Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autora
- Susana García San Román, Directora de Proyectos, ESTEIN (Grupo Melbmex)
Resumen
Para consumir 1 kWh de electricidad en un edificio, se tienen que generar más de 3 kWh en la central donde se genera; esto es debido a las ineficiencias en el transporte por las líneas de alta tensión y a las ineficiencias en la conversión de alta a media y de media a baja tensión. En este escenario es donde la descentralización energética y la generación distribuida son una prioridad. A través de un caso de estudio analizado mediante simulación energética, se recorren los pasos a seguir para convertir un proyecto de edificio de oficinas convencional, diseñado y construido sin criterios de eficiencia energética, en un edificio de alto rendimiento que además neutraliza la huella de carbono de su operación, gracias a la generación de toda su energía mediante un sistema fotovoltaico integrado en la envolvente constructiva.
Palabras clave
NZEB, Autosuficiencia Energética, Eficiencia Energética, Edificios de Alto Rendimiento, Generación Distribuida, Descentralización de la Energía, Simulación Energética, Energías Renovables, Energía Fotovoltaica, BIPV.
Descripción del Edificio Caso de Estudio
El presente caso de estudio se centra en un edificio de oficinas de 5 plantas, con un total de 4665 m2 construidos, ubicado en la ciudad de Pachuca, Estado de Hidalgo, Méjico, a 2400 msnm. Este edificio fue construido a principios del s. XXI y el proyecto no tuvo especiales consideraciones a la eficiencia energética. Su envolvente es principalmente acristalada y las ventanas son no operables.
Estrategia de Optimización: Pirámide de Prioridades
Mediante simulación energética se realizan sucesivas transformaciones en su envolvente y sistemas con el fin de convertirlo en un edificio energéticamente eficiente y autosuficiente. Este proceso se explica mediante la pirámide de la figura 2.
La base de la pirámide es la reducción de la demanda energética. El objetivo es maximizar las opciones de funcionamiento pasivo del edificio, reduciendo el uso de sistemas mecánicos de climatización y el encendido de luz artificial durante las horas diurnas. Podríamos definir funcionamiento pasivo como aquel mediante el cual el edificio proporciona confort natural, térmico y lumínico, a sus ocupantes sin un consumo adicional de energía.
El segundo paso es la reducción del consumo energético, que se basa en la eficiencia de los sistemas instalados, su operación y los sistemas de control. Por último, y en tercer lugar, se lleva a cabo la implementación de sistemas de generación de energía renovable. Este último paso no suele ser económicamente viable si antes no se ha optimizado el edificio y su operación.
Pasos para mejorar el Balance Energético
El balance energético obtenido mediante simulación por ordenador permite detectar las estrategias a implementar para reducir la demanda energética, como se muestra en la figura 3. Tras la implementación de mejoras se genera un nuevo modelo optimizado, que muestra los resultados de la simulación para el edificio funcionando en modo pasivo. Con el consumo energético reducido al mínimo, se dimensiona el sistema fotovoltaico a instalar, que sea capaz de satisfacer toda la demanda.
Uno de los objetivos del caso de estudio es que los sistemas fotovoltaicos (FV) necesarios se integren en la envolvente del edificio en la medida de lo posible. Se propone primero una matriz fotovoltaica de vidrio semitransparente de silíceo cristalino integrada como una doble piel sobre la cubierta acristalada del atrio orientado al sureste a modo de BIPV (Building Integrated Photovoltaic). Esta superficie fotovoltaica va a incidir al menos en 3 cuestiones relacionadas con el consumo energético: el grado de transparencia de los vidrios fotovoltaicos afecta a la entrada de luz natural, a las ganancias de calor solar y a la potencia instalada de generación fotovoltaica; por ello se analizan las distintas variables para optimizar el grado de transparencia de los vidrios fotovoltaicos.
La tabla I muestra que el porcentaje de transparencia óptimo de los vidrios fotovoltaicos es 30%, ya que se logra el balance óptimo entre la cantidad de energía que se genera (61 MWh anuales) y la reducción del consumo de energía para iluminación por el aprovechamiento de la luz natural mediante controles lumínicos automatizados. Con un grado de transparencia menor, la generación energética es más alta pero no logra compensar el incremento de consumo de energía para iluminación debido a una menor entrada de luz natural. Por el contrario, si se selecciona un panel FV opaco para la doble piel del atrio, a pesar de que se van a generar más megavatioshora anuales, se incrementa la demanda de energía para iluminación, y la generación no llega a compensar el aumento del consumo.
Resultados obtenidos
El consumo energético experimenta una reducción considerable gracias a la implementación de un sistema de automatización lumínico enfocado en aprovechar la luz natural y el resto de medidas mencionadas en la figura 3, que posibilitan que el edificio funcione en modo pasivo en cuanto a climatización. La integración de renovables se realiza en 3 fases: integración a modo de sistema BIPV en la doble piel del atrio acristalado, una matriz fotovoltaica en cubierta y una matriz de parasoles en los huecos de las ventanas orientadas al sureste.
Los parasoles fotovoltaicos de la fachada sureste producen una doble mejora, ya que aparte de completar la generación energética necesaria para cubrir el 100% de las necesidades, limitan las ganancias solares por huecos acristalados, reduciendo aún más la demanda de energía mecánica para climatización y mejorando la sensación térmica al interior del edificio.
La figura 8 muestra la reducción progresiva del consumo de energía anual, que inicialmente era de 453 MWh/año y se logra bajar a 260 MWh/año, lo cual es una reducción del 43%. Con la integración de sistemas FV se logran generar 281 MWh/año, excediendo el consumo anual. Las emisiones de carbono asociadas se reducen paralelamente, de 275 toneladas anuales a un balance de -13 toneladas emitidas al año, es decir, que se logra un edificio de balance positivo en cuanto a neutralización de su huella de carbono. Este tipo de edificios van más allá de una reducción de los impactos negativos, teniendo un impacto positivo en su entorno, al inyectar a la red el excedente de energía que generan, a lo que habría que añadir los beneficios económicos en cuanto ahorro anual en costos de operación.
En este edificio el consumo principal de energía era la iluminación (fig. 9), debido a que no estaba optimizado el sistema para un aprovechamiento de la luz natural. Por eso se han enfocado esfuerzos en el sistema de control de la iluminación. En otros edificios con consumos elevados en climatización, las estrategias a proponer serían de otra naturaleza. La figura 10 muestra la reducción progresiva en la energía de origen, que es la generada en la central, suministrada por la compañía eléctrica, hasta alcanzar un valor negativo, que significa que se está generando más energía de la que se requiere para la operación anual del edificio.
De esta forma se puede afirmar que el edificio se convierte en una central eléctrica, que inyecta a la red más energía de la que extrae. Esta práctica es fundamental para lograr una efectiva descentralización de la generación eléctrica, y con ello hacer posible que cada vez haya un porcentaje más alto de energía generada con fuentes renovables, además de hacer un uso más racional de la energía, porque se eliminan las pérdidas por transporte en redes de alta y media tensión y en cada proceso de transformación.
Conclusiones
En el campo de la rehabilitación de edificios con criterios de eficiencia energética, las decisiones deberían de tomarse basadas en un análisis integral, con herramientas avanzadas como la simulación energética, y considerando los distintos parámetros que inciden en el balance energético. Se ha visto, por ejemplo, cómo un sistema de automatización de la iluminación puede originar reducciones espectaculares en el consumo anual de energía, así como las estrategias bioclimáticas aplicadas sobre la envolvente del edificio y algunas mejoras en su operación, siempre teniendo en cuenta las condiciones climáticas locales.
Algunas estrategias mejoran la eficiencia energética y el confort térmico a un coste bajo o nulo, como por ejemplo incrementar la ventilación natural en ciertos momentos del día y del año. La simulación energética también permite identificar sinergias, como por ejemplo la doble piel acristalada propuesta para el atrio, que genera electricidad y limita las ganancias de calor, al igual que los parasoles FV integrados en las ventanas de la fachada frontal.
Si cada edificio fuera capaz de generar su propia energía, se lograría un esquema de generación distribuida de la energía eléctrica, con beneficios para todos de tipo económico, social y ambiental.