JORNADA TÉCNICA: LA FACHADA ACRISTALADA, UNA CENTRAL DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA: UNA ALTERNATIVA ACTUAL
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PARTE 2
III.- Análisis energético global de un edificio de oficinas con fachada acristalada incorporando fachadas fotovoltaicas D. Manuel Macías Miranda.
Profesor de Ciencias Ambientales de la Universidad Politécnica de Madrid
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III Análisis energético global de un edificio de oficinas con fachada acristalada incorporando fachadas fotovoltaicas
D. Manuel Macías Miranda. Profesor de Ciencias Ambientales de la Universidad Politécnica de Madrid
Introducción:
La arquitectura contemporánea utiliza cada vez más el vidrio como uno de los elementos
constructivos más emblemáticos y de mejores posibilidades estéticas y funcionales.
En España, el 20% del consumo en energía primaria se utiliza en el acondicionamiento de edificios.
Actualmente, el impacto de los sistemas de acondicionamiento en la demanda eléctrica representa un
serio problema para los países del área Mediterránea, ya que la curva de demanda se desplaza cada
vez más a las horas centrales del día en verano por la demanda de refrigeración.
Los indicadores de eficiencia energética muestran que en el sector terciario, el consumo eléctrico
representa más del 75% del consumo de energía final.
La incorporación de fachadas ventiladas de vidrio actúan en dos direcciones: Reducen la potencia
instalada con el consiguiente reducción del término de potencia cuando el consumo principal sea la
electricidad y reducen el consumo energético anual.
La evaluación del rendimiento energético de las fachadas de vidrio es un proceso complejo ya que
interacciona con el edificio y los sistemas de iluminación y de acondicionamiento. El uso de
iluminación natural con control electrónico de luminarias puede reducir substancialmente la demanda
de electricidad para iluminación, pero la ganancia solar a través del vidrio debe ser controlada
cuidadosamente para prevenir la penalización que esta supone en la carga de refrigeración.
En los últimos años se ha puesto de manifiesto un creciente interés por la integración de módulos
fotovoltaicos como elementos de fachada en edificios comerciales. Los sistemas de vidrio de fachada
acristalada son susceptibles de ser reemplazados por paneles fotovoltaicos sin marco, ofreciendo una
vía de generación de electricidad limpia, y contribuyendo de este modo, a disminuir la demanda
eléctrica en horas punta, consiguiendo a su vez un aplanamiento de la curva de demanda en aquellas
regiones eléctricas en las que el pico de demanda coincida con las horas de máxima insolación.
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En este trabajo realizamos una evaluación energética de los sistemas constructivos de vidrio como
elementos de fachadas ventiladas , aplicando la metodología de simulación energética durante un
año tipo, a un edificio de referencia como el que se describe en el apartado siguiente, dotado de un
sistema de climatización convencional. Estudiamos en este trabajo los beneficios energéticos y medio
ambientales por el uso de diferentes tipos de sistemas de vidrio avanzados actualmente en el
mercado y la sustitución del vidrio exterior por paneles fotovoltaicos tipo a-Si y mono cristalino.
1.- DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO DE REFERENCIA
El edificio de oficinas de referencia es un edificio de 7800 m2 de ocho plantas, situado en Madrid de
planta rectangular con las tres últimas de menores dimensiones en el eje longitudinal (Penthouse).
Las dimensiones son 82 x 19 m y 26,6 m de altura. El lado mayor está orientado al Sur, sin
proyección de sombras por edificios circundantes.
Las plantas características del edificio se presentan en las figuras 1, 2 y 3.
El edificio se caracteriza como un edificio de masa media con 350 mm de forjados de hormigón de
baja densidad y muro cortina con un 50% de superficie vidriada.
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La zonificación del edificio se ha realizado de acuerdo con la figura 4.
Fig. 4. Zonificación del edificio de oficinas
Tabla 1.- Características constructivas y de los sistemas del edificio de referencia. Dimensiones y Distribución 7.813 m2 de oficinas ENVOLVENTE - Cerramientos - Cubierta - Forjados - Forjado sobre garaje
3.952 m2 muro cortina (50% doble vidrio) 1.060 m2 cubierta plana U = 0,45 W/m2 °C ; CP = 167 KJ/m2 Kg ºC 5.803 m2 (35 cm hormigón ligero) 951 m2 (35 cm hormigón ligero)
EQUIPAMIENTO - Iluminación - Personas - Miscelaneous (PC's, etc.) - HVACS - A.C.S.
Oficinas: 15 W/m2 ; Parking: 15 kW 10 m2 / persona 20 W/m2 Sistema: Caudal Constante (VTCV) Frío: 3 Enfriadoras en paralelo de 600 kW y compresor alternativo Calor: 1 caldera de gas de 600 kW. Demanda pico: 8 kW
HORARIOS - Termostatos Refrigeración - Termostato Calefacción - Ocupación - Luces - Sistemas de Calefacción - Sistema de Refrigeración
24 °C de 8 a 19 horas de Marzo a Noviembre de Lunes a Viernes 20 °C de 8 a 19 horas de Dic-Feb de Lunes a Viernes 30% de 7-8 horas 100% de 8-18 horas y 30% de 18-19 horas Oficinas: 50% de 7-8 horas, 100% de 8-18 y 50% de 18-19 horas Parking: 100% de 7-22 horas 8-19 horas 8-19 horas
ENERGÍA UTILIZADA Electricidad, gas,
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2.- ESTUDIO ENERGÉTICO DEL EDIFICIO
El comportamiento energético de un edificio queda caracterizado por los siguientes valores
representativos.
Carga pico de calefacción y refrigeración en condiciones de diseño. Este parámetro determina el
dimensionado del sistema y los equipos y por tanto las potencias a contratar con las compañías
suministradoras de energía.
Consumo energético anual en año tipo. Este parámetro determina los consumos de cada una de las
fuentes de energía, eléctricas, gas, gasóleo, etc., calculadas durante un año de referencia que
representa las condiciones meteorológicas típicas del emplazamiento del edificio. Este parámetro nos
permite calcular los costes de operación del edificio desde el punto vista energético.
Consumo eléctrico en iluminación. El consumo eléctrico mensual del edificio en iluminación nos
permite establecer los ahorros que se producen por la elección de un determinado vidrio o sistema de
vidrio, caracterizado por su factor de ganancia solar y su transmitancia en el visible, siempre que las
luminarias estén dotadas de un sistema de control central o local.
Índice de consumos. Con objeto de comparar las distintas medidas de ahorro introducidas en el
diseño o en el sistema de acondicionamiento se ha definido un índice que nos da el consumo
energético en términos de energía primaria y final durante un año tipo por metro cuadrado de
superficie acondicionada.
Aportación de energía eléctrica de la fachadas fotovoltaicas. Este dato nos permite evaluar el ahorro
en el consumo eléctrico del edificio
A continuación se presentan los resultados obtenidos de la simulación del edificio para la composición
de las fachadas que se muestran en la tabla 2.
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Tabla 2. Composición de los tipos de fachadas ensayadas Tipo de fachada U
(W/m2 K) Coefic. de Sombra
(SC)
Factor solar (SF)
Transm. Visible
(VT) A - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planitherm (6-8-6 mm.) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: Parsol gris 6 mm.
1,55 0,41 0,36 0,33
B - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4-10-5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: Stopsol classic gris 6 mm.
1,95 0,32 0,28 0,18
C - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planitherm (6-8-6 mm.) - Cámara de aire de 60 mm - Vidrio ext.: Stopsol classic gris 6 mm.
1,60 0,27 0,24 0,16
D - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4 –10 - 5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: 3 – Asi – 3 mm
1,90 0,06 0,05 0,04
E - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4-10-5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: 6 mm – Si – lamina de tedlar
transparente
1,90 0,21 0,18 0,17
El diseño de la fachada ventilada se muestra en la figura 5. Corresponde al denominado Ventil Wall
fabricado por INASUS.
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Fig. 5 Diseño de fachada
En la figura 6 se muestran los modelos de fachada ventiladas fotovoltaicas en ensayo en los
Laboratorios de Fotovoltaica del CIEMAT.
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Fig. 6 Modelos de fachada ventilada ensayada
3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para la comparación de las diferentes soluciones de composición de las fachadas utilizamos los tres
parámetros descritos en el apartado anterior
Potencia Frigorífica y Calorífica:
La potencia frigorífica se obtiene a partir de la carga pico de refrigeración calculada para un día de
diseño como suma de las cargas internas, cargas debidas a la transmisión de calor a través de los
cerramientos, cargas debido a la ventilación e infiltración y la carga debida a la ganancia solar a
través de la superficie acristalada que encierra el edificio.
La potencia calorífica se obtiene a partir de la suma de las cargas debidas a la transmisión a través
de los cerramientos y las debidas a la ventilación e infiltración. En este caso, para considerar las
condiciones más desfavorables no se consideran las ganancias internas ni las debidas a las
ganancias solares.
En la figura 7 se presentan los resultados comparativos de la potencia pico.
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Fig. 7. Potencia Frigorífica y Calorífica
Demanda Eléctrica y Gas pico
En España el término de potencia representa un elevado porcentaje del recibo eléctrico. Por ello, las
medidas introducidas en el diseño para reducir principalmente la potencia eléctrica pico debidas a la
potencia frigorífica instalada representa un ahorro significativo a lo largo de la vida del edificio.
En la Figuras 8a y 8b se presenta los resultados para los distintos tipos de fachada.
Fig. 8a. Demanda eléctrica pico
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Fig. 8b. Demanda térmica pico
Consumo Eléctrico y Gas
El consumo mensual eléctrico y gas para los casos comparados se presentan en la figuras 9a y 9b.
Fig. 9a. Consumo eléctrico durante un año
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Fig. 9b. Consumo térmico (gas) durante un año
Consumo eléctrico en iluminación
El ahorro producido por el aprovechamiento de la luz natural puede evaluarse mediante la
comparación de los consumos de electricidad para la iluminación. El consumo eléctrico mensual del
edificio para la iluminación en los casos comparados se presentan en la figura 10.
Fig. 10. Consumo eléctrico mensual para iluminación
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Índice de consumos
El índice de consumos en términos de energía primaria o energía final(MJ/m2/año) nos permite
comparar elementos constructivos o sistemas desde un punto de vista medioambiental. Los
resultados se presentan en la figura 11.
Fig. 11. Índice de consumos de energía final y energía primaria
Producción mensual de electricidad fotovoltaica
En la figura 12 se presentan los resultados del cálculo de producción de electricidad fotovoltaica para
las fachadas D y E.
Fig. 12. Producción de electricidad fotovoltaica
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4. Estudio económico de soluciones
Para el estudio económico se han comparado solo los ahorros producidos por la generación de
electricidad en los modelos de fachada D y E frente A y B. Se ha utilizado un modelo simple para el
análisis de inversiones en sistemas de energía solar en los que la instalación convencional debe estar
dimensionada en base a la carga pico por lo que la potencia contratada no sufre ninguna disminución.
En una instalación solar ha de cumplirse que, al final del periodo n de amortización o retorno del
capital se verifique la igualdad:
( ) ( ) ( )∑ ∑= =
−− +≤+++n
1x
n
1x
1x1xn C1Ai1Md1C
Donde:
C = Exceso de inversión de la instalación solar(coste del vidrio de sustitución).
A = Ahorro en combustible convencional durante el primer año en Pta.
M = Exceso de gasto de mantenimiento de la instalación solar
d = Tasa anual en tanto por uno del coste del dinero
i = Tasa anual en tanto por uno de la inflación
c = Tasa anual en tanto por uno del coste del combustible
n = Año de retorno del capital < que la vida de la instalación
Para una instalación en la que el año de retorno de la inversión sea inferior a periodo de vida de la
instalación, la Tasa Interna de Rentabilidad se calcula como el valor de d que iguala los miembros de
la ecuación para el valor de n tomado como el periodo de vida de la instalación en años.
Los valores considerados en el análisis que se presentan a continuación se han obtenido suponiendo
un coste adicional por la sustitución de la capa de vidrio exterior Stopsol clasic con un valor estimado
de 8500 Pta/m2 por los paneles fotovoltaicos que conforman los modelos de fachada D y E con un
coste estimado de 35.000 Pta/m2 y 42.000 Pta/m2 respectivamente.
C(a-Si) = 50 Mpta (700 Ptas/Wp) C(Si) = 61 Mpta (700 Ptas/Wp)
A(a-Si) = 1,33 Mpta (16 Ptas/kWh) A(Si) = 1,66 Mpta (16 Ptas/kWh)
M = 0
d = 0,045
i = 0,03
c = 0,02
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Con estos valores el periodo de retorno del capital supera el periodo de vida de la instalación.
Considerando los beneficios del Plan de Energías Renovables en el que se contempla una
subvención del 40% de la instalación y la venta de la energía a la compañía suministradora con un
prima de 60 Pta/kWh(C(a-Si) = 30 Mpta,(Si) = 36,6 Mpta, A(a-Si) = 5,2 Mpta, A(Si) = 6,2 Mpta), el
periodo de retorno del capital supone un total de 9 años y un TIR de 7 % para el panel de a-Si y n =
9,5 años y d = 6,5 % para el módulo de Si.
No se consideran costes adicionales de montaje ni de mantenimiento por la existencia de los paneles
fotovoltaicos.
5. Conclusiones
1. El comportamiento de las fachadas fotovoltaicas en climas templados mejora ligeramente
los consumos energéticos del edificio cuando se realiza una disposición adecuada de
células o se utiliza un panel fotovoltaico semitransparente
2. Si no existe una subvención a la utilización de este tipo de alternativa energética, no existe
justificación económica para la utilización de estos sistemas.
3. La internalización de los costes externos de la energía en las grandes ciudades permitirán
mejorar la economía de los sistemas de integración de las energías renovables en los
edificios.
6. Bibliografía
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HVAC energy consumption by using coated glazing for office buildings in Madrid. Energy and
Building. V.27(1998) 13-19
2. Energy and Buildings 21, 1994, 165-167 Foreword .Low-energy buildings.
3. DOE-2.1E. No LBL-34947, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA. 1993.
4. Trane Air Conditioning Economic (TRACE 600) computer Program, TRCE-UM-601, November
1992.
5. M. Macias y otros. Global Energy Análisis of an office buildin with PV Façades. 14TH European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, 1997.