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TAREB Principios de las energías renovables

1 REDUCCIÓN DE LAS NECESIDADES DE ENERGÍA

1.1 ENERGÍA DE CALEFACCIÓN

«La energía menos contaminante es la que no se usa». Afirmación obvia que resulta ser clave en el desarrollo sostenible en edificación.

En Francia, desde 1974, la regulación térmica de edicicios ha contribuido mucho a la reducción del consumo en calefacción en nuevos edificios. El consumo se ha reducido a un tercio en los últimos 30 años (Fig. 5.1).

Fig.5.1 Consumo de energía en edificios franceses de nueva construcción en los últimos 30 años (según

documentos Ademe / A.F.M.E)

Hoy la energía consumida en calefacción en un apartamento en Francia es (de acuerdo con la regulación RT 2000) entre 80 y 90 kW.h/año.m². Para el 2010 se prevé de 65 a 70 kW.h/año m². Pero se podría ir más lejos, técnicamente se podría bajar de 15 kW.h/año.m 2 (certificación "Passiv Haus" alemana) o incluso de 10 kW.h/año.m 2 (Fig 5.2).

Capítulo 5 Energía Confort y Edificios

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Fig.5.2 Consumo anual de enrgía primaria para diferentes estándares de edificación (Cahiers Techniques du Bâtiment)

Estas tecnologías están validadas en centenares de edificios. En Suiza se plantean viviendas (Figure 5.3) de 38 kW.h/año.m² siendo en la construcción tradicional 100 kW.h/año.m² (SIA 380/1) y considerando hoy que ya es muy poco 55 kW.h/año.m² .


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Fig.5.3 Resultados del Swiss Minergie program (Liebard et De Herdre)

Tabla 5.1 Uso previsto de energía (Liebard et De Herdre)

El diseño correcto requiere una estrecha relación entre forma arquitectónica e instalaciones. Se puede estimar el consumo de climatización según la transferencia de calor del edificio. El balance energético es muy sensible a 2 factores: el aislamiento y el uso de ganancias solares.

1.2 CALIDAD TÉRMICA DE LA ENVOVENTE DEL EDIFICIO

Se trata de disminuir pérdidas al exterior con el aislamiento de las paredes:

● en muros opacos, con materiales alveolares y espumas o fibras minerales

● en aberturas, con dobles vidrios, tratamientos de baja emisión,...


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Fig.5.4 Materiales aislantes (Sturm)

Fig.5.5 Fibras aislantes (Rockwool)


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El valor K (conductancia global en W/m 2.K) caracteriza la calidad aislante de los muros (denominado U en nomenclatura anglosajona). Las regulaciones térmicas (p.e. las francesas RT 2000), dan valores máximos según las zonas climáticas (Fig. 5.6).

Fig.5.6 Guías francesas de valores K máximos en distintos casos

(Guide RT 2000)

Un caso particular son los puentes térmicos (Figura 5.7), que pueden representar más del 40% de las pérdidas (CSTB).


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Fig.5.7 Puentes térmicos, que pueden representar más del 40% de pérdidas por los muros (Schöck- Rutherma)


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Fig.5.8 Los puentes térmicos destacan en una fotografía de infrarrojos (Schöck)

Fig.5.9 Sistema prefabricado para evitar puentes térmicos en enlaces muros- forjados (Schöck- Rutherma)


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Un edificio compacto (relación entre superficie envolvente y volumen habitable) también reduce las pérdidas térmicas (Figura 5.10), aunque puede perjudicar la luz natural (ver Cap. 4) .

Fig.5.10 Relación superficie/perímetro para diferentes formas de edificios.

El mismo comentario se aplica a edificios adosados (Figura 5.11).


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Fig.5.11 Ventajas de viviendas adosadas, reducción del perímetro

La calidad ambiental es dudosa en algunos materiales aislantes, caso de que se consuma más energía en su fabricación de la que pueden ahorrar en su vida útil. Materiales respetuosos con el entorno acceden al mercado actual, como son:

● fibras vegetales (hemp por ejemplo),

● lana de oveja, corcho, etc...

Con ladrillos multi - alveolares con pocas juntas se puede aislar con paredes simples.

La energía en la fabricación debe tenerse siempre en cuenta (Tabla 5.2). Los fabricantes de fibras minerales (Filmm) declaran que la energía (y CO2) usados en la manufactura de fibras es unicamente la ahorrada en un mes de uso en el edificio.


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Table 5.2 Energía interna de diversos productos aislantes (según J.P Oliva)

La calidad general del cerramiento se puede estimar con el coeficiente Kg (W/m 2.K), que valora las pérdidas por unidad de superficie interior del cerramiento; o con el coeficiente G1 (W/m3.K), por unidad de volumen interno. Si incluimos las pérdidas por ventilación tendremos el coeficiente global de pérdidas del edificio: G (W/m 3.K).

1.3 UTILIZACIÓN DE LAS GANANCIAS SOLARES DE CALOR

Aparte de los sistemas de calefacción una parte de las pérdidas de calor vienen compensadas por::

• contribuciones internas como iluminación, ocupación y otras actividades.

• ganancias solares de radiación visible e infrarroja por vidrios.

La conversión en calor de la radiación solar se produce por etapas: (Fig .5.12):

• penetración de radiación solar en el edifici,

• absorción en las superficies internos,

• calentamiento de las superficies,

• emisión de calor de las superficies por radiación de larga longitud de onda y por convección al aire interior.


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Fig.5. 12 Conversión de energía solar en calor en el edificio

El retraso desde la entrada de la radiación (contribución solar) hasta el calentamiento efectivo del ambiente (carga solar) está condicionado por la “inercia térmica interior” del edificio (capacidad acumuladora de energía térmica del mismo por grado de temperatura que se calienta)

Las superficies transparentes se caracterizan por su factor solar (Figure 5.13), relación entre la energía solar que penetra y la que incide en la superficie. Las superficies opacas también contribuyen a este factor, aunque su valor es normalmente despreciable en invierno.


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Fig.5.13 Factor Solar (Saint Gobain)

Table 5.3 Factores solares simples de distintos vidrios (Saint Gobain)

Table 5.4 Factores solares por combinación de vidrios (Saint Gobain) Con el uso de esta tecnica de captación la arquitectura se denomina «solar


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pasiva»

Los principales parámetros para la contribución de la radiación solar son:

• la energía incidente: depende de la ubicación, obstrucciones del entorno y sobre todo del tamaño del vidrio y de su orientación.

• El tipo de vidrio y su transparencia a la radiación. Los dobles vidrios tienen menores pérdidas de transmisión pero peor factor solar.

El estudio de pérdidas y ganancias de todo el período de calefacción puede mostrar (Tabla 5.5) si es aconsejable incrementar la superficie de vidrio y/o cambiar su tipo.

Table 5.5 Economía global media para diversos tipos de acristalamiento (Ademe / Arene / GdF)

La «superficie equivalente a sur» representa la de una abertura de captación total orientada en un plano vertical a sur sin obstrucciones, equivalente a la capacidad captora total del edificio.

1.4 SOBRECALENTAMIENTOS E INERCIA TÉRMICA

1.4.1 Invierno

Incluso en invierno la carga solar puede superar las necesidades de calor de un local (Fig 5.14). Los sobrecalentamientos tienen dos desventajas:

• disconfort de los ocupantes

• pérdida de una parte del recurso energético solar (apertura de ventanas).


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Fig.5.14 Sobrecalentamiento solar de locales

No toda la energía solar resulta de esta forma útil, es importante tener en cuenta para evitar sobrecalentamientos que se precisa:

• alta inercia térmica del edificio, o bien

• pérdidas de calor voluntarias

La inercia es obviamente la mejor estrategia (Figura 5.15). El suelo es importante en ella, ya que recibe el impacto directo del sol. Esto explica la idoneidad de edificios bajos y la influencia del acabado del suelo (color y resistencia térmica ).

Fig.5.15 ????? (C.S.T.B)

En una situación variable un material se caracteriza con dos coeficientes (Tabla 5.6):


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• difusividad a=c

caracteriza la capacidad de difundir una onda

térmica,

• efusividad b=c , que caracteriza la capacidad de almacenar energia,

donde: = conductividad térmica [W/m.K]

= densidad [kg/m3]

c = calor específico [J/Kg.K]


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Table 5.6 valores de difusividad y efusividad de materials típicos

(según las reglas TH- U)

Idealmente, la piel de un edificio debería incluir:

• exterior: materiales de baja difusividad para aislar de las variaciones,

• interior: materiales de alta efusividad para procurar inercia.

Si consideramos el concepto de «profundidad de penetración» por conducción:

=aT donde: T = Tiempo

Para un período de 24- horas, basta con un grueso de 10 a 15cm de material. Para edificios de calefacción intermitente, la alta inercia puede no ser tan aconsejable.

1.4.2 Verano

Si no existe aire acondicionado también hay riesgo de sobrecalentamiento y si existe el consumo de energía se puede disparar. Por ello es necesario reducir la ganancia solar en verano, lo que puede conseguirse con:

• acristalamientos de bajo factor solar,

• protecciones solares bien diseñadas (Figura 5.16),

• inercia térmica notable.

• aprovechar lel calor de la radiación solar en invierno

• protegerse de la radiación solar en verano


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Fig.5.16 Apantallamientos solares en ventanas con diversas orientaciones en distintas épocas del año (Modelización en

programa Codyba)


Note that thermal inertia is important in both summer and winter. But the design of the building must reconcile apparently contradictory conditions:

Fig.5.17 Afortunada protección solar en los pisos altos en verano, que permite el acceso del sol más bajo en invierno. (Revista Systèmes

Solaires)

Comprender el funcionamiento térmico de los edificios permite diseñarlos con un buen rendimiento energético respetando a la vez los criterior de confort.

1.5 BUFFER SPACES AND CONSERVATORIES

The envelope of the building can be protected by adding some annex accommodation that is unheated (for example, a garage). These take on a temperature between the outdoor temperature and that of the heated premises. Heat transfer through the intermediate walls is therefore less than it would be if there were direct contact with the outside (Figure 5.18).


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Este tipo de diseño arquitectónico es muy eficiente si estos espacios protegen fachadas expuestas al frío o al viento (diseño “bioclimáticoFigura 5.19).


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Fig.5.18 Reducción de pérdidas con espacio intermedio no calefactado


Fig.5.19 Edificio que muestra los principios básicos de arquitectura bioclimática (Asder / Pierre Rieussec)


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Fig.5.20 Edificio que utiliza la energía solar (Asder / Pierre Rieussec)

En condiciones estáticas se puede determinar en el espacio intermedio el “ coeficiente de reducción de temperatura”:

=INT−

INT−EXTcon =

DPE0.34QY

DPEAPM0.34QY

Siendo θ la temperatura en el espacio intermedio y para 1K de diferencia de temperatura:

• DPE : pérdidas al exterior por los cerramientos del espacio intermedio

• APM : ganancias por las paredes intermedias,

• QY : caudal de aire de renovación a través del espacio en situación normal.

Con acristalamientos y exposición al sol el espacio intermedio puede ser una fuente de calor para el edificio mediante el efecto invernadero (Figura 5.5.c).


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Fig.5.21 Flujo de calor día y noche a través de un invernadero (A.F.M.E)

La ventilación del edificio puede aprovechar el aire precalentado en el invernadero.(Figura 5.22).

Fig.5.22 El invernadero calienta el aire que entra

Un invernadero puede reducir las necesidades de calefacción (Figura 5.23), pero debe vigilarse que no produzca sobrecalentamientos en verano usando protecciones solares y ventilación independiente.


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Fig.5.23 Ahorro de calefacción con un invernadero

(Le Moniteur / Guide des recommandations)

2 SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES ACTIVOS

2.1 PRINCIPIOS

Se puede captar la energía solar con sistemas específicos, añadidos a la arquitectura del edificio. En estos casos un captador transmite el calor a un fluido (agua o aire), que puede usarse para calentar el edificio, generalmente en colaboración con un sistema convencional de calefacción, para compensar la variabilidad de la radiación solar, este sistema puede ser:

• calefacción eléctrica adicional electric,

• caldera de combustible f- osil conectada al circuito de agua caliente,

• fuego de leña

La acumulación de la energía puede compensar la variabilidad solar. El calor se acumula cuando hay sol y se cede cuando no lo hay (Figura 5.24). La inercia del edificio también es una forma indirecta de acumulación, pero a menudo se usa:

• un depósito de agua caliente,

• modulos con material de cambio de estado,

• almacenamiento en un lecho de piedras (con sistemas de aire caliente).


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Fig.5.24 Sistemas de acumulación en un sistema solar térmico activo

(Comunidad europea)

Fig.5.25 Bloques usados como depósito térmico

(Comunidad Europea)

La desventaja de estos depósitos son, el coste extra y la ocupación de espacio.

El aporte solar varía según la latitud y el clima local, en Francia las horas de sol anuales van de 1500 a 3000 (2270 en La Rochelle). La calefacción solar es válida en todas partes ya que un período de uso más largo compensa el menor potencial solar y ahorros entre 400 y 500 kWhm² ya son viables económicamente. La cobertura solar puede así variar del 30 al 70%. Se han propuesto muy diversos sistemas posibles, pero la complejidad mayor no implica un mejor rendimiento.


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2.2 PARED CAPTADORA

Esta técnica está en la linea divisora entre sistemas activos y pasivos (Figura 5.26). Este diseño (conocido como pared «Trombe»l) es ya antiguo. Sus ventajas son:

• carece de elementos móviles, funciona con un mínimo mantenimiento,

• el almacenamiento térmico en períodos cortos queda incluido en el sistema,

• la integración arquitectónica es relativamente fácil.

Fig.5.26 El muro Trombe (A.F.M.E)

Por otro lado el diseño queda condicionado por la disposición de las paredes y del entorno del edificio. La ganancia térmica es a menudo limitada e insuficiente (Figura 5.27, Tabla 5.7).


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Fig.5.27 Configuraciones de paredes solares

Table 5.7 Aportes energéticos de paredes solares según Fig 5.27

(Simulaciones según Zalewski, Lassue, Duthoit et Chantant)

El funcionamiento de estos muros implica el control de sistemas de sombreado y de pasos del aire (Figura 5.28), que puede ser automático pero usualmente es de los usuarios.


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2.3 FORJADO SOLAR DIRECTO

Captadores planos de agua suministran agua caliente a baja temperatura a tuberías de plástico empotradas en el pavimento de hormigón (Figuras 5.29 y 5.30).


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Fig.5.28 Los edificios con muros solares necesitan ocupantes activos (Revue Cahiers Techniques du

Bâtiment)


Fig.5.29 Sistema de suelo solar de calefacciónClipsol)

Fig.5.30 Esquema de un sistema solar térmico

La necesidad de una baja temperatura en una calefacción por suelo radiante (máxima temperatura superficial de 28°C) con control termostático, es favorable para sistemas de captadores planos que tienen su mejor rendimiento a baja temperatura. (fig 5.31).


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Fig.5.31 La baja temperatura de trabajo mejora la eficiencia

En el caso de muros captores, la inercia térmica del suelo de corto período forma parte del sistema (Figura 5.32). El grueso normal es de 12 a 15cm, hasta 30cm.

Cuando no es posible la energía solar, una caldera (Figure 5.33) puede dar calor al agua (instalación de apoyo), salvo que se use una calefacción auxiliar independiente (electrica por ejemplo). Esta última solución es más cara pero más cómoda.


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Fig.5.32 El rendimiento de la energía solar mejora con la masa del suelo (Ademe / Asder / Cler)


La integración del sistema es fácil y la solución técnica convencional, la única dificultad puede ser la presencia de los captadores solares. La superficie de captación es de entre 12 y 20 m² para 100m² de superficie habitable. La energía ahorrada es normalmente entre 350 y 400kW.h/m² , lo que significa entre el 30 y el 60% de las necesidades. En verano los captadores pueden suministrar agua caliente sanitaria o calefactar una piscina.

2.4 CAPTADOR CON BOMBA DE CALOR

Este sistema usa el agua calentada solarmente a baja temperatura para mejorar el rendimiento del evaporador de una bomba de calor que suministra agua caliente a radiadores o suelos radiantes. También puede usarse un captador solar sin cubierta directamente como evaporador de la bomba de calor.(Figuras 5.34, 5.35).


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Fig.5.33 Calefacción de apoyo integrada en un sistema solar por suelo radiante


Fig.5.34 Esquema de un captador y bomba de calor

Fig.5.35 (Revista C.F.P)

Este sistema resulta complejo (máquina termodinámica) y conserva los problemas de la bomba de calor como sistema de calefacción (hielo que reduce el rendimiento).

Desde el punto de vista ambiental el uso de un fluido refrigerante ofrece ciertas reservas (efecto invernadero, capa de ozono, et.). Motivos acústicos pueden ser también un impedimento. En el futuro pueden ser una solución máquinas de absorción de bajo consumo.


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3 CONFORT DE VERANO

3.1 REDUCCIÓN DE CARGAS SOLARES

El confort térmico en verano es hoy importante, sobre todo en edificios terciarios y residenciales, con elevados consumos si el diseño o los equipos son inadecuados. Así el acondicionamiento del aire a conducido a:

• demanda punta eléctrica que requiere nuevas centrales de energía,

• contribución en áreas urbanas a incrementar las islas de calor por los condensadores de las máquinas de refrigeración.

Con un adecuado diseño térmico se pueden reducir o suprimir las necesidades de refrigeración. Podemos afirmar que este objetivo que se puede conseguir:

• una reducción de los aportes internos, con alumbrado artificial y equipos más eficientes (p.ej. computadoras con sistemas de ahorro energético),

• una redución de cargas solares con protecciones o vidrios de bajo factor,

• el uso de la inercia térmica para suprimir las puntas de temperatura.

Durante el día la temperatura media de un edificio sin aire acondicionado no puede ser inferior a la media de temperaturas exteriores, sin embargo, un buen diseño puede limitar la temperatura máxima dentro de los límites del confort. Durante la noche se puede evacuar la energía acumulada de día con una buena ventilación nocturna, incrementando por ejemplo las renovaciones de 1 a 20,.

3.2 AIRE ACONDICIONADO ESTÁNDAR

Optimizando el funcionamiento de la climatización, especialmente usando la refrigeración gratuita con aire exterior cuando su temperatura es menor que la del interior, rebaja los consumos incluso con sistemas con transferencias de calor entre zonas (con bombas de calor o circuitos de agua en anillo, p.ej.).

Además, la eficiencia de los equipos se consigue:

• compresores de mayor rendimiento (rotativos, válvula electrónica de expansión,...),

• control ajustado de los refrigeradores (inversor de velocidad variable),

• centralización del mantenimiento de las instalaciones (Building Management System).

Según la directiva europea del 22 de Marzo del 2002, los climatizadores deben tener una etiqueta de eficiencia energética según 7 categorías (Figura 5.36). A pesar de ello los sistemas de climatización son todavía altos consumidores de energía.


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3.3 AIRE ACONDICIONADO ALTERNATIVO

Entre los sistemas que pueden mejorar el confort sin refrigeración, existen:

• sistemas evaporativos (climas secos): el frío se obtiene del calor latente de evaporación. Se puede pulverizar agua directamente en el espacio o en aire de ventilación del mismo, o incluso con más complicación en el de extracción, recuperándose el frío al de entrada con un intercambiador de calor (Figura 5.37),

• tubos enterrados (climas continentales): el aire pasa por conductos subterráneos a profundidad suficiente para tener una temperatura estable (la media de un largo período de tiempo) (Figura 5.38).


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Fig.5.36 Sistema europeo de etiquetado para instalaciones de aire acondicionado(Revista Clim

Pratique)


4 AGUA CALIENTE DOMÉSTICA

Usada para limpieza y lavado, es una fuente importante de consumo energético:

• en agua potable: el consumo depende mucho de las costumbres de los usuarios, además no es regular en el tiempo, con máximos en verano y fines de semana. Se consideran consumos del tipo de 100 a 150 l de agua caliente a 60°C en una casa de tres dormitorios, con un incremento en estos valores del 3 al 5% anual (estudio de Gaz de France)

• en energía: en viviendas representa cerca del 20% del consumo energéticor (Energy Observatory), fácilmente se alcanzan los 1000


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Fig.5.37 Refrigerador evaporativo con intercambiador de calor

Fig.5.38 Refrigeración con conductos subterráneos


kW.h/año por persona (Figura 5.39, Tabla 5.8).

Table 5.8 Energía usada en limpieza en pisos franceses (Ecuesta C.E.R.E.N)

Se pueden usar dispositivos para reducir el consumo, grifos termostáticos y otros.La producción de agua caliente puede ser:

• por vivienda individual (calentador, caldera de doble función),

• sistema central por edificio o de distrito con una red urbana.

El sistema individual reduce pérdidas en tuberías y favorece el ahorro, aunque puede ser más incómodo. El centralizado elimina el mantenimiento individual, aumenta la eficiencia de la caldera, pero precisa colocar contadores individuales.

4.1 PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE

A) SistemasIndividual o centralizada, la producción puede ser:

• instantanea: si se produce cuando se consume,


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Fig.5.39 Incremento del consumo de energía por persona en Francia (Revue Plein soleil / C.N.R.S-EcoDev)


• con depósito total: toda el agua se calienta y se mantiene así,

• semi- almacenamiento, se precalienta una parte y el resto es instantaneo,

• semi- instantáneo: consumos pequeños instantáneos ayudados con un pequeño depósito para momentos punta.

B) Agua caliente solar

El agua caliente sanitaria solar es una técnica relativamente simple, lo que favorece su utilidad por encima de la calefacción, aunque afecte a consumos menores. En Francia un captador orientado a sur con una inclinación igual a la latitud del lugar recibe al año entre 1200 y 1800 kW.h/m², valor importante en este uso. Un captador solar para agua caliente consta de:

• un captador plano de temperatura de trabajo media (mínimo 50°C), que requiere cubierta de vidrio en el mismo,

• un depósito por ejemplo de unos 100 l para 2 m² de captadores

• una simple red de tubos entre depósito y captador,

• una fuente de calor adicional, a menudo eléctrica,

• un equipo de control y reparto entre las dos fuentes de energía.

En la versión más simple el agua de uso circula directamente por gravedad a través del captador (Figura 5.41).


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Fig.5.40 Captador solar con cubierta de vidrio (Agence Méditerranéenne de l'Environnement)


Si existe peligro de helada en el captador es necesario usar un circuito primario con anticongelante y un intercambiador de calor interior (Figura 5.42).


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Fig.5.41 Diagrama de un sitema solar de agua por gravedad

Fig.5.42 Captador solar por gravedad con intercambiador de calor


Es fácil ahorrar solarmente entre el 40 y el 60% de la energía. Un estudio francés de Ademe muestra posibles valores entre 60 y 75% según el lugar, con un captador de 4m² con un depósito de 160 litros. El mínimo aconsejabler es de 1m² de captador para una demanda de100 litros (Tabla 5.9).

Sobredimensionar la superficie captora no mejora la eficacia del sistema, pero lo encarece sobremanera. Para sistemas centralizados los captadores son similares, pero es necesario separar completamente el circuito primario del secundario, por ejemplo con dos depósitos en serie. (Figura 5.44).


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Fig.5.43 Sistema por gravedad con el equipo asociado (E.d.F / Giordano)

Table 5.9 Superficie d panel solar y depósito para distintos tamaños de vivienda (Revue Sycodes)


En Francia el objetivo propuesto es el de alcanzar las 30 000 unidades anuales en el 2006, confiando alcanzar los 350 000 m² de captadores instalados entre

1999 y el 2006. En sistemas centralizados, para 50 000 m² se precisan anualmente 15 000 m² .

5 Sistemas de refrigeración pasiva

5.1 Introducción

Existen 3 tipos de sistemas de energías renovables para el enfriamiento de edificios:

1. sistemas pasivos

2. sistemas o técnicas híbridas

3. sistemas o técnicas de baja energía

5.2 Sistemas o técnicas pasivas

Reducen el consumo de energía sin usar sistemas mecánicos, utilizando energías renovables o geotérmica.

5.2.1 Refrigeración pasiva radiante

La refrigeración radiante se produce por las pérdidas térmicas por radiaciones de onda larga de un cuerpo a otro de menor temperatura. Es un fenómeno


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Fig.5.45 Depósitos de agua caliente acoplados en serie en un sistema centralizado (Revista Vecteur Gaz)

Fig.5.44 Sistema de agua caliente solar centralizado (A.F.M.E)

http://learn.unl.ac.uk/~tareb/kite/tareb/lea/finals/docs/binary/chapitre8_1.html




natural al tener el entorno del edificio una temperatura menor que la del mismo, así la piel del mismo radia energía hacia el entorno y se enfría.

En época de calor la piel del edificio está más caliente que el entorno, radia energía hacia el mismo y hacia el cielo y se enfría, robando calor del interior. El rendimiento depende sobre todo de la diferencia entre la temperatura superficial de la piel y la del cielo así como del acabado de la superficie envolvente del edificio.

A. Uso de pinturas reflectantes La forma más simple de refrigerar un edificio es pintar sus superficies exteriors de blanco. La radiación se produce en larga longitud de onda y las pinturas negras o blancas emiten lo mismo para esta longitud de onda, pero la pintura blanca absorbe mucho menos la radiación solar en el día, lo que mantiene más fría la superficie.

B. Instalación de aislamiento móvil en la cubiertaManual o automático, el aislamiento móvil se cierra durante el día y se abre de noche para ceder radiación al cielo y enfriar su masa térmica. En invierno puede funcionar a la inversa, pero su eficacia será mayor en latitudes bajas en las que el sol de invierno no incide demasiado horizontalmente. Es algo costoso y no utilizable eficazmente en edificios de varias plantas de altura.

5.2.2 Refrigeración evaporativa

El calor latente de evaporación enfría el aire, especialmente en climas secos. Puede ser directo, con el agua en contacto con el aire del ambiente o con el que penetra en el mismo; o indirecto cuando se usa un intercambiador de calor, en donde se produce la evaporación sin que se afecte la humedad del aire del ambiente. Otra clasificación depende de la presencia o no de sistemas mecánicos (ventiladores) para mover el aire (sistemas híbridos), si no es así el sistema será pasivo.

Sistemas directos de enfriamiento pasivoSe trata del uso de vegetación para producir evapotranspiración, fuente, cascadas, estanques,... Arboles y plantas transpiran humedad, como un arbol tipo de hoja caduca que evapora unos1460kg de agua en un día soleado de verano lo que corresponde a 870MJ, que es el efecto refrigerante de 5 acondicionadores de aire. La refrigeración evaporativa es efectiva en zonas donde la temperatura del bulbo húmedo está por debajo de los 21°C.


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Otra forma de refrigeración evaporativa es una torres humedecida con agua, el aire que entra se enfría por evaporación y se hace penetrar en el edificio.

Sistemas indirectos de refrigeración pasiva

Se pueden aplicar las técnicas siguientes:

A. Cubiertas regadasMuy interesante ya que la refrigeración se produce en la parte del edificio que más calor recibe. Se utilizan surtidores que inyectan agua controladamente dependiendo de las necesidades y de las condiciones de humedad del aire.

B. Cubiertas estanqueEstanques situados sobre techos no aislados, a ser posible sombreados de día, que son eficientes con temperaturas del bulbo húmedo de menos de 20°C, aunque:

• Los techos deben soportar un peso importante.

• Solo son útiles en edificios de una sola planta.

• La impermeabilización debe ser perfecta.

C. Láminas de agua móvilesLa evaporación se incrementa con la velocidad del agua, acumulándose el agua fría bajo el edificio y circulándola bajo el piso para enfriarlo.

5.2.3 Control solar (elementos de sombra fijos y vidrios)

Se puede reducir la radiación con pantallas fijas y/o con vidrios especiales. Estos elementos deben reducir los aportes solares en períodos cálidos sin


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Fig.5.46 Edificio con torre evaporativa


afectarlos en invierno y además mejoran el confort visual. Pueden ser internos o externos.

El uso de protecciones solares es eficiente minimizando aportes solares y con un ambiente visual aceptable. Hay tipos diversos posibles:

• Aleros: Además de sombra protegen de la lluvia paredes y aberturas, sin afectar mucho la vista y la ventilaccción. Son ideales en fachadas a sur.

• Aletas: Afectan la vista y la ventilación. Se usan en fachadas a este y oeste.

• Celosías: Afectan la vista y la ventilación, pero pueden dar seguridad.

• Cortinas y elementos de obra. La tabla siguiente da valores del factor de sombra

Table 5.10 Shading factor for curtains and blinds, [3]

Shading device Shading factor

Cortinas interiores

- claras 0.44

- oscuras 0.65

Persianas venecianas interiores

- ángulo 0º 0.38

- ángulo 45º 0.41

• Persianas venecianas interiores y exteriores

• Cualquier combinación de elementos


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Fig.5.48 Façade with side fin

Fig.5.49 Celosía vertical exterior

Fig.5.47 Fachada a sur con alero

Fig.5.50 Venecianas exteriores


El uso de tipos especiales de vidrio reduce los aportes solares y/o mejora las condiciones visuales (reduciendo deslumbramientos), algunos tipos de vidrio son:

• Muy reflectante de color gris.

• Coloreado de alta reflexión.

• Baja emisividad, cubierta especial con bajo factor de emisión

5.2.4 Intercambiador de calor con contacto directo al suelo

Si una parte del edificio está en contacto con el terreno, intercambia energía con el mismo. En verano el terreno toma calor y en invierno lo cede, su temperatura depende de la profundidad, tipo de suelo, humedad y acabado superficial.

5.2.5 Chimeneas solares

Son típicamente tubulares y de un material muy conductor, se calientan con la radiación solar (mejor con efecto invernadero) y se crea un impulso ascendente del aire caliente interior. Su construcción es simple y económica. Incapaz de proporcionar caudales elevados de aire, asegura una ventilación constante y mayor cuando más fuerte es el asoleo.


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Fig.5.51 Ventanas rehundidas

Fig.5.53 Doble vidrio transparente de baja emisividad

1 2 3 4

Air g

ap12

mm

Glazing6mm

Glazing5mm

Low – E coating

1 2 3 4

Air g

ap12

mm

Glazing6mm

Glazing5mm

Low – E coating

Fig.5.52 Venecianas interiores


Fig.5.54 Chimenea solar

5.3 Sistemas híbridos

5.3.1 Refrigeración radiativa

En este caso se utiliza un panel metálico que se enfría radiando al cielo y enfriando un fluido que circula en su interior movido por una bomba o un ventilador.

Descripción de un refrigerador de aireSe trata de un conducto horizontal rectangular. Su cobertura es el radiador, normalmente de metal pintado de negro mate. Bajo el mismo circula el aire por una cámara de unos 4 cm, el resto de la envolvente se aisla adecuadamente. El revestimiento ideal no debería absorber las radiaciones de onda larga, materiales selectivos apropiados para ello son óx idos y carbonatos de titanio, aluminio y calcio. Normalmente no tienen cubierta de vidrio, pero a veces están protegidos con una pantalla que reduce las ganancias de calor que podrían producirse con el aire exterior más caliente.

Las características de un refrigerador radiante típico son las siguientes:

Longitud: 10 – 15mAnchura: 1mGrueso de la placa: 2 mmEmitancia del recubrimiento: 0.90Ancho del conducto: 1 – 3 cmTransmitancia de la cubierta (si existe): 0.75 en larga longitud de onda


44


FuncionamientoLa placa radiante se enfría por radiación al cielo nocturno, el aire que circula en la cámara se enfría y se insufla en el espacio a acondicionar. Puede trabajar en circuito abierto (enfriando el aire exterior) o cerrado, recirculando el aire interior.

5.3.2 Refrigeración evaporativa

Refrigeradores híbridos de aireFuncionan con un material poroso saturado con agua. Un ventilador hace circular el aire por el mismo impulsado por un ventilador y se enfría evaporando agua. Los elementos principales del sistema son:

• Una bomba de impulsión

• Un ventilador

• Una superficie mojada (eficiencia a la saturación: 0.6- 0.9).

• Un sistema de inyección de agua

• Un separador de gotas

• Un depósito de agua

• Un regulador del nivel del agua.

Son sistemas económicos de funcionamiento pero de difícil control de humedad.

Refrigeradores híbridos de aire indirectosUsan un intercambiador de calor, el aire circula por el primario mientras se produce la evaporación y se enfría el aire del secundario con el intercambiador sin afectar su humedad absoluta. Es necesario que la temperatura interior del bulbo húmedo sea inferior a la temperatura exterior del bulbo seco. Los componentes del sistema son:

• Intercambiador de calor

• Dos ventiladores

• Dos filtros

• Una bomba de agua

• Un sistema de inyección de agua

• Un depósito de agua

La eficiencia a la saturación es de 0,6 a 0,8 definida como sigue:


45


“prim” y “sec” se refieren a los circuitos primario y secundario circuit, “in” y “out” el entrante y el saliente y “db” y “wb” el bulbo seco y húmedo respectivamente.

Son equipos de escaso consumo y funcionamiento sencillo. Los sistemas indirectos tienen la ventaja de que no afectan la humedad del aire interior.

5.3.3 Intercambiador de calor con el suelo

Se trata de un tubo enterrado por donde se hace circular un fluido (aire o agua) que se utiliza en un sistema convencional de climatización para pretratar el fluido de trabajo. Es un sistema simple de coste relativamente bajo.

5.3.4 Almacenamiento con lecho de grava


46

Fig.5.55 Refrigerador evaporativo indirecto

Fig.5.56 Tuberías horizontales enterradas

(con permiso de .E.A.CY. S.A.)Θ


Es un sistema de almacenamiento de calor, donde un fluido de transferencia (normalmente aire impulsado por un ventilador) cede calor procedente de un sistema de captación (u otra fuente de calor). En el día recibe energía que acumula en piedras, gravas, carámica rota u otro material. La porosidad de la masa térmica debe ser uniforme para igualar temperaturas y se situa usualmente enterrado para protegerlo de pérdidas de calor.

5.3.5 Control solar (protecciones móviles, acristalamientos)

Se trata de optimizar el control de la radiación solar. Los sistemas móviles se pueden adaptar a las condiciones del clima. Los tipos más comunes son.

• Celosías: Afectan la vista, algo a la ventilación pero dan seguridad..

• Persianas interiores o exteriores plegables o enrrollables.

• Combinaciones diversas, con o sin aleros, repisas, etc.

Algunos tipos de acristalamiento pueden actuar como móviles, como los de transmitancia variable.


47

Fig.5.58 Persianas venecianas exteriores

Fig.5.59 Protección de reja metálica y persianas enrrollables

Fig.5.57 Claraboya con persiana interior con BMS


5.4 Sistemas activos de baja energía

Son sistema mecánicos que no usan energías renovables pero tienen un bajo consumo energético. Estos sistemas son:

5.4.1 Sistema recuperador de calor

Reduce el consumo de energía por ventilación, sea calor o frío, lo que resulta especialmente indicado en edificios con mucha ventilación, como oficinas, restaurantes,... El sistema consta de dos ventiladores y un intercambiador de calor, donde el flujo de un fluido intercambia energía por convección con otro fluido que va en dirección contraria. El fluido puede ser gas, líquido o vapor, aunque normalmente son aires, de ventilación y de extracción, o agua que se expulsa con agua que entra.

5.4.2 Ventiladores de techo

El uso de ventiladores de techo no reduce pérdidas de energía pero incrementa el confort térmico con temperaturas altas y reduce indirectamente las necesidades de refrigeración al crear una sensación térmica inferior en unos dos grados.


48

Fig.5.60 Acristalamiento de transmitancia variable

Fig.5.61 Representación de un intercambiador de calor


La potencia nominal es de unos 60–100 Watios, lo que debe restarse del posible ahorro de energía. La tabla 1 muestra tipos recomendados para locales de diversos tamaños. En general se precisa un ventilador cada 9- 25m² y la distancia recomendadas entre las palas y el suelo es de 2.10–2.75m, y hacia el techo de 0.30–0.75m.

Table 5.11. Ceiling fan sizing chart, [1]

Mayor dimensión del local

Diámetro mínimo del ventilador (m)

3.5m o menos 0.90m

3.5 – 5.0m 1.20m

5.0 – 5.5m 1.32m

5.5 – 6.0m 1.42m

6.0m o más 2 ventiladores

5.5 Referencias

1. Passive Building Design – A Handbook of Natural Climatic Control, Bansal N.K., Elsevier, 1994

2. Natural Cooling Techniques, M. Santamouris – D. Assimakopoulos, 19953. Thermal Analysis for Summer Comfort in Buildings, M. Santamouris – D.

Assimakopoulos, 1995


49

Fig.5.62 Ceiling fan in classroom


6 ENERGÍA EÓLICA

6.1 Potencial del viento

6.1.1 Situación actual

• más del 50% de energía utilizable en edificios (London 75%)

• UK objetivo del 10% de energía renovable en el 2010

• UK objetivo del 20% de energía renovable en el 2020

• la energía eólica es la aconsejable fuente de energía renovable

6.1.2 Recursos eólicos

6.1.3 Relación recursos eólicos - demanda


50

Fig.5.64 Recursos eólicos en el oeste de Europa

Fig.5.65 Recursos eólicos - demanda

Fig.5.63 Recursos eólicos en UK


6.1.4 Opciones

• En el agua de gran tamaño (>100kW)

• En tierra de gran tamaño (>100kW)

• En tierra de medio/pequeño/micro tamaño

• En edificios de medio/pequeño/micro tamaño

6.2 Grandes instalaciones

6.2.1 Economías de escala

Potencia del viento = 0.5 A v 3 donde: ρ = densidad del aire

A = area total del rotor = rπ 2

v = velocidad del viento

La potencia crece con ….

• el cubo de la velocidad del aire

• el cuadrado del radio del rotor

• la altura (relación del logaritmo natural)

… por ello se instalan rotores de gran diámetro en torres altas en zonas de alta velocidad del viento

6.2.2 valores en el Reino Unido

• 86 centros de molinos en el agua

• 1066 turbinas

• 683MW capacidad teórica

• suministro de enrgía para 440,000 viviendas

• la amortización típica de la energía es típicamente de 2 meses


51

Fig.5.67 Gran tamaño en tierra

Fig.5.68 Turbinas en un edificio

Fig.5.66 Gran tamaño en el mar


• 1.5M toneladas de reducción de CO2

6.2.3 Costes comparativos

6.3 Instalaciones cercanas a edificios

6.3.1 Instalaciones de tamaño medio/pequeño

• Tradicionalmente se instalan a una distancia mínima de cualquier obstáculo de 10 a 20 veces la altura del obstaculo o en una torre al menos del doble de la altura del obstáculo (Figura 5.70)

• …. o instalado en campo abierto de un tamaño mínimo de 64m x 64m para una turbina capaz de alimentar una vivienda (AWEA)

• Estos requerimientos se refieren a casos del Reino Unido


52

Fig.5.69 Coste estimado de energías renovables y fósiles en el 2003 (UK)


Fig.5.70 Criterios para situar turbinas cerca de obstáculos

6.3.2 Razones para evitar edificios

• La velocidad del viento crece más lentamente con la altura sobre un terreno “rugoso” (p.ej. En zonas urbanas) que en campo abierto

• La interacción del viento con los edificios crea turbulencias a su alrededor

• Reducción de la energía producida por velocidades más bajas y posibles averías de las turbinas debido a las turbulencias


53


6.3.3 Razones para escoger edificios

• Altura de inicio superior sin necesidad de grandes torres

• La turbulencias pueden crear localmente vientos más fuertes

• Rendimientos energéticos más altos que en lugares abiertos


54

Fig.5.71 Diferencia de velocidad del viento entre zonas rurales y urbanas

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100

150

200

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

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(m)

city centre

Fig.5.72 Turbulencias alrededor de edificios


Según las condiciones pueden existir flujos de viento limpios junto a edificios:

La velocidad del viento puede crecer detrás del edificio en comparación con el caso sin edificio (Figura 5.75).


55

Fig.5.73 Velocidad del viento en áreas urbanas

Fig.5.74 Flujos limpios junto a edificios


6.4 Integración de turbinas eólicas con edificios

Las posibilidades de integrar eólicas en edificios incluyen:• aisladas, con turbinas cerca de los edificios

• instaladas en los mismos edificios

• integración total, con edificios donde las turbinas definen la forma arquitectónica

6.4.1 Tipos de turbinas

6.4.1.1 Turbinas de eje horizontal (HAWT)

• eficientes (idealmente por encima del ~50%), pero...

• delicadas con cargas turrbulentas

• .....y potencialmente ruidosas, especialmente con turbulencias...


56

no above building building

Fig.5.75 Distribución de velocidad del viento detrás de un edificio


6.4.1.2 Turbinas de eje vertical (VAWT)

• son menos eficiente, pero ...

• mucho menos delicadas frente a turbulencias

• y son silenciosas

6.4.2 Turbinas incorporadas en edificios


57

Fig.5.77 Ejemplos de VAWT

Fig.5.76 Ejemplos de HAWT


6.4.2.1 Características

• Tipicalmente de potencia entre 1kW y 10kW

• Típicalmente alcanzan una media anual del 30% de eficiencia

• Una vivienda británica media consume 4,377kWh/año – posible con una turbina de 1.7kW al 30%

• Una vivienda de Estados Unidos consume 10,392kWh/año – posible con una turbina de 4.0kW al 30%

• Puede ser que no cubra toda la potencia eléctrica de un edificio multiocupado, pero puede cubrir una parte, alumbrado por ejemplo.

6.4.2.2 Ruido y vibraciones resultantes de eólicas en edificios

• Posibles ruidos a los vecinos

• Posibles vibraciones molestas

• Ruido y vibraciones dependientes de la dirección y fuerza del viento

• Falta de datos certificados del ruido que producen

• El ruido de las trubinas horizontales crece con las turbulencia y ráfagas de viento, pero es difícil encontrar un procedimiento válido de medida

6.4.3 Turbinas integradas con los edificios

Pueden generar formas aruitectónicas si se integran totalmente.

6.4.3.1 Tipos

• Concepto difuso (Figura 5.79)

• Concepto radical ('Bluff body') (Figura 5.80)


58

Fig.5.78 Ejemplos de turbinas en edificios


6.4.3.2 Energia potencial obtenida de turbinas integradas


59

Fig.5.80 Concepto radical (TU Delft, según Mertens)

Fig.5.79 Concepto difuso (TU Delft, según Mertens)


6.4.3.3 Ruido y

vibraciones en turbinas integradas en edificios

• Ruido potencial a los vecinos (típicamente 95dB(A) hasta 105dB(A) SWL para un rotor de 30m – 40m de diametro)

• Vibraciones inducidas potenciales en el edificio

• El ruido proviene específicamente de la misma instalación

• El ruido con eje horizontal crece con las turbulenias

• El caracter variable del ruido aumenta con viento a ráfagas con eje horizontal

• Con eje horizontal las interacciones rotor/estator pueden producir caidas de potencia

• Necesidad de ventanas herméticas y ventilación artificial (mayor consumo de energía) en locales cercanos a los rotores


60

Fig.5.82 (after Blanch)

Multi-Turbine Twin Tower Buildinglocated in Dublin

0

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25 50 100 150 200 250 300 350 400

Annual Electricity Demand for Building (kWh/m2 of net floor area)

% o

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urban site

Naturally Ventilated Air-Conditioned

Fig.5.81 (CCLRC)


7 INTEGRACIÓN DE FOTOVOLTAICAS EN EDIFICIOS

7.1 VENTAJAS DE LAS FOTOVOLTAICAS

Son sistemas de características atractivas además sus beneficios ambientales, socioeconómicos, arquitectónicos y técnicos. Es una energía ambientalmente benigna y evita la pérdida de recursos naturales, puede producirse a cualquier escala y es rentable a corto , medio y largo plazo.

Existen ya innumerables usos posibles en los edificios, además de ofrecer posibles diseños atractivos cubre las demandas sociales y culturales, genera empleo e industrias emergentes y conciencia al público en temas medioambientales. Su versatilidad permite integrarlos en edificios u otras estructuras, reemplazand incluso otros elementos constructivos y en las ciudades pueden aplicarse facilmente.

El funcionamiento es técnicamente sencillo, se genera energía limpia de emisiones (02, NOx y SOx), con escaso mantenimiento y recupera rápidamente la energía de fabricación. Por ello son politicamente interesantes en la Agenda Local 21, como en foros internacionales ( Protocolo de Kyoto o el libro blanco europeo de la energía).

El mundo de la energía solar crece y cambia rápidamente y los proyectos fotovoltaicos forman un mercado que se dobla cada tres años. Los sistemas conectados a la red están creciendo, sobre todo en Europa, ya que es la mayor aplicación potencial. Estos sistemas integrados en los edificios se espera que alcancen en el 2010 el 50% del mercado global fotovoltaico y en Europa los valores son todavía mayores.

7.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS (SISTEMAS PV)

Estos sistemas se han instalado en muchos tipos de edificios en muy diversas

formas. Desde cubiertas ligeras de edificios industriales a fachadas de edificios comerciales y el número de instalaciones está creciendo. Los sistemas conectados a la red son los de mayor futuro en el desarrollo posible y es la


61

Fig.5.83 Integración fotovoltaica en edifcios, invernadero, fachada y revestimiento


única tecnología renovable y generadora de energía eléctrica aconsejable para desplegarse ampliamente en zonas urbanas.

La vida útil para un módulo fotovoltaico supera los 20 años, ya que carece de elementos móviles y son los componentes auxiliares los que limitan su duración (estructura de soporte, inversor o cableado). Es importante controlar que la vida del conjunto no se acorte por culpa de un componente defectuoso o una mala instalación, los componentes de vida corta deberán ser fácilmente reemplazables.

Estos sistemas pueden también tener una utilidad adicionaI como parte del revestimiento impermeable de paredes o cubiertas.

Se recomienda la monitorización de estos sistemas para verificar su buen funcionamiento e identificar problemas. Son elementos silenciosos, sin partes móviles y por ello un funcionamiento defectuoso puede pasar inadvertido.

7.3 INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA

Estos sistemas no solo suministran energía, sinó que forman parte del edificio, del que son un componente más. Las células individuales se conectan en serie y en paralelo para formar placas que, bajo la radiación solar, generan corriente contínua que puede usarse o almacenarse en baterías, también se puedeconectar a un inversor para producir corriente alterna sincronizada con la de la red, lo que permite el funcionamiento combinado con el suministro de la compañía eléctrica.

Existen diversos tipos de sistemas clasificables en dos categorías principales: de fachadas y de cubiertas. Los primeros incluyen productos para muros cortina, paneles y acristalamientos. Los segundos comprenden tejas, placas, claraboyas, etc. Los módules pueden incorporarse estéticamente como componentes del edificio (como aleros) o formar estructuras independientes (marquesinas).

El primer paso fundamental es maximizar la eficiencia energética en los edificios (aislamiento, captación solar, alumbrado con luz natural, etc.); a partir de aquí el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos correctamente integrados y orientados en el edificio resulta plenamente útil. A medida que arquitectos y diseñadores adquieren experiencia en la integración fotovoltaica, el uso de estos sistemas se expande rápidamente en las ciudades y edificios.

7.3.1 Fotovoltaicas en edificios


62


Entre las ventajas de estos sistemas está el hecho de que no requieren suelo ni estructuras de soporte propias, que puede substituir materiales convencionales del edificio, reduciendo también costes de instalación y que la electricidad se genera en el lugar donde se utiliza, lo que reduce costes y pérdidas en el transporte. Por último estos sistemas tienen una posibilidades estéticas muy aprovechables.

Actualmente en Italia la electricidad fotovoltaica resulta más cara que la de la red, pero si se contemplan correctamente los costes indirectos de la electricidad convencional se comprueba que este hecho no debería ser así.

Muchos edificios, como escuelas, oficinas, hoteles e industrias son adecuados para este sistema, en especial las oficinas, con horarios coincidentes con las horas de luz y funcionamiento todo el año (incluido el verano). Las viviendas en cambio, aunque se usen toda la semana, consumen sobre todo de noche, aunque el sistema puede ser útil, tanto como en comercios e industrias con grandes superficies de cubiertas que pueden usarse économicamente.

Aunque el precio de la generación fotovoltaica se ha reducido mucho los últimos años, todavía resulta costoso, pero considerando su vida útil y la amortización se calculan entre 0.5- 0.80 € por kWh, por ello se conceden subsidios para favorecer su introducción en el mercado. La utilización de las placas comocomponentes constructivos pueden reducir significativamente sus costos de instalación y hacer viable economicamente su uso como alternativa a la energía convencional. En Italia se han proyectado nueve sistemas para edificios públicos.


63


Los apartados siguiente describen especificaciones técnicas para estos sistemas.

7.3.1.1 Situación y orientación del edificio

En el diseño del sistema se debe considerar la topografía del lugar y su régimen de vientos, estos últimos pueden mejorar ventilaciones y a la vez reducir la temperatura de los módulos fotovoltaicos y refrigerar de noche. En el diseño se deben evitar sombras de chimeneas, árboles, edificios, etc. El sistema se orientará hacia el sur (+/ - 20°) y hacia arriba (inclinado de la latitud), obteniéndose así el 95% del máximo.

La imagen muestra las pérdidas energéticas para diferentes orientaciones en la Europa central, así en vertical hacia el sur se capta el 70% del máximo posible.


64

Fig.5.84 PV aplicaciones en Freiburg, Alemania


7.3.1.2 Diseño del sistema

Los sistemas integrados cumplen el mismo papel que una pared o cubierta tradicionales, utilizándose sistemas constructivos similares, a tener en cuenta:

• Apariencia

• Grueso y protección al clima

• Material

• Cargas del viento

• Seguridad de construcción

• Coste

Además, aspectos relacionados con su eficacia en producir electricidad:

• No existencias de sombras propias o arrojadas

• Ventilación para evitar bajos rendimientos del sistema y posibles problemas de dilataciones

7.3.2 Sistemas

Hay tres sistemas principales:

• En cubiertas

• En fachadas (integración más sencilla en principio)

• Pantallas diversas

7.3.2.1 Sistemas integrados en la cubierta


65

Fig.5.85 Energía captada en difernetes orientaciones e inclinaciones


Tienen ventajas evidentes: • La pendiente puede ser la de major rendimiento. • No existen normalmente sombras arrojadas.

Tipos de techos y posibles formas de uso de fotovoltaicas:

Son sistemas más fáciles de ventilar y ceden menos calor al edificio. La pendiente se puede optimizar con una subestructura dejando una cámara de 10 cm que lleva el aislamiento. Con claraboyas hacia el norte pueden mejorar la ventilación interior.

Ejemplos de cubiertas inclinadas

1. Módulos integrados al techo, substituyendo material normal

2. Techo ventilado, puede colocarse en un techo existente con una cámara ventilada

3. Pequeña instalación en techo existente

4. Tejas fotovoltaicas

Ejemplos de techos planos

Integración con claraboyas

Instalación típica en cubierta

7.3.2.2 Utilización del calor de los módulos fotovoltaicos


66


Durante el funcionamiento la parte posterior de la células se calienta y se debe eliminar esta energía, lo que puede ser positivo en invierno. Se puede recuperar el aire caliente con conductos, sea en una fachada ventilada (9) o como el edificio prototipo (10), aunque es cuestionable la viabilidad económica del sistema, sobre todo en edificios de bajo consumo que no precisan calefacción (oficinas si el exterior está por encima de 8º). Otros métodos de refrigeración por agua que se aprovecha para el agua caliente sanitaria resultan también demasiado complicados y caros.

Cuando no se precisa calor (verano), es importante diseñar la evacuación del mismo de las placas con una adecuada ventilación, incluso en condiciones sin viento.


67

Fig.5.86 Tipos diversos de células


7.3.2.3 Fachadas y muros cortina

Existen muchas posibilidades de integrar fotovoltaicas en fachadas, aprovechando las técnicas que se aplican en estos casos para los paneles de vidrio. Además pueden proteger de la lluvia sin problemas.La tabla de abajo expone los sistemas posibles.

Los muros cortina tienen una tecnología conocida y usada en prestigiosos edificios, pudiéndose incorporar los paneles en soluciones de doble capa con un grueso típico de menos de 30mm.

Hay diversos tipos de diseño posibles, por ejemplo una fachada puede combinar placas transparentes con paneles fotovoltaicos opacos o semitransparentes.

Conviene cuidar las juntas de los paneles y prever el paso de los cables eléctricos.

Integraciones en fachadas Integración en techos y fachadass


68

Fig.5.87 Integración en fachadas


1. Pantallas de sombra exteriores2. pantallas diversas3. Integración vertical

Tabla 5.12 Sistemas fotovoltaicos en fachadas


69



70

Fig.5.88 Cubierta inclinada

Fig.5.89 Coating systems


7.3.3 Puntos clave

• Los sistemas deben formar parte de la estrategia energética del edificio.

• Apariencia y estética son claves.

• Aportan una contribución positiva al medio ambiente.

• Las sombras topográficas, de vegetación o del mismo u otros edificios deben minimizarse para no afectar a su rendimiento.

• Deben estar relacionadas las necesidades de energía del edificio con la capacidad de captación.

• Deben estar adecuadamente ventilados para mejorar su rendimiento.

• Existen numerosos sistemas de integración en la arquitectura.

• El rendimiento está afectado seriamente por la orientación.

7.4 HECHOS RELACIONADOS CON LAS INSTALACIONES

7.4.1 Hechos relativos al uso de fotovoltaicas en edificios

El desarrollo de la industria en Italia es inferior a otros paises en algunos aspectos.Existe una buena asistencia técnica con normas y programas de ordenador, así como guías de proyecto, pruebas y monitorización, pero la realización es deficiente.Se necesitan reglas de rendimiento de los módulos y equipos asociados para incorporarlos en la documentació italiana estándar.

Existen diversos hechos relativos a la integración en edificios que aparecen en el curso de un proyecto, como son:


71

Fig.5.90 Sistema translúcido

Fig.5.91 Sistema en cubierta


o Legislación urbanística

o Conexión a la red y potencia extra

o Optimización de los sistemas

o Estándares

o Mantenimiento

o Costes de productos fotovoltaicos en edificios

Cada una de estas particularidades se describe brevemente a continuación.

7.4.2 Legislación urbanística

Las autoridades locales generalmente favorecen los projectos de uso fotovoltaico. Existen proyectos publicados de edificios públicos financiados por la administración. Los objetivos de sostenibilidad aparecen cada vez más en los planes locales y reflejan el compromiso de los gobiernos con la Agenda 21.

7.4.3 Conexión a red y potencia extra

En muchos paises europeos es posible exportar energía del edificio a la red. En Italia no es posible de momento vender esta energía, pero en otros paises ya existe la ley al efecto, como es el caso de España.

7.4.4 Optimización de los sistemas fotovoltaicos


72

Fig.5.92 Sistema de fachada


Ya se ha mencionado en el apartado anterior el tema de la orientación y el ángulo, que junto a la refrigeración adecuada y la limpieza son básicos para el rendimiento.

7.4.5 Estándares

Los proyectistas precisan de valores prácticos sobre la fabricación e instalación.Los actuales en Italia se refieren a:

• Apariencia de los módulos, incluyendo burbujas en la resina, alineamiento de las células, adaptabilidad a fallos y colocación de conducciones eléctricas.

• Aspectos no eléctricos de seguridad: mecánica, durabilidad e incendios.

• Sistemas de acompañamiento, integración a muros cortina, claraboyas, etc.

7.4.6 Mantenimiento

Es poco costoso pero convien tener fácil acceso a las placas y a menudo se olvida.

7.4.7 Costes de los productos de fotovoltaicas en edificios

Recientemente los precios de los elementos auxiliares eran más caros que los de productos similares de la construcción, pero se espera que desciendan en los próximos 10- 15 años y favorecer así la competencia con la energía convencional. period. Una parte importante de la reducción de precios se deberá a la ampliación del mercado.

Cuando consideramos el coste de un sistema fotovoltaico se acostumbra a relacionar el precio con la energía producida. En nuestro caso se debe considerar además el ahorro posible en materiales convencionales dce


73

Fig.5.93 Edificios residenciales en UK


construcción. En un estudio del Reino Unido sobre estos costes en 1997 aparecen valores significativos:

Table 5.13 Coste instalado en Euro/m 2

Muro cortina fotovoltaico, módulos de doble vidrio 1,200Muro cortina fotovoltaico, módulos finos de silicio amorfo 450Protección de lluvia fotovoltaica 900Tejas fotovoltaicas 800Módulos en un techo inclinado 1,100

7.4.8 Requerimientos

Se requiere certificado para:

• componentes - tipo ensayados

• ensayos de obra

• instalación eléctrica.

• Garantías de los componentes y del sistema instalado.

• Método de integración y colocación en obra y pruebas asociadas, como impermeabilidad, adecuación del apoyo, etc.

• Materiales a usar para fijaciones y montaje resistentes a esfuerzos y corrosión.


74

Fig.5.94 Heliotropo, Casa Solar, Freiburg


• Regulaciones de todo tipo respecto a la instalación eléctrica.

• Parámetros eléctricos a ensayar para la aceptación.

• Requerimientos de puesta a tierra, iluminación, protección a sobretensión y ensayos adecuados.

• Puntos de desconexión seguros y accesibles para mantenimiento y ensayos.

• Acesos para mantenimiento, reparación, monitorización, etc.

• Requerimientos para la conexión a red.

• Valores aceptables para el rendimiento de los módulos, por ejemplo kWh en condiciones especificadas o kWh en un período. Rendimiento y eficiencia de los inversores, máxima potencia (MPP), harmónicos, etc.

• Otras informaciones necesarias.

• Requerimientos del sistema de monitorización — nivel de monitorización requerido, parámetros a monitorizar, datos a recoger y calcular, reportes a generar, etc.

7.5 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Y ENERGÍA SUMINISTRADA

Los módulos se pueden integrar de muy diversas formas. Pueden usarse como elementos de rehabilitación, protectores solares o elementos transparentes o translúcidos. Los módulos como placas o laminados son más fáciles de integrar en un edificio. Si se precisa luz natural existen módulos transparentes. En todos los casos se precisan las especificaciones técnicas adecuadas y los cables de corriente contínua deben minimizar las pérdidas por resistencia.

7.5.1 Dimensionado

La superficie de las placas depende de varios requerimientos, como la superficie de la instalación y la orientación. Para obtener la máxima energía no deben producirse sombras. Para seleccionar los módulos es importante conocer como se van a aplicar y pueden ser elementos transparentes de iluminación, como en el edificio JPS-Presse and Vertriebs GmbH en Meckenheim, Alemania con módulos transparentes totalmente integrados.


75


7.5.2 Pérdidas de potencia

A continuación se describen diversas causas que pueden originar pérdidas de potencia, la vida útil, la seguridad y los costes en las instalaciones fotovoltaicas.


76

Fig.5.95Distintas soluciones de integración


En sistemas con control de potencia centralizado se dan pérdidas al conectar los módulos en series para obtener el voltaje e intensidad requeridos. En casos con diferentes orientaciones de los módulos es normal instalar inversores en cada línea.

Los cables de gran diámetro (CC) causan también pérdidas, los grandes sistemas utilizan un bus de conexión y los costes crecen fuertemente.

En ciudades se producen sombras ocasionales de otros edificios o elementos de construccción, esto afecta la potencia producida y fácilmente se dan pérdidas del 10% en una linea afectada por las sombras.

7.5.3 Seguridad y mantenimiento

En grandes sistemas con un bus de alto voltaje de corriente continua se han observado problemas, como desconexión de las células del marco. Además pueden saltar arcos de corriente y se pueden llegar a producir explosiones. En labores de reparación o mantenimiento se pueden producir descargas eléctricas del bus.

Existen regulaciones de seguridad y certificados de calidad a nivel nacional e internacional para prevenir estaos peligros. El mantenimiento, reparación o substitución de los componentes sólo deben realizarse por personal técnico.

• El trabajo se debe hacer en instalaciones sin tensión, desconectando el inversor correspondiente..

• Debe asegurarse el interruptor de desconexión de CC y aislamiento de CA.

• Clase de seguridad II. El test estándar se aplica a todos los módulos.

• La protección eléctrica de situar un diodo by- pass en una serie de módulos conectados es esencial en los sistemas convencionales.

7.5.4 Instalación

En los sistemas convencionales la instalción requiere conexiones en serie y la conexión de estas al bus de potencia, el límite de tensión es de 600 Vdc.(Italia)

7.5.5 Monitorización y medidad

Se pueden usar contadores de doble medida para linstalaciones conectadas a la red..

7.5.6 Sistema de configuración y selección de inversores


77


Intensidad, tensión y potencia de los módulos dan las bases para la selección con las mínimas pérdidas y manteniéndose por debajo de los 600 Vdc de tensión. El inversos debe suministrar una tensión entre los límites necesarios para la conexión a la red .

7.5.7 Elementos de protección

La protección se coloca en la parte de CC, protegiendo el inversor de una tensión excesiva desconectando la serie de módulos, permitiendo cambiar el inversor si es necesario. En la parte de CA la red se debe proteger de picos u otras anomalías, tema regulado normalmente por las legislaciones nacionales.


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Fig.5.96 Edificio con módulos transparentes

(Source: Saint Gobain Glas Solar)


7.6 Selección de componentes y certificación de productos


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Se pueden minimizar revisiones y pruebas si existe una certificación adecuada de los componentes. Esto asegura que no se deben realizar pruebas posteiores por estar certificados y garantizados los productos referidos. Como se renuevan constantemente se recomienda que el proyectista compruebe su validez en todos los casos.

Se recomienda que los módulos estén certificados y sometidos a ensayos especificados en IEC 1215 [6] para módulos de silicio cristalino o IEC 1646 171 para los de silicio amorfo. Estos ensayos aseguran la operatividad de los módulos en condiciones climáticas duras en un tiempo prolongado conservando sus características eléctricas. Los ensayos pueden se hechos por el European Solar Test Installation at the European Commission’s Joint Research Centre at Ispra, o una institución similar reconocida.

La entrega de potencia de los módulos debe garantizarse que se mantiene en un campo determinado durante un tiempo de vida fijado. (los de silicio crisdtalino se garantizan normalmente para mantenerse en un 10 % de la potencia teórica durante 10 años y las de silicio amorfo durante 5 o 6 años).

Los inversores deben certificarse para cumplir las especificaciones de compatibilidad electromagnética (EMC) [81, 191] y una limitación de los armónicos [101]. Los ensayos tipo requeridos están actualmente en preparación. Los inversores deben estar cubiertos por una garantía del suministrador o del fabricante, normalmente de uno o dos años de duración. i

El sistema debe también garantizarse en su montaje por un mínimo de un año, cubriendo la instalación eléctrica y la integración al edificio. Si el sistema protege el edificio de lluvia y viento, debe asegurarse que lo realice correctamente.


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Fig.5.97 Productos para integración


7.7 MONITORIZACIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

El proyectista y el cliente deben considerar los objetivos del sistema de monitorización y optar entre un sistema global para llevar a cabo durante un período de tiempo determinado o un sistema simple de control del funcionamiento.

Se debe seleccionar personal responsable para efectuar el seguimiento y prever los recursos necesarios para el mismo. Se trata de un proceso que puede ser complejo y que requiere dedicación. En todos los casos se debe monitorizar el funcionamiento a largo plazo para asegurar que el sistema no se degrada.

El proyectista deberá considerar los requerimientos específicos del seguimiento y prever los puntos de medida.

7.8 CONCLUSIONES

En pocos años los sistemas fotovoltaicos han dado un paso fundamental en la integración estética en la arquitectura. Actualmente son de forma y colos flexibles. Se pueden aplicar en cubiertas, fachadas y ventanas. Los costes son importantes pero descendentes y las empresas activas son pequeñas y flexibles.

Los programas nacionales y europeos contribuyen a que se produzca un descenso de los precios y a una mejora de la tecnología para conseguir mejores rendimientos de las instalaciones.

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8 EL EDIFICIO DE ENERGÍA CERO

8.1 OBJETIVO

El último objetivo de estas técnicas es crear edificios autónomos energéticamente, o sea que sin conexión a redes de suministro ni uso de combustibles fósiles. Las técnicas posibles son:

• calefacción y refrigeración pasivas,

• energía solar térmica,


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• energía solar fotovoltaica,

• eólicas.

Las fuentes de energías renovables se conectan con un sistema de almacenamiento (térmico o eléctrico) y combinadas con sistemas pasivos pueden cubrir las necesidades de un edificio de bajo consumo. Las placas térmicas y fotovoltaicas se incorporan en un “techo solar”. Un área de 10m² de fotovoltaicas genera un1 kW de potencia máxima y 1100 kW.h al año (potencial solar medio en Francia).

Los ejemplos demuestran la posibilidad de estos proyectos, que respetan a la vez el confort interior y el medio ambiente exterior. Las técnicas usadas pueden ser algo complejas y el coste de construcción, la aceptación y la factibilidad técnica son puntos importantes que deben ser considerados en el proyecto. El análisis de costes y beneficios energéticos a lo largo del ciclo de vida se debe estudiar detalladamente, no olvidando la energía de fabricación e instalación de los sistemas. Como ejemplo los primeros paneles fotovoltaicos tardaban 30 años en suministrar la energía empleada en su fabricación, actualmente el período es solo de 2 a 4 años.

La denominación de "vivienda energeticamente eficiente" es mejor que la de "edifcio de enrgía cero" o "vivienda autosuficiente" ya que se usa energía en la construcción. Otro nombre es el de "vivienda de energía positiva" , aquella que


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Fig.5.98 Cubierta solar francesa (V.Fristot)


al término de su vida útil ha producido más energía que la que ha consumido.

8.2 EJEMPLOS

Nuevas tecnologías, algunas de ellas procedentes de técnicas aeroespaciales, han permitido la realización de edificios de alta eficiencia energética a escala industrial, podemos destacar lalgunos ejemplos recientes:

• «Hybrid Z» vivienda (MSK Corp & Misawa): cubierta enteramente fotovoltaica de 12.5kW con conexión reversible a la red nacional,

• casa «Jestico & Whiles»: solar pasiva y fotovoltaica, turbina eólica y micro estación hidráulica, necesidades de energía de unos kW.h, de los que 35000 son fotovoltaicos,

• casa«Darmstadt- Kranichstein»: 145 m² habitables, con un balance energético de cerca de 15 kW.h/m² de calefacción y 45 kW.h de agua caliente y otras necesidades. Los módulos fotovoltaicos usan una radiación solar de 1000 kW.h/m² en plano horizontal el almacenamiento es electroquímico (hidrólosis de agua y combustión lenta del hidrógeno),

• edificio de oficinas en Delft: con mínimo consumo de calefacción gracias al aprovechamiento de cargas internas y solares.

Fig.5.99 Vivienda de baja energía (Misawa Corp.)


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