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Año 2004 Año 2010 Año 2015 Año 2020

Calor Potencial Calor Potencial Calor Potencial Calor Potencial

útil tecnológico útil tecnológico útil tecnológico útil tecnológico

(GWh) (MWe) (GWh) (MWe) (GWh) (MWe) (GWh) (MWe)

Sector

secundario:78.195 10.823 90.235 12.423 97.667 13.450 106.656 14.903

industria y

refino

Sector

residencial 19.716 6.414 27.287 8.025 32.096 9.440 32.992 9.703

y terciario

Tratamiento

y valorización 17.612 2.084 19.759 2.322 21.417 2.521 22.801 2.685

de residuos

TOTAL 115.523 19.321 137.281 22.770 151.180 25.411 162.449 27.291

PLANES DE ACCIÓN DE LA ESTRATEGIA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

La política de apoyo a la cogeneración, y en particular a la cogeneración apequeña escala se plantea desde la Estrategia Española de Eficiencia Energé-tica (E4) 2004 - 2012. Ésto se implanta en dos planes de acción, uno práctica-mente agotado (2005 a 2007) y otro en 2008 a 2012.

Plan de acción 2005 a 2007

El plan 2005 a 2007 ha supuesto la realización de una serie de medidas le-gislativas:

• Real Decreto Ley 7/2006 [IV-5] que supone un cambio sustancial en elconcepto de cogeneración y viene a dar la posibilidad de vender todala energía tanto eléctrica como térmica a terceros, dejando de ser obli-gatorio consumirla por el cogenerador.

• Real Decreto 616/2007 [IV-2] sobre fomento de la cogeneración quetranspone los conceptos de la Directiva Comunitaria [IV-1].

• Orden ITC 1522/2007 [IV-6] que regula el concepto de garantía de ori-gen de cogeneración, que permite dar al cogenerador un certificadosobre la producción de su electricidad de cogeneración en el caso que

la unidad de cogeneración sea de alta eficiencia y que posiblemente lepermitirá en un futuro comercializar esa electricidad en mejores condi-ciones.

• Real Decreto 661/2007 [IV-3] que establece el marco económico delRégimen Especial, incluyendo la cogeneración.

Paralelamente a estas medidas legislativas existen unas actuaciones ligadasa impulsar los estudios relativos a proyectos de cogeneración:

• Estudios de viabilidad para nuevas cogeneraciones• Ayudas públicas para cogeneraciones en sectores no industriales• Auditorías energéticas para renovación de cogeneraciones existentes

El marco económico dado en el RD 661/2007 [IV-3] establece una clasifica-ción en función del combustible y de la potencia, de modo que las instalacio-nes de microcogeneración y de pequeña escala perciben una tarifa reguladamuy elevada, de entre 121 y 143 €/MWhe según se emplee gas natural o gasó-leo/GLP en unidades de menos de 500 kWe. Una de las novedades del marcolegislativo es que estas tarifas se actualizan trimestralmente según el precio deventa del combustible y según el IPC, lo que da una estabilidad a la rentabili-dad de estas instalaciones, superando así las causas que determinaron el es-tancamiento de la cogeneración desde el año 2000.

Adicionalmente se pueden percibir unos complementos por energía reac-tiva y discriminación horaria, siendo otra novedad de este marco legislativo elcomplemento por eficiencia, que establece un incremento de la tarifa en vir-tud de la superación del rendimiento eléctrico equivalente mínimo, lo que fo-mentará diseñar las instalaciones por rendimiento eléctrico equivalente máxi-mo (máxima eficiencia) y no por mínimo (máxima producción eléctrica),como ocurría con la legislación anterior.

El rendimiento eléctrico equivalente mínimo se establece según tecnolo-gías y combustibles, permitiendo reducirlo en un 10% para cogeneracionesde pequeña escala, lo que permite el acceso al Régimen Especial de estas uni-dades, dado que por su pequeño tamaño presentan menores rendimientoseléctricos.

El marco económico recoge también una singularidad para el aprovecha-miento del calor útil en la climatización de edificios:

• Se consideran dos períodos semestrales para la determinación del ren-dimiento eléctrico equivalente, lo que permite remunerar de forma in-dependiente en verano e invierno y tener por tanto en consideraciónvalores diferentes de rendimiento eléctrico equivalente.

• Se calcula la energía eléctrica máxima que cumpliendo el rendimientoeléctrico equivalente mínimo podría generar el equipo para un calor


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útil dado, de manera que si la energía producida realmente supera es-te máximo (lo que supondría que el rendimiento eléctrico equivalenteestaría por debajo del mínimo requerido) sólo se remunera dicho má-ximo, remunerándose toda la electricidad producida si está por deba-jo del máximo, con el complemento por eficiencia correspondiente(pues en este caso el rendimiento eléctrico equivalente real sería supe-rior al mínimo requerido).

La aplicación de la máxima electricidad remunerable establecida para la cli-matización de edificios resulta especialmente importante, pues permite quesi el calor útil se destina a climatización se pueda trabajar por debajo del ren-dimiento eléctrico equivalente mínimo, aunque con una penalización econó-mica, lo que provocaría la expulsión del Régimen Especial en la cogeneraciónindustrial.

El calor útil se evalúa de diferentes maneras:

• Agua líquida o fluidos: el calor útil se determina según el incrementode entalpía experimentado por el fluido.

• Refrigeración generada por máquinas de absorción: si el frío se generapor encima de 0ºC el calor útil se corresponde con la demanda final derefrigeración; si el frío se genera por debajo de 0ºC el calor útil es elconsumido por la máquina de absorción siempre que éste se suminis-tre por debajo de 180ºC. En el caso de que la instalación estuviese ins-crita en el Régimen Especial con anterioridad a la entrada en vigor delRD 661/2007 [IV-3] se podrá considerar como calor útil el consumidopor la máquina de absorción, independientemente de la temperaturade generación de frío.

Además de los planes de acción de la E4, El Código Técnico de la Edifica-ción (CTE) [IV-7] puede constituir en sí mismo un aliciente para la instalaciónde cogeneraciones a pequeña escala en el sector residencial y terciario. Así, elCTE establece que un cierto porcentaje, según la zona climática en que seubique el edificio, de la demanda térmica para la producción de agua calien-te sanitaria (ACS) ha de ser cubierta con energía solar. Sin embargo, en aque-llos casos donde técnicamente no sea viable la instalación de paneles solaresla energía solar puede ser sustituida por otras renovables, energías residualeso procesos de cogeneración. De esta forma se está reconociendo la cogene-ración como un sistema de alta eficiencia en la climatización de edificios. Elempleo de la cogeneración para este fin permitiría considerar parte de la in-versión en cogeneración como “gratuita” en tanto que sería un gasto exigidopor la normativa.


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Plan de acción 2008 a 2012

El Plan de Acción 2008 a 2012 tiene como objetivo alcanzar 8.400 MWe en2012 en un escenario de eficiencia. En 2007 se debería estar próximo a los7.000 MWe, pero en realidad se está por debajo de los 6.500 MWe, de modoque existe un cierto retraso en la consecución del objetivo, aunque la Admi-nistración es optimista pues se detecta una gran actividad en las empresasque dan servicio a los fabricantes de unidades de cogeneración. Para lograreste objetivo se crean nuevas medidas, tanto legislativas como de promoción.

Medidas legislativas

Se está trabajando en una regulación de la conexión a red eléctrica en ba-ja tensión de cogeneraciones de pequeña escala. Con ello se pretende simpli-ficar y agilizar el procedimiento de tramitación administrativa, estableciendounas condiciones técnicas mínimas exigibles.

En cuanto a las condiciones técnicas se están buscando unos esquemas deinterconexión más sencillos, facilitar la medida y la facturación de la energía,homologación de equipos y protecciones, condiciones de puesta a tierra,proceso de acoplamiento a red y condiciones de seguridad.

Medidas de promoción

El IDAE transfiere unos fondos a las Comunidades Autónomas con objetode que ellas gestionen las ayudas de las medidas de promoción, que puedenser de cuatro tipos:

• Estudios de viabilidad. Se pretende facilitar a los futuros propietariosllevar a cabo los proyectos de cogeneración analizando previamente laviabilidad económica de la cogeneración de alta eficiencia según la Di-rectiva 8/2004/CE [IV-1]. Estas ayudas están dirigidas a todos los secto-res susceptibles de emplear un sistema de cogeneración y constituyenun 75% del coste del estudio con un máximo de 11.250 € por cada es-tudio.

• Fomento de plantas de pequeña potencia. Existen líneas de apoyo pa-ra potencias iguales o inferiores a 150 kWe de manera que se financia larealización de proyectos de demostración y ejecución de instalaciones,dirigidas a todos los sectores. Se financia el 30% en plantas menores de50 kWe y entre el 10 y el 30% para plantas de entre 50 y 150 kWe (convariación lineal).

• Fomento de nuevas instalaciones. Se persigue el desarrollo de nuevasinstalaciones de cogeneración de alta eficiencia en actividades no in-dustriales, con potencias superiores a 150 kWe. La ayuda consiste en un10% de la inversión hasta un máximo de 200.000 € por proyecto.


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• Auditorías energéticas. En las actuales instalaciones de cogeneraciónen explotación existe un elevado número que es susceptible de mejo-ra. Para evaluar el potencial de estas mejoras se conceden ayudas parala realización de auditorías energéticas. Están dirigida a todos los secto-res que dispongan de cogeneraciones instaladas y financian el 75% dela auditoría con un máximo de 9.000 € por auditoría.

DISPONIBILIDAD TECNOLÓGICA

Además del marco legislativo de apoyo es preciso que haya disponibilidadtecnológica que permita aplicar estos proyectos. Actualmente en el mercadoexisten diferentes soluciones comerciales para la microcogeneración, que sibien escasas, están avanzando mucho en el desarrollo y maduración tecnoló-gica. Las principales propuestas tecnológicas son:

Motor alternativo: es la opción más madura. Su vida útil no suele superarlas 60.000 horas, dado el progresivo encarecimiento de los costes de mante-nimiento. Su uso es habitual cuando la principal demanda es eléctrica.

Motor Stirling: Presenta un gran avance en la gama más baja de potencias,especialmente adecuada para el sector doméstico. Su uso también es adecua-do cuando la demanda principal es eléctrica.

Microturbina: Son motores más sencillos y duraderos por ausencia de ro-zamientos mecánicos. Presentan gran dificultad en el diseño aerodinámico ymecánico en tamaños pequeños, lo que redunda en unas inversiones caras.Son preferidas cuando la demanda principal es térmica.

CONCLUSIÓN

Existe un gran potencial no explotado de cogeneración en el sector residen-cial y terciario, donde la microcogeneración y cogeneración a pequeña escala tie-ne gran implantación. Para responder a ese potencial se ha realizado un impor-tante esfuerzo legislativo con un fuerte apoyo a las cogeneraciones de pequeñaescala. Estos incentivos se enmarcan dentro de la E4 que pretende el desarrollode la cogeneración de alta eficiencia en todos los sectores. Dicha estrategia co-mienza ahora su andadura en el período 2008 a 2012 con medidas que facilitenla interconexión para unidades de pequeña potencia, que continúen las medidasde promoción del anterior Plan de Acción e incorporando nuevas medidas parala promoción de microcogeneraciones y ejecución de proyectos de moderniza-ción de cogeneraciones.

La E4 plantea como objetivo global para la cogeneración llegar hasta 8.400MWe en 2012, en buena medida a lograr mediante cogeneraciones a pequeñaescala.


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REFERENCIAS

[IV-1] Directiva 2004/8/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 11 de fe-brero de 2004. Diario Oficial de la Unión Europea, L 52/50 a L 52/60,21.2.2004.

[IV-2] RD 616/2007, de 11 de mayo, sobre fomento de la cogeneración. Bole-tín Oficial del Estado, núm. 114, 20605 a 20609, 12.5.2007.

[IV-3] RD 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de pro-ducción de energía eléctrica en régimen especial. Boletín Oficial del Esta-do, núm. 126, 22846 a 22886, 26.5.2007.

[IV-4] RD 2366/1994, de 9 de diciembre, sobre producción de energía eléctri-ca por instalaciones hidráulicas, de cogeneración y otras abastecidas porrecurso o fuentes de energía renovables. Boletín Oficial del Estado, núm.313, 39595 a 39603, 31.12. 1994.

[IV-5] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes enel sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983,24.6.2006.

[IV-6] Orden ITC/1522/2007, de 24 de mayo, por la que se establece la regu-lación de la garantía de origen de la electricidad procedente de fuentes deenergía renovable y cogeneración de alta eficiencia. Boletín Oficial del Es-tado, núm. 131, 23892 a 23896, 1.6.2007.

[IV-7] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.


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CAPÍTULO V

MICRO-POLIGENERACIÓN EN EL SECTOR RESIDENCIALEMPLEANDO MOTORES DE GAS

David Arzoz del ValDirector de la División de Ingeniería. Besel

INTRODUCCIÓN

El objetivo de este capítulo es presentar unas tecnologías en las que se vie-ne trabajando desde hace muchos años y que están experimentando en la ac-tualidad un incremento sin precedentes: la micro-cogeneración y la micro-tri-generación en el sector residencial, principalmente con motores alternativoscon potencias entre 5 y 50 kWe. La tecnología del motor alternativo es la másmadura hoy día y permite desarrollar proyectos desde hace tiempo, si bientambién es posible trabajar con motores Stirling y con microturbinas de gas.

La Figura V-1 muestra la forma tradicional de producción de energía, quees el sistema centralizado, caracterizado porque la generación se realiza engrandes centrales alejadas de los puntos de consumo, lo que supone que elcalor residual que resulta de dicha generación no se puede aprovechar, sien-do preciso rechazarlo al ambiente y necesitando aportar energía primaria enlos puntos de consumo para producir calor mediante combustión. Esto supo-ne una clara ineficiencia, ya que en una central termoeléctrica convencionalse está disipando en forma de calor el doble de la energía eléctrica que seproduce, lo que supone que existe un gran potencial de mejora a través de ladescentralización de la generación y la cogeneración3. Además de ese des-

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3 Es preciso analizar a qué temperatura se disipa el calor, pues el disipado a temperaturaambiente en el condensador de una central de carbón apenas tiene valor exergetico; por el con-trario, el expulsado con los gases de combustión a la salida de una turbina de gas ( > 400ºC)aún presenta mucha exergía, siendo posible su aprovechamiento.

aprovechamiento de la energía calorífica el sistema centralizado lleva implíci-tas unas pérdidas en la red de transporte estimadas entre un 7 a 10% de laenergía generada, alcanzando hasta un 14% en horas punta [V-1].


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Fig. V-1.Producción de energía eléctrica de forma centralizada

Fig. V-2. Producción descentralizada de electricidad.

La alternativa es un sistema más descentralizado que combine grandesplantas alejadas de los centros de consumo junto con plantas más pequeñasdistribuidas entre los usuarios, tal como muestra la Figura V-2. Este esquemade generación distribuida presenta la ventaja de reducir las pérdidas portransporte y distribución y se adapta perfectamente a la cogeneración, permi-tiendo además aprovechar el calor residual reduciendo así la energía primariaconsumida para fines térmicos por los usuarios finales.

Central eléctrica

Transmisión y Distribución

Zona Comercial / OficinasZona Residencial

Zona IndustrialCalor (calefacción,ACS, limpieza, …)Producido localmente

Calor (calefacción,ACS, …)Producido localmente

Calor (procesos,…)Producido localmente

Central eléctrica

Transmisión y Distribución

Elictricidad

Elictricidad

Zona Comercial / OficinasZona Residencial

Zona IndustrialElectricidad + Calor (calef., …)Co-producidos localmente!!

Electricidad + Calor (calef., …)Co-producidos localmente!!

Electricidad + Calor (procesos, …)Co-producidos localmente!!

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético en la cogenera-ción se tiene un rendimiento global del orden del 90% debido a la recupera-ción de los calores residuales. Por el contrario, en la producción separada decalor y electricidad se alcanzan rendimientos globales inferiores al 60%, comose ilustra en la Figura V-3.

MICRO-POLIGENERACIÓN EN EL SECTOR RESIDENCIAL EMPLEANDO MOTORES DE GAS

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Fig. V-3.Balance energético de la cogeneración y la producción separada de calor y

electricidad.

Suministro convencional de energía

Rendimiento global = (60+30)/(65+95) = 56 %

Red eléctrica

Calderaconvencional

Gas natural66

E.P. red eléct.95

Calor60

Edificio oIndustria

Elect.30

Red eléctrica

Calderacogeneración

Gas natural100

Calor60

Edificio oIndustria

Elect.30

Elect.30

Rendimiento global = (60+30)/(100) = 90 %

Suministro mediante de energía

En definitiva, la cogeneración supone un ahorro de energía, emisiones ycostes superior al 30%, permite descentralizar el sistema eléctrico, está basa-da en tecnologías maduras, probadas y competitivas y resulta fácil de integrary controlar. Si bien el ahorro energético y de emisiones, así como la descen-tralización del sistema eléctrico son compartidos con las energías renovablesla cogeneración presenta como hecho diferencial con éstas su elevado nivelde madurez que le hace incurrir en unos costes de inversión y explotaciónmucho más razonables y moderados que las renovables, resultando así máscompetitiva. Es por ello que pese a requerir ayudas, éstas no necesitan ser tanelevadas como en las renovables.

En cuanto a su aplicación en la edificación la cogeneración resulta muchomás fácil de integrar que las energías renovables en tanto que requiere menosespacio y supone una producción más controlable que un recurso renovable,en general con mayor indisposición.

La cogeneración no es nueva, viniéndose empleando en el sector indus-trial en España desde los años 90. Tradicionalmente estaba asociada a grandespotencias, siendo una parte más de la instalación industrial. Estas grandesplantas industriales de cogeneración han evolucionado hasta pequeñas uni-


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Fig. V-4.Integración de una unidad de micro-cogeneración en una vivienda.

dades de micro-cogeneración que son encapsuladas y optimizadas para ope-rar fuera de entornos industriales con totales garantías, integrándose comoun elemento más en la sala de calderas. Este proceso ha llevado un tiempo,pues es complicado mantener buenos rendimientos al reducir la potencia,pero afortunadamente ya se ha alcanzado un nivel de desarrollo y madurezsuficiente como para ser una oferta comercial.

La Figura V-4 muestra uno de estos elementos encapsulados, del tamañode una lavadora, que produce 5 kWe y 12 kWt en forma de agua caliente a90ºC y capaz de ser integrado en la sala de calderas de un edificio para traba-jar en paralelo con las calderas, cediendo electricidad a la red o bien operan-do de forma aislada.

Estas unidades son motores alternativos que presentan diversos escalonesde potencia eléctrica (5, 15, 30, 50 y 90 kWe), que pueden operar con gran va-riedad de combustibles (gas natural, GLP, gasóleo y biodiesel) y que presen-tan rendimientos globales entre el 85 y el 92%, con rendimientos eléctricosentre el 27 y el 33%. La solución integra todos los elementos necesarios (mo-tor, generador, encapsulado y control), pudiendo proceder de la adaptaciónde grandes grupos o bien de desarrollos específicos para la micro-cogenera-ción que desembocan en productos de mayor calidad y mejor nivel de inte-gración. La inversión oscila entre 2.700 €/kWe (para unidades de 5,5 kWe) y1.200 €/kWe (para unidades de 90 kWe).

TECNOLOGÍA

La Figura V-5 muestra un ejemplo concreto de un equipo de 5,5 kWe y 12,5kWt (hasta 15 si se condensasen los gases de escape). Es la unidad de micro-cogeneración más vendida en Europa, existiendo ahora mismo más de 17.000unidades en operación. Consta de un motor monocilíndrico de menos de 600cm3 que mueve un alternador asíncrono refrigerado por agua. El agua calien-te se produce en la refrigeración de la camisa del cilindro, en la refrigeracióndel alternador y del aceite, y finalmente en la recuperación de calor de los ga-ses de escape. El esquema interno aparece en la Figura V-6.

En este modelo concreto la eficiencia global es del 88%, llegando hasta el100% (sobre el Poder Calorífico Inferior) si se condensan los gases de escape.El mantenimiento se realiza cada 3.500 h, siendo la vida útil mayor de 80.000horas. Las emisiones son reducidas, contando con un catalizador de 3 vías demanera que se producen muy bajos niveles de NOx. El equipo está dotado desistemas que reducen al mínimo las vibraciones y el ruido. Todo el sistema es-tá controlado por microprocesador.


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Fig. V-6.Esquema hidráulico del motor alternativo de microcogeneración de la Figura V-5.

73-78 ºC

3–Generator

RF

83-90 ºCBomba circuladora

Cilindro delmotor

Gases

Interc.Gases

Intercambiadorcon el aceite

Silenciador

Catalizador de gasesde escape conrecuperador de calor

Motor alternativomono-cilíndricode 4T - 578 cm3

Generadorasíncronorefligerado por agua

Unidad decontrol y deconexiones

Fig. V-5.Motor alternativo para micro-cogeneración.

Como se ha dicho la integración en el edificio es sencilla, presentando lasmismas conexiones que una caldera convencional, además de la evacuación ala red eléctrica que se realiza en baja tensión. Las protecciones necesarias pa-ra que el equipo trabaje en paralelo con la red están incorporadas en la uni-dad. La Figura V-7 muestra un ejemplo tipo con dos motores que serían elequivalente a una caldera de 20 kW.

APLICACIÓN

La aplicación de cogeneración en un edificio no se ha de plantear como unnegocio, sino para reducir costes e impacto medioambiental del edificio. Serealiza una inversión inicial que se va recuperando año tras año con los aho-rros derivados de la instalación: combustible dejado de consumir para satisfa-cer la demanda térmica junto con ingresos por venta de electricidad menoscoste de combustible de la unidad menos costes de mantenimiento.

Los proyectos en el sector residencial, de bajas potencias, presentan algu-nas singularidades:

• La inversión específica es más elevada.


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Fig. V-7.Ejemplo de instalación de dos unidades de microcogeneración en un edificio

(20 kWt).

GasSalida de humosIda y retorno de agua

Elictricidad

Aire deadmisión

• El coste del combustible no es muy bajo, es decir, no se trata de tarifasindustriales.

• El coste de mantenimiento es también proporcionalmente más alto.• El precio de venta de la electricidad varía según el marco regulatorio.

En general la cogeneración a pequeña escala y la microcogeneración re-quieren ayuda para que el proyecto sea rentable. Además, para que el proyec-to se pueda llevar a la práctica es preciso que la integración y la gestión seansencillas, lo que implica disponer de la tecnología adecuada, instaladores ygestores capacitados y un marco regulatorio (técnico y económico) que reco-nozca y recompense los beneficios aportados al sistema.

A nivel técnico la cogeneración en el sector residencial exige que se puedaexportar la electricidad de forma sencilla y a un precio razonable, lo que per-mite que el dimensionado de la instalación se haga según la demanda térmi-ca. Dicha demanda está constituida por la carga de calefacción/climatizacióny agua caliente sanitaria. El perfil de las dos primeras es fluctuante a lo largodel día, mientras que el de la segunda es bastante uniforme si se emplean acu-muladores. Ello supone que para lograr que las unidades de cogeneración tra-bajen a plena carga un número elevado de horas al año es preciso que éstasse dimensionen para cubrir la carga base (constituida principalmente poragua caliente sanitaria), con o sin ayuda de acumulación térmica, recurriendoa sistemas de apoyo convencionales para la demanda punta, tal como se es-quematiza en la Figura V-8. En definitiva, estos equipos suelen dimensionar-se para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria, ya que tratar de satisfacertambién la de calefacción supone recurrir a sistemas de almacenamiento tér-mico tanto más voluminosos cuanto mayor sea el porcentaje de demanda acubrir.

El hecho de poder exportar la electricidad es fundamental para que estasinstalaciones funcionen adecuadamente pues en el sector residencial la de-manda eléctrica es tan sólo el 22% de la energía final consumida [V-2] por loque imponer exigencias de autoconsumo (como hacía el RD 436/2004 [V-3])dificultaría en gran medida la penetración de la cogeneración en este sector.En este sentido, la aparición del real Decreto Ley 7/2006 [V-4] que permitevender toda la electricidad tanto térmica como eléctrica a terceros ha allana-do considerablemente el camino. El marco retributivo ha mejorado conside-rablemente en la última regulación de la producción eléctrica en régimen es-pecial RD 661/2007 [V-5], quedando únicamente pendiente a día de hoy unprocedimiento simplificado de conexión a la red que adapte a la escala de losproyectos de micro-cogeneración, tanto los detalles técnicos como las gestio-nes con las compañías eléctricas y administraciones.


62


63

Fig. V-8.Perfil de demanda térmica en el sector residencial y forma de satisfacerlocombinando las unidades de cogeneración, sistemas de almacenamiento

térmico y calderas convencionales.

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Year

Heat demand Space heating

DHW - demand

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760

48

44

40

36

32

28

24

20

16

12

8

4

KW

Peak load Module Buffer vessel

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Year

Heat demand Space heating

DHW - demand

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760

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36

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28

24

20

16

12

8

4

KW

Peak load Module Buffer vessel

La Tabla V-1 recoge un ejemplo de aplicación a un edificio del sector tercia-rio que en la situación de partida tuviese una caldera de 100 kW y estuvieseconectado a al red eléctrica. Con los consumos del edificio se demandaría alaño más de 383 MWh de energía primaria en la situación de partida. Incorpo-rando un motor de 5,5 kWe se logra satisfacer el 55% de la demanda eléctricay el 55% de la térmica. Con eso se logra un ahorro de energía primaria respec-to a la situación base del 17,45% y una reducción de emisiones de CO2 de ca-


64

Tabla V-1.Ejemplo de aplicación de una unidad de microcogeneración de 5,5 kWe al

sector terciario (Fuente: elaboración propia).

En la trigeneración se utiliza parte del calor recuperado para alimentar unamáquina de absorción y producir frío. Esto va a permitir aumentar las horas defuncionamiento del equipo, lo que probablemente permitirá introducir equiposde mayor tamaño que permitan lograr mayores ahorros de energía primaria, pe-ro teniendo en cuenta que la máquina de absorción supone una mayor inver-sión y mayor complejidad en la instalación. Esto hace que en España, donde hoypor hoy existen unas tarifas eléctricas anormalmente bajas la rentabilidad de es-tas instalaciones aún no esté clara dado que están reemplazando unos costes deoperación (la energía eléctrica de los compresores) muy bajos.

En el sector residencial estamos ejecutando, junto con Ortiz Construccio-nes y Proyectos e IDAE, la primera aplicación a viviendas en altura. Se trata dedos edificios con 97 apartamentos en alquiler, de 55 m2 cada uno, situados enla localidad de Colmenar Viejo y que cuentan con una instalación centralizada

Situación original: red eléctrica + caldera 100 kWConsumos Energía Primaria Emisión CO2 Costes(MWh/año) (MWh/año) (t/año) (EUR/año)

Electricidad 70 205.9 42.0 8.400 €Calor 160 177.8 40.0 6.756 €TOTAL 383.7 82.0 15.156 €

Al introducir microgeneración con un DACHS G 5.5(MWh/año) Energía Primaria Emisión CO2 Costes

(MWh/año) (t/año) (EUR/año)

Electricidad 38.5 113.2 23.1 4.620 €Calor 87.5 97.2 21.9 4.156 €Gas 143.5 143.5 28.7 5.453 €Ahorros netos 6677..00 1166..33 33..332233 €

17.45 % 19.85 % 18.63 %menos energía menos CO2 menos coste

si el 20%. En cuanto a la rentabilidad económica se logra un ahorro de3.233 €/año (considerando sólo los costes de combustible), que lograría re-cuperar la inversión de 16.000 € en menos de 6 años, restando aún otros 6años de vida útil. Una instalación solar del mismo coste ahorraría sólo 27,5MWh de energía primaria y 5,5 toneladas de CO2.

con gestión energética. Se ha estimado una demanda térmica global de 672MWh/año y se ha optado por integrar 3 motores de 5,5 kWe, disponiendo asíde 16,5 kWe y 37,5 kWt. El sistema incluye 6.000 litros de acumulación térmi-ca y cubre el 40% de la demanda térmica del edificio. La Figura V-9 muestra unesquema de funcionamiento.


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DACHIS 1 DACHIS 2 DACHIS 3 CALDERA 1 CALDERA 2

TANQUES ACUMULACIÓN

Fig. V-9. Esquema de integración para una aplicación al sector residencial.

CONCLUSIONES

La cogeneración es una de las formas más sencillas y económicamentecompetitivas de ahorrar energía y reducir las emisiones de CO2 en edificios eindustrias. Presenta un potencial de aplicación muy grande, y en consecuen-cia un elevado potencial de ahorro, siendo el coste bajo comparado con el deotras opciones, como las renovables.

Para materializar ese importante potencial se requieren dos condiciones:que existan equipos de fácil instalación y cuyo uso sea similar al de una calde-ra para lograr un elevado nivel de integración en el edificio; por otra parteque haya un marco regulatorio adecuado tanto a nivel de exigencias norma-tivas, que deben ser simplificadas y adecuadas a las bajas potencias puestas enjuego, como a nivel retributivo para ayudar a recuperar la inversión en un pla-zo razonable. Estas ayudas serán siempre en general menores que en las re-novables debido a la mayor competitividad de la cogeneración.

REFERENCIAS

[V-1] Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad deMadrid, Guía básica de la Generación Distribuida, Madrid, 2007.

[V-2] IDAE, Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable, 2ªedición (2007).

[V-3] RD 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología pa-ra la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico dela actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Bole-tín Oficial del Estado, núm. 75, 13217 a 13238, 27.3.2004.

[V-4] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes enel sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983,24.6.2006.

[V-5] RD 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de pro-ducción de energía eléctrica en régimen especial. Boletín Oficial del Esta-do, núm. 126, 22486 a 22886, 26.5.2007.


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67

CAPÍTULO VI

GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON PILAS DECOMBUSTIBLE Y SISTEMAS DE TRIGENERACIÓN CON

MICROTURBINAS

Adolfo Sanz IzquierdoDirector de Desarrollo de Negocio. Carrier

INTRODUCCIÓN

Existe hoy día un dilema tecnológico sobre la forma más adecuada de ge-neración eléctrica: distribuida o centralizada. La generación distribuida con-siste en la producción “in situ”, es decir, cercana a los lugares de consumo, ypor tanto con pequeñas unidades que pueden funcionar de forma aislada, pe-ro que interactúan mejor interconectadas en red. Dado que las potencias decada unidad son pequeñas, este tipo de generación se adapta bien a las ener-gías renovables, siendo una de sus principales ventajas las menores pérdidaspor el transporte de la red eléctrica. La generación centralizada o tradicional,por el contrario, está basada en grandes centrales alejadas de los puntos deconsumo y que requieren ampliar la red de distribución que frecuentementese congestiona. La existencia de esta red y la gran distancia a los centros deconsumo provocan unas importantes pérdidas de transmisión.

La generación distribuida presenta una serie de beneficios frente a la cen-tralizada, como son:

• Alta eficiencia en los sistemas, ya que la cercanía a los centros de con-sumo posibilita el aprovechamiento de la energía térmica de desecho,siempre que ésta tenga la exergía adecuada.

• Disminución de los elementos contaminantes (NOx, SO2 y partículas)debido a las propias tecnologías (microturbinas de bajas emisiones opilas de combustible) y a que se aprovecha mejor la energía primaria.

• Flexibilidad en la energía primaria, encontrándose sistemas que funcio-nan con gas natural, biogas, biodiesel, …

• Ahorros en los costes de producción energéticos, en tanto que se apro-vechan los calores residuales para producir energía térmica.

• Suministro asegurado al poder utilizar diversas energías primarias.• Control sobre la calidad de la energía recibida.

Si bien los equipos empleados en generación distribuida pueden trabajarde forma aislada, es decir, abasteciendo directamente los puntos de consu-mo, existe una creciente unanimidad entre los tecnólogos en considerar queel modelo más apropiado para la generación distribuida es integrándola en lared junto con la generación centralizada. De esta manera ambos sistemas sebenefician: el centralizado en tanto que obtiene un refuerzo y le evita incre-mentar las inversiones en red de transporte y el distribuido en la medida enque al verter a la red puede entrar en un marco regulatorio que le facilite larecuperación de las inversiones, además de permitirle emplear generadoresasíncronos más económicos.

Existen diferentes soluciones tecnológicas adecuadas para la generacióndistribuida:

• Motores alternativos, que pueden ser de gas natural o de otros com-bustibles como gasóleo o biodiesel.

• Turbinas de gas de hasta 40 MWe, adecuadas para usos industriales.• Microturbinas de gas, de entre 30 y 300 kWe, adecuadas para el sector

residencial y terciario.• Pilas de combustible.• Sistemas eólicos.• Sistemas solares, térmicos o fotovoltaicos.• Sistemas que emplean biomasa, …

Una vez establecida la generación distribuida, es decir, la producción de laelectricidad, es preciso dar un paso más hacia adelante mediante el aprove-chamiento de los calores residuales, estableciéndose los sistemas CHP yCCHP:

• Sistemas CHP (Combined Heat and Power), o de cogeneración, sonaquellos que producen tanto energía eléctrica como calor útil paraotros usos.

• Sistemas CCHP (Combined Cooling, Heat and Power), o de trigenera-ción, donde además de electricidad se obtiene calor que puede seraprovechado de forma directa o bien cedido a una máquina de absor-ción para que lo transforme en frío.


68

A la hora de diseñar una instalación de co- o trigeneración es preciso tenerpresentes unas consideraciones tanto técnicas como económicas. Desde elpunto de vista técnico es preciso evaluar las necesidades de energía de la insta-lación para la que se diseña la unidad de cogeneración. Dichas necesidades hande incluir tanto la energía térmica como eléctrica. En este sentido hay que versi la relación de kWt a kWe que entrega el grupo que se va a instalar es adecua-da a la demanda, si bien esta adecuación ha de quedar enmarcada dentro delmarco regulatorio aplicable, ya que por ejemplo en España con la desapariciónde la obligatoriedad del autoconsumo eléctrico [VI-1] es indiferente la electrici-dad que produzca la unidad, siempre que el marco regulatorio dé una mayor ta-rifa a la venta de la electricidad en cogeneración que a la compra como usuario.

Desde el punto de vista económico es preciso establecer un análisis derentabilidad del proyecto. En dicho estudio se considerarán los ingresos de-bidos a la venta a la red de la energía eléctrica producida y los ahorros enenergía primaria debidos al aprovechamiento de la energía térmica residual.Como gastos se tendrán los consumos de energía primaria y los gastos demantenimiento y explotación, así como otros de tipo financiero, gestión, etc.Con estos datos se llevará a cabo un análisis por cualquiera de las herramien-tas tradicionales (análisis simple del retorno de la inversión, VAN, TIR, …) obien más modernas, como el análisis de ciclo de vida e incluso evaluacionesde impacto social. Éste último aspecto puede ser estratégico para ciertas em-presas que quieran transmitir una imagen “verde” y por ello quieran integrarpolíticas de ahorro y eficiencia energética con las que entrar en los terrenosde la Responsabilidad Social Corporativa, etc.

A nivel comercial UTC Power, compañía del grupo United Technologies alque pertenece Carrier, que está desarrollando este tema en España, disponede dos equipos adecuados para estos fines: pilas de combustible y microtur-binas de gas con máquinas de absorción, que serán expuestos seguidamente.

PILAS DE COMBUSTIBLE

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que transformaen electricidad la energía química de un combustible. Dado que se trata de undispositivo de conversión directa de energía, es decir, no recurre a un ciclotermodinámico, permite alcanzar rendimientos más elevados que en el ciclode Carnot; por otra parte carece de emisiones en el punto de uso, pues losgases producidos son sólo vapor de agua; al carecer de partes móviles emiteun muy bajo nivel sonoro, en ausencia de vibraciones y además produce uncalor residual que puede ser aprovechado por ejemplo para climatización, sibien el nivel térmico de este calor depende en gran medida del tipo de pilautilizado [VI-2,VI-3].

GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON PILAS DE COMBUSTIBLE Y SISTEMAS DE TRIGENERACIÓN…

69

Las pilas se están usando hoy día tanto en aplicaciones estacionarias comomóviles. En las primeras hay experiencias en campus universitarios, hospita-les, calefacción de distrito, depuradoras y vertederos; en las segundas en pro-pulsión de vehículos tanto terrestres (automóviles y autobuses) como marí-timos (submarinos), e incluso en el sector aeroespacial, que de hecho fuedonde surgieron las primeras aplicaciones de pilas alcalinas en los años 50 delsiglo pasado con las expediciones Apolo.

Los principales tipos de pilas de combustible aparecen recogidos en la Ta-bla VI-1. Las pilas alcalinas son empleadas casi exclusivamente en aplicacionesmilitares; las de ácido fosfórico se emplean en cogeneración para el sector re-sidencial y terciario, teniendo UTC un modelo en producción desde haceaños; las de membrana de intercambio protónico son las preferidas para laautomoción, dado el bajo tiempo de arranque y su elevada potencia específi-ca; las de carbonatos fundidos, típicas de aplicaciones estacionarias y final-mente las de óxidos sólidos que en mi opinión son el futuro.


70

Tabla VI-1.Principales tipos de pilas de combustible

(Fuente: elaboración propia)

Tipo de pila Aplicación Temperatura de Peculiaridadesoperación [ºC]

Alcalina (AFC) Espacio 80 a 100 Necesidad decombustible puro

Ácido fosfórico Estacionario 200 a 220 Larga vida. Alto (PAFC) coste

Membrana de Estacionario, 80 a 100 Bajo tiempo deintercambio transporte arranque, fácil protónico fabricación, facilidad(PEMFC) de escalado

Carbonatos Estacionario 600 a 650 Alta eficiencia, excelentefundidos para cogeneración,(MCFC) dificultad de fabricación

Óxidos sólidos Estacionario 650 a 1000 Alta eficiencia, capacidad (SOFC) de hibridación con

microturbinas de gas,materiales sofisticados

Se aprecia que las temperaturas de operación de las pilas son muy diferen-tes unas de otras. De todas ellas, aquellas en las que es posible obtener calor

útil para otras aplicaciones son las de ácido fosfórico, carbonatos fundidos yóxidos sólidos.

La pila de combustible de ácido fosfórico PureCell 200 que CARRIER estáintroduciendo en España, pertenece a la penúltima generación de pilas fabri-cadas por UTC hasta el momento, y es con la que más experiencia operativase cuenta. Sus características aparecen resumidas en la Tabla VI-2. Existen 280unidades funcionando en el mundo, si bien en la actualidad ha dejado de fa-bricarse para transformarla en otra de 400 kW, con tecnología similar, dondese espera reducir los costes de una manera importante al incorporar los nue-vos avances tecnológicos.


71

Potencia eléctrica Tensión y frecuencia Refrigeración Ruido200 kW / 235 kVA 480 V, trifáisca, 60 Hz Tres 60 dBA a 9 m

ventiladores

Emisiones (ppm) Combustible Módulo de Módulo deNOx < 1 Gas natural potencia refrigeraciónCO < 2 (58,1 m3/h) 3 m x 2,90 m 1,27 m x 1,24 mSOx, partículas e Biogas (99,1 m3/h) x 5,38 m x 4,11 mhidrocarburos, 18.144 kg 771 kgdespreciables

Tabla VI-2.Prestaciones del modelo PureCell 200 (Fuente: UTC [VI-5]).

El punto débil de las pilas es lo que se conoce como “stack”, que es dondese encuentran el ánodo, cátodo y electrolito. El modelo PureCell estaba dise-ñado para 40.000 horas de funcionamiento, si bien todas las que han alcanza-do esa cifra aún funcionan, existiendo unidades que han sobrepasado las76.000 horas.

Este modelo produce 200 kW eléctricos y 275 térmicos, consumiendo 58m3/h de gas natural ó 99 si se alimenta con biogas. A nivel de ejemplos realesde operación la Figura VI-1 recoge la instalación de esta pila en el InstitutoSouth Windsor, de Connecticut (Estados Unidos). Fue instalada en septiem-bre de 2002 y en junio de 2007 cumplió 40.092 horas de funcionamiento, ha-biendo tenido hasta entonces una disponibilidad del 94%. Funciona de formaaislada, suministrando energía eléctrica al instituto, así como calor en invier-no. Presenta un rendimiento energético del 90% y permite reducir la huellade carbono en 780 toneladas al año, lo que resulta equivalente a más de 64 hade bosque. En cuanto a las emisiones reduce los NOx en tres toneladas al año,lo que resulta equivalente a eliminar 140 coches de la circulación.

Fig. VI-1. Pila PAFC instalada en el Instituto South Windsor, de Connecticut(Estados Unidos) en septiembre de 2002. (Fuente: UTC [VI-4] ).


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Otra instalación significativa está instalada en Garden City, New York, des-de junio de 2005. Son 7 pilas que totalizan 1,4 MWe y cuyos calores residualesse aprovechan para refrigeración y calefacción. El aprovechamiento para refri-geración es posible porque esta pila entrega el calor a dos niveles de tempe-ratura: 60ºC y 120ºC, usándose el más bajo para calefacción y el más alto pa-ra accionar una máquina de absorción y producir frío. Presenta unadisponibilidad del 88%, un rendimiento energético del 90% y permite reducirla huella de carbono en 5.400 toneladas al año, lo que resulta equivalente amás de 465 ha de bosque. En cuanto a las emisiones reduce los NOx en 19 to-neladas al año, lo que resulta equivalente a eliminar 1.000 coches de la circu-lación. La electricidad se usa para dar respaldo a un centro de telecomunica-ciones.

Finalmente, la primera unidad que se instaló en 1999 está situada en unacomisaría de policía de Central Park en Nueva York. Trabaja en isla entregan-do calor en invierno, con una disponibilidad del 98%. En junio de 2007 cum-plió 70.690 horas de funcionamiento.

El biogas también puede ser empleado en estas pilas, para lo que se dota ala instalación de unos digestores adicionales. Así, el Ayuntamiento de NuevaYork ha instalado 9 unidades en diferentes depuradoras a lo largo de la ciudad.

TRIGENERACIÓN

CARRIER impulsa también la comercialización de sistemas de trigenera-ción de UTC Power. Básicamente consisten en un conjunto de microturbinasde gas que producen la electricidad y cuyos humos accionan una máquina deabsorción de doble efecto. Cada turbina es de 65 kWe nominales. Se puedenemplear de 3 a 6 microtubinas, resultando el COP de la máquina de absorciónde 1,32. La Tabla VI-3 resume las prestaciones de la configuración en condicio-nes ISO (15ºC de temperatura ambiente). Dado que los motores en este casoson microturbinas las prestaciones del sistema son muy dependientes de lascondiciones ambiente, de modo que a 35ºC la potencia eléctrica cae un 15%y la de refrigeración un 11%. En esta ocasión el equipo resulta mucho más li-gero que la pila de combustible, siendo el peso de cada microturbina de 770kg y de la máquina de absorción de 8.410 kg. Existen instalaciones de este ti-po en supermercados, hospitales y hoteles.


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Tabla VI-3. Prestaciones del sistema de microturbinas en trigeneración paracondiciones ISO (Fuente: UTC [VI-6])

Nº de microturbinas 3 4 5 6

Potencia eléctrica [kW] 170 227 284 341

Potencia de refrigeración [kW] 405 500 600 700

Eficiencia global [%, PCI] 88 91 91 86

CONCLUSIONES

Las restricciones energéticas y medioambientales a las que se enfrenta hoydía la sociedad exigen realizar una gestión adecuada de la energía, siendo laproducción de energía respetuosa con el medio ambiente. Una de las vías deaprovechar de forma inteligente la energía es mediante sistemas de co- y tri-generación que cumplen un triple objetivo:

• obtienen la máxima eficiencia del combustible• permiten alcanzar las exigencias de ahorro de energía primaria impues-

tas por la legislación• al verter la energía a la red se crea un sistema de generación distribui-

da que incrementa la fiabilidad del sistema centralizado tradicional

Precisamente la generación distribuida permite cubrir las necesidadesenergéticas de consumidores en zonas remotas o con alta congestión en la

red de transporte, garantizando la seguridad del suministro al usuario. Paraque el sistema de poligeneración sea viable es preciso analizar las demandasenergéticas de la aplicación, así como un estudio económico que defina lamejor alternativa de la inversión. El resultado de dicho estudio dependerá engran medida del marco regulatorio aplicable.

REFERENCIAS

[VI-1] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes enel sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983,24.6.2006.

[VI-2] Larminie, J., Dicks, A., Fuel cell systems explained, 2nd edition, Wiley,Chichester, 2003.

[VI-3] NREL. “Gas-fired distributed energy resource technology characteriza-tions”. NREL/TP-602-34789, November 2003.

[VI-4] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0143,00.html[VI-5] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0254,00.html[VI-6] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0125,00.html


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CAPÍTULO VII

BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS

Miguel Zamora GarcíaResponsable de I+D+i. CIATESA

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR

La designación de bombas de calor geotérmicas es común en Europa, pe-ro quizás en España aún pueda causar confusión con la energía geotérmica dealta temperatura, asociada al aprovechamiento de pozos de agua caliente y va-por. Realmente la expresión “bombas de calor geotérmicas” hace referenciaa bombas de calor agua/agua con un intercambiador de calor enterrado en elsubsuelo, que actúa de foco térmico exterior.

La máquina frigorífica y la bomba de calor son dispositivos que permitenllevar el calor de donde hay menos temperatura a donde hay más, tomandocomo calor útil el extraído del recinto de menos temperatura (máquina frigo-rífica) o el entregado al de más (bomba de calor). Una bomba de calor operaentre dos focos térmicos siguiendo un ciclo termodinámico. Si se pretendeclimatizar un edificio en invierno, el foco caliente es el local a calentar y el fo-co frío será el aire del ambiente exterior, el agua de un lago, el terreno, etc, dedonde se extrae el calor. El Segundo Principio de la Termodinámica nos ense-ña que este proceso no puede ocurrir de forma espontánea, siendo por tantonecesario un consumo energético para producirlo [VII-1].

La bomba de calor, por tanto, maneja tres potencias en su funcionamiento:

• Potencia frigorífica, extraída del foco frío• Potencia calorífica, cedida al foco caliente• Potencia absorbida, suministrada a la bomba de calor

75

Se define la eficiencia instantánea de la bomba de calor, COP (CoefficientOf Performance), como el valor de la potencia calorífica entre la absorbida yla eficiencia de la máquina frigorífica, EER (Energy Efficiency Ratio), como lapotencia frigorífica entre la absorbida. Otros rendimientos que cada vez sonmás necesarios para evaluar las prestaciones energéticas globales de los siste-mas de climatización son los llamados rendimientos medios estacionales:

• HSPF (Heating Seasonal Performance Factor), determinado en bom-bas de calor como cociente entre la energía calorífica y la energía con-sumida

• CSPF (Cooling Seasonal Performance Factor), determinado en máqui-nas frigoríficas como cociente entre la energía frigorífica y la energíaconsumida

El HSPF y el CSPF expresan, por tanto, el rendimiento medio de la insta-lación durante toda su operación en invierno o verano, considerando toda laenergía útil y toda la energía consumida. Es conveniente familiarizarse con elempleo de estos valores medios energéticos en lugar de con los instantáne-os de potencia ya que toda la nueva Legislación que va apareciendo en el Sec-tor y que vela por la eficiencia energética se configura en base a estos nuevosparámetros.


76

Figura VII-1.Esquema básico de una bomba de calor.

Tc

Foco

Foco fríoTf

Compresor

Condensador

T > Tc

T

Gas

> Tf

Expansión

condensación

evaporación

Evaporador

El funcionamiento de la bomba de calor aparece ilustrado en la Figura VII-1.Un compresor mueve y comprime el fluido refrigerante en fase gaseosa que pa-sa a un intercambiador de calor (condensador) donde el gas condensa a una tem-peratura superior a la del foco caliente, de modo que éste recibe el calor cedidoen la condensación. El fluido seguidamente se expansiona en una válvula para pa-sar luego a otro intercambiador de calor (evaporador) donde se evapora a unatemperatura inferior a la del foco frío, recibiendo de éste el calor necesario. Final-mente, a la salida del evaporador el gas vuelve a ser aspirado por el compresor.

El funcionamiento de la bomba de calor se puede modelar a partir de losbalances energéticos y las ecuaciones de transferencia de calor en los inter-cambiadores de calor, el compresor y la válvula de expansión. Dicho modeloha de ser acotado por las condiciones de contorno que son los caudales delos medios ambientes (agua, aire, …), la geometría de los intercambiadoresy las temperaturas de los focos. Este aspecto resulta de especial importanciapues significa que el comportamiento de la bomba queda en gran medida in-fluido por la temperatura del foco exterior (la del interior trataría de ser cons-tante conforme a las condiciones de confort). Así por ejemplo, las prestacio-nes serán diferentes cuando se emplee la misma bomba de calor para extraercalor de un foco a una temperatura moderada y constante como puede ser ladel agua del mar o se use el aire ambiente en un clima nórdico extremo.

Las consideraciones anteriores determinan que los fabricantes clasifiquensus equipos conforme a los focos entre los que trabaja la máquina:

• Aire/Aire, donde se intercambia calor entre dos focos de aire como porejemplo en un equipo compacto de cubierta de un supermercado o enun split doméstico.

• Aire/Agua, que utilizará un foco exterior (aire) al que cederá el calorque retira de una corriente de agua (“planta enfriadora”) o del que to-mará calor para producir agua caliente (“bomba de calor aire-agua”).

• Agua/Aire, en el interior del edifico se enfriará o calentará aire devol-viendo o extrayendo el calor a una corriente de agua.

• Agua/Agua, la máquina intercambia calor con el edificio enviándole unacorriente de agua acondicionada a partir de un foco exterior en el quea su vez el intercambio de calor se produce empleando agua. El focoexterior será un estanque, el subsuelo, una torre de refrigeración, …

Las bombas de calor geotérmicas se incluyen en esta última clasificación.

TECNOLOGÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA/AGUA

Los equipos no reversibles son aquellos que no tienen inversión en el cir-cuito frigorífico, realizándose el cambio de funcionamiento de bomba de calor


77

a máquina frigorífica en el circuito del agua. En la máquina los intercambiado-res de calor que actúan como condensador y evaporador son siempre los mis-mos, siendo un juego de válvulas exteriores las encargadas de conmutar la ali-mentación a los focos térmicos, tal como se muestra en la Figura VII-2.


78

En la actualidad, la mayoría de fabricantes implementan la tecnología deequipos reversibles, en los que el cambio de bomba de calor a máquina frigo-rífica se lleva a cabo en el lado del refrigerante mediante una válvula de 4 vías,de modo que cada foco térmico siempre intercambia calor con el mismo in-tercambiador de la máquina, que unas veces hará de condensador y otras deevaporador.

Fig. VII-2.

Esquema de máquina agua/agua no reversible.

Fancoil

A pozodesagüe

DepósitoInercia

Los refrigerantes que se emplean actualmente en este tipo de bombas sonHFCs que no perjudican la capa de ozono, como el R-410a y el R-407C. Estosgases tienen un elevado efecto invernadero, por lo que es posible que las Le-gislaciones fuercen la introducción en un futuro de los llamados refrigerantesnaturales, como el propano (R-290), CO2 (R-744) y amoniaco (R-717). Encuanto a los compresores, la tecnología “scroll” es la mayoritaria, especial-mente en la gama de pequeñas potencias. La Figura VII-3 muestra los COPsobtenidos por una bomba de calor geotérmica de 17 kW con diferentes com-presores (“scroll” y pistón) y diferentes fluidos. A igualdad de fluido (R290) seaprecia que el compresor “scroll” entrega un COP un 25% mayor, llegando a5. Para el mismo compresor (“scroll”) el fluido que mejor COP presenta es elR410a, que supera 5, aunque seguido muy de cerca por el R290, perdiéndo-se un 20% al emplear R407C.


79

Fig. VII-3.COP de diferentes compresores y fluidos en una bomba de calor geotérmica de17 kW (Salto de temperatura agua evaporador: 10º-5ºC. Salto de temperatura

agua condensador: 30º-35ºC. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

SCROLL-R407C SCROLL-R290 PISTON-R290 SCROLL-R410a

0

1

2

3

4

5

6

Los intercambiadores de calor empleados en la gama de pequeñas poten-cias suelen ser de placas soldadas, de acero inoxidable, dadas sus excelentesprestaciones y su elevado nivel de compacidad. Con objeto de facilitar el tra-bajo del instalador y reducir los tiempos de montaje es frecuente que en pe-queñas potencias se incorpore el grupo hidráulico en la misma máquina. Enequipos más grandes el grupo hidráulico es externo, de modo que es preci-so instalarlo in situ.

Una aplicación interesante de las bombas de calor agua/agua es que tam-bién pueden producir agua caliente sanitaria (ACS). Existen dos tecnologíasdominantes: la de intercambiador de calor de gases calientes y la de la válvu-la de tres vías. La primera, ilustrada en la Figura VII-4, consiste en recuperar elcalor de alta temperatura de los gases que salen del compresor, antes de suentrada al condensador mediante un intercambiador de calor auxiliar, conoci-do como “desuperheater”. El método de la válvula de tres vías, recogido en laFigura VII-5, consiste en conectar en paralelo los circuitos de calefacción yACS, de modo que cuando haya demanda de agua caliente o se reduzca la de-manda de calefacción, la potencia calorífica se aplique al depósito acumula-dor de ACS.

Mientras que la producción de ACS en calefacción se hace a costa de redu-cir la potencia calorífica, en modo de refrigeración la producción de ACS re-sulta siempre gratuita, pues se consigue a partir de calor extraído del propioedificio y que tiene que ser cedido al ambiente exterior (terreno).


80

Fig. VII-4.Producción de ACS mediante la recuperación de los gases calientes a la salida

del compresor.

En cuanto a las potencias disponibles, existen equipos desde los 4 kW, vá-lidos para pequeñas viviendas, construidos con formato de electrodomésticoy que se pueden instalar en una cocina o en una terraza lavadero, pasandopor equipos mayores de 15 kW, válidos para un residencial de lujo, 35 kW pa-ra pequeños hoteles y finalmente grandes plantas enfriadoras y bombas de ca-lor de entre 300 y 1.000 kW para el sector gran terciario.

INTERCAMBIADORGEOTÉRMICO

Tamb

SUELO

RADIANTE

DEPÓSITO

ACS

60 ºC

INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOS

Como ya se ha indicado, en las bombas de calor geotérmicas es el terrenoel que actúa de medio ambiente exterior, de modo que en verano recibe el ca-lor extraído del edificio y en invierno lo produce.

El terreno es un foco térmico estable que se regenera de forma natural.Presenta la ventaja de que a pocos metros de profundidad su temperatura esmucho más uniforme que la del aire ambiente.

Los intercambiadores de calor enterrados se construyen enterrando tube-rías de polietileno. Pueden ser de circuito cerrado o abierto, en los que secapta agua de un acuífero en un punto y se devuelve en otro situado a unacierta distancia.

Existen diferentes configuraciones. Así, se puede enterrar un intercambia-dor de tubería de polietileno a poca profundidad extendido en horizontal,disponer las tuberías dentro de una serie de pozos de 50 a 100 metros, cons-truir un serpentín y sumergirlo en un lago o finalmente en captación abiertadonde se emplea el agua de un acuífero lo bastante grande. Este último mé-todo es el que presenta un mayor potencial, auque está sujeto a la legislaciónde aguas y puede tener limitaciones de protección medioambiental.


81

Fig. VII-5.Producción de ACS mediante by-pass del circuito de calefacción con válvula de

tres vías.

INTERCAMBIADORGEOTÉRMICO

Tamb

SUELO

RADIANTE

DEPÓSITO

ACS

60 ºC

Intercambiadores horizontales

La construcción de un intercambiador de calor horizontal comienza por laexcavación de una amplia zanja de 1 a 1,5 metros de profundidad, sobre laque se depositan las tuberías de polietileno convenientemente alineadas, co-mo se aprecia en la Figura VII-6 en la que se muestra una instalación en la Uni-versidad Politécnica de Valencia desarrollada en el seno de un proyecto de in-vestigación [VII-2].

Estas instalaciones requieren una gran superficie. Su realización es relativa-mente sencilla, pudiendo emplearse una pequeña retroexcavadora para la exca-vación y uniendo las tuberías por soldadura de termofusión. La construccióndel intercambiador tan próxima a la superficie puede afectar a su mantenimien-to en la medida en que pueda deteriorarse por obras de nuevas instalaciones ycanalizaciones enterradas cercanas si no se acotan adecuadamente sus límites.Al ser poca la profundidad, la temperatura del terreno está influida por la delaire ambiente. Esta tipología es adecuada sólo para pequeñas potencias.


82

Fig. VII-6.Intercambiador de calor horizontal enterrado.

(Fuente: PROFIT [VII-3]).

Intercambiadores verticales

Los intercambiadores verticales (boreholes) son los mayoritariamente em-pleados. Dada su gran profundidad, no están afectados por las condicionesambientales, y ocupan un área de terreno mucho menor. La Figura VII-7muestra un esquema de esta configuración. Presentan el inconveniente deuna mayor dificultad de instalación, una mayor inversión y necesitan un per-sonal más especializado para su construcción. Como ventaja no necesitanmantenimiento.

Aunque tanto los profesionales de los sondeos de agua, de la geotecnia ydel micropilotaje cuentan con suficiente capacidad para llevar a cabo los tra-bajos de excavación, la experiencia en países del Norte de Europa y de Esta-dos Unidos aconseja que sean empresas especialistas en bombas de calor ge-otérmicas las que dirijan y coordinen los trabajos, ofreciendo proyectos llaveen mano de todo el conjunto de la instalación. Se debe de dar respuesta aproblemas complejos que van desde el posible encamisado de los pozos, a laselección del material de relleno para mejorar el intercambio de calor, el dise-ño del circuito, la correcta ejecución de las soldaduras de polietileno, el ade-cuado diseño hidráulico y finalmente la conexión con la bomba de calor.


83

Fig. VII-7.Esquema de configuración en boreholes.

Fuente (GEOCOOL [VII-2]).

Intercambiadores “Slinky”

Otro tipo de intercambiadores horizontales de alta compacidad son losdenominados slinky, como el mostrado en la Figura VII-8. Su ejecución esmás laboriosa que la de los horizontales convencionales, y al igual que éstosquedan influenciados en cierta medida por las condiciones ambientales. Da-da su gran compacidad, es preciso estar seguro que el terreno tendrá la sufi-ciente capacidad (difusividad térmica) para responder a ese intercambio entan poca superficie.


84

Fig. VII-8.Intercambiador de calor slinky. (Fuente: ELK 2004. Cortesía de EVE).

Intercambiadores integrados en la arquitectura

En el caso de obra nueva existen grandes posibilidades para la integraciónarquitectónica, habiéndose propuesto, por ejemplo, la colocación del capta-dor horizontal debajo de una piscina, como se muestra en la Figura VII-9.También es posible integrar los boreholes en micropilotajes mientras se estállevando a cabo la cimentación. Son las denominadas “cimentaciones termo-activas”.

Para el cálculo de intercambiadores con geometrías sencillas, está muy ex-tendido el método IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Asso-ciation), desarrollado por la Universidad de Oklahoma [VII-4]. Se basa en lateoría de la línea infinita de Kelvin [VII-5], por la que una línea suficientemen-te larga de diámetro lo bastante pequeño a temperatura constante transmitecalor al medio que la rodea en sentido radial. La transmisión de calor viene re-

gulada por la conducción, pudiendo resolverse por un modelo de resistenciastérmicas, donde se conectan en serie la resistencia Rt de la tubería (Ec. VII.1)y la resistencia Rs del suelo, que es la más complicada de determinar. Conoci-das ambas resistencias y el salto térmico entre el agua y el terreno, se calculala longitud requerida para disipar la potencia térmica Q deseada según laecuación VII.2.

[VII.1]

[VII.2]

Diversos autores [VII-6], [VII-7] han propuesto formulaciones para calcu-lar la resistencia térmica del suelo Rs. Todas ellas dependen del tiempo, es de-cir, desde cuándo se esté cediendo o tomando ese calor, lo que viene a refle-jar que el terreno no es un foco de capacidad infinita, sino que se va“cargando” o “descargando” por efecto del calor acumulado o sustraído.

Por otra parte, es necesario corregir la expresión por un factor que recojael funcionamiento real de la máquina ya que el calor intercambiado con el te-


85

Fig. VII-9.Ejemplo de integración en la edificación: intercambiador de calor horizontal

enterrado bajo una piscina. (Fuente: Instalaciones TONVA, S.L.).

rreno es variable, y depende de los ciclos de funcionamiento, del número yduración de las paradas y arranques, en definitiva de la mayor o menor canti-dad de calor intercambiada con el edificio. En la práctica esta corrección seformula en la ecuación multiplicando la resistencia térmica teórica del suelopor un factor de utilización, que representa la fracción de tiempo equivalenteen el que la bomba de calor ha estado en marcha a potencia nominal. Dichofactor de utilización se calcula a partir de la simulación energética horaria decada edificio y es función de su ubicación geográfica, su arquitectura (orienta-ciones, materiales) y del tipo de uso al que está sometido.

Finalmente, para conocer la longitud según la ecuación [VII.2] hace faltadeterminar la temperatura del terreno, que varía con la profundidad, con eltiempo y con la temperatura ambiente exterior [VII-8]. En el método IGSHPAse obtienen por separado la longitud necesaria para satisfacer la carga de ca-lefacción y la carga de refrigeración, seleccionándose la mayor de ellas. En elcaso de que ambas longitudes sean muy diferentes el diseñador podría optarpor emplear un sistema auxiliar para compensar la diferencia, manteniendo elequilibrio de cargas en el intercambiador, buscando la relación óptima entreprestaciones e inversión inicial.

La Figura VII-10 muestra la evolución de la temperatura en el terreno a lolargo del año para Valencia, simulada a través de este procedimiento. Se apre-cia que la variación es menor en el terreno que en el aire, si bien hay una cla-ra relación. Por otra parte, la inercia del terreno es importante, lo que redun-da en un desfase en el seguimiento de la temperatura del aire.


86

Fig. VII-10.Variación de la temperatura anual en Valencia (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

1

0

5

10

15

20

25

30

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Temperatura del aire

Temperatura a 1,5m

Variación de la temperatura anual en Valencia(Difusividad del suelo - 0,005 cm2/s)

FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO

Las bombas de calor agua-agua son las habituales en el norte de Europa, yen general las únicas que se pueden usar con efectividad en países muy fríos.Animados por conocer cuales serían las prestaciones en climas mas templa-dos como el Mediterráneo, CIATESA y la Universidad Politécnica de Valencia,junto a otras empresas y entidades, desarrollaron desde 2003 a 2006 el pro-yecto de I+D GEOCOOL [VII-2]. En este proyecto se comparó el consumoenergético de una bomba de calor geotérmica con el de una convencional detipo aire-agua, satisfaciendo ambas la misma demanda térmica de un edificio.La Figura VII-11 muestra los resultados obtenidos en toda una temporada decalefacción, apreciándose que el consumo eléctrico de la bomba geotérmicaresulta más estable y además es inferior al del sistema convencional.


87

Fig. VII-11.Comparación del consumo de una bomba de calor geotérmica (w-w) frente a

una convencional aire/agua (a-w) durante la temporada de invierno en Valencia,satisfaciendo la misma de manda térmica. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

07-fe

b-05

E_elec_dia a-w (kwh)

E_elec_dia w-w (kwh)

21-fe

b-05

07-m

ar-05

21-m

ar-05

18-A

pr-05

17-o

ct-05

07-n

ov-05

21-n

ov-05

23-n

ov-05

29-n

ov-05

05-D

ec-05

dates

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Kw

h

Dado que el terreno no es un foco infinito, se llegan a detectar en él efec-tos acumulativos si las cargas de verano e invierno no están compensadas.Así, para el caso de Valencia, donde es predominante la carga de verano, y por

Electrical Energy

tanto, es mayor el calor aportado al terreno durante esa estación que el reti-rado del mismo en el invierno, la simulación a 25 años mostraba que la tem-peratura del agua de retorno del intercambiador enterrado se vería incremen-tada en 2,5ºC gracias al pequeño pero continuo efecto de acumulación deenergía en el terreno, incapaz finalmente de disipar todo el calor recibido. Es-to supondría que a lo largo de ese tiempo, el rendimiento de frío se iría de-gradando, mientras que el de calefacción mejoraría, como muestra la FiguraVII-12. Se abre, por tanto, todo un campo de investigación consistente enconsiderar el terreno como almacén de energía. Pudiendo plantearse, porejemplo, usarlo para acumular los excedentes de energía solar en verano ydisponer de un suelo más caliente en invierno, etc.


88

Fig. VII-12.Degradación del rendimiento estacional en verano (CSPF) y mejora del deinvierno (HSPF) debido al calentamiento medio progresivo del terreno en

Valencia. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

4.8

4.6

4.4

4.2

4.0

3.8

3.6

1 23.4

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Years

HSPF CSPF

La Figura VII-13 resume los resultados obtenidos en el proyecto GEOCOOLen Valencia [VII-2], tanto en calefacción como en refrigeración. En la repre-sentación aparecen tanto los resultados experimentales como los predichospor los modelos de simulación. Tomando sólo los experimentales se apreciaun rendimiento medio estacional en calefacción de 3,46 para la bomba geo-térmica frente a 2 para la convencional, siendo los resultados de refrigeraciónaún mejores, con 4,36 para la máquina geotérmica frente a 2,68 para la con-

Evolución de la cogeneración

vencional. Son solamente datos particulares, correspondientes a las medicio-nes realizadas durante un año en un experimento concreto. Sí ponen de ma-nifiesto en este caso que las mayores inversiones requeridas por la instalacióngeotérmica serán compensadas con el ahorro en el consumo energético de lainstalación a lo largo de su vida útil.


89

Fig. VII-13.Comparación entre los rendimientos estacionales (SPF) del sistema

geotérmico y del convencional tanto a nivel de simulación como en lasmediciones reales. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Air-Water Water-Water Air-Water Water-Water

2.96

2.00

32%

4.60

4.36

5%

2.82

2.68

3.5%3.90

3.46

11%

HEATING COOLING

Theoretical

Experimenteal

CONSIDERACIÓN DE LAS BOMAS DE CALOR COMO ENERGÍA RENOVABLE

Un debate paralelo a la tecnología es la consideración de si las bombas decalor geotérmicas constituyen o no una energía renovable. La clasificación le-gal en este sentido sería de gran importancia de cara a dar cumplimiento anuevas Normas, como el Código Técnico de la Edificación [VII-9] que obligaa cubrir parte de la demanda del edificio con energía renovable. Finalmente,dicha consideración abriría además las puertas, al acceso a ciertas ayudas e in-centivos públicos que facilitarían su penetración.

La Comisión Europea, en el artículo 5 de la propuesta de Directiva de Fo-mento del Uso de Energía Procedente de Fuentes Renovables del 23 de ene-ro de 2008 indica que “la energía térmica generada por la bombas de calorque utilizan la energía geotérmica del suelo o del agua se tendrá en cuenta aefectos de apartado 1, letra b”, en el que se contabiliza “el consumo de ener-gía final procedente de fuentes renovables para la calefacción y la refrigera-ción.” De hecho, la propuesta va más allá, indicando que también se conside-rará renovable el calor proporcionado por las bombas de calor que empleancomo foco exterior el aire ambiente, siempre que superen unos valores lími-tes de eficiencia.

En nuestro País, las Administraciones están adoptando progresivamentemedidas de fomento para el uso de esta tecnología. En algunas ComunidadesAutónomas existen ya programas de incentivos sobre los sobrecostes que su-ponen estas instalaciones.


90

Fig. VII-14.Diagrama de Sankey. (Fuente: CIATESA, modificado de [VII-1, VII-2]).

ENERGÍAPRIMARIA

1 UD

PÉRDIDASTRANSPORTE

0,6 UD

CALOR EN LA NATURALEZAAIRE, AGUA SUBTERRÁNEA, SUELO,

MAR,… SOL…0,84 UD

PERDIDASCOMPRESOR

0,06 UD

BOMBA DE CALOR(HSPF=3,46)

ENERGÍA TRÉRMICA APORTADAAL FOCO CALIENTE (EDIFICIO)

1,18 UD

Finalmente, puede caber la duda de si el favorable balance energético enenergía final ofrecido por las bombas de calor geotérmicas, se mantiene entérminos de energía primaria. La Figura VII-14 muestra un diagrama de San-key adaptado de la literatura [VII-1] en el que asumiendo un 40% de rendi-miento medio para la generación y transporte de la energía eléctrica y un da-

to “pesimista” de HSPF para la bomba de calor de 3,46, se logra aportar al edi-ficio (demanda térmica final) casi un 20% más de la energía primaria emplea-da en la central eléctrica. La conclusión es que ese 20% adicional procede deuna fuente natural y renovable (aire, agua, suelo, …) que contribuye a redu-cir la demanda de energía primaria. Compárese esta situación con la satisfac-ción de esa demanda de calefacción a partir de la misma energía primaria apli-cada a una caldera, donde no se conseguiría utilizar más del 95% de la misma.

CONCLUSIONES

El uso del terreno o estanques y pozos como focos térmicos permite me-jorar las prestaciones de las bombas de calor, aumentando mucho sus eficien-cias estacionales. Para llevar a cabo este aprovechamiento es preciso realizaruna inversión importante en el sistema de captación que luego será recupera-da debido a los ahorros de energía primaria obtenidos al operar con mayoreficiencia. Las tecnologías necesarias para llevar a cabo este aprovechamientoson conocidas y están maduras, siendo su uso frecuente en países del Nortede Europa. Recientes investigaciones han demostrado la viabilidad de este ti-po de instalaciones también en climas mediterráneos, como el de Valencia.

En cuanto a la consideración de este tipo de aprovechamiento, la UniónEuropea apuesta porque se considere como Energía Renovable, lo que a efec-tos legales supondría su acceso a ayudas que facilitarían la rápida recupera-ción de la inversión. Si bien en España las Administraciones no la considerancomo tal, sí están favoreciendo su aplicación mediante incentivos que permi-tan reducir el extracoste que supone la inversión.

REFERENCIAS

[VII-1] Monasterio, R., Hernández, P., Saiz, J., La bomba de calor. Fundamen-tos, técnicas y aplicaciones. McGraw-Hill, Madrid. 1993.

[VII-2] Urchueguía, J. (Coord.), Geothermal Heat Pump for Cooling-andHeating along European Coastal Areas, EU V Framework Programme, Con-tract NNES-2001-00847, Publishable version of the Final Report (2003 to2006). http://www.geocool.net/

[VII-3] Corberán, J.M., Aprovechamiento del calor residual de origen geotér-mico para la mejora energética en la producción de frío/calor en el ÁreaMediterránea, MICyT, PROFIT: Programa Nacional de Energía, FIT 120202-2002-7, 2002 a 2004.

[VII-4] Bose, J., Parker, J., Ground-coupled heat pump research, ASHRAETrans 89 (2B), 375–390, 1984.


91

[VII-5] Çengel, Y.A., Transferencia de Calor, McGraw-Hill, México. 2004.[VII-6] Ingersoll, L.R., Plass, H.J., Theory of the ground pipe source for the he-

at pump. ASHVE Trans. 54, 339-348, 1948.[VII-7] Ramey, H.J., Jr., Wellbore Heat Transmission, J. Petrol. Tech., AIME

Trans. 225, 427-435, 1962.[VII-8] Kusada, T., Achenbach, P.R., Earth Temperature and Thermal Diffusivity

at Selected Stations in the United States, ASHRAE Trans. 71, 61-75, 1965.[VII-9] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.

NOMENCLATURA

Rt resistencia térmica de la tubería [m·K/W]Rs resistencia térmica del suelo [m·K/W]Tt temperatura de la tubería [K]Ts temperatura del suelo [K]Q calor a disipar [W]De diámetro externo de la tubería [m]Di diámetro interno de la tubería [m]kt conductividad térmica de la tubería [W/m-K]L longitud de la tubería [m]


92

CAPÍTULO VIII

GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LAEDIFICACIÓN

Domingo Guinea DíazProfesor de Universidad e Investigador del CSIC.

Instituto de Automática Industrial - CSIC

PROBLEMÁTICA ENERGÉTICA ACTUAL

Se presenta una revisión de la situación energética actual, en el intento dediagnosticar los problemas de fondo para plantear algunas soluciones accesi-bles. El análisis permite establecer los recursos energéticos renovables que lanaturaleza pone a disposición de una vivienda, evaluarlos, y tras comprobarque exceden a la demanda que la edificación exige en nuestro clima, plantearuna solución de razonable gestión de la energía en el tiempo. Así, la captura,transformación, almacenamiento y uso se determinará en función de la dispo-nibilidad y de las necesidades, estableciendo el discurrir de los flujos energé-ticos de manera adecuada con objeto de optimizar la eficiencia de su utiliza-ción a favor del natural incremento de la entropía.

En la civilización actual, la especie humana obtiene casi todo de la energíaprocedente de los combustibles fósiles: alimentos, transporte, sanidad, cons-trucción, vestido, tecnología, … Así, estos recursos se han convertido en unpilar base de la sociedad en que nos encontramos en demanda creciente du-rante las últimas décadas y se acentúa por los países muy poblados de econo-mía emergente, fundamentalmente asiáticos, que incrementan su demandaenergética conforme avanzan en su nivel de desarrollo. Así, la necesidad decombustible se multiplica tanto por su uso creciente en los países desarrolla-dos como por la incorporación a la sociedad de consumo de amplios sectoresde la humanidad, relegados hasta el presente a una precaria economía desubsistencia.

93

Otra faceta relacionada recientemente con el consumo humano de com-bustibles fósiles es el crecimiento de emisiones a la atmósfera de CO2, entreotros gases, que está previsto que se incrementen un 62% entre el 2002 y2030, sobrepasando las emisiones actuales de los países desarrollados lamedia de la OCDE en 2020 [VIII-1]. Su aportación al calentamiento globalpor “efecto invernadero” queda hoy fuera de toda duda y presiona con in-fluencia creciente la política y el desarrollo de naciones, empresas y ciuda-danos.

Ahora bien, también hemos de considerar que esta situación de incremen-to en la extracción y el uso de los combustibles fósiles no puede prolongarseindefinidamente. De hecho, los yacimientos son necesariamente finitos y seconstata que el ritmo de crecimiento del consumo es claramente superior aldel descubrimiento de nuevos recursos. Según opinión generalizada nos en-contramos próximos al máximo de producción de petróleo, el llamado picode la campana de Hubbert, a partir del cual cada vez se descubrirán menos re-cursos, ocurriendo algo similar durante las próximas décadas para el resto delos combustibles no renovables [VIII-2,VIII-3,VIII-4].

Como alternativa en un inmediato futuro se plantea el empleo del vectorhidrógeno dada su elevada densidad energética por unidad de masa, la posi-bilidad de obtenerlo desde muchas fuentes y por muchos medios y porqueen su uso final no contamina. Ahora bien el hidrógeno, como la electricidad,no son fuentes de energía accesibles en la naturaleza sino medios útiles parasu uso, transporte, almacenamiento o transformación. Es preciso, por tanto,determinar las fuentes primarias de carácter renovable que soporten la viday desarrollo de las generaciones inmediatas de seres humanos.

PRINCIPIOS FÍSICOS PARA BUSCAR SOLUCIONES

El Primer Principio de Termodinámica asegura que la energía es una can-tidad constante, luego es preciso valorar de cuánta se dispone, así como la efi-ciencia con la que hacemos uso de ella. La Figura VIII-1, realizada con datosde los años 90 [VIII-5] muestra que en una sociedad desarrollada “tipo” el84% de la energía procede de combustibles fósiles, el 7% de nuclear y el 9%de renovables. Esos recursos la sociedad los transforma de modo que comoenergía final se obtiene sólo un 16%, siendo el 41% pérdidas inevitables conla tecnología actual y el resto (43%) pérdidas evitables con mejora de proce-sos y mejor aprovechamiento energético. Es decir, por cada unidad de ener-gía final se consumen 6 de energía primaria. Dicho de otra forma, por cadaunidad de energía final no consumida se ahorran 6 de energía primaria quequedaría disponible para nuevos procesos, luego parece evidente que el aho-rro energético es un “recurso” importante a tener e cuenta.


94

Si bien un mejor uso de las fuentes actuales puede mitigar en gran medidala carencia del inmediato futuro, es necesario evaluar a medio plazo el equili-brio energético de la Tierra para orientar el desarrollo de la organización socialsostenible y la tecnología adecuada para su aprovechamiento. Se ha de cuanti-ficar para ello la cantidad de energía disponible, cuál es su procedencia así co-mo el tamaño de las reservas y cuánto pueden durar con un uso adecuado.

La energía disponible en nuestro planeta es la suma de la que recibimossobre la superficie terrestre por radiación del Sol más la gravitacional poratracción de los cuerpos celestes próximos (luna y sol) sobre la masa de flui-dos terrestre (mareas) y la acumulada por la tierra (geotérmica, nuclear y fó-sil), menos las pérdidas que en el uso se van a producir. Si bien el combusti-ble nuclear o fósil es hoy un bien tan precioso como perecedero, el resto sepueden considerar fuentes de energía renovables. Esto no significa que seanrecursos inagotables en el equilibrio energético del Cosmos, sino sólo a esca-la temporal de la evolución humana.

La cantidad de energía accesible en cada una de estas fuentes se muestraen la Figura VIII-2, donde se ve que de la enorme potencia recibida del solaproximadamente la mitad (47%) se convierte en calor sobre la superficie te-rrestre que en última instancia acaba siendo disipado al espacio en forma de

GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA EDIFICACIÓN

95

Fig. VIII-1.Necesidad y despilfarro (Fuente: Miller [VIII-5])

84%

Fuente de energía DestinoTransportetransformación

FósilesNuclearHidráulicaeólica, solarBiomasa

Energía utilizableProd. petroquímicosIrrecuperableRecuperable

16% al usuario

41% perdidasinevitables

43% perdidasevitables

7%5%4%

41%

43%

7%7%9%

Sociedaddesarrollada

Sociedaddesarrollada

radiación infrarroja. Aproximadamente un 25% de la energía recibida se cana-liza hacia el ciclo del agua y una parte muy pequeña al ciclo del viento, olas,corrientes marinas, etc. Una porción comparativamente insignificante entraen el ciclo de la vida a través de la fotosíntesis. El otro aporte energético pro-viene del calor acumulado en el interior de la Tierra. Éste envía por conduc-ción hacia la superficie una cantidad de energía similar a la que recoge la foto-síntesis y una cantidad notablemente inferior por actividad volcánica comofuente geotérmica de alta temperatura.

En resumen, la mayor parte de los recursos renovables disponibles se en-cuentran en los 174.000 TW de radiación solar que inciden sobre la Tierra, delos que 82.000 se quedan en forma de calor sobre la corteza. Por otra parte, lafuente menos significativa de todas las mencionadas serían los 300 GW proce-dentes del calor procedente del interior de la Tierra, que constituye la ener-gía geotérmica de elevada temperatura, y por tanto, de elevada calidad. Asípor ejemplo en Islandia la energía geotérmica de alta temperatura suponeuna contribución del 89% a la cesta energética del país, representando el pe-tróleo tan solo el 1%. Este escenario ha requerido una evolución tecnológicaya que en los años 70 la geotérmica representaba el 42% y el petróleo el 52%.Lamentablemente esta forma de energía sólo está disponible en los cinturo-nes volcánicos activos.


96

Fig. VIII-2.Distribución de los aportes de energía renovable (solar y geotérmica) sobre la

Tierra. (Fuente: Hubbert [VIII-6]).

Mareas

0

Puntos calientes

Permeación terrestre

Fotosíntesis

Vientos, olas corrientes

Ciclo del agua

Calentamiento

Reflexión

Radiación solar

50000 100000 150000 200000

3

0,3

32

40

370

40000

82000

52000

174000

TW

Existe otra energía geotérmica, de baja temperatura, mucho más dispersaque la anterior y por tanto más disponible. Su explotación no siempre se lle-va a cabo a nivel superficial y recurriéndose en ocasiones a captaciones enprofundidades entre 100 y 1.500 m. En función del uso que se realice de estospozos ocurrirá una deriva temporal, es decir, el calor extraído cada vez será demenor temperatura, salvo que se realice un uso estacional del recurso, en cu-yo caso dé tiempo a la regeneración del foco térmico por procesos de difu-sión de calor.

La energía geotérmica de alta temperatura es una fuente de enorme im-portancia allí donde se encuentra pero sólo está disponible en zonas muy lo-calizadas y representa un recurso cuantitativamente reducido desde un pun-to de vista global. Como caso opuesto, la energía solar supone un aporteenergético muchísimo mayor, con la ventaja adicional de estar muy repartidasobre la superficie de la Tierra. Por ello la energía solar interviene en los dis-tintos ciclos responsables de la actividad del planeta donde la vida aparece co-mo su aspecto más significativo: agua, oxígeno, nitrógeno, carbono y fósforo.La energía solar provoca unos movimientos de flujos de energía globales ha-cia las latitudes más elevadas, pues la radiación incide fundamentalmente so-bre las zonas próximas al ecuador, mientras que la Tierra emite el calor apro-ximadamente de forma uniforme, por lo que se produce un flujo energéticodesde el ecuador hacia los polos.

Resultado de este flujo energético, en España la radiación media recibidaes de unos 1.400 a 1.800 kWh/m2-año, cantidad que supera en gran medida,las necesidades promedio del sector de la edificación que, según el IDAE sonpara España de algo más de 100 kWh/m2-año. El 70% de esa cantidad se dedi-ca a usos térmicos (calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria) y elresto a eléctricos (iluminación, electrodomésticos y comunicaciones) [VIII-7].Según este balance resulta que el sol aporta en el sector residencial españolaproximadamente 16 veces la energía requerida. De ello se deriva que conuna tecnología adecuada de captura, transformación y almacenamiento de laradiación recibida en la cubierta de las viviendas se podría satisfacer el consu-mo residencial y posiblemente sobraría aún energía para el de transporte o laindustria.

Según eso, ¿cómo se puede hablar de crisis energética, si parece que sedispone de un recurso más que suficiente?. La respuesta a esta pregunta sepuede encontrar en que estos números reflejan sólo el Primer Principio de laTermodinámica, es decir, la cantidad de energía disponible frente a la necesa-ria. Sin embargo, el Segundo Principio, el relativo a la calidad de la energía po-ne cota a las eficiencias con que se llevan a cabo las transformaciones. Así, enla Figura VIII-3 se ve que de cada 1.000 kWh de radiación solar el océano cap-ta el 90%, pero es poco utilizable debido a que la temperatura es muy baja.Sin embargo, un colector térmico solar, sobre todo si opera a una temperatu-


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ra no excesiva alcanza con facilidad eficiencias del 60%, o un panel fotovoltai-co del 15% y aún mayores si se recurre a materiales avanzados. Sólo el 10% dela radiación solar se aprovecha para fundir hielo, dado el elevado porcentajede reflexión que presenta éste. Las conversiones más ineficientes serían parael aprovechamiento del calor de la biomasa (apenas llegaría a 10 ppm), parala producción de biocombustibles (5 ppm) o para la generación de la energíafósil (1 ppm).

Lo anterior se pone de manifiesto en dos ejemplos. Si se quiere obtenercalefacción mediante una estufa eléctrica y esa electricidad procede de unacentral termosolar es preciso concentrar previamente la radiación medianteespejos, accionar unas turbinas de vapor, producir la electricidad, transportar-la, … Sólo en la conversión sol-electricidad la eficiencia se sitúa en el 16 a 18%[VIII-8], a lo que es preciso después descontar las pérdidas en el transporte.Otro ejemplo de transformación inadecuada lo constituyen los biocombusti-bles, que a la vista de las cifras de la Figura VIII-3 son un despilfarro energéti-co si bien por coyunturas políticas sí pueden suponer una oportunidad de ne-gocio interesante.

De todo lo anterior resulta evidente que el camino está en aprovechar laenergía todo lo que sea posible. Ello pasa por remplazar el despilfarro al que lasociedad moderna está acostumbrada con los combustibles fósiles a la frugali-


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Fig. VIII-3.Aprovechamiento de la energía procedente de la radiación solar por diferentes

tecnologías (Fuente: Elaboración propia)

Energía fósil

0

Biocombustible

Calor de leña

Hielo fundido

Electricidad FV

Panel térmico

Agua de océano

Radiación solar

200 400 600 800

0,001

600

900

1000

1000 1200

0,005

0,01

100

150

dad, emplear la calidad de la energía (por ej. la temperatura) adecuada para ca-da uso, generar la energía allá donde se necesite, almacenar en lo que se dispo-ne y evitar las transformaciones innecesarias. Las medidas tecnológicas para lle-var a cabo estas acciones se van a explorar seguidamente y pasan poraprovechar el calor del verano y el frío del invierno, así como la electricidad quese puede producir directamente a partir de la energía solar. En cuanto al alma-cenamiento, es posible almacenar energía térmica en el subsuelo (geotérmicade baja temperatura) y energía eléctrica o electroquímica en el hidrógeno.

ALGUNAS SOLUCIONES ACCESIBLES

Los principios teóricos orientan hacia un conjunto de soluciones concre-tas a los problemas de la energía en nuestro porvenir. Con tecnología dispo-nible a coste razonable se puede utilizar la temperatura del subsuelo inmedia-to como barrera térmica entre dos capas aislantes sobre la envolvente deledificio como intercambiador primario de las bombas de calor geotérmicas,que usen el calor a nivel superficial del terreno en bombas de pequeño saltode temperatura. La abundancia de radiación en nuestro clima posibilita la cap-tura directa de la energía solar en la cubierta o en los muros de la vivienda; sualmacenamiento selectivo en el terreno aprovechando los gradientes térmi-cos y las barreras aislantes para compartimentar distintas temperaturas y apa-rece la posibilidad de almacenar el excedente de radiación en forma de hidró-geno obtenido por electrólisis a partir de paneles fotovoltaicos.

Gestión de la energía geotérmica de baja temperatura:barrera térmica y bomba de calor

La Figura VIII-4 representa la evolución anual de la temperatura exterioren el campus del CSIC en Arganda del Rey, donde se ubica el Instituto deAutomática Industrial. Si se establece una banda de temperatura de conforten 22 ± 2ºC resulta evidente que cuando la temperatura exterior la excede espreciso refrigerar (retirar calor) y cuando es inferior es preciso calentar (apor-tar calefacción). La temperatura media del subsuelo (temperatura de bodega)es el promedio de la del aire, entorno a 16ºC, de la que se puede hacer usopara poner una barrera térmica. Ya que disipemos calor en la barrera duran-te el invierno la temperatura del subsuelo bajará algo para recuperar valorespor encima de la media durante el verano. En cualquier caso la gran masa delintercambiador subterráneo dota al edificio de una inercia térmica mayor quelas antiguas paredes de tapial con una estabilidad plurianual en un sistemaconceptualmente sencillo de coste muy reducido.


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El concepto de la barrera térmica (patente ISOMAX) en invierno se ilustraen la Figura VIII-5. En ella se ve el interior de la vivienda a la izquierda, entre20 y 22ºC, y el exterior a la derecha a 4ºC. El muro (la envolvente de la vivien-da) está constituido por un “sandwich” de dos capas de aislante (poliestire-no) con una central de mortero en cuyo interior se alojan unos conductospor los que circula el agua que ha captado, mediante un intercambiador decalor enterrado, la temperatura del suelo y que va a actuar como barrera tér-mica. Dado que la conductividad del mortero es mucho más alta que la delpoliestireno la evolución de las temperaturas presenta un gradiente casi nu-lo en él, frente a otro más acusado en las capas de poliestireno.

La barrera térmica, es decir, la presencia de agua a 16ºC en la capa de mor-tero, hace que el gradiente de temperatura en la capa interior del aislante seamucho menor que en ausencia de la barrera, debido a que este aislante aho-ra está viendo en su cara externa una superficie mucho más cálida que antes.Este menor gradiente de temperaturas provoca que el calor que sale del inte-


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Temperatura interior 22ºCBanda de confort 20-24ºC

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-10

0

10

20

30

40

50

Tem

pera

tura

inte

rior

(ºC

)

Quincena

T. de barrera dela envolvente entrecapas aislantes

Temperatura media 16ºCTemperatura en el subsuelo

Eje x: representa la quincena del año –total 24 quincenas–

Fig. VIII-4.Evolución de la temperatura ambiente en el campus del CSIC en Arganda del

Rey (Fuente: elaboración propia).

Evolución anual de la Temperatura para el 2005

rior de la vivienda se reduzca en la misma medida (proporcionalidad de la leyde conducción del calor). Parte del calor que disipa el interior de la viviendase lo llevará el agua, pero será una fracción pequeña pues el salto térmico esde sólo 6ºC; el resto se dirige al exterior, hacia donde también se disipa el ca-lor del agua de los conductos (agua a 16ºC y exterior a 4ºC). Eso provoca queel gradiente térmico en la capa exterior de poliestireno sea mayor que en laprimera, es decir, la capa externa está atravesada por más calor que la interna,siendo el incremento el calor disipado por el agua, que casi en su totalidadfue captado del terreno.

La situación es similar en verano, estando ilustrada en la Figura VIII-6. Supon-gamos que en esta ocasión el agua circula a 26ºC, mayor temperatura del suelo,por lo que cede algo de calor al interior de la vivienda, sin duda menos que si nohubiese barrera pues con el agua el salto térmico no supera los 6ºC). El exteriorcede calor al agua en menor cantidad que cuando el mortero no disponía delaporte térmico del subsuelo debido al menor gradiente térmico producido porla barrera. Casi todo ese calor será transportado por el agua al terreno. En defini-tiva, la barrera provoca que el interior de la vivienda vea un exterior más suavedebido a la enorme inercia térmica de la masa de tierra. En el funcionamientoideal el exterior capta el calor del agua en invierno y le cede a ella el calor en ve-


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Fig. VIII-5.Ilustración del concepto de barrera térmica en invierno.

Interior20-22

Poliestireno

Con barrera

Sin barrera

Patente ISOMAX

16ºC

Exterior4ºC

Mortero

rano, en lugar de emplear la vivienda para estos intercambios. Como fruto de es-te comportamiento el terreno recibe calor del exterior en verano, cediéndoselo(no necesariamente en la misma cuantía) en invierno.


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Fig. VIII-6.Ilustración del concepto de barrera térmica en verano.

Lamentablemente, pese a estar esta tecnología desarrollada apenas se es-tá utilizando en nuestro entorno aunque sí está probada con éxito en otrospaíses de condiciones climáticas más severas. La energía geotérmica superfi-cial apenas se emplea de forma directa como se ha descrito, sino que su usose dedica a bombas de calor, balnearios, etc. Es decir, existe una elevada opor-tunidad de ahorro energético aún por explotar con esta tecnología.

El uso de la energía geotérmica superficial en bombas de calor sí comien-za a desarrollarse con fuerza. La idea es sustituir el intercambiador de aire am-biente externo por el de líquido a la temperatura del subsuelo, de modo quela bomba tome calor en invierno del mismo y le ceda calor en verano. Comosu temperatura es mayor que el ambiente en invierno y menor en verano re-sulta que la eficiencia de la bomba se incrementa, es decir, reduce considera-blemente su consumo eléctrico al operar entre temperaturas más próximas ala de confort. En el capítulo precedente ya se abordó este tema en detalle.

Interior20-22

Poliestireno

Con barrera

SIN barrera

26ºC

Exterior40ºC

Mortero

Gestión de la energía térmica captada por radiación solar:almacenamiento selectivo

Para gestionar adecuadamente la energía térmica procedente de la radia-ción solar es preciso captarla y almacenarla, haciendo este almacenamientoselectivo según la temperatura. Para ello se pueden aprovechar las propieda-des de los materiales de construcción o del suelo, siendo determinantes en elproblema:

• Calor específico y densidad. Su producto establece la capacidad volu-métrica del almacenamiento. En el suelo, de menor calor específico ymayor densidad, puede ser comparable a la del agua líquida.

• Conductividad térmica. En los materiales utilizados usualmente en cons-trucción ofrece un elevado rango de variación del orden de cuatro órde-nes de magnitud. Por ello la elevada transmisión de los metales puedeconseguir una gran difusividad del calor en el mallazo de acero estructu-ral al que se fijan los tubos en los muros. En el extremo opuesto los ma-teriales aislantes (lana de roca, poliestireno, poliuretano) presentan unvalor muy bajo, lo que favorece el confinamiento térmico e incluso el al-macenar calor a diferentes temperaturas en espacios próximos.

• Calor latente. Puede ser interesante recurrir a los materiales con cam-bio de fase (PCM) para lograr una densidad de almacenamiento muyelevada, reduciendo así los espacios requeridos. También se puede re-currir a ellos para cargarlos con los excedentes estacionales de modoque se evite la deriva térmica del terreno.

El almacenamiento selectivo es preciso para aprovechar al máximo la ra-diación solar. Viene a ser una manera de poner orden en la energía almacena-da, reduciendo su entropía, tarea factible a lo largo del tiempo que Maxwellproponía como tarea imposible para su diablillo en el intento de disminuir laentropía de un sistema [VIII-9]. Así, en las primera horas del día, con el solaún bajo en el horizonte, la temperatura sobre la cubierta de la vivienda seráde 16 a 24ºC, y se podrá almacenar en el subsuelo bajo la vivienda en un ani-llo periférico; a medida de el día avanza y el sol asciende se alcanzará una zo-na de radiación intermedia, que producirá sobre la cubierta temperaturas en-tre 24 y 40ºC y cuyo calor podrá ser almacenado en un anillo del subsuelointerior al primero; finalmente, en las horas de máxima radiación, con el solen la vertical, se pueden lograr temperaturas en la cubierta superiores a 40ºC,las cuales se almacenarían en un anillo concéntrico con los anteriores, siendoel más interior de los tres. De este modo se tiene disponible la energía térmi-ca captada en la cubierta ordenada y clasificada según su uso, lo que permiteuna mejor integración de las transformaciones.


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Se han realizado modelos numéricos con elementos finitos de este proce-so cíclico de captura, almacenamiento en el subsuelo y uso en la barrera. Con-siderando las inercias térmicas de la gran masa involucrada y el lento cambioestacional se han obtenido resultados muy favorables, difíciles de creer a pri-mera vista hasta que han sido confirmados por los ensayos. Los resultadosson espectaculares debido a que se juega con inercias térmicas enormes, jun-to con una gran capacidad de confinamiento debida a la baja conductividadtérmica de las barreras aislantes establecidas. Esto hace que se pueda hablarde almacenamiento no ya diario, sino estacional e incluso plurianual con pe-ríodo de estabilidad térmica del sistema, tanto teórico como experimental,entorno a los tres años. Por otra parte, la gestión energética que se realiza enel sistema se posibilita mediante el movimiento de fluidos, ya sea con aguaque capta radiación en cubierta, la almacena en el subsuelo y parte de ella lapone a trabajar como barrera térmica o incluso con aire que permite jugarcon recuperaciones en la ventilación.

En el Instituto de Automática Industrial se ha construido un prototipo pa-ra validar experimentalmente el sistema conjunto. Se le ha dotado de inter-cambiadores coaxiales para las recuperaciones de calor con aire y se efectúael almacenamiento térmico selectivo en el subsuelo, como se puede ver en laFigura VIII-7. Además se han colocado sondas para poder determinar la distri-bución de temperaturas en diferentes puntos de los circuitos y del terreno adistinta profundidad, adquiriendo así datos que ayuden a comprender y eva-luar el comportamiento del sistema en conjunto. Sobre un mallazo de aceroembebido en el mortero de los muros se ha creado la barrera térmica con tu-bos de polipropileno, como se ve en la Figura VIII-8, completándolos con unacapa de aislante externo como encofrado perdido, rellenando con mortero elinterior y cerrando con la cubierta que capta directamente bajo teja la radia-ción solar.

Tras la construcción del prototipo se han detectado posibles mejoras quepueden facilitar la construcción. Éstas consisten en separar la misión estruc-tural de la del cerramiento para facilitar la construcción en altura; emplearuna envolvente con piel cuádruple (patente CSIC), como se muestra en la Fi-gura VIII-9, con el fin de disponer de tres isotermas de temperatura controla-da que permitan actuar como intercambiador con el exterior, usar la capa in-termedia para recuperación y control y la interior como muro, techo o sueloradiante; plantear el transporte energético no sólo a partir de agua, sino com-binándolo con aire. Finalmente, se puede estabilizar la deriva térmica del sub-suelo complementando éste como almacenamiento con materiales por cam-bio de fase.


104


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Fig. VIII-7.Vista de los intercambiadores coaxiales para renovación del aire y del

almacenamiento selectivo en el prototipo ISOMAX del Instituto de AutomáticaIndustrial.

Fig. VIII-8.Barrera térmica en el prototipo ISOMAX del Instituto de Automática Industrial.

Con estos criterios se ha diseñado una vivienda de consumo cero que se-rá exhibida en la EXPO 2008 de Zaragoza y cuyo diagrama de flujos térmicosse recoge en la Figura VIII-10. En este diseño está incorporada la renovacióndel aire interior, las cortinas de aire en los accesos puesto que ha de estarabierta al paso continuo de visitantes y la envolvente compuesta por una pielcuádruple que permite mantener tres isotermas. Puesto que ha de utilizarseinmediatamente después de su construcción, no se ha podido acumular en elsubsuelo los niveles térmicos requeridos en un edificio convencional. Por ellose está empleando como refrigeración el nivel freático del Ebro a cuya riberase encuentra a partir del agua de un pozo a 15ºC, usando como elementoauxiliar un estanque decorativo que pre-enfría el aire de entrada. En la ubica-ción definitiva en el Campus del CSIC se contará con un acumulador geotér-mico bajo tierra que es estabilizado con materiales de cambio de fase a la tem-peratura adecuada.

Las experiencias de viviendas construidas de esta forma en climas más se-veros que el de España, como el de Polonia, donde las demandas no son de100 kWh/m2-año sino del doble o más muestran unos consumos inferiores a15 kWh/m2-año. Por tanto, la tecnología existe, los modelos y las pruebas ex-perimentales confirman su eficacia, y su coste es similar al de la construccióntradicional. Un apartado del mayor interés en la actualidad es la posibilidad de


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Fig. VIII-9.Cerramiento con piel cuádruple para crear tres superficies isotermas en la

envolvente edificatoria.

láminadensa

aislanteexterior

láminadensaconductorainterior

láminadensaaislanteinterior

capaporosa

exteriorcapaporosainterior

capaporosamedia

láminadensa

conductoraexterior

doblelámina

conductoramedia

utilizar esta tecnología en la rehabilitación de viviendas ya construidas. El pro-cedimiento habitual de añadir un aislante y revocado sobre la cubierta y fa-chadas se complementa con una capa intermedia por donde circula un fluidoen forma controlada e intercambiadores subterráneos en pozo o lámina don-de almacenar calor en verano y frío durante el invierno.

Satisfacción de la demanda eléctrica

Una vez resuelto en forma accesible, tanto técnica como económicamen-te, el consumo térmico de los edificios que supone un 70% del total para lo-grar la autosuficiencia falta abordar el 30% de demanda del hogar, que segúnlos datos estadísticos del IDAE las viviendas españolas necesitan en formaeléctrica. La generación eléctrica fotovoltaica se ha generalizado en los últi-mos años disminuyendo notablemente su precio por unidad de potencia ge-nerada. Ahora bien, la acumulación de esta energía de “elevada calidad” tras-ciende de las prestaciones de las baterías convencionales para orientarse a laincipiente tecnología del hidrógeno. Partiendo de la electricidad fotovoltaicagenerada en las horas de luz se produce hidrógeno en un electrolizador que


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Fig. VIII-10.Flujos térmicos en un prototipo de vivienda con consumo nulo de energía.

AIREEXTERIOR

AGUA DEL POZO 15ºC

ESTANQUEM7

CAMBIADORAIRE-AGUA

Q Ti

Q T

T

T

Q

T

Q T Q T

Q T1, T2, T3

RENOVACIÓNAIRE

INTERIOR

ACUMULADORGEOTÉRMICO

MATERIAL DECAMBIO DE FASE

22 ºC

MATERIAL DECAMBIO DE FASE

16 ºC

CORTINA DE AIREEN LOS ACCESOS

ENVOLVENTEMuro interior

Barrera térmicaCaptador exterior

se acumula en un tanque con elevada densidad másica de energía. Las pilasde combustible permiten convertir la energía química del hidrógeno de for-ma directa en electricidad en un proceso de recuperación de notable eficien-cia. El esquema sería como el mostrado en la Figura VIII-11, donde se ha par-tido de pequeños equipos de laboratorio desde los que se ha podido migrarhacia equipos comerciales que serán montados en el demostrador de laEXPO Zaragoza 2008.

Los sistemas de hidrógeno y pila de combustible en la actualidad son muycaros, tanto en el electrolizador, como en los paneles fotovoltaicos para pro-ducir la electrólisis como en la propia pila. La respuesta a eso llega desde la in-vestigación, permitiendo desarrollar elementos que permitan remplazar losmateriales caros de los electrolitos y catalizadores por otros más simples y ba-ratos, obteniendo el hidrógeno de otras fuentes, como residuos, etc. Para lo-grar todo esto el CSIC involucró a un conjunto de Institutos de los que en elde Automática actúa como integrador para llevar a cabo el proyecto conjunto.


108

Fig. VIII-11.Esquema de la producción de energía eléctrica para autoabastecer a una

vivienda.

Paneles fotovoltaicos

ElectrolizadorPila decombustible

Compresor

Tanques dehidrógeno

Inversor

Conexión a la red

Los flujos energéticos requeridos para satisfacer la demanda eléctrica de unavivienda aparecen mostrados en la Figura VIII-12, donde desde paneles fotovol-taicos se produce electricidad, que puede ser acumulada en baterías o atacar alinversor para alimentar las cargas eléctricas de la vivienda. El excedente puedeser dedicado a producir hidrógeno a partir de un electrolizador que lo almacenao bien en hidruros a baja presión o en un depósito para finalmente atacar a unapila polimérica cuando sea precio disponer de electricidad. Con este sistema,disponiendo de 11 kW pico en los paneles (100 m2) se puede satisfacer una de-manda media de 3 kW eléctricos en la vivienda, con unos picos de 6 kW, bastan-te más de lo necesario si se han excluido las necesidades térmicas.


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Figura VIII-12.Flujos de energía para gestionar la demanda eléctrica de una vivienda

autosuficiente.

Si la tecnología reduce notablemente el coste de pila y electrolizador sepuede asumir que estos dispositivos se sobredimensionen para trabajar a unafracción de su potencia máxima con lo que su eficiencia crece en forma nota-ble. Con esta hipótesis, el balance energético global se puede estimar que los

100 M2 DE PANELES FOTOVOLTÁICOS

11Kw pico ILUMINACIÓN

INSTRUMENTACIÓN

BOMBAS AGUA

SOPLADORES

SEGURIDAD

INVERSOR

INVERSORPILA PEM

ACUMULADORDE HIDRUROS

METÁLICOS

ACUMULADORDE HIDRUROS

METÁLICOSDEPÓSITO

BATERÍAS

ELECTROLIZADOR

1.700 kWh/m2-año de radiación solar se ven afectados por un 16% de rendi-miento en el panel fotovoltaico, por un 80% de rendimiento en el electroliza-dor, por un 90% de rendimiento en el sistema de almacenamiento y por un60% en la pila de combustible, quedando 117,5 kWh/m2-año para satisfacertan solo 30 kWh/m2-año. Es decir, en este contexto se producen por m2 de cu-bierta unas tres veces la electricidad demandada por la vivienda, por lo que elexcedente podría ser vertido a red en un esquema de generación distribuida,acumulado en las baterías de vehículos híbridos o incluso eléctricos, …

CONCLUSIÓN

El Primer Principio de la Termodinámica nos muestra que la energía solaraporta a una vivienda mucha más energía de la que ésta consume. El Segun-do Principio pone cotas al aprovechamiento de esa aparente disponibilidad,pero existen tecnologías probadas, disponibles y baratas que permiten alma-cenar la energía de forma ordenada con objeto de hacer uso de ella en su dis-curso a favor de la entropía.

Se ha visto a lo largo del capítulo que el problema del aprovechamientoeficiente de la energía en última instancia es un problema de gestión energé-tica, de saber ordenar y usar los flujos térmicos y eléctricos de forma conve-niente y adaptando su calidad a su uso. Toda esa gestión se puede llevar a ca-bo de forma sencilla, de manera que el “diablillo de Maxwell” acaba siendounas pocas electroválvulas operadas a partir de las instrucciones de unas son-das de medida convenientemente establecidas.

En cuanto a la producción de electricidad, casi todos los equipos implica-dos requieren unas inversiones muy elevadas, lo cual ha de ser superado conI+D+i para poder obtener prestaciones similares con materiales más econó-micos en un esquema de uso racional.

Como conclusión final se puede establecer que es posible hoy día construiruna vivienda autosuficiente que haga uso de energía solar y geotérmica de bajatemperatura. La tecnología existe y está probada, aunque parte de ella es cara,pero esto podrá ser superado en unos años con la investigación necesaria.

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar he de agradecer a José Ignacio Linares y a la Cátedra Ra-fael Mariño la oportunidad de plasmar en un texto estas ideas y su inestima-ble ayuda para llevarlo adelante.

Los resultados que se comentan son fruto del trabajo, colaboración y fi-nanciación de muchos en la aventura de una investigación útil para las gene-


110

raciones venideras. Los compañeros de la red de Pilas de Combustible y enparticular los grupos del IAI, del ICV, del ICP y del IETCC del CSIC, al del IN-TA, la colaboración con el ICAI de la Universidad Pontificia Comillas, así comoel INSIA-ETSII y el grupo TISE-ETSA de la UPM.

Los aspectos térmicos han sido posibles por la financiación de la empresaGEOSOLMAX y la confianza de EXPOAGUA para construcción e instrumenta-ción de dos prototipos de vivienda a escala real.

El MEC ha financiado el desarrollo de nuevos dispositivos de hidrógenoen el proyecto “Diseño y realización de una nueva Pila de Combustible poli-mérica de bajo coste y alta eficacia” MCYT- ENE2005-09124-C04-02/ALT. .

REFERENCIAS

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logical congress, Washington DC, July 10, 1985. Episodes, vol 12, 257-262(1989).

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[VIII-9] Aguilar, J., Curso de Termodinámica, Alhambra Longman, 1989.


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EFICIENCIAENERGÉTICAEN LA EDIFICACIÓN

JOSÉ IGNACIO LINARESBEATRIZ Y. MORATILLA(coordinadores)

J. I.

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La Cátedra Rafael Mariño de NuevasTecnologías Energéticas de la UniversidadPontifica Comillas tiene la vocación deservir al debate y la reflexión acerca de laproblemática inherente al suministroenergético y su sostenibilidad en el medioy largo plazo, así como su solución y lacontribución que a ella brindan las NuevasTecnologías Energéticas para asegurar elsuministro.

El Comité de Energía y RecursosNaturales del Instituto de la Ingeniería deEspaña desde los años 70 ha editadomonografías referidas a temas de actualidady que contienen la experiencia de un grupode profesionales de reconocido prestigiointeresados en la energía.

Fruto de estos intereses mutuos nacióel Seminario Permanente de TecnologíasEnergéticas, como un foro de encuentrode los profesionales y académicos del sectorenergético en el que reflexionar sobre lasposibles soluciones tecnológicas al problemaenergético. Este volumen, Eficienciaenergética en la edificación, continúalas publicaciones del Seminario con las quese pretende presentar a la sociedad lassoluciones técnicas disponibles para elabastecimiento energético para que éstapueda formarse un juicio crítico sobre lasmismas.

Ing

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Libro Eficiencia Energética de Edificaciones