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RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN
D. José TúnicaGrupo JG Ingeniería
RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN
1. Confort ambiental
2. Simulación en la edificación
3. Ejemplo 1 SPIRALLING TOWER
4. Ejemplo 2 Edificio TAULAT
CONFORT AMBIENTALLa sensación de bienestar térmico del cuerpo humano se produce en gran parte por el balance de los efectos térmicos que lo rodean.Necesidad de eliminación del calor del cuerpo (conducción, convección y radiación).En relación al confort térmico el parámetro fundamental es la temperatura, pero resulta muy importante también el contenido de humedad, el movimiento del aire, la actividad desarrollada e incluso el tipo de vestimenta utilizada.
Considerando la humedad del aire se trabaja con el concepto de la temperatura efectiva.
La temperatura efectiva estándar esta definida como la de un ambiente con aire con un 50% de humedad que da la misma sensación que el ambiente estudiado con una temperatura dada y una humedad relativa también dada.
Como evolución de este concepto y para poder trabajar con todo el conjunto de parámetros de bienestar, se incorpora el movimiento del aire de modo que podamos englobar en un único valor los efectos de la temperatura, de la humedad y del movimiento del aire en relación con la sensación de calor o de frío sentida por el cuerpo humano.
Esta temperatura efectiva global es un valor numérico experimental y corresponde al de un ambiente con el aire saturado y sin movimiento que provocaría una sensación idéntica.
TEMPERATURA EFECTIVA
Gráfico realizado en 1923 por Yaglou y Houhton
• El efecto de la radiación (solar o de cerramientos a temperatura elevada) es importante de cara a la transmisión de calor del cuerpo. Cuando se hace referencia a una temperatura que afecta al bienestar de las personas, debería expresarse la temperatura operativa o resultante.
• La temperatura operativa, o temperatura o resultante, es la temperatura media entre la temperatura radiante y la temperatura del aire ( o temperatura seca).
ta = temperatura del aire seco (ºC)tr = temperatura radiante de las superficies del local (ºC). Es la temperatura de las superficies que percibe el cuerpo humano.
• Por convenio y de acuerdo con diferentes estudios, normativas e índices se ha establecido que la temperatura operativa media que se considera de confort está entre 23ºC y 26ºC sin tener en cuenta la acción de la ventilación.
TEMPERATURA OPERATIVA
2a r
op
t tt
Teniendo en cuenta la complejidad de los mecanismos físicos y climatológicos que influyen en el comportamiento del ambiente interior de un edificio, se comprueba la dificultad de analizar correctamente las evoluciones de las condiciones térmicas o de confort ambiental.
Actualmente es posible efectuar análisis con mayor detalle mediante la aplicación de las herramientas de cálculo o simulación
que la tecnología informática proporciona.
RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN
1. Confort ambiental
2. Simulación en la edificación
3. Ejemplo 1 SPIRALLING TOWER
4. Ejemplo 2 Edificio TAULAT
SIMULACIÓN EN LA EDIFICACIÓN
La simulación informática es un herramienta de análisis para el estudio del comportamiento de los edificios, los sistemas que lo componen y su interacción con el entorno.
El principal objetivo es el de simular y validar diferentes opciones de la conceptualización del edificio con la utilización de herramientas informáticas.
Mediante estas herramientas es posible disponer de los datos adecuados para proyectar y diseñar correctamente las instalaciones en espacios complejos desde el punto de vista del diseño térmico y de la optimización de recursos energéticos.
Sistemática de una simulación energética
Base de datos climáticos.
Definición del edificio, creación del modelo.Se construye un modelo, reproduciendo las características básicas de la edificación en referencia a los elementos de construcción y arquitectura:
Modelo Real y Maqueta
Modelo 3D
Tipologías de estudios de simulación en la edificación
Para comprobar y validar las diferentes opciones de conceptualización del edificio las tipologías de estudio que se pueden realizar son:
– Estudio Solar, Térmico y Lumínico– Estudio Fluidodinámico– Estudio Ventilación Natural– Estudio de Consumos Energéticos y de Tarificación Eléctrica
– Estudio de Transporte Vertical– Estudio de Evacuación de Personas– Estudio de Incendios
RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN
1. Confort ambiental
2. Simulación en la edificación
3. Ejemplo 1 SPIRALLING TOWER
4. Ejemplo 2 Edificio TAULAT
Existen estrategias de sostenibilidad sencillas que permiten proyectar edificios climáticamente equilibrados.
Algunas de estas estrategias se basan en la adopción de medidas pasivas resultantes del análisis del entorno y de la envolvente del edificio.
Es el caso de la SPIRALLING TOWER, en el diseño de la piel de este edificio ha primado, a parte del valor estético, el encontrar el equilibrio entre el aprovechamiento de la luz natural y el ahorro energético en climatización.
Estudios de simulación – Objetivos:
Estudio de simulación solar para detectar las zonas más expuestas a laradiación solar y diseñar los elementos de protección solar pasiva en lasfachadas de vidrio.
Estudio de simulación energética para valorar el ahorro en la demanda de refrigeración debido al uso de elementos de protección solar.
Estudio de simulación lumínica para valorar la repercusión del aprovechamiento de la luz natural en el consumo eléctrico
Estudio de Simulación Solar – Secuencias solares:
Se han realizado simulaciones hora a hora durante los 4 días más significativos del año:
Solsticio de verano (21 de Junio): período más largo de exposición solarSolsticio de invierno (21 de diciembre): período más corto de exposición solarEquinoccios de primavera y otoño (21 de marzo y 23 de septiembre): períodos intermedios.
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 06:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 08:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 09:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 10:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 11:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 12:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 13:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 14:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 15:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 16:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 17:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 18:00
Fachada Sur Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 19:00
Estudio de Simulación Solar – Conclusiones:
- Fachada Oeste: fachada más expuesta a la radiación solar. Aplicar elemento de protección solar vertical en toda su superficie.
- Fachada Sur: protección mediante elemento horizontal.- Fachada Norte: poco expuesta a la radiación solar. Proteger esquina de
orientación Norte-Oeste .- Fachada Este: poco expuesta debido a les proyecciones de sombras del
propio edificio. Posible protección mediante elemento vertical.
Estudio de Simulación Solar
Diseño de los elementos de protección solar:
Como elemento de protección solar pasiva se ha utilizado un elemento de chapa perforada.
Se han analizado diferentes configuraciones de elementos de protección en función de la orientación de la fachada: disposición vertical, disposición horizontal, altura...
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 06:00
Hora Local 08:00
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 07:00
Hora Local 09:00
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 08:00
Hora Local 10:00
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 09:00
Hora Local 11:00
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 10:00
Hora Local 12:00
Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este
21 de Junio
Hora Solar 11:00
Hora Local 13:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 13:00
Hora Local 14:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 14:00
Hora Local 15:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 15:00
Hora Local 16:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 16:00
Hora Local 17:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 17:00
Hora Local 18:00
Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste
21 de Junio
Hora Solar 18:00
Hora Local 19:00
RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN
1. Confort ambiental
2. Simulación en la edificación
3. Ejemplo 1 SPIRALLING TOWER
4. Ejemplo 2 Edificio TAULAT
OBJETIVO
Estudio energético de un edificio tipo de oficinas de superficie aproximada 10.000 m2.
Análisis de la repercusión de la potencia a carga máxima y del consumo energético al aplicar las siguientes tipologías de sistemas de climatización:
a) Edificio con fachada de vidrio de forjado a forjado y sistema de climatización con Fan-coils (FC) y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).
b) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Fan-coils (FC) y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).
Mediante a) y b) se valora la repercusión de la envolvente en la demanda energética.
c) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).
d) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por agua (PHT).
e) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por agua mediante freático (PHF).
C.O.P.
PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AIRE
(AIRE – AGUA)2,6 a 3,2
PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AGUA
(AGUA – AGUA)4 a 5
CONDENSADAS MIEDIANTE TORRE DE REFRIGERACIÓN
(30 – 35ºC)
PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AGUA
(AGUA – AGUA)6 a 8
CONDENSADAS MIEDIANTE AIGUA DE MAR, SUBSUELO, RIO, ...
(20 – 25ºC)
COP = (Coeficient Of Performance) Potencia producida a plena carga en relación a la potencia consumida
CARACTERÍSTICAS DEL EDIFICIO:
• Edificio de oficinas situado en Barcelona• Planta Baja + 5• Superficie total = 10.000 m2
• Superficie climatizada = 8.200 m2
METODOLOGÍA Y HERRAMIENTA UTILIZADA
El programa utilizado es el HAP de Carrier de determinación de cargas de climatización (refrigeración y calefacción) tomando como punto de partida las bases o condiciones de diseño que se expondrán en el punto siguiente.
Este programa sigue la metodología de cálculo CLTD/SCL/CLF según ASHRAE, siendo, por lo tanto, un método de cálculo hora a hora que permite determinar los valores de las cargas de refrigeración a diferentes horas del día, mes y año, la cual cosa hace posible determinar el valor punta de la carga tanto para un local como para el conjunto de un edificio, la demanda y su consumo energético.
El resultado de la simulación es la obtención de unas demandas energéticas (refrigeración y calefacción) y de unos consumos energéticos (eléctricos y de gas natural) debidos al sistema de climatización que al aplicar una de las tarifas vigentes dan como resultado unos gastos energéticos de explotación a lo largo del año.
CÁLCULO DE LA DEMANDA Y DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE UN EDIFICIO
Paso 1
Determinar zonas,
cerramientos y cond. interiores
Paso 2
Cálculo de cargas para cada zona
Paso 3
Seleccionar sistema
climatización HVAC
Paso 4
Cálculo hora a hora de los
consumos de energía
Paso 5
Cálculo de los costes
de la energía
APLICACIÓN: Carrier’s Hourly Analysis Program (HAP)HAP System DesignHAP Energy Analysis
BASES DE DISEÑO DEL PROYECTO
• Definición de los cerramientos• Definición condiciones exteriores de cálculo • Definición condiciones interiores de cálculo • Definición cargas internas • Definición de horarios de funcionamiento • Definición sistema de climatización
COMPARATIVA 1:
EDIFICIO DE VIDRIO FC + PA vs EDIFICIO 40% VIDRIO FC + PA
Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.
Reducción de 580 KW en la potencia pico y un 23% de reducción en el consumo total anual.
Potencia Total Frío (kW)
Ratio Frío (W/m2)
Potencia Total Calor (kW)
Ratio Calor (W/m2)
Consumo anual total (kWh)
Consumo anual climatización (kWh)
Edificio 100% cristal FC + PA
1.599,6 195,03 472 57,57 2.504.290 1.108.909
Edificio 40% cristal FC+ PA
1.019,9 124,35 422 51,41 1.927.086 668.206
Gráfico comparativo de costes de energía anuales
Edificio cristal 100% FC + PA Edificio 40% cristal FC + PA
56,5%HVAC Electric
3,2%HVAC Natural Gas
40,4% Non-HVAC Electric
56,5%HVAC Electric
3,2%HVAC Natural Gas
40,4% Non-HVAC Electric
42,9% HVAC Electric
4,1%HVAC Natural Gas
53,0%Non-HVAC Electric
42,9% HVAC Electric
4,1%HVAC Natural Gas
53,0%Non-HVAC Electric
COMPARATIVA 2:
EDIFICIO 40% CRISTAL FC + PA vs VAV con free-cooling + PA
Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.
Se aprecia el ahorro energético gracias al free-cooling de los climatizadores, aproximadamente un 10% de la energía utilizada para la generación de frío.
Potencia Total Frío (kW)
Ratio Frío (W/m2)
Consumo anual total (kWh)
Consumo anual climatización (kWh)
Edificio 40% cristal FC + PA
1.019,9 124,35 1.927.086 668.206
Edificio 40% cristal VAV + PA
1.056,1 128,00 1.694.652 603.661
COMPARATIVA 3:
EDIFICIO 40% VAV con free-cooling + PA vs VAV con free-cooling + PHT
Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.
Se aprecia un ahorro energético debido al aumento del COP de las plantasCOP Plantas Cond. Aire ≈ 3 COP Plantas Cond. Agua (30ºC/35ºC) ≈ 6Ahorro de un 14 % del total del consumo de energía.
Potencia Total Frío (kW)
Ratio Frío (W/m2)
Consumo anual total (kWh)
Consumo anual climatización (kWh)
Edificio 40% cristal VAV + PA
1.056,1 128,00 1.694.652 603.661
Edificio 40% cristal VAV + PHT
1.056,1 128,00 1.461.235 244.843
Gráfico comparativo de costes de energía anuales
Edificio cristal 40% VAV + PA Edificio 40% cristal VAV + PHT
Cada vez el consumo energético debido al HVAC es menor respeto al total.
42,9% HVAC Electric
4,1%HVAC Natural Gas
53,0%Non-HVAC Electric
42,9% HVAC Electric
4,1%HVAC Natural Gas
53,0%Non-HVAC Electric
32,9% HVAC Electric 0,3%HVAC Natural Gas
66,8%Non-HVAC Electric
32,9% HVAC Electric 0,3%HVAC Natural Gas
66,8%Non-HVAC Electric
COMPARATIVA 4:
EDIFICIO 40% VAV con free-cooling + PHT vs VAV con free-cooling + PHF
Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.
Se aprecia un ahorro energético debido al aumento del COP de las plantas y a la no existencia de los ventiladores de las torres.
COP Plantas Agua Torres (30ºC/35ºC) ≈ 6COP Plantas Agua Freático (20ºC/25ºC) ≈ 8
Ahorro de un 15 % del total del consumo de energía.
Potencia Total Frío (kW)
Ratio Frío (W/m2)
Consumo anual total (kWh)
Consumo anual climatización (kWh)
Edificio 40% cristal VAV + PHT
1.056,1 128,00 1.461.235 244.843
Edificio 40% cristal VAV + PHF
1.056,1 128,00 1.243.159 152.168
COMPARATIVA 5:
EDIFICIO 100% FC + PA + PHT vs Edificio 40% VAV con free-cooling + PHF
Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.
Reducción de 543 kW en la potencia pico de frío (un 33% menos).
Reducción en un 50% el consumo energético total anual del edificio y en consecuencia también del coste económico.
Potencia total frío (kW)
Ratio Frío (W/m2)
Consumo anual total (kWh)
Consumo anual climatización (kWh)
Ratio consumo total anual (kWh/m2)
Edificio 100% cristal FC + PA
1.599,6 195,03 2.504.290 1.108.909 305,33
Edificio 40% cristal VAV + PHF
1.056,1 128,00 1.243.159 152.168 151,57
COMPARATIVA mensual:
Consumo Energético de la Producción de Frío
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
160.000
180.000
200.000G
en
Fe
b
Ma
r
Ab
r
Ma
i
Jun
Jul
Ag
Se
p
Oct
No
v
De
c
(kWh)
Fan coils Ed. Vidre Fan coils Ed 40%/60% VAV Ed 40%/60%Cond AireVAV Ed 40%/60% Cond Aigua VAV Ed 40%/60% Cond Aigua+Torres