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ANÁLISIS ENERGÉTICO DE EDIFICIOS RESIDENCIALES Y PROPUESTAS PARA SU EFICIENCIA ENERGÉTICA MEMORIA TOMO 1/3 INGIENERÍA INDUSTRIAL CONSTRUCCIÓN E INSTALACIONES INDUSTRIALES Autor: RICARDO MOYA JARABA MAYO 2011 Director: ROLAND FORSBERG, Högskolan i Gävle Codirector: ANDERS HOLMSTEN, AB Gavlegårdarna Ponente: CARLOS MONNÉ BAILO, C.P.S., Ingeniería Mecánica MMT, Universidad de Zaragoza Ricardo Moya Jaraba 1 AGRADECIMIENTOS Me gustaría agradecer a la Universidad de Zaragoza y al Centro Politécnico Superior por darme la oportunidad de vivir en Gävle, Suecia y estudiar en Högskolan i Gävle. A la empresa sueca Gavlegårdarna por confiar en mi capacidad como ingeniero y darme la primera experiencia en el mundo laboral, en un entorno internacional. A mi supervisor de Högskolan i Gävle Roland Forsberg, a mi supervisor de Gavlegårdarna Anders Holmsten y a los profesores de Högskolan i Gävle Mathias Cehlin y Björn Karlsson por su ayuda en este proyecto. A mi familia, mis padres y mi hermano. A mis amigos y amigas de toda la vida por apoyarme siempre. A todos los compañeros y amigos de Högskolan i Gävle Victor, Guillermo, Borja, Jenifer, Maria y muchos más, por todos los especiales momentos vividos en Suecia y por los que nos esperan en el futuro. A mis compañeros de carrera en especial a Petrus, PepeLu, Tam, Maci, Tony, Larry o Pedro Del Molino, José Luis Martínez, Tamara Méndez, Javier Macipe, Antonio Lorente, Javier Larraz por compartir la carrera conmigo ya que sin vosotros no sería ingeniero industrial. A Zifei Tang por estar a mi lado. Gracias. Ricardo Moya Jaraba 2 Ricardo Moya Jaraba 3 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE EDIFICIOS RESIDENCIALES Y PROPUESTAS PARA SU EFICIENCIA ENERGÉTICA RESUMEN Este proyecto ofrece información acerca del consumo energético, pérdidas energéticas y cálculos de las propuestas que la empresa quería cuantificar, además de ofrecer una presentación de la situación energética del país de Suecia y fotografías térmicas mostrando algún detalle de los edificios. Los resultados y cálculos serán incluidos en el proyecto Retrofitting together project del grupo EURHONET, European Housing Network, al que la empresa Gavlegårdarna pertenece. Los objetivos de este proyecto y el proyecto Retrofitting together project así como el de la empresa Gavlegårdarna es reducir el consumo energético de los edificios escogidos para este proyecto y ver su viabilidad económica. Estos objetivos están en concordancia con las políticas ambientales de Suecia. La gran falta de información sobre los edificios debido a cuestiones internas en la empresa, la antigüedad de estos edificios así como el idioma sueco han supuesto una dificultad añadida al proyecto. El tiempo también ha sido una dificultad añadida ya que la empresa quería tener los resultados para poder exponerlos en una presentación previa del proyecto Retrofitting together Project en Estocolmo, Junio 2010 con otras empresas dedicadas a este proyecto pertenecientes a EURHONET. Este proyecto se presentó tanto en la universidad de Gävle, Högskolan i Gävle, como en la empresa Gavlegårdarna. Ricardo Moya Jaraba 4 Ricardo Moya Jaraba 5 LISTA DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 11 1.1 Empresa Gavlegårdarna AB ........................................................................... 11 1.2 EURHONET ................................................................................................. 12 1.3 Alcance del proyecto...................................................................................... 14 1.4 Limitaciones .................................................................................................. 16 1.5 Método .......................................................................................................... 17 2 EDIFICIOS DEL PROYECTO .............................................................................. 19 2.1 Localización .................................................................................................. 22 2.2 Estructura de los edificios .............................................................................. 24 2.2.1 Cimientos ............................................................................................... 24 2.2.2 Muros exteriores .................................................................................... 25 2.2.3 Ventanas y puerta de balcones ................................................................ 26 2.2.4 Forjado al exterior .................................................................................. 27 2.2.5 Forjado al “trastero-ático” ...................................................................... 28 2.2.6 Cerramientos “trastero-ático” ................................................................. 29 2.3 Volumen calefactado ..................................................................................... 30 2.3.1 Glaciärvägen 21 ..................................................................................... 30 2.3.2 Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26........................................................ 33 3 MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 37 3.1 Sistema de District heating ............................................................................. 37 3.2 Clima de Gävle y Grados-día o Degree Days.................................................. 42 3.3 Informe energético ......................................................................................... 46 3.3.1 Ratio de energía ..................................................................................... 46 3.3.2 Consumos .............................................................................................. 47 3.3.3 Pérdidas ................................................................................................. 48 Ricardo Moya Jaraba 6 3.4 Propuesta de mejora de ventanas y puertas de balcones .................................. 53 3.5 Propuesta de mejora en el forjado trastero-ático ............................................. 53 3.6 Propuesta de energía solar.............................................................................. 53 3.7 Informe económico ........................................................................................ 54 3.7.1 Valor añadido neto (VAN) o Net Present Value (NPV) ........................... 55 3.7.2 Plazo de recuperación o Payback............................................................ 56 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................ 57 4.1 Informe energético: consumos ....................................................................... 57 4.2 Informe energético: Pérdidas ......................................................................... 59 4.3 Propuesta de mejora de ventanas y puertas de balcones .................................. 61 4.4 Propuesta de mejora en el forjado trastero-ático ............................................. 62 4.5 Propuesta energía solar .................................................................................. 63 4.6 Consumo de energía con las propuestas ......................................................... 65 5 CONCLUSIÓN ..................................................................................................... 67 6 REFERENCIAS .................................................................................................... 69 Ricardo Moya Jaraba 13 EURHONET tiene diversos tipos de proyectos, uno de estos proyectos en el cual trabaja Gavlegårdarna se “retrofitting together Project” y este mismo proyecto es parte de él. “El proyecto retrofitting together project tiene como objetivo comparar los métodos de trabajo y las herramientas de cada empresa de viviendas de EURHONET sobre el proceso de rehabilitación en el contexto de eficiencia energética. En cada paso, los mejores métodos de trabajo serian identificados y evaluados con el fin de ser compartidos entre los demás compañeros. La implicación de los conocimientos será comprobada y evaluada sobre casos pilotos y el resultado de su adaptación seria la mejora de la eficiencia energética a la vez que se reducirían los costes energeticos”1. Retrofitting together project tiene unos requisitos para los edificios que pueden ser incluidos dentro del proyecto. La Tabla 1 muestra los requisitos que deben cumplir los edificios así como unos objetivos aproximados como reducción de energía y costes por los que EURHONET establece como posible marca. Tabla 1. Requisitos en los edificios (*) Los resultados de este proyecto, Informe energético de edificios residenciales y propuestas para su mejora energética, fueron presentados en una reunión de EURHONET inicial sobre retrofitting together project en Estocolmo, Junio 2010, por Andres Holmsten, director de este proyecto y de retrofitting together project de Gavlegårdarna AB. 1 EURHONET Association, http://www.eurhonet.eu/#/home/ (*) Initial Energy Consumption: High Energy Consumption >200 kWh/m² por año Ricardo Moya Jaraba 14 1.3 Alcance del proyecto El objetivo es ofrecer a la empresa, Gavlegårdarna:  Un análisis energético sobre las pérdidas y consumos de tres edificios antiguos, Glaciärvägen 21, Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26.  Un cálculo de tres propuestas de mejora energética que la empresa quiere estudiar.  Un breve y aproximado impacto económico de las propuestas, citando un ejemplo de inversión a realizar, ahorro en la factura energética, valores de payback y VAN.  Una introducción sobre la situación energética de Suecia y del resto del mundo de la energía relacionada a los edificios residenciales. La finalidad de estos puntos se traduce en:  Conseguir una reducción del consumo energético de los edificios.  Identificar dónde se encuentran las mayores pérdidas, dónde se encuentran pérdidas excesivas para poder reducirlas.  Reducir el impacto ambiental de los edificios y por tanto de la empresa con el medio ambiente como propone la Estrategia energética de Suecia en proyecto de ley del Gobierno no. 2008/09: 162.  Incrementar si es posible el beneficio económico de la empresa gracias al ahorro energético que las propuestas proporcionarían.  Disponer de una introducción sobre la situación energética de Suecia y del resto del mundo de la energía relacionada a los edificios residenciales, necesaria para Gavlegårdarna, para poder exponerla en próximas reuniones de EURHONET. Ricardo Moya Jaraba 15 Las propuestas de Gavlegårdarna a estudiar son:  Cambio de las actuales ventanas por otras con una trasmisión térmica acorde, debido a la antigüedad y alta transmisión térmica de estas.  Estudio de pérdidas y búsqueda de solución en la última planta residencial de los edificios. Transmisión del calor de la última planta residencial a la última planta del edificio dedicada a trasteros de los vecinos, material de mantenimiento del edificio y cuartos de infraestructura del edificio.  Estudio para la aplicación de la energía solar en el uso de ACS, para utilizar la máxima cantidad posible de esta energía en el uso de ACS. No entra dentro del alcance del proyecto:  Estudio de pérdidas por ventilación ni el estudio de mejora de esta, debido a que forma parte de otro proyecto de Gavlegårdarna, pero su resultado final se menciona en este proyecto.  Las pérdidas de calor de los apartamentos a los rellanos en los edificios residenciales.  Las pérdidas de calor de los apartamentos y de los trasteros de planta baja a las demás dependencias de la planta baja, como rellano, apartamentos de visita, lavandería o zonas sin uso.  El estudio del edificio Pinnmovägen 24, aunque es relevante para el proyecto y se muestra información sobre él, debido a que es un edificio de reciente remodelación con el objetivo de aumentar el número de inquilinos. El motivo de no estudiar las pérdidas de calor de los apartamentos a los rellanos en los edificios residenciales y las pérdidas de calor de los apartamentos y de los trasteros de planta baja a las demás dependencias de la planta baja, como rellano, apartamentos de visita, lavandería o zonas sin uso es debido a que Gavlegårdarna remodelara esas zonas, cambiara la distribución del rellano del hueco de escalera y el ascensor para hacerlo accesible a personas de menor movilidad al igual que las zonas de la planta baja no solo por este motivo sino porque además esperan remodelar estas dependencias, para construir quizás más apartamentos de visita o zona de ocio como gimnasio o simplemente como aparcamiento interior de bicicletas. Estos resultados se compartirán con otras empresas pertenecientes del grupo EURHONET, european housing network. Ricardo Moya Jaraba 16 1.4 Limitaciones Dentro de las limitaciones de este proyecto se mencionan falta de información por parte de la empresa como planos o información técnica del edificio, referida a su estructura debido a la antigüedad de los edificios cambios producidos dentro de la empresa e incluso incendios sufridos en la ciudad en el pasado, un claro ejemplo es el informe proporcionado por la empresa describiendo brevemente algunas características generales del edificio. Refiriéndose también a la fatal de información hay que mencionar las mediciones por parte de la empresa de los consumos energéticos de districh heating ya que estos dan una información conjunta por grupos de edificios, Glaciärvägen 21 y 23 por un lado y por otro Pinnmovägen 24 y 26, y no por edificio. En el apartado económico de las propuestas del proyecto fue muy difícil encontrar empresas interesadas a dar un presupuesto a pesar de ser un proyecto para una empresa importante y conocida debido a la condición de pertenecer a la universidad y sobre todo por ser estudiante extranjero. El idioma sueco fue otra dificultad y una barrera que se tuvo que superar para poder entender tanto planos del edificio como información proporcionada por la empresa en datos o informes, también el fue un reto trabajar con instalaciones de edificios totalmente diferentes a las utilizadas en España como ditrict heating, ventilación, clima muy diferente y cultura. Ricardo Moya Jaraba 17 1.5 Método El método seguido en el proyecto fue primero llegar a un acuerdo con la empresa Gavlegårdarna sobre los objetivos, plazos y medios para la realización del proyecto. Posteriormente la empresa fue facilitando la información necesaria y la información solicitada sobre los edificios, clima, etc. Más adelante se pudo elaborar un análisis aproximado de consumos energéticos de district heating y agua caliente sanitaria tanto por edificio y por apartamento para los años 2008 y 2009. Con este análisis se calculo la cuantía económica que supuso esta energía. Pero la climatología cambia cada año así que es necesario tener un año de referencia, un año “normal”, para poder comparar estos gastos energéticos, este año “normal” es una media del intervalo de años entre 1931 a 1960. Una vez que fue presentados estos datos a la empresa Gavlegårdarna me presentaron las propuestas de mejoras que querían que analizara además de presentarme el proyecto “retrofitting together project” de EURHONET, los resultados debían de estar finalizados para la primera semana de Junio 2010 ya que mi supervisor de la empresa Anders Holmsten tenía una reunión en Estocolmo con las otras empresas participantes de retrofitting together project ese mes. También me ofreció que colaborara en toma de datos de ventilación y en captura de imágenes térmicas. Cumpliendo los plazos se presentaron a la empresa los resultados de las propuestas además del análisis de los consumos de energía y de las perdidas térmicas de los edificios. La empresa quedo satisfecha de la presentación y junto con Anders Holmsten elaboramos la presentación de la empresa en la reunión de EURHONET en Estocolmo. Para la realización del proyecto fue necesaria la colaboración del profesor Björn Karlsson, Mathias Chelinn y por supuesto el supervisor de la universidad Roland Forsberg y el supervisor de la empresa Anders Holmsten. En el proyecto se utilizaron los programas informáticos IDA Indoor climate and energy 3.0 y WinSun, programas de la Universidad de Gävle, Högskolan i Gävle. Ricardo Moya Jaraba 18 Ricardo Moya Jaraba 19 2 EDIFICIOS DEL PROYECTO Los edificios de este proyecto, Análisis energético de edificios residenciales y propuestas para su eficiencia energética, fueron construidos en 1966 con hormigón como principal material constructivo. Los edificios son de cuatro plantas mas planta baja y con balcones, por lo tanto estos requisitos los cumple para poder ser incluidos en el retrofitting together project de EURHONET, más adelante se mostrara que el consumo energético es mayor que 200kWh/m2año. Figura 2. Fotografía de los edificios, verano (I) Figura 3. Fotografía de los edificios, verano (II) Ricardo Moya Jaraba 20 Figura 4. Fotografía de los edificios, verano (III) Figura 5. Fotografía de los edificios, verano (IV) Ricardo Moya Jaraba 21 Figura 6. Fotografía de los edificios, invierno (I) Figura 7. Fotografía de los edificios, invierno (II) Ricardo Moya Jaraba 22 2.1 Localización Los edificios del proyecto son tres edificios del municipio sueco de Gävle. Dentro de la ciudad de Gävle están situados en el barrio llamado Sätra. En las figuras 22, 23 y 24 se muestra la localización de Gävle en Suecia, el barrio de Sätra y la localización de los edificios dentro del barrio. El nombre de las calles de estos son: Glaciärvägen 23, para el edificio número 1, Glaciärvägen 21 para el edificio número 2 y Pinnmovägen 26 para el edificio número 3, el cuarto edificio situado al lado de estos tres corresponde a Pinnmovägen 24, que no entra dentro del alcance del proyecto pero que es necesario su mención en diversas partes del proyecto. Figura 8. Gävle en Suecia Ricardo Moya Jaraba 29 2.2.6 Cerramientos “trastero-ático” Los cerramientos del trastero ático tanto los verticales como los horizontales, están compuesto de la misma estructura según se detalla en el informe y se llego a un acuerdo con el coordinador de la empresa. Muros trastero-ático mm Madera 20 Aislamiento 100 Madera 20 Total 140 K [W/m²K] 0.32 Tabla 9. Estructura muros “trastero-ático” Tejado trastero-ático mm Asfalto recubierto de cartón - Madera 20 Aislamiento 100 Madera 20 Total 140 K [W/m²K] 0.32 Tabla 10. Estructura tejado “trastero-ático” Ricardo Moya Jaraba 30 2.3 Volumen calefactado Volumen calefactado se define como aquel volumen del edificio que esta calefactado y es objeto de estudio del proyecto. En este proyecto el volumen calefactado de estudio es la superficie de las plantas residenciales excluyendo el rellano y la zona de trasteros de la planta baja. Es necesario para el retrofitting together project mostrar el ratio entre superficie de cerramientos al exterior del volumen calefactado entre el volumen calefactado, así como un plano del edificio señalando cual es el volumen calefactado. La fórmula expresada en el proyecto de EURHONET es: 2.3.1 Glaciärvägen 21 Superficie cerramientos Verticales Longitud [m] Altura [m] Área [m²] Plantas residenciales Norte 20,5 11,0 226,32 Este 30,4 11,0 335,62 Sur 20,5 11,0 226,32 Oeste 30,4 11,0 335,62 Trasteros Norte 11,4 2,5 28,50 Este 25,6 2,5 64,00 Sur 7,3 2,5 18,25 Oeste 0 2,5 0,00 Horizontales Cubierta 448 Total 1683 Tabla 11. Superficie cerramientos Glaciärvägen 21 Ricardo Moya Jaraba 31 Volumen calefactado Área [m²] Altura [m] Volumen [m3] Trasteros 216 2,5 540 Plantas residenciales 448 10,0 4483 Total 5023 Tabla 12. Volumen calefactado Glaciärvägen 21 Figura 13. Volumen calefactado planta baja Glaciärvägen 21 Ricardo Moya Jaraba 32 Figura 14. Volumen calefactado plantas residenciales Glaciärvägen 21 Figura 15. Volumen calefactado, sección Glaciärvägen 21 Ricardo Moya Jaraba 33 2.3.2 Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Superficie cerramientos Verticales Length [m] Height [m] Area [m²] Plantas residenciales Norte 20,5 11,0 226,32 Este 30,4 11,0 335,62 Sur 20,5 11,0 226,32 Oeste 30,4 11,0 335,62 Trasteros Norte 17,8 2,5 44,50 Este 9,5 2,5 23,75 Sur 0 2,5 0,00 Oeste 16 2,5 40,00 Horizontales Cubierta 447 Total 1679 Tabla 13. Superficie cerramientos Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Volumen calefactado Área [m²] Altura [m] Volumen [m3] Trasteros 167 2,5 417,5 Plantas residenciales 447 10,0 4473 Total 4891 Tabla 14. Volumen calefactado Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Ricardo Moya Jaraba 34 Figura 16.Volumen calefactado planta baja Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Figura 17. Volumen calefactado plantas residenciales Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Ricardo Moya Jaraba 35 Figura 18. Volumen calefactado sección Glaciärvägen 23 y Pinnmovägen 26 Ricardo Moya Jaraba 36 Ricardo Moya Jaraba 37 3 MARCO TEÓRICO 3.1 Sistema de District heating El sistema de calefacción de district heating proporciona energía térmica a los edificios para calefacción y agua caliente sanitaria. La energía proviene de una planta para consumirla es necesario un intercambiador de calor en el edificio. La electricidad otra energía consumida por los edificios residenciales se obtiene de la red eléctrica general de Gävle. Como consecuencia de este sistema los edificios no tienen una caldera que necesitan ser abastecida gas natural ni gasoil u otros tipos de energía primaria. Gävle Energi AB es la empresa que suministra esta energía por medio de una planta de cogeneración siendo el calor su producto principal situada a las afueras de la ciudad y junto con otras pequeñas plantas de refuerzo dentro de la ciudad distribuyen el calor a lo largo de toda la ciudad por el subsuelo. En la Figura 19 se observa la filosofía de district heating además de district cooling. Figura 19.Modelo district heating Ricardo Moya Jaraba 38 Esta empresa utiliza como combustible mayoritariamente biomasa que proviene de la madera. La temperatura de distribución la elige la propia compañía según el clima que ellos prevén en su central, puede tomar temperaturas máximas en invierno de 110º a 120ºC. Esta agua caliente o incluso vapor fluye por toda la ciudad a través de una red de tuberías con una gran cantidad de aislante para poder reducir las pérdidas de calor lo máximo posible en las grandes distancias que tienen que recorrer. Este tipo de tuberías se encuentran bajo tierra como una instalación urbana más. La red de district heating que proporciona la energía a los edificios se muestra en el tomo 3/3 – Apéndice. Se puede observar que la red tiene dos entradas a los edificios Glaciärvagen 23 y al Pinnmovägen 26. Estos edificios tienen una district heating room en el que intercambian el calor suministrado. Glaciärvagen 23 por tanto suministra al propio edificio y además al Glaciärvagen 21, lo mismo ocurre con los otros dos. Pinnmovägen 26 recibe el calor por parte de la empresa, se intercambia en la distric heating room y la distribuye tanto al propio edificio como al Pinnmovägen 24. La conexión entre los edificios Glaciärvagen 23 y 21 al igual que entre Pinnmovägen 26 y 24 se produce a través de unas tuberías en el subsuelo que no son propiedad de la empresa son de la empresa Gavlegårdarna por eso no figuran el plano de la red de Gävle Energi. En las siguientes figuras se observan un ejemplo de tuberías de distribución de la red distric heating. Figura 20. Tuberías de distribución de district heating (I) Ricardo Moya Jaraba 45 Figura 26. Grados día de calefacción de Gävle, Normal, 2008, 2009 y 2010* hastal Abril Figura 27.Grados día de Gävle por año Normal, 2008, 2009 y 2010 hasta Abril 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Grados día de calefacción Grados día de calefacción Normal Grados día de calefacción 2008 HDD Grados día de calefacción 2009 HDD Grados día de calefacción 2010 HDD* 0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Normal 2008 HDD 2009 HDD 2010 HDD* Grados día de calefacción por año Ricardo Moya Jaraba 46 Temperatura interior [ºC] Normal 2008 2009 Enero 20 20 20 Febrero 20 20 20 Marzo 20 20 20 Abril 20 20 20 Mayo 20 20 20,3 Junio 22,8 23,8 21,5 Julio 25,6 25,7 25,4 Agosto 24,3 23,2 25 Septiembre 20 20 23,4 Octubre 20 20 20 Noviembre 20 20 20 Diciembre 20 20 20 Tabla 18. Temperatura interior en las plantas residenciales 3.3 Informe energético 3.3.1 Ratio de energía El ratio de energía se define como el cociente entre el consumo de energía primaria y el consumo de energía secundaria. Las definiciones de energía primaria y secundaria son: “Energía primaria la forma de energía de combustibles o recursos naturales antes de ser convertidas o transformadas en calor o electricidad. Energía secundaria es el producto obtenido de la energía primara como calor o electricidad.”4 La energía primaria consumida en los edificios es cero; los edificios solo consumen energía secundaria tanto electricidad de la red como calor proveniente de district heating. 4 Página web: http://www.energystar.gov/index.cfm?c=evaluate_performance.bus_benchmark_comm_b ldgs Ricardo Moya Jaraba 47 3.3.2 Consumos Para calcular el informe energético sobre consumos Gavlegårdarna dio como información el consumo total de district heating, calefacción y agua caliente, para el grupo de edificios Glaciärvägen 21 y Glaciärvägen 23 y para el grupo de edificios Pinnmovägen 26 y Pinnmovägen 24 además de las áreas de los apartamentos de estos edificios y sus planos correspondientes. Con esta información se calculó la cantidad de energía consumida por metro cuadrado en los dos diferentes grupos de edificios, y con este dato el consumo por edificio y por apartamento. Para separar la energía consumida de calefacción y de agua caliente fue necesario transformar la demanda de volumen de agua en energía. Esta demanda de volumen de energía fue información proporcionada por Gavlegårdarna. El volumen fue cuantificado en energía gracias a la siguiente ecuación: q = m·Cp·ΔT (ec.1) q es Energía en forma de calor (en MWh o kWh), m es la masa, Cp es calor específico y ΔT es incremento de temperatura. Con la ecuación anterior y los siguientes datos puede ser calculada esta energía. Kcal = 4,186 KJ Dagua [Kg/m3] = 1000 (densidad) Cp,agua [Kcal/KgºC] = 1 ΔT agua caliente [ºC] = 50 El incremento de temperatura de 50ºC es debido a que el agua ha de ser calentada desde los 10ºC, temperatura aproximada a la que se encuentra el agua de la red de Gävle (dato proporcionado por Roland Forsberg) a los 60ºC que aproximadamente calienta Gavlegårdarna para proporcionar un agua caliente sanitara saludable sin bacterias. Gracias a este cálculo ahora es conocido cuanta energía equivale el volumen de agua caliente suministrada. Por tanto la energía consumida para calefacción es la resta entre el total de la energía de district heating menos la energía utiliza para agua caliente. Ricardo Moya Jaraba 48 3.3.3 Pérdidas 3.3.3.1 Transmitancia térmica K Todas las transmitancia térmicas K o también llamadas U-Values fueron calculadas gracias al programa informático IDA Climate and Energy 3.0 de la universidad de Gävle, Högskolan i Gävle, con el número de licencia ICE30:10JUL - 77.44W6C457 para Ricardo Moya Jaraba excepto la transmitancia de las ventanas y puertas a los balcones que eran dato obtenido en el corto informe sobre la estructura. El programa IDA calcula la transmitancia con la información introducida en el diseño de la estructura de muros o cerramientos, materiales, espesores, orientación vertical u horizontal. Una vez introducido el diseño del cerramiento este devuelve el coeficiente de transmitancia. El programa posee una librería de materiales con sus características físicas que pueden ser editadas o crear nuevos materiales. Gracias a esta información y a la ecuación 2 IDA calcula la transmitancia y la devuelve al usuario. (ec. 2) 3.3.3.2 Cálculo Para calcular las pérdidas de diferentes partes del edificio fue necesario medir en los planos cuanta cantidad de área corresponde a cada zona diferenciada del edificio ya que estas poseen diferentes transmitancias térmicas. Con la información anterior y esta nueva información sobre el área y la fórmula 3 puede ser calculada la transferencia de energía que se produce en estas diferentes zonas estructurales del edificio. E = U·A·ΔT·Time (ec. 3) E se refiere a la energía en MWh o kWh, U es la transmitancia K o U-Value en W/m2ºC, Time es el tiempo en horas e ΔT es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior en ºC. Ricardo Moya Jaraba 49 Gracias al concepto de Grados-día o Degree days que incluye el producto de ΔT·Time la ecuación puede ser reescrita como: E = U·A·DegreeDays (ec. 4) El único cambio para que la energía se exprese en MWh o kWh es la multiplicación por veinticuatro que es el número de horas por día, ya que el tiempo en el término de gradosdía esta expresado en días, por tanto ya tenemos la energía en MWh o kWh que son unidades de energía mucho más comunes. 3.3.3.3 Cimientos En la losa de cimentación tiene una particularidad de cálculo ya que tiene dos zonas diferenciadas la parte interna de la superficie y una parte interna de espesor un metro que rodea el perímetro. En la parte interna el calor se transfiere desde el interior al terreno mientras que en la zona del perímetro con espesor de un metro el calor se transfiere con el exterior. La temperatura del terreno es de 5ºC, siendo este dato el más utilizado y común en esta zona para proyectos en los que se dedica la empresa de construcción SWECO AB, empresa en la que trabaja Roland Forsberg además de dedicarse a la universidad de Gävle. La energía intercambiada en la zona que transfiere calor al exterior se calcula con la ecuación 4 vista anteriormente. La energía intercambiada en la zona que transfiere al terreno se ha calculado con la ecuación 3, con una temperatura interior, Tinside, de 17ºC para la estación de invierno (correspondiente a mitad de Septiembre a mitad de Mayo), con una temperatura interior, Tinside, de 11ºC para la estación de verano (correspondiente de mitad de Mayo a mitad de Septiembre) y con una temperatura exterior, Toutside, en este caso el terreno, de 5ºC. El término de tiempo para la ecuación 3 Roland Forsberg recomendó la utilización total de las horas correspondientes a cada estación. La suma de las dos zonas da el resultado de pérdidas en los cimientos. Ricardo Moya Jaraba 50 Figura 28. Pérdidas en la cimentación 3.3.3.4 Muros exteriores Las pérdidas en los muros exteriores son calculadas con la ecuación 4 y teniendo en cuenta que los tres edificios en las plantas residenciales tienen la misma fachadas incluso en las mismas orientaciones, solo en la planta baja los edificios tienen diferente distribución y áreas al exterior, por tanto los tres edificios tienen las mismas pérdidas en los muros exteriores las plantas residenciales. 3.3.3.5 Ventanas y puertas a balcones Las pérdidas de ventanas y puertas a balcones son calculadas de la misma forma que los muros exteriores con la ecuación 4. La diferencia entre ellas son el área y el coeficiente de transmitancia térmica K. Las características de las ventanas y puertas a balcones como sus medidas de longitud y altura, área y cantidad de estas están mostradas en la siguiente tabla. Hay que recordar que según el informe proporcionado por la empresa tanto las ventanas y puertas tienen un mismo coeficiente de transmitancia térmica, 2.7 W/m²K. Ricardo Moya Jaraba 51 Glaciärvägen 21 o Glaciärvägen 23 o Pinnmovägen 26 Planta baja Longitud [m] Altura [m] Área [m²] Cantidad Ventanas 0,6 0,78 0,5 1 Plantas residenciales Longitud [m] Altura [m] Área [m²] Cantidad por planta Total Área por planta [m²] Área Total [m²] Ventanas 1,23 1,13 1,4 1 4 1,4 5,6 1,33 1,43 1,9 2 8 3,8 15,2 1,83 1,43 2,6 8 32 20,9 83,7 2,23 1,43 3,2 9 36 28,7 114,8 3,13 1,43 4,5 2 8 9,0 35,8 Puertas 0,9 2,28 2,1 6 24 12,3 49,2 Área Total por edificio [m²] 304,8 Tabla 19. Área de ventanas y puertas por edificio 3.3.3.6 Forjado al exterior Las pérdidas del forjado al exterior que separa la última planta residencial con el exterior se calculan con la ecuación 4. En la siguiente Figura se muestra un esquema aproximado del forjado al exterior y del forjado a los trasteros-áticos y como se produce un intercambio de calor entre estas zonas, hay que tener en cuenta que en los trasteros-áticos o attic-store no es una zona calefactada del edificio pero si una zona muy ventilada. Figura 29. Perdidas en la cubierta Ricardo Moya Jaraba 52 3.3.3.7 Forjado al trastero-ático Para calcular las pérdidas de la quinta planta al trastero-ático y la temperatura en el trastero-ático, que no está calefactado pero si ventilado, fue necesaria el dato de cuanta ventilación tiene el trastero-ático. La ventilación del trastero-ático es de 180 l/s o 0.18 m3/s, esta información está incluida en un proyecto de ventilación de la empresa. Por tanto el balance es, el calor trasferido de los apartamentos de la quinta planta a los trasteros-áticos (Q) es igual al calor trasmitido al exterior a través de los muros y tejado de los trasteros-ático (Q’) más las pérdidas de ventilación (Qv). Gracias a esta información y el siguiente desarrollo de este balance se puede calcular la temperatura en el interior del trastero-ático. Q = Q’ + Qv (ec. 5) Qv = ṁ · Cv, air · (Tattic-Tout) (ec. 6) Q = Uceiling to attic · A · (Tin-Tattic) (ec. 7) Q’ = Uattic walls and roof · A’ · (Tattic-Tout) (ec. 8) En la ecuación 5 una vez sustituidos los términos Q, Q’ y Qv la incógnita es Tattic o temperatura interior de trasteros-ático, y con la información de las transmitancias térmicas, o U-Values, las áreas, Tin siendo temperatura interior de los apartamentos, Tout como temperatura exterior, ṁ caudal de ventilación y Cv, air=1293 [J/ºCm3] ya puede ser calculada. Con el valor de la temperatura interior de trasteros-ático conocida las pérdidas de los apartamentos a la quinta planta a trasteros-ático puede ser calculada con la ecuación 3, siendo ΔT la diferencia de temperatura entre la temperatura interior de los apartamentos y la interior de trasteros-áticos y para el término de Time el total de horas de los meses. Ricardo Moya Jaraba 53 3.4 Propuesta de mejora de ventanas y puertas de balcones Para calcular cuanta mejora conlleva la propuesta se calcula las nuevas pérdidas de calor con las nuevas ventanas y puertas de balcones de la misma manera que se calculan con las pérdidas con las actuales ventanas y puertas de balcones. Después de tener las nuevas pérdidas la diferencia entre las perdidas actuales y las nuevas es la cantidad de ahorro energético que se produce con esta propuesta. 3.5 Propuesta de mejora en el forjado trastero-ático Se calcula con el mismo método que el cálculo de la propuesta de mejora de ventanas y puertas de balcones. 3.6 Propuesta de energía solar Para calcular la propuesta de energía solar se utilizo el programa informático WinSun ofrecido por el profesor Björn Karlsson, WinSun based on TRNSYS/TRNSED/PRESIM 14.2 Bengt Peres and Björn Karlsson EBD_LTH 2007. Con el software se estudio que inclinación es la óptima para conseguir la mayor cantidad de radiación solar en un año en la localización de Gävle, pero el software de WinSun no tiene las condiciones climatológicas ni la localización de Gävle por tanto para la simulación se utilizo como punto de cálculo la localización de Estocolmo debido a la gran similitud de localización y de climatología de las dos ciudades. Gracias a la información obtenida en WinSun, energía solar que puede ser utilizada por colectores solares de placa plana de cubierta simple en esta localización, kWh/m², en cada mes del año, y la distribución de los colectores solares elegida para maximizar el área de captación de colectores solares, puede ser calculada cuanta energía se puede llegar a captar cada mes para uso de agua caliente sanitaria. Ricardo Moya Jaraba 54 La distribución de los colectores se calculo con un ángulo de sombra de 20º en horizontal con la superficie del suelo, debido a la remodelación del forjado al exterior esta superficie es prácticamente horizontal como se puede observar en la Figura 43. 3.7 Informe económico El informe económico ofrece dos valores muy comunes e importantes en el estudio de inversiones, el valor añadido neto VAN o Net Present Value (NPV) y el plazo de recuperación o Pay-back. Para conseguir cual sería la inversión de las propuestas se tuvo que contactar con distintas empresas interesadas aunque esta labor fue muy difícil debido a que no confiaban en la veracidad del proyecto debido a ser un estudiante universitario y además extranjero. En la propuesta de cambio de ventanas y puertas de balcones la empresa interesada es Elitefönster AB. En la propuesta para la mejora del forjado a trasteros-ático fue Skanska AB empresa para la que también trabaja el supervisor la universidad de este proyecto Roland Forsberg, y para la propuesta de energía solar mediante colectores la información de cantidad de inversión fue un dato aproximado proporcionado por el profesor Björn Klarsson gracias a sus contactos en el campo de la energía solar en Suecia ya que este es su campo. La inversión a realizar en la propuesta de la energía solar fue el más difícil de adquirir por los motivos descritos anteriormente y que sin la ayuda del profesor no habría sido posible. El supervisor Roland Forsberg recomendó hacer el estudio de inversión con tres casos diferentes en el que el incremento del precio de la energía fuera del 2%, 4% y 6%, durante la duración de años de la inversión que en el campo de la construcción en Suecia utilizan un periodo de 30 años, así entonces los el valor añadido neto y el plazo de recuperación están calculados a un periodo de 30 años. Ricardo Moya Jaraba 61 4.3 Propuesta de mejora de ventanas y puertas de balcones Con esta propuesta se ahorra alrededor de 50 MWh por edificio y por año normal, esto significa un ahorro económico total en energía de 20 000 SEK o 2 000 € por edificio en un año normal. En términos de los tres edificios esto supone 150 MWh y 60 000 SEK o 6 000 € en un año normal. Se consigue un ahorro energético de 59.3% en pérdidas térmicas en las ventanas y puertas de balcones. Estas cifras son un gran ahorro energético y un aceptable ahorro económico, en contraposición esta la alta inversión a realizar en la propuesta. El precio de la inversión fue proporcionada por la empresa Beijer Byggmaterial de Gävle (www.beijerbygg.se). Esta empresa es una distribuidora de la empresa Elit Fönster AB, el precio incluye también la instalación, 1 930 000 SEK o 193 000 €. Esta empresa fue la única que dio un presupuesto, por tanto no se pudo intentar buscar más precios y así poder comparar y buscar un precio más bajo. En el estudio de inversión se puede observar que tanto para lo tres casos de incremento de precio de la energía el VAN o NPV es positivo con 44 565 SEK o 4 456 €, 367 524 SEK o 36 752 € y 826 944 SEK o 82 694 € para 2%, 4% y 6% de incremento de energía respectivamente. En el caso del Payback empieza a haber beneficios desde el año 29, 23 y 20 para 2%, 4% y 6% de incremento de energía respectivamente. En este caso para el 2% se produce beneficio justo casi en el último año del periodo de inversión. Ricardo Moya Jaraba 62 4.4 Propuesta de mejora en el forjado trastero-ático Esta propuesta ahorra alrededor de 13 MWh por edificio en un año normal y un total de 5 500 SEK o 550 € por edificio. Este ahorro supone un total de 38 MWh y 16 500 SEK o 1 650 € al año para los tres edificios del proyecto. Esta energía supone una reducción de 58.15% de las pérdidas al trastero-ático. La inversión incluida la instalación es de alrededor de 500 SEK/m² o 50 €/m2. La empresa Skanska AB (www.skanska.se) fue la que proporciono esta información a través del supervisor de la universidad de Gävle del proyecto Roland Forsberg. El estudio de la inversión da una información muy interesante ya que el VAN o NPV es de 252 755 SEK o 25 275 €, 337 232 SEK o 33 723 € y de 457 402 SEK 45 740 €, con un incremento del coste de la energía del 2%, 4% y 6% respectivamente. En los tres casos el Payback a dar beneficios a partir del cuarto año de la inversión. Estos datos económicos son muy beneficiosos con una inversión muy baja de 59 320 SEK o 5 932 €. Además de los beneficios económicos hay que destacar que es una construcción sencilla y puede ser realizada en poco tiempo sin molestias para los inquilinos. Por otra parte una consecuencia de la propuesta es la bajada de temperatura interior que se produce en los trasteros-ático al ser un espacio ventilado pero no calefactado, pero para hacerlo confortable se estableció un mínimo de temperatura de diseño de 0ºC en invierno para un año normal como se especificó anteriormente. La reducción de estas pérdidas es importante también para los inquilinos de la planta quinta que incrementara el confort dentro de estos apartamentos. Ricardo Moya Jaraba 63 4.5 Propuesta energía solar La propuesta de energía solar ahorra aproximadamente 50 MWh por edificio y por año de energía destinada a agua caliente, o 190 MWh entre los cuatro edificios ya que en esta propuesta está incluido el edificio Pinnmovägen 24, estos ahorros energéticos son considerables. Observando el aspecto económico el ahorro económico es de 80 000 SEK u 8 000 € por año en energía de district heating. Es un gran ahorro en cuanto a energía pero como en la propuesta de ventanas y puertas a balcones requiere una gran inversión 3 300 000 SEK o 330 000 €. Los datos de inversión fueron obtenidos gracias al profesor Björn Klarsson de la universidad de Gävle, Högskolan i Gävle, debido a la dificultad de contactar con una empresa y conseguir información acerca de precios de sus productos e inversión para esta propuesta. El precio de referencia utilizado en la propuesta es de 4 000SEK/m² o 400 €/m2 incluyendo la instalación. En el estudio de inversión de la propuesta es negativa para el caso de un incremento de la energía del 2% tanto para el VAN o NPV y para el Payback. En este caso no se conseguiría un retorno de la inversión antes de los 30 años y conllevaría una pérdida de capital de 390 000 SEK o 39 000 € al final del periodo de 30 años. En los casos en la que el precio de la energía se encareciera un 4% el Payback seria 29 años prácticamente el periodo de la inversión y el VAN sería positivo con 22 000 SEK o 2 200 € de beneficio, mientras que con un incremento del 6% el ahorro económico seria considerable con un VAN de 620 000 SEK o 62 000 € y con un Payback de 25 años. Como se puede comprobar en esta propuesta al ser una inversión inicial muy alta y tener un largo periodo de inversión el incremento del precio de la energía juega un papel muy importante a la hora de ser rentable o no la inversión. Ricardo Moya Jaraba 64 El sistema de la instalación no es diseñado en la propuesta por encontrarse fuera del alcance del proyecto debido a que la empresa no estaba interesada, solo querían unos valores de referencia para saber si la energía solar les podría ser de ayuda para ahorrar una cantidad apreciable de energía debido a su desconocimiento en estas tecnologías. La no profundización en el diseño hace difícil la real cuantificación tanto de energía que se podría ahorrar tanto como el precio de la inversión ya que debido a la distancia de los edificios y a la carencia de districth heating rooms en dos edificios crea complicaciones en la implantación de este sistema. Por este motivo se ha especificado la cantidad de energía ahorra por edificio al principio de esta sección, por tanto el ahorro energético total y la inversión podrían reducirse a la mitad. Se ofrecieron más alternativas en cuanto se supo esta dificultad pero ya era tarde para el estudio en este proyecto y para la inclusión de estas mismas en el proyecto, como la utilización de energía solar en los edificios con district heating room, creación de district heating rooms en los edificios no existentes o la utilización de energía fotovoltaica en los edificios sin district heating room para conseguir electricidad y ahorrar en energía eléctrica. Pero la empresa no estaba muy interesada en estas otras propuestas solo en la utilización de energía solar en los edificios con ditrict heating room y descartar los edificios de Glaciärvägen 21 y Pinnmovägen 24. Ricardo Moya Jaraba 65 4.6 Consumo de energía con las propuestas En las tablas siguientes se muestra cual sería el consumo de energía en el año 2009 si las propuestas hubieran sido implementadas, en la tabla de ahorro energético se muestra también en edificio de Pinnmovägen 24 ya que en la propuesta de energía solar está incluido este edificio. Se muestran los MWh de ahorro en cada edificio así como su supuesto consumo en 2009 comparado con el real y mostrando la reducción de energía en cada edificio que conlleva en el caso de que se implantaran las propuestas. Se incluye el dato del ahorro energético en la ventilación que fue facilitado por otro proyecto de la empresa. Mejoras [MWh] Glaciärvägen 21 Glaciärvägen 23 Pinnmovägen 26 Pinnmovägen 24 Ventanas y puertas de balcones 45,6 45,6 45,6 - Forjado a trasterosático 12,2 12,2 12,2 - Energía solar 47,1 47,1 47,1 47,1 Ventilación 100,0 100,0 100,0 - Ahorro Total 204,9 204,9 204,9 47,1 Tabla 23.Ahorro total con las propuestas en loe edificios y ventilación Energía District Heating Consumo 2009 Nuevo consumo Ahorro [MWh] [kWh]/[m2] [MWh] [kWh]/[m2] Glaciärvägen 21 525,0 275,6 320,2 168,1 39,0% Glaciärvägen 23 493,2 275,6 288,3 161,1 41,5% Pinnmovägen 26 343,1 180,4 138,2 72,7 59,7% Pinnmovägen 24 343,7 180,4 296,6 155,7 13,7% Tabla 24. Nuevo consumo y ahorro con las propuestas Coste energético de District Heating 2009 Nuevo consumo Ahorro SEK € SEK € SEK € Glaciärvägen 21 225 758 22 575 139 131 13 913 86 627 8 662 Glaciärvägen 23 212 068 21 206 125 441 12 544 86 627 8 662 Pinnmovägen 26 147 534 14 753 60 907 6 090 86 627 8 662 Pinnmovägen 24 147 790 14 790 127 530 12 753 20 260 2 026 Total 733 150 73 315 453 008 45 300 280 142 28 014 Tabla 25.Coste energético con el nuevo consumo de las propuestas Ricardo Moya Jaraba 66 En estas tablas se observa tanto el impacto en el ahorro energético tanto el ahorro económico con la implantación de las propuestas. La reducción de energía en los edificios Glaciärvägen es de alrededor de 40% mientras que en los edificios Pinnmovägen es muy distinata entre ambos debido a que Pinnmovägen solo se implantaría la propuesta de energía solar. En el análisis de estos datos hay que decir que los que realmente son significativos son los de Glaciärvägen ya que estos dos comparten una district heating room tienen características semejantes y tienen consumos pareceidos mientras que los edificios Pinnmovägen son muy distintos al ser el numero 24 de moderadamente reciente construcción y el número 26 al ser de la misma época que los Glaciärvägen. Un dato a tener en cuenta es la reducción de kWh/m² en los edificios siendo un ahorro en Glaciärvägen de 275 kWh/m² a 160 kWh/m² por debajo de los 200 kWh/m² pero todavía no lo suficientemente bajos. Por tanto podemos deducir que el porcentaje de ahorro será próximo al 40% y no entre el 50% y el 60% como la empresa supuso con la implantación de estas tres propuestas y la de ventilación para poder llegar al objetivo que el proyecto Retrofitting together project propuso por EURHONET. Ricardo Moya Jaraba 67 5 CONCLUSIÓN Con las propuestas de Gavlegårdarna se puede observar que el objetivo del proyecto Retrofitting together project de EURHONET no es suficiente ya que el ahorro es de alrededor del 40% y no del objetivo del 50%-60% por tanto esta falta de 10%-20% habría que conseguirla con otras propuestas mencionadas anteriormente como la mejora en los muros hormigón, la implantación de district heatings rooms en los edificios que no tienen o un aprovechamiento mejor de la energía solar para poder captar más energía solar bajando la temperatura de operación de los colectores buscando un mejor sistema que el propuesto por Gavlegårdarna para conseguir el máximo aprovechamiento de esta energía. El informe de pérdidas es muy interesante para la empresa Gavlegårdarna ya que dentro del barrio de Sätra posee muchos edificios que comparten el mismo diseño de las plantas residenciales y solo en la planta baja hay diferencias por tanto los resultados pueden ser extrapolados para otros edificios y utilizados para otros estudios. A pesar de no llegar a la meta propuesta por EURHONET estas propuestas suponen un ahorro considerable del gasto energético y muestra la preocupación de la empresa en el control del gasto energético, ya que esta se hace cargo en la factura, y de su preocupación por el medio ambiente y la reducción por tanto de CO2 que suponen estas mejoras. Esta preocupación de la empresa coincide con la preocupación del estado sueco reflejada en sus políticas medio ambientales debido a que empresas como Gavlegårdarna reduciendo su gasto energético de district heating y por tanto de CO2 pueden acceder a primas económicas importantes que no han sido especificadas en el proyecto. Este comportamiento verde de la empresa supone una buena publicidad ya que la sociedad sueca está comprometida con estas medidas de ahorro energético y reducción de CO2 a diferencia de generaciones anteriores. Ricardo Moya Jaraba 68 En el informe económico se expone el punto de vista económico de las inversiones con los parámetros recomendados por los supervisores y ofreciendo tres casos de incremento del precio de la energía. Son datos aproximados debido a la dificultad de encontrar un dato certero o el más optimo en el mercado del presupuesto, pero son favorables en todos sus casos exceptuando en un caso de energía solar. Hay que tener en cuenta que las primas por reducción de energía no son incluidas ni la empresa ofreció información sobre estas. Por tanto en algunos resultados que no son muy convincentes podrían serlo contabilizando las propuestas. Al final con este proyecto Gavlegårdarna obtiene una presentación muy útil para sus posteriores presentaciones en EURHONET, un informe energético de consumos de los edificios, un informe energético de pérdidas que puede ser extrapolable a otros edificios, fotografías térmicas, y el resultado de las propuestas que la empresa tenía quería contabilizar todo ello necesario para el proyecto Retrofitting together project de EURHONET en el que Gavlegårdarna forma parte. Ricardo Moya Jaraba 69 6 REFERENCIAS  Agencia energética sueca, Energía en Suecia 2009. http://www.energimyndigheten.se  Figuras de la agencia energética sueca, Energía en Suecia 2009. http://www.energimyndigheten.se en la introducción para Gavlegårdarna.  EURHONET Association, http://www.eurhonet.eu/#/home/  Grados-día o degree days página web: http://knol.google.com/k/degree-days#  Temperaturas normales de referencia utilizadas en Gävle. Media de 1931 a 1960. VVS-Handboken 1931-1960  Página web: http://www.energystar.gov/index.cfm?c=evaluate_performance.bus_benchmark_ comm_bldgs