Producción innovadora de ACS, refrigeración y electricidad para edificio de viviendas en Camas (Sevilla)

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Producción innovadora de ACS, refrigeración y electricidad para edificio de viviendas en Camas (Sevilla) Grupo de Termotecnia Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Alonso Jesús Márquez Durán Tutores: Servando Álvarez Domínguez, Teresa Rocío Palomo Amores Sevilla, 2024 iii Trabajo de Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Producción innovadora de ACS, refrigeración y electricidad para edificio de viviendas en Camas (Sevilla) Autor: Alonso Jesús Márquez Durán Tutores: Servando Álvarez Domínguez Teresa Rocío Palomo Amores Departamento de Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Máster: Producción innovadora de ACS, refrigeración y electricidad para edificio de viviendas en Camas (Sevilla) Autor: Alonso Jesús Márquez Durán Tutores: Servando Álvarez Domínguez, Teresa Rocío Palomo Amores El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A quienes confiaron en mi Incluso cuando yo no lo hacía. ix Agradecimientos La entrega, y posterior defensa de este trabajo supone llegar al final de una etapa importante en mi vida, una etapa de seis años incluyendo grado y máster que me ha forjado como ingeniero industrial así como en muchos otros aspectos importantes, como la resiliencia, la constancia, la paciencia, etc. El llegar hasta aquí no ha sido para nada fácil, por lo que es lo justo agradecer y hacer mención a todas aquellas personas que de alguna manera me han ayudado en la consecución de todos los objetivos que me he propuesto, a mi familia, a mis padres, mis hermanos, y a mis amigos, con especial mención a mi gran amigo Alejandro, sólo ellos conocen de primera mano el sacrificio que ha supuesto conseguirlo. Ellos han sido esas alas que he necesitado en los peores momentos, y que me han permitido volar hasta aquí. Quiero acordarme especialmente también de mis tutores Servando y Teresa, y agradecerles por tener la paciencia de sentarse a escucharme y ayudarme cuando lo he necesitado para sacar adelante este trabajo, así como de haberme dado la oportunidad de cerrar esta etapa de la mano de su tutela. A todos ellos muchas gracias, hoy nace un nuevo Ingeniero Industrial y prometo estar a la altura que esta gran profesión requiere. Alonso Jesús Márquez Durán Sevilla, 2024 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Horarios de funcionamiento y fuentes internas - 7 - Tabla 2-2. Demanda de ACS Mensual - 9 - Tabla 2-3. Parámetros característicos a nivel de componentes en la situación inicial - 13 - Tabla 2-4. Factores de sombra para cada orientación del edificio. - 13 - Tabla 2-5. Demanda mensual en kWh de Calefacción y Refrigeración para la situación inicial del edificio - 14 - Tabla 2-6. Parámetros característicos a nivel de componentes en la solución intermedia escogida. - 16 - Tabla 2-7. Demanda mensual en kWh de Calefacción y Refrigeración para la situación elegida - 18 - Tabla 2-8. Perfil diario de ACS (en porcentaje) - 18 - Tabla 2-9. Demanda diaria para cada mes de junio a septiembre - 20 - Tabla 2-10. Valores de demanda horaria para los días tipo de los meses de junio a septiembre - 20 - Tabla 3-1. Coeficientes de ajustes de las curvas del modelo - 28 - Tabla 4-1. Datos del módulo fotovoltaico elegido (Condiciones estándar STC) - 35 - Tabla 4-2. Valores de 𝜏 y de aH para cada volumen - 42 - Tabla 4-3. Tabla de resultados obtenidos para 31.5 m2 y 500 L - 42 - Tabla 4-4. Comparación de operación de las distintas soluciones propuestas con respecto a la convencional - 44 - Tabla 5-1. Costes de las instalaciones innovadoras utilizados - 47 - Tabla 5-2. Valores obtenidos de Energía Primaria No Renovable y Energía Primaria Total para cada solución. - 48 - Tabla 5-3. Determinación de soluciones subvencionables y porcentaje subvencionado sobre coste de instalación - 49 - Tabla 0-1. Parámetros característicos a nivel de componentes en la solución óptima reglamentaria. - 58 - xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Situación del bloque de edificios a estudiar - 4 - Figura 2-2. Vista en planta del edificio (Planta Baja) - 4 - Figura 2-3. Vista en planta del edificio (Planta Primera) - 5 - Figura 2-4. Vista en planta del edificio (Planta Segunda) - 5 - Figura 2-5. Interfaz principal del programa DSGCODE - 11 - Figura 2-6. Definición geométrica y constructiva del edificio en DSGCode. - 11 - Figura 2-7. Interfaz de ejemplo de muestra de resultados por el programa DSGCode - 12 - Figura 2-8. Evolución de la temperatura de oscilación libre para el caso inicial de partida del trabajo de base. - 14 - Figura 2-9. Energía primaria total frente a CCV trabajo de partida. Elección solución intermedia. - 15 - Figura 2-10. Energía primaria no renovable frente a CCV trabajo de partida. Elección solución intermedia - 15 - Figura 2-11. Evolución de la temperatura de oscilación libre para el caso intermedio elegido para el edificio. - 17 - Figura 3-1. Esquema de principio de funcionamiento del ACS en la solución convencional planteada. Elaboración propia. - 22 - Figura 3-2. Esquema de principio de funcionamiento del sistema de pre-enfriamiento del agua por falling-film. Elaboración propia. - 23 - Figura 3-3. Circuito equivalente de la célula solar. Recuperado de [4] - 26 - Figura 3-4. Curva I-V (a) y Curva P-V (b) de un módulo fotovoltaico. Recuperado de [4] - 27 - Figura 3-5. Esquema de principio de funcionamiento del ACS en la instalación propuesta. Elaboración propia- 30 - Figura 3-6. Ciclo de histéresis empleado en el depósito de ACS. - 31 - Figura 4-1. Análisis de sensibilidad del porcentaje de contribución por falling film en función del volumen y el área. - 34 - Figura 4-2. Curva de comportamiento I-V del panel seleccionado en condiciones STC - 36 - Figura 4-3. Curva de comportamiento P-V del panel seleccionado en condiciones STC - 36 - Figura 4-4. Potencia PV generada frente a Irradiancia total incidida para el 1 de junio. - 37 - Figura 4-5. Oferta vs Demanda para un área de captación de 21 m2 y un volumen de 1000 L para el 15-junio - 38 - Figura 4-6. Oferta vs Demanda para un área de captación de 31.5 m2 y un volumen de 1000 L para el 15-junio - 39 - Figura 4-7. Qaux frente a Demanda + Temperatura del depósito, para un área de captación de 31.5 m2 y un volumen de 500 L - 39 - Figura 4-8. Qaux frente a Demanda + Temperatura del depósito, para un área de captación de 31.5 m2 y un volumen de 1500 L - 40 - Figura 4-9. Gráfica para obtención del factor de utilización empleada en la norma ISO 13790:2004 - 41 - Figura 4-10. Factor de utilización frente a 𝛾 para un área de captación de 31.5 m2 - 41 - Figura 4-11. Análisis de sensibilidad del porcentaje cubierto sobre ACS, en función del área y el volumen. - 43 - Figura 5-1. Importe de las subvenciones de la Línea 3 del Plan Eco Vivienda de la Junta de Andalucía. Recuperado de [11] - 49 - Figura 5-2. Energía Primaria No Renovable frente al CCV de las soluciones planteadas - 50 - Figura 5-3. Energía Primaria Total frente al CCV de las soluciones planteadas - 50 - Figura 0-1. Vista en Planta del Edificio Objeto de Estudio (Cubierta) - 56 - Figura 0-2. Alzado del edificio (Fachada exterior) - 57 - Figura 0-3. Alzado del edificio (Fachada patio) - 57 - Figura 0-4. Evolución de la temperatura de oscilación libre para el caso óptimo reglamentario - 58 - Figura 0-5. Análisis de sensibilidad de la energía disipada por falling film en función del volumen y el área. - 64 - Figura 0-6. Captura de pantalla de la hoja de cálculo de la simulación del depósito de falling-film - 82 - Figura 0-7. Captura de pantalla de la hoja de cálculo de la simulación del depósito de ACS - 82 - - 1 - 1 INTRODUCCIÓN a búsqueda de la mejora de la eficiencia energética de los edificios es una de los aspectos que cada vez están adquiriendo más relevancia en el mundo de la construcción hoy en día, pues es una cuestión muy importante de cara a velar por la sostenibilidad del planeta el intentar construir edificios cada vez más sostenibles y que hagan una mejor utilización de los recursos renovables y técnicos de los que disponemos hoy en día. Eso se ve reflejado en las imposiciones normativas cada vez más estrictas en este sentido. Es por ello por lo que resulta bastante interesante adentrarse en todo este mundo, y analizar y proponer soluciones innovadoras que sean beneficiosas en cuanto a la mejora de los edificios en este aspecto. 1.1. Objetivos El objetivo de este trabajo en primer lugar es el de aplicar los conocimientos adquiridos en términos de eficiencia energética y ponerlos en funcionamiento en torno a un caso real de un edificio de viviendas existente, de manera que se pueda mostrar la utilidad práctica de todo los conocimientos aprendidos. Además se tiene como objetivo de aprendizaje el aprender a simular distintos modelos físicos de comportamiento de los sistemas, como es el caso de la generación fotovoltaica de los paneles o de la acumulación térmica del agua de los depósitos, comprobando y analizando que los resultados que se obtienen vayan en consonancia con el cómo se comportaría en la realidad. Por último, en cuanto a cálculo, el objetivo es ser capaz de proponer soluciones innovativas con el fin de mejorar la eficiencia energética del edificio sin tener que reducir los consumos actuales, y que en estas soluciones estén integradas fuentes de generación de carácter naturales y renovables, así como compararlas y ser capaz de elegir aquella más óptima según unos criterios determinados. 1.2. Alcance En primer lugar, el presente trabajo abarca a un total de seis viviendas de un edificio existente en Camas (Sevilla). El alcance en cuanto a detalle es el necesario para abarcar como Trabajo de Fin de Máster, no se trata de un proyecto real en cuanto a las instalaciones, por lo que no se llevarán a cabo mediciones detalladas de los elementos que forman parte de las instalaciones en cuanto al análisis económico, no presentandose un presupuesto. Además algunos parámetros utilizados para el cálculo económico han sido estimados y simplificados, puesto que no es el objeto principal entrar en detalle. De igual manera, tampoco se presentarán planos de detalle de las instalaciones, el trabajo consta de cálculos teóricos-prácticos enfocados al análisis energético conceptualmente, no entrando en detalle de instalación de los distintos sistemas (fotovoltaica, falling-film, etc.), aunque sí se presentarán esquemas de principio de funcionamiento. Los distintos análisis no incluyen el estudio del HE1, para lo que se elige una solución constructiva como partida que garantiza su cumplimiento gracias a lo estudiado en el trabajo de base. 1.3. Limitaciones En cuanto al desarrollo del cálculo de este trabajo, se cuenta con las siguientes limitaciones: • No se tendrán en cuenta pérdidas de calor a través de los diferentes elementos de las instalaciones, con el objetivo de simplificar el cálculo, centrándolo en lo verdaderamente interesante de estudiar. L Introducción - 2 - • Debido a limitaciones técnicas de software, el paso de tiempo más bajo que se utilizará será un paso de tiempo diezminutal, por lo que tal vez las simulaciones difieran un poco de lo que se obtendría con un paso de tiempo menor, como ocurre en la realidad. No obstante, con este paso de tiempo es más que suficiente para la simulación del comportamiento de los depósitos. • Los distintos cálculos están planteados para un año climático tipo, cuyos parámetros de cálculo provienen del archivo climático de Sevilla, por lo que al ser una media histórica de las distintas variables climáticas, puede variar considerablemente de lo que ocurriría en un año actual o futuro. Sin embargo, de cara a los análisis que se van a realizar es lo más práctico y es suficiente para estimar los resultados. - 3 - 2 BASE DE PARTIDA omo base de partida del presente Trabajo de Fin de Máster, se ha tomado un trabajo elaborado en grupo, en la asignatura optativa de Edificios de Alta Eficiencia Energética, de la titulación del Máster de Ingenería Industrial, del segundo curso. Este trabajo realizado en dicha asignatura tenía el objetivo de analizar desde el punto de vista de la eficiencia y mejora energética, un edificio real, proporcionado por los profesores del departamento. En dicho trabajo se parte de unas características constructivas iniciales del edificio, y con la ayuda de un software desarrollado por el departamento de Termotecnia de la E.T.S.I, denominado DSGCode, incorporando estos parámetros junto con parámetros de tipo climático y otros relacionados con la demanda de ACS, ocupación y el horario de funcionamiento de diferentes equipos, se consigue obtener las diferentes demandas energéticas de refrigeración y calefacción mensuales y horarias del edificio a lo largo de un año tipo, así como la temperatura interior, la cual se denominaría temperatura de oscilación libre en el caso de que no hubiese funcionamiento de los equipos de refrigeración y calefacción. Una vez obtenidos estas demandas, se lleva a cabo un cálculo más elaborado, mediante un procedimiento con coeficientes correctores que mejoran el procedimiento simplificado previamente realizado. Posteriormente, se lleva a cabo una búsqueda de la mejora del edificio, según la variación de diferentes parámetros constructivos (transmitancias, factores solares de las ventanas, permeabilidad de los huecos, etc.), dando lugar a la aparición de múltiples combinaciones. Mediante una hoja de cálculo se incorpora además el CCV (coste del ciclo de vida), añadiendo los diferentes costes que supone cada mejora. Comparando el CCV frente a la energía primaria total y energía renovable total, se filtran aquellas soluciones que hagan que se cumplan tanto las restricciones del HE0 como las soluciones del HE1, buscándose así el óptimo reglamentario y comparando las diferencias entre esta situación y la original. 2.1. Edificio objeto de estudio 2.1.1 Descripción y emplazamiento En primer lugar se describe el edificio a utilizar en el presente trabajo, a fin de conocer sus características geométricas, los elementos que posee, su emplazamiento y su orientación. El edificio a estudiar se trata de un bloque de viviendas VPO ubicado en el municipio sevillano de Camas, calle Guadalquivir. Este bloque consta de tres plantas, con dos viviendas en cada una y colinda con otro edificio de características muy similares. C Base de partida - 4 - Figura 2-1. Situación del bloque de edificios a estudiar Se presenta a continuación las principales vistas en planta (el resto de vistas pueden encontrarse en Anexo A- Base de Partida, y los planos orifinales donde aparece el edificio colindante al de estudio en Anexo C-Planos) Figura 2-2. Vista en planta del edificio (Planta Baja) - 5 - Figura 2-3. Vista en planta del edificio (Planta Primera) Figura 2-4. Vista en planta del edificio (Planta Segunda) El edificio, con planta de forma rectangular, colinda por su cara orientada al sureste con otro edificio acondicionado, por lo que no se considerará de cara al estudio, debido a que se toma como hipótesis que no hay transmisión de calor entre los edificios a través de la medianera. Las fachadas restantes tienen orientaciones noreste, noroeste y suroeste. La planta baja posee ligeramente más superficie construida (156,78 m2) que la primera y la segunda planta (144,41 m2). Además, la primera planta cuenta con una pequeña terraza colocada en el saliente de la planta baja en su cara noroeste, mientras que la segunda planta no cuenta con esta terraza. La altura de la planta baja es ligeramente inferior (2,65 m) a la de la primera y la segunda planta (2,70 m). El volumen de la planta baja es de 415,47 m3, y el de la primera y la segunda planta es de 389,91 m3. Los huecos de las ventanas son de distintos tamaños. Mientras que la cara noreste cuenta con tamaños de ventana de 1.00 m y 0.50 m de ancho, en la cara suroeste el ancho es de 1.50 m y 0.70 m. En la cara noreste se encuentra la entrada al bloque de viviendas. En cuanto a la envuelta del edificio, las superficies de muro, de huecos y la total por orientaciones son las siguientes: • Fachada noreste: o Superficie de muros: 122,52 m2 Base de partida - 6 - o Superficie de huecos: 17,68 m2 o Superficie total: 140,20 m2 • Fachada noroeste: o Superficie de muros: 65,64 m2 o Superficie de huecos: 3,30 m2 o Superficie total: 68,94 m2 • Fachada sureste: o Superficie de muros: 110,83 m2 o Superficie de huecos: 29,14 m2 o Superficie total: 139,97 m2 • Cubierta. o Superficie: 145,01 m2. En conjunto, el edificio posee un área de muro total de 298,99 m2, un área de huecos total de 50,12 m2 y, por tanto, una superficie de fachada total de 349,11 m2, además de los 145,01 m2 de cubierta. 2.1.2 Elementos constructivos (situación de partida) Como se ha comentado anteriormente, en dicho trabajo realizado, se tiene como dato de partida las características construcitvas del edificio en la situación de partida. A partir de estas características se pueden calcular distintos parámetros que serán necesarios para obtener las demansas energéticas del inmueble. Los datos relacionados con la transmitancia de los muros de fachada son los siguientes: • Cámara de aire: resistencia térmica, 0.19 (𝑚2·𝐾)/𝑊. • Mortero de cemento: espesor, 0.02 𝑚 ; conductividad térmica, 0.55 𝑊/(𝑚·𝐾). • Medio pie LP: espesor, 0.115 𝑚 ; conductividad térmica, 0.667 𝑊/(𝑚·𝐾). • Tabique de LH: espesor, 0.04 𝑚 ; conductividad térmica, 0.445 𝑊/(𝑚·𝐾). • Enlucido de yeso: espesor, 0.02 𝑚 ; conductividad térmica, 0.57 𝑊/(𝑚 ·𝐾). • Resistencia superficial exterior, 0.04 (𝑚2·𝐾)/𝑊. Se obtiene de la Tabla 1 del DA DB - HE / 1. • Resistencia superficial interior, 0.13 (𝑚2·𝐾)/𝑊. Se obtiene de la Tabla 1 del DA DB - HE / 1. Con los datos anteriores, se obtiene una transmitancia de muros de 1.44 𝑊/(𝑚2·𝐾). Los datos relacionados con los cerramientos semitransparentes son los siguientes: • Transmitancia acristalamiento (vidrio simple), 5.70 𝑊/(𝑚2·𝐾). • Factor solar acristalamiento (vidrio simple), 0.76. • Transmitancia marcos (ventana abisagrada), 5.70 𝑊/(𝑚2·𝐾). • Absortividad marcos (ventana abisagrada), 0.40. • Fracción de hueco cubierto por marco, 0.25. Con los datos anteriores, se obtiene una transmitancia y factor solar de cerramientos semitransparentes de 5.70 𝑊/(𝑚2·𝐾) y 0.59, respectivamente. Los datos relacionados con la transmitancia de la cubierta son los siguientes: • Arena y grava: espesor, 0.07 𝑚 ; conductividad térmica, 2.00 𝑊/(𝑚·𝐾). - 7 - • XPS con CO2: espesor, 0.04 𝑚 ; conductividad térmica, 0.034 𝑊/(𝑚 ·𝐾). • Hormigón celular: espesor 0.10 𝑚 ; conductividad térmica, 0.18 𝑊/(𝑚·𝐾). • Forjado unidireccional: espesor, 0.30 𝑚 ; conductividad térmica, 1.492 𝑊/(𝑚 ·𝐾). • Resistencia superficial exterior, 0.04 (𝑚2·𝐾)/𝑊. Se obtiene de la Tabla 1 del DA DB - HE / 1. • Resistencia superficial interior, 0.10 (𝑚2·𝐾)/𝑊. Se obtiene de la Tabla 1 del DA DB - HE / 1. Con los datos anteriores, se obtiene una transmitancia de cubierta de 0.47 𝑊/(𝑚2·𝐾). 2.1.3 Operación del bloque de viviendas 2.1.3.1 Horarios de funcionamiento y fuentes internas Se calculó una ocupación del bloque de edificio de 22 personas. Puede observarse dicho cálculo en el Anexo B. Además, en cuanto a los horarios de funcionamiento de los equipos, se establece que el periodo de calefacción abarcará los meses de enero a mayo y de octubre a diciembre, mientras que el periodo de refrigeración abarcará los meses de junio a septiembre. Se puede observer el horario diario en la siguiente tabla. Tabla 2-1. Horarios de funcionamiento y fuentes internas Hora Horario Calefacción Horario Refrigeración Ocupación (𝒑𝒆𝒓𝒔𝒐𝒏𝒂𝒔) Iluminación (𝑾/𝒎𝟐) Equipos (𝑾/𝒎𝟐) 1 1 1 22 0.44 0.44 2 0 0 22 0.44 0.44 3 0 0 22 0.44 0.44 4 0 0 22 0.44 0.44 5 0 0 22 0.44 0.44 6 0 0 22 0.44 0.44 7 1 0 22 0.44 0.44 8 1 0 8 1.32 1.32 9 1 0 8 1.32 1.32 10 1 0 8 1.32 1.32 11 0 0 8 1.32 1.32 12 0 0 8 1.32 1.32 13 0 1 8 1.32 1.32 14 0 1 8 1.32 1.32 15 0 1 14 1.32 1.32 16 0 1 14 1.32 1.32 Base de partida - 14 - Figura 2-8. Evolución de la temperatura de oscilación libre para el caso inicial de partida del trabajo de base. 2.3.3. Demanda de calefacción y refrigeración Introduciendo los parámetros iniciales del edificio en DSGCode, se obtienen los siguientes valores de demanda de calefacción y refrigeración. Tabla 2-5. Demanda mensual en kWh de Calefacción y Refrigeración para la situación inicial del edificio DEMANDA MENSUAL MES CALEFACCION [kWh] REFRIGERACIÓN [kWh] Enero 3963 0 Febrero 2794 0 Marzo 1762 0 Abril 755 0 Mayo 28 0 Junio 0 1472 Julio 0 3494 Agosto 0 3514 Septiembre 0 1901 Octubre 245 0 Noviembre 1872 0 Diciembre 3886 0 TOTAL 15304 10381 2.4. Elección de la solución constructuva a utilizar en el edificio (Caso intermedio) 2.4.1. Criterio de elección: Curvas Energía-CCV del trabajo de partida A continuación, tal y como se comentó, en el trabajo de base, se llevó a cabo un análisis de múltiples - 15 - combinaciones de parámetros característicos, a fin de llevar a cabo una evaluación de estos en términos de energía primaria total y energía primaria no renovable (para lo planteado en dicho trabajo) junto con el coste del ciclo de vida (CCV), con el objetivo determinar la solución óptima reglamentaria, la cual es aquella, que cumpliento el HE1 y HE0, tiene un menor CCV. Se representa a continuación todas estas combinaciones llevadas a cabo en el trabajo de partida y la elegida como óptima reglamentaria: Figura 2-9. Energía primaria total frente a CCV trabajo de partida. Elección solución intermedia. Figura 2-10. Energía primaria no renovable frente a CCV trabajo de partida. Elección solución intermedia 25 30 35 40 45 50 55 60 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 CCV 30 a os ( ) Consumo Energía Primaria Total ( h m2) Cumple HE1 o Cumple HE1 Caso nicial Cep tot lím p ma Reglamentaria Valor elegido T M 25 30 35 40 45 50 55 60 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 CCV 30 a os ( ) Consumo Energía Primaria o Renovable ( h m2) Cumple HE1 o Cumple HE1 Caso nicial Cep nrev lím p ma Reglamentaria Valor elegido T M Base de partida - 16 - Como criterio de selección de la solución constructiva que se utilizará como base para el desarrollo de este Trabajo de Fin de Máster se decidió elegir una solución intermedia entre la solución óptima reglamentaria y la solución constructiva inicial de partida del edificio. Así se ha tomado como parámetros los correspondientes a la solución mostrada en las gráficas como “Valor elegido TFM”, tomando para su elección la condición de cumplimiento del HE1, ya que no será objeto de este objeto, tomando por tanto una solución constructiva que garantiza su cumplimiento y una solución que no cumpla las restricciones del HE0 en cuanto a las instalaciones y áreas de acondicionamiento consideradas en ese trabajo de partida, de esta manera obtendríamos una solución con parámetros constructivos que permiten margen de mejora y que no es todo lo óptima que pudiera ser. 2.4.2. Parámetros característicos Tabla 2-6. Parámetros característicos a nivel de componentes en la solución intermedia escogida. Parámetro Valor Transmitancia cerramientos opacos, 𝑈𝑜𝑝 (𝑊 𝑚2·𝐾) 0,56 Transmitancia cubierta, 𝑈𝑐𝑢𝑏 (𝑊 𝑚2·𝐾) 0,44 Transmitancia cerramientos semitransparentes, 𝑈𝑠𝑒𝑚 (𝑊 𝑚2·𝐾) 2,30 Factor solar cerramientos semitransparentes en invierno, 𝑔𝑖𝑛𝑣 (−) 0,59 Factor solar cerramientos semitransparentes en verano, 𝑔𝑣𝑒𝑟 (−) 0,05 Caudal de renovaciones/hora infiltrado equivalente, ACHeq (1/h) 0,52 Caudal de renovaciones/hora infiltrado durante la noche, ACHnoche (1/h) 4 Como se trata de una solución intermedia, los parámetros característicos tienen valores intermedios entre el caso inicial (Tabla 2-3) y el caso óptimo reglamentario (que puede consultarse en los anexos) - 17 - 2.4.3. Temperatura de oscilación Libre Figura 2-11. Evolución de la temperatura de oscilación libre para el caso intermedio elegido para el edificio. Como puede observarse en la, se tiene mejor comportamiento que la solución inicial (Figura 2-8) pero algo peor que la solución óptima reglamentaria (que se puede consultar en los anexos), lo cual es razonable al ser una solución constructiva con parámetros intermedios entre lo óptimo y lo inicial. 2.4.4. Energía demandada por el edificio Una vez presentada la forma de obtención de este caso intermedio del cual se partirá para la realización de este trabajo, así como sus diferencias considerables entre el caso inicial del edificio y el óptimo reglamentario calculado en el trabajo de base de la asignatura de Edificios de Alta Eficiencia Energética, se lleva a cabo el cálculo de la demanda tanto del equipo Bomba de Calor (Demanda de Calefacción y Refrigeración) como la demanda del Agua Caliente Sanitaria (ACS) del bloque de edificio. 2.4.4.1. Demanda de calefacción y refrigeración Para el cálculo de la demanda mensual de calefacción y refrigeración se utiliza el programa DSGCODE, introduciendo como datos de operación lo presentado en 2.1.3.1, así como los factores de sombra de la Tabla 2-4 y los parámetros característicos de la solución intermedia planteada, Tabla 2-6. Una vez calculada la simulación se obtienen los siguientes valores de demanda energética mensual: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1731 1 461 2 191 2 921 3 651 4 381 5 110 5 840 6 570 7 300 8 030 8 760 ora Anual Temperatura del Edi cio en Oscilación ibre C Base de partida - 18 - Tabla 2-7. Demanda mensual en kWh de Calefacción y Refrigeración para la situación elegida DEMANDA MENSUAL MES CALEFACCION [kWh] REFRIGERACIÓN [kWh] Enero 2207 0 Febrero 1431 0 Marzo 686 0 Abril 156 0 Mayo 0 0 Junio 0 847 Julio 0 2303 Agosto 0 2304 Septiembre 0 1066 Octubre 66 0 Noviembre 784 0 Diciembre 2180 0 TOTAL 7511 6520 Sin embargo, para el cálculo en el presente trabajo se usará la demanda horaria de calefacción y refrigeración entre los meses de junio y septiembre, la cual se ha obtenido tras simular en DSGCode la solución constructiva intermedia elegida. 2.4.4.2. Demanda de ACS Para la obtención de la demanda de ACS se utiliza el mismo método que el presentado en los Anexos, siendo por tanto el resultado obtenido idéntico al presentado en la Tabla 2-2. Demanda de ACS Mensual. No obstante, al igual que para la demanda de calefacción y refrigeración, la base de cálculo que se va a utilizar será en base horaria, en el periodo correspondiente entre los meses de junio y septiembre (Verano). Para la obtención de la demanda horaria de ACS en los meses de junio, julio, agosto y septiembre se ha tomado el perfil diario de ACS recuperado de [1]. Sin embargo, este perfil viene en porcentaje con respecto al máximo consumo, por lo que en primer lugar habría que pasarlo a porcentaje del consumo diario, dividiendo para ello entre el total. Se presenta a continuación dichos perfiles: Tabla 2-8. Perfil diario de ACS (en porcentaje) PERFIL DIARIO ACS Hora % del maximo % del diario 1 0,12 0,012 2 0,05 0,005 3 0,04 0,004 4 0,02 0,002 5 0,02 0,002 6 0,06 0,006 7 0,27 0,027 - 19 - 8 1 0,099 9 0,7 0,069 10 0,75 0,074 11 0,62 0,061 12 0,56 0,055 13 0,48 0,048 14 0,48 0,048 15 0,41 0,041 16 0,33 0,033 17 0,39 0,039 18 0,38 0,038 19 0,52 0,051 20 0,7 0,069 21 0,57 0,056 22 0,63 0,062 23 0,48 0,048 24 0,52 0,051 Total 10,1 1,000 Una vez se dispone del perfil de demanda de ACS diaria, y conociendo el valor de demanda de un día tipo de cada mes, se puede obtener la demanda horaria de ACS para un dia tipo de cada mes, y posteriormente se supone que los días de cada mes tienen el mismo perfil horario de demanda de ACS. La demanda de ACS para cada día tipo de un mes, en 𝑘𝑊ℎ/𝑑í𝑎, se obtiene a través de la siguiente expresión: 𝐷𝐸𝑀𝐴𝐶𝑆 (𝑘𝑊ℎ/𝑑í𝑎)= 𝑚󰇗𝐴𝐶𝑆 ·𝐶𝑒𝑊·(𝑇𝐴𝐶𝑆 −𝑇𝐴𝐹) Donde: • 𝑚󰇗𝐴𝐶𝑆: masa de agua caliente demandada en cada día, en 𝑚3/𝑑í𝑎, calculada en Anexos, de valor 0,48 m3/día. • 𝐶𝑒𝑊: calor específico del agua, 1.16 𝑘𝑊ℎ/(𝑚3·°𝐶). • 𝑇𝐴𝐶𝑆: temperatura media de servicio del agua caliente sanitaria. Se considera una temperatura de acumulación de 60 °𝐶. • 𝑇𝐴𝐹: temperatura diaria media mensual del agua fría de red. Se obtiene de la Tabla a - Anejo G del DB - HE (se utilizan los valores de la ciudad de Sevilla). Base de partida - 20 - Tabla 2-9. Demanda diaria para cada mes de junio a septiembre Mes mACS [m3/dia] TAF [ºC] Demanda diaria [kWh/día] Junio 0,48 19 22,77 Julio 0,48 21 21,66 Agosto 0,48 21 21,66 Septiembre 0,48 20 22,22 Finalmente, se obtiene la siguiente demanda horaria para los días correspondientes a cada uno de los meses, la cual será la base de partida para la realización de los cálculos presentados posteriormente. Tabla 2-10. Valores de demanda horaria para los días tipo de los meses de junio a septiembre Hora Días de JUNIO Días de JULIO Días de AGOSTO Días de SEPTIEMBRE 1 0,271 0,257 0,257 0,264 2 0,113 0,107 0,107 0,110 3 0,090 0,086 0,086 0,088 4 0,045 0,043 0,043 0,044 5 0,045 0,043 0,043 0,044 6 0,135 0,129 0,129 0,132 7 0,609 0,579 0,579 0,594 8 2,255 2,145 2,145 2,200 9 1,578 1,501 1,501 1,540 10 1,691 1,608 1,608 1,650 11 1,398 1,330 1,330 1,364 12 1,263 1,201 1,201 1,232 13 1,082 1,029 1,029 1,056 14 1,082 1,029 1,029 1,056 15 0,924 0,879 0,879 0,902 16 0,744 0,708 0,708 0,726 17 0,879 0,836 0,836 0,858 18 0,857 0,815 0,815 0,836 19 1,172 1,115 1,115 1,144 20 1,578 1,501 1,501 1,540 21 1,285 1,222 1,222 1,254 22 1,420 1,351 1,351 1,386 23 1,082 1,029 1,029 1,056 24 1,172 1,115 1,115 1,144 - 21 - 3. SOLUCIONES A IMPLEMENTAR continuación, una vez presentado el edificio con sus parámetros característicos y demandas horarias previstas que son la base de partida de este trabajo, se van a presentar a continuación, en primer lugar la instalación convencional que se establece como partida del edificio actual elegido, seguida de las soluciones tecnológicas que se pretenden incorporar a esta instalación, a fin de mejorar la eficiencia en términos energéticos, e incorporando de estas soluciones aquella que sea óptima en términos de coste de ciclo de vida (que se detallará más adelante). 3.1. Instalación convencional de partida En el apartado anterior se presentó la solución constructiva que se iba a elegir como base de partida para este trabajo de fin de máster, la cual está basada en un análisis previo de distintas soluciones del edificio llevado a cabo en el trabajo de partida. Estas soluciones constructivas elegidas se traducen en unas demandas energéticas concretas, que serán las que se emplearán en el cálculo. A continuación se presenta la instalación convencional de la que va a partir el edificio con los parámetros constructivos elegidos, y la cual se pretende mejorar con soluciones tecnológicas innovadoras a implementar, evaluando la relación entre el coste frente a beneficio de incorporarlo. Esta instalación de partida contará con un sistema convencional de generación de ACS mediante aerotermia con una bomba de calor (BdC), el cual será el principal contribuyente energético a la generación del agua caliente sanitaria, pues su vector energético medioambiente posee un componente de renovabilidad que nos permitirá cumplir con la restricción del HE4 del Código Técnico, cuyo cumplimiento se ha de garantizar para todas las soluciones que se estudien para la instalación, incluida la instalación convencional de partida. Además del sistema de generación de ACS mediante BdC, se contará con un sistema auxiliar formado por calderas de gas natural convencionales, una por vivienda (un total por tanto de seis calderas) con un rendimiento del 92% (el cual es un valor típico para este tipo de calderas). El extra de calor que no sea capaz de aportar la bomba de calor, por tanto, será conseguido activando estas calderas, que calentarán el agua in situ, instantáneamente al paso por las tuberías. Se puede observar un esquema de principio de esta instalación planteada en la siguiente figura (además de en planos adjuntos, dónde podrá consultarse la leyenda). A Soluciones a implementar - 22 - Figura 3-1. Esquema de principio de funcionamiento del ACS en la solución convencional planteada. Elaboración propia. Para esta instalación convencional de partida, la refrigeración se llevará a cabo también mediante la bomba de calor, y se tendrá un SEER idéntico al que se tenga para la calefacción y ACS (SCOP). Dicho esto, para garantizar el mencionado cumplimiento del HE4, se ha elegido un SCOP tal que cumpla las exigencias de renovabilidad (para una demanda de ACS inferior de 5000 L/día, que es el caso de estudio, se exige un 60% de renovabilidad de la energía final). Se obtiene que la bomba de calor ha de tener un SCOP = SEER = 4,56. Con este valor, el ACS queda cubierto en un 61,37 %, cumpliendo así el HE4. El cálculo de estos valores se encuentra en los anexos de cálculo. Así mismo, puede comprobarse en ese anexo que los valores de Energía primaria no renovable (Epnr) y Energía primaria total (Eptot) cumplen con los límites marcados en el HE0, por lo que esta solución convencional de partida cumpliría el reglamento aplicable y sería por tanto una opción válida a considerar como solución a la hora de comparar las distintas soluciones que se plantearán. 3.2. Instalación propuesta: Sistema natural de pre-enfriamiento del agua del equipo autónomo (bomba de calor) Para combatir la carga energética que requiere el edificio en términos de calefacción y refrigeración, se hace uso de un equipo autónomo o bomba de calor, que pueda trabajar en modo calefacción y en modo refrigeración. No obstante, se ha intentado buscar una solución innovadora que permita reducir la carga que deba dar estos equipos durante el verano, es decir, cuando el equipo autónomo trabaja en modo refrigeración. - 23 - Dicho esto, la primera solución innovativa y útil para nuestro edificio sería la de incorporar la tecnología del enfriamiento convectivo-evaporativo-radiante del agua del depósito que alimenta las baterías de frío del equipo autónomo a través del aprovechamiento de las temperaturas de cielo y de bulbo húmero del aire que existe por las noches, las cuales están muy por debajo de la temperatura de reposición de este agua, por tanto se puede hacer un aprovechamiento de esta peculiaridad para disminuir el salto térmico que ha de hacer el equipo, disminuyendo por tanto la energía empleada en ese enfriamiento del agua hasta la temperatura de impulsión. Para llevar esto a cabo se propone el modelo de falling-film, el cual consiste verter cierta cantidad de agua rociada mediante diversos canales a través de láminas con una pequeña inclinación tal que se pueda conseguir el efecto de disipación del calor de manera natural. Estas láminas se proponen que sean paneles fotovoltaicos, de esta manera, ayudará a la generación de energía renovable al edificio durante el día, y serán aprovechables también durante la noche con este intercambio. A continuación se muestra un esquema del principio de funcionamiento de la parte de la instalación correspondiente al falling film. Figura 3-2. Esquema de principio de funcionamiento del sistema de pre-enfriamiento del agua por falling-film. Elaboración propia. En dicho esquema, se tienen los siguientes elementos: • Elemento 1: Entrada del aire exterior. • Elemento 2: Red primaria de retorno del aire del local. • Elemento 3: Caja de mezcla de la UTA. • Elemento 4: Ventilador de impulsión del aire de impulsión al local. • Elemento 5: Red primaria de aire de impulsión al local. • Elemento 6: Batería de frío de la UTA. • Elemento 7: Red secundaria de impulsión de agua fría (modo refrigeración). • Elemento 8: Depósito de acumulación de agua fría. • Elemento 9: Panel fotovoltaico para disipación natural del calor del agua. Soluciones a implementar - 30 - Figura 3-5. Esquema de principio de funcionamiento del ACS en la instalación propuesta. Elaboración propia El objetivo de esta instalación es contar con un volumen de acumulación que permita mantener más o menos estable la temperatura del mismo, que se irá calentando durante el día con la aportación de la energía fotovoltaica, y lograr así que las calderas tengan que intervenir la menor cantidad de tiempo posible, tan solo para dar un pequeño salto térmico hasta lograr los 60ºC de suministro del ACS. Se tomará la hipóstesis de que no existirán pérdidas en el depósito ni en la red de tuberías 3.3.1. Aplicación de la potencia fotovoltaica generada Una vez generada corriente eléctrica a través de la energía fotovoltaica, esta se va a emplear en el calentamiento del agua del depósito de acumulación de ACS, a través del denominado como Efecto Joule. No se utilizará esta energía en ningún otro lugar del edificio, por tanto siempre que haya excedente de energía será vendida a la red eléctrica. 3.3.1.1. Efecto Joule para calentamiento del ACS Se conoce como efecto Joule al proceso por el cual un material conductor es calentado debido al paso de corriente eléctrica a través de él. El principio de funcionamiento de este efecto está gobernado por la ecuación desarrollada por James Prescott Joule: 𝑄 = 𝑉 ·𝐼 (19) Esta ecuación define el calor generado en función del voltaje al cual el material está siendo sometido y la intensidad que lo atraviesa. Es formalmente más conocida expresada de la siguiente manera (haciendo uso de la Ley de Ohm): 𝑄 = 𝐼2·𝑅 (20) Donde R es la Resistencia eléctrica del material e I la intensidad que circula por el mismo. Siguiendo este principio físico es como el agua del depósito interacumulador que se colocará será calentada, a - 31 - través de un serpentín que lleva incorporado el cual recibirá la energía fotovoltaica de los paneles colocados. 3.3.1.2. Depósito de acumulación del ACS Se presenta a continuación las ecuaciones y balances que modelan el depósito interacumulador del ACS, el cual será calentado gracias a un serpentín, mediante la energía fotovoltaica generada, siguiendo el mencionado Efecto Joule. Haciendo un balance energético en el depósito interacumulador, se tendría: −𝑚𝑤·𝐶𝑝𝑤·𝑑𝑇𝑤 𝑑𝑥 = 𝑄 (21) Donde: • 𝑚𝑤 es la misma variable que en el modelo del falling-film. • 𝐶𝑝𝑤 es la misma variable que en el modelo del falling-film. • 𝑇𝑤 es la misma variable que en el modelo del falling-film. • 𝑄𝑐𝑣 : Calor global que afecta al depósito, el cual se define como: 𝑄 = 𝑄𝑃𝑉 −𝑚󰇗𝑤·𝐶𝑝·(𝑇(𝑡)−𝑇𝑟𝑒𝑝) (22) Donde: • 𝑚󰇗𝑤∶ Caudal de agua de ACS que se demanda, establecido como un valor de 0,48 m3/día • 𝑇(𝑡): Temperatura del depósito en el instante actual • 𝑇𝑟𝑒𝑝 ∶ Temperatura de reposición del agua de red, variable cada mes. Con estas ecuaciones se lograría establecer un primer modelo, que sin embargo no serviría, ya que de esta manera no se establecen límites en el aporte de energía al depósito, por lo que el aporte constante de calor generaría temperaturas demasiado altas, que son inadecuadas para el ACS. Es por eso, que es de obligada necesidad establecer un control de la temperatura, el cual se detalla a continuación. Control de la temperatura del depo sito. Para el control de la temperatura del depósito, de manera que no se alcancen valores mucho mayores a la temperatura de consumo, 60ºC, se ha establecido un ciclo de histéresis según la siguiente figura: Figura 3-6. Ciclo de histéresis empleado en el depósito de ACS. Este ciclo de histéresis consiste en establecer dos franjas alrededor de la temperatura de suministro deseada (60ºC), una superior de 62ºC y una inferior de 58ºC. Dicho esto, se establece que siempre que se alcance el límite superior, los 62ºC, deja de aportarse calor al depósito mediante la instalación fotovoltaica. Este estado (0) se mantiene hasta que la temperatura del depósito baja por debajo del límite inferior de 58ºC, en ese momento se pasa al estado 1, en donde entra en juego de nuevo la generación fotovoltaica para calentar el depósito hasta el límite superior. Soluciones a implementar - 32 - De esta manera, se obtiene una fluctuación de temperatura máxima en torno a 58ºC y 62ºC, es decir, alrededor de la temperatura objetivo, que es 60ºC, acercando también así el proceso de control a como se suele controlar en la realidad en una gran multitud de casos. 3.3.1.3. Venta del excedente de energía fotovoltaica generada En los casos en los que la energía fotovoltaica generada no esté actuando para calentar el depósito interacumulador de ACS, es decir, los casos en los que el ciclo de histéresis de control presentado en el apartado anterior se encuentre en el estado 0, ese exceso de energía fotovoltaica (que no se estará empleando) será vendida a la red. Así, para esos casos, como precio de venta se ha establecido un valor estimado de 0,04 €/kWh. 3.3.2. Calderas de gas natural para calentamiento auxiliar del ACS Como apoyo a la instalación de acumulación del ACS, se contará con las calderas de gas natural existentes en la instalación convencional del edifice, aunque en este caso solo actuarán en aquellos casos donde la temperatura de salida del agua del depósito sea menor a 60ºC, actuando por tanto in situ en cada vivienda para elevar la temperatura a los 60ºC (temperatura de suministro). Por tanto, el calor aportado por las calderas (calor auxiliar) se define como: 𝑄𝑎𝑢𝑥 = 𝑚󰇗𝑤·𝐶𝑝·(60−𝑇(𝑡)) (23) - 33 - 4. DESARROLLO DEL CÁLCULO 4.1. Análisis del depósito del ‘falling-film’ 4.1.1. Procedimiento a seguir Para el acople de las distintas ecuaciones correspondientes al sistema del falling-film se va a seguir el siguiente procedimiento: 1. En primer lugar, se calcula el ‘paso-noche’, el cual consiste en calcular en base diezminutal, es decir, con un paso de tiempo de diez minutos comprendido entre las 0:00h y las 8:00h, cuánto calor es capaz de disiparse mediante el sistema propuesto, usando la ecuación (4). Con este calor, y suponiendo que no existen perdidas en el circuito del falling film, se calcula la temperatura del instante posterior, de la siguiente manera: 𝑇𝑤(𝑡+∆𝑡)= 𝑇𝑤(𝑡)−𝑄 𝑚𝑤·𝐶𝑝𝑤·∆𝑡, siendo ∆𝑡 = 10 𝑚𝑖𝑛 =600 𝑠 2. Una vez calculada la temperatura cada 10 minutos entre las 0:00h y las 8:00h se establece la condición de tomar que la temperature final de la noche (8:00h) será la inicial del día. A continuación se realiza el ‘paso-día’, que consiste en calcular de nuevo la temperatura esta vez con paso diario (es decir, directamente) para las 16 horas del día restante. Aquí entra en juego por tanto la demanda diaria de refrigeración, que será la que se intenta combatir con el calor disipado durante la noche. Se calcula así el porcentaje de demanda cubierta por la disipación como: %𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 = 𝑄𝑚𝑎𝑥−𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑄𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 Donde: • 𝑄𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 ∶ es la demanda energética de refrigeración diaria. • 𝑄𝑚𝑎𝑥−𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑏𝑙𝑒 : es la cantidad de calor máximo disipable durante el día, que se impone que ha de ser como máximo un incremento de la temperature del agua hasta 22ºC. • %𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 : será como mucho el 100%, en el caso de que el calor máximo disipable supere la demanda energética de ese día. En tal caso la temperature final del día será inferior a esos 22 ºC máximos. 3. Establecer una relación entre el ‘paso-día’ y el ‘paso-noche’, de manera que la tempertura final del día sea la inicial de la noche del día siguiente. 4.1.2. Análisis de sensibilidad Se lleva a cabo un análisis de 30 combinaciones de las dos variables de diseño (Área y Volumen): • Areas de captación (10.50 , 21 , 31.50, 42, 52.50 y 63 m2) • Volúmenes de acumulación (5000, 10000, 15000, 20000, 25000 L) Para esta variación de áreas de captación y volúmenes de acumulación se calcula la energía disipada y su contribución con respecto a la energía demandada. Posteriormente se representa en las siguientes gráficas. Desarrollo del cálculo - 34 - Figura 4-1. Análisis de sensibilidad del porcentaje de contribución por falling film en función del volumen y el área. 4.1.3. Pre-selección inicial del sistema falling-film Tras llevar a cabo el análisis de sensibilidad donde se observa el comportamiento en cuanto a porcentaje cubierto de la demanda para diferentes valores de volúmenes del depósito de acumulación del agua del falling-film y diferentes valores de área de captación, se realiza una preselección de volúmenes y áreas con las que se trabajará en los siguientes cálculos. Se entiende que para valores de volúmenes superiores a 15000 L no merece la pena económicamente un mayor volumen, puesto que los resultados obtenidos serán similares, por tanto, se decide reducir el análisis a unos volúmenes de 5000, 10000 y 15000 litros. En cuanto al área de captación de manera similar, se decide restringir de aquí en adelante el área a los valores de 10.5, 21 y 31.5 metros cuadrados. De esta manera, se contará con nueve combinaciones para el sistema falling-film, un número razonable, teniendo en cuenta que después se tendrán que combinar cada caso de volumen de depósito de agua del falling-film y área de captación con valores de volúmenes de depósitos interacumuladores de ACS. 5000 10000 15000 20000 25000 Área 10,50 m2 20,46% 47,14% 72,17% 88,64% 97,38% Área 21,00 m2 31,54% 68,76% 91,18% 99,43% 100,00% Área 31,50 m2 42,47% 81,09% 97,46% 100,00% 100,00% Área 42,00 m2 50,89% 87,46% 98,70% 100,00% 100,00% Área 52,50 m2 56,95% 90,88% 99,09% 100,00% 100,00% Área 63,00 m2 61,25% 92,59% 99,26% 100,00% 100,00% 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% PORCENTAJE DE CONTRIBUCIÓN (%) VOLUMEN DE ACUMULACIÓN (L) ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD 1 - 35 - 4.2. Análisis de los paneles fotovoltaicos 4.2.1. Curva de comportamiento del módulo fotovoltaico En primer lugar, se ha de elegir el modelo del panel fotovoltaico a utilizar. Para ello, se ha tomado uno de entre los modelos de paneles que aparecen en el estudio de [3], cuyas características se presentan a continuación: Tabla 4-1. Datos del módulo fotovoltaico elegido (Condiciones estándar STC) DATOS DEL MÓDULO ELEGIDO MARCA ATERSA MODELO A-260P GSE TECNOLOGÍA Si-Po Vmpp [V] 31 Impp [A] 8,39 Voc [V] 37,4 Isc [A] 9,27 NOCT 47 α -0,32% β 0,04% Una vez tenemos los datos del panel, se elabora la curva de comportamiento del módulo fotovoltaico, para ello se sigue el siguiente procedimiento. 1. En primer lugar, se calcula el parámetro estandarizado V*, mediante la ecuación (13), para valores de voltaje (V) entre 0 y 40 V, que son normalmente los de operación de un panel fotovoltaico. 2. Una vez obtenido V*, se emplean las ecuaciones de ajuste para el cálculo de I*: (10) y (11), para lo cual se ha de calcular previamente los valores V* e I* en el punto de máxima potencia (Pmpp), que es el que diferencia ambas secciones del ajuste. 𝑉∗(𝑃𝑚𝑝𝑝)= 0,83 y 𝐼∗(𝑃𝑚𝑝𝑝)= 0,91 3. Tras obtener los valores de I*, se puede calcular la intensidad (I) del panel en condiciones estándar de ensayo (STC): 𝐼 = 𝐼∗·𝐼𝑆𝐶. Ya se tendría por tanto los valores de la curva I-V del panel (Figura 4-2). 4. Para calcular los valores de potencia generada por el panel, basta con multiplicar la intensidad (I) por el voltaje (V), pudiéndose representar la curva de comportamiento P-V del panel (Figura 4-3) Desarrollo del cálculo - 36 - Figura 4-2. Curva de comportamiento I-V del panel seleccionado en condiciones STC Figura 4-3. Curva de comportamiento P-V del panel seleccionado en condiciones STC 4.2.2. Obtención de la potencia fotovoltaica generada Una vez se tiene el comportamiento del módulo fotovoltaico elegido en condiciones estándares STC, se ha de calcular cómo se comporta en las condiciones climáticas horarias objeto de estudio de este trabajo, las cuales difieren de las condiciones estándares. Para ello, se hace uso de las ecuaciones (14), (15), (16), (17) y (18) para cada tramo horario de entre el 1 de junio hasta el 30 de septiembre. Una vez se tiene los valores de Isc y Voc para los 2928 tramos horarios, se calculan los valores de I y V en cada uno de esos instantes, para ello: 𝑉 = 𝑉∗ 𝑉𝑂𝐶 𝐼 = 𝐼∗ 𝐼𝑆𝐶 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 010 20 30 40 I (A) V (V) 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 010 20 30 40 P (W) V (V) - 37 - Tras tener estos parámetros, la obtención de la potencia dada por cada módulo es inmediata: 𝑃 = 𝐼 ·𝑉 No obstante, en aquellas horas donde no hay luz solar y se generaba una potencia residual (≈0,9 W) fruto de este producto, se ha establecido potencia generada nula de cara a ser coherentes con la realidad. Para obtener la potencia dada por toda la instalación de paneles fotovoltaicos, se han establecido las siguientes hipóstesis simplificativas: • Cada módulo o panel fotovoltaico tiene por dimensiones 2,1x1m, de manera que esta dimensión coincida con la superficie de disipación establecida para el proceso del falling-film. Por tanto cada panel cuenta con un área de captación de 2,1 m2. • Se ignorará cualquier consideración sobre la distribución serie/paralelo de los paneles fotovoltaicos. Cada uno de ellos llevará incorporado un microinversor que pasará directamente la Corriente Continua a Corriente Alterna. De esta manera, se calculará la potencia proporcionada por cada panel considerando la potencia individual de cada panel multiplicada por el número de paneles fotovoltaicos. Dicho esto, el cálculo de la potencia fotovoltaica total será: 𝑃𝑃𝑉 = 𝑃𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ·𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 Donde: • 𝑃𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙: Potencia de cada panel (W) • 𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠: número de paneles fotovoltaicos • 𝑃𝑃𝑉: Potencia fotovoltaica del campo solar (W) Tras realizar este procedimiento, se ha representado en la siguiente gráfica (Figura 4-4), la potencia fotovoltaica obtenida frente a la irradiancia total incidida sobre los paneles fotovoltaicos, para un día cualquiera de los días de estudio, a fin de comprobar si existe coherencia en los resultados obtenidos. Figura 4-4. Potencia PV generada frente a Irradiancia total incidida para el 1 de junio. Como se puede observar en la Figura 4-4, la gráfica obtenida muestra los resultados típicos que se obtienen normalmente cuando se representa la producción fotovoltaica frente a la irradiancia, mostrándose en las horas punta la primera en torno a varios ordenes de magnitud mayor que la segunda, siguiendo las curvas de ambas la misma tendencia, lo cual es coherente con lo que suele ocurrir. -1000,0 0,0 1000,0 2000,0 3000,0 4000,0 5000,0 0 5 10 15 20 25 30 POTENCIA [W] HORAS [H] Irradiancia total [W] Potencia PV [W] Desarrollo del cálculo - 38 - 4.3. Análisis del depósito de acumulación de ACS 4.3.1. Procedimiento a seguir Para el acople de las distintas ecuaciones correspondientes al sistema del depósito interacumulador de ACS se va a seguir el siguiente procedimiento: 1. En primer lugar, se calcula la ‘Oferta Radiante (kWh)’, el cual consiste en calcular en base diezminutal, para todos los días del año, cuánta energía es capaz de generarse mediante el sistema fotovoltaico, que será en este caso equivalente al calor aportado al depósito mediante el efecto Joule (no se consideran pérdidas). 2. Tras calcular la oferta radiante, se calcula para cada instante de tiempo el Q según la ecuación (22) aunque aplicando la condición de la histéresis de control, es decir, no se toma en cuenta el aporte fotovoltaico para calentar el depósito cuando se superan los 62ºC y hasta que no disminuya de 58ºC no vuelve a considerarse su contribución. 3. Con este calor, se calcula la temperatura del instante posterior, de la siguiente manera: 𝑇𝑤(𝑡+∆𝑡)= 𝑇𝑤(𝑡)−𝑄 𝑚𝑤·𝐶𝑝𝑤·∆𝑡, siendo ∆𝑡 = 10 𝑚𝑖𝑛 =600 𝑠 4. Una vez calculada la temperatura se establece la condición de tomar que la temperatura del siguiente instante Tw(t) como la del instante anterior Tw(t+Δt). Tras esto, se calcula el calor auxiliar que deben dar las calderas de gas, siguiendo la ecuación (23). 5. Por último se añadiría una última columna donde se tendría el excedente de generación fotovoltaica, en los momentos donde no genera contribución al depósito. En dichos momentos será cuando se venderá a la red eléctrica. Con eso ya se tendría la simulación del depósito acumulador de ACS para los 365 días del año en base diezminutal. Se puede observar este cálculo detallado en el enlace con el archivo de cálculo que se encuentra en los Anexos de cálculo. 4.3.2. Algunos resultados de la simulación Tras llevar a cabo la simulación se muestran a continuación algunos resultados gráficos. Figura 4-5. Oferta vs Demanda para un área de captación de 21 m2 y un volumen de 1000 L para el 15-junio 0 0 5 1 1 5 2 2 5 14-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 16-jun. Potencia ofertada o demandada ( ) Tiempo Oferta vs Demanda - 39 - Figura 4-6. Oferta vs Demanda para un área de captación de 31.5 m2 y un volumen de 1000 L para el 15-junio En estas gráficas anteriores, la curva naranja se corresponde a la oferta de generación fotovoltaica y la curva azul a la demanda de ACS, ambas en término de potencia (kW). Se observa cómo a mayor área de captación mayor es la oferta fotovoltaica obtenida, frente a la demanda de ACS, que permanece inalterable al ser la misma para cada día de un mes determinado. Figura 4-7. Qaux frente a Demanda + Temperatura del depósito, para un área de captación de 31.5 m2 y un volumen de 500 L 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 14-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 15-jun. 16-jun. Potencia ofertada ó demandada ( ) Tiempo Oferta vs Demanda 14-1 15-1 15-1 15-1 15-1 15-1 16-1 0 000 0 050 0 100 0 150 0 200 0 250 0 300 0 350 0 400 0 450 0 500 0 000 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 14-1 15-1 15-1 15-1 15-1 15-1 16-1 Tiempo Energ a Temperatura C Tiempo Temperatura aux Demanda Análisis tecno-económico de las soluciones - 46 - 5. ANÁLISIS TECNO-ECONÓMICO DE LAS SOLUCIONES continuación se llevará un análisis económico basado en el sobrecoste que supondría las diferentes instalaciones innovadoras planteadas frente a la instalación convencional que se ha establecido como instalación de partida del edificio. El objetivo de este capítulo es establecer los costes de ciclo de vida de cada una de las soluciones innovadoras propuestas y también comparar cada uno de estos costes de ciclo de vida frente al impacto en términos de energía que suponen cada una de estas soluciones, en tanto que han de cumplir las restricciones establecidas en el CTEHE0. Tras esto, se elegirá la solución óptima, que será tomada como la solución a incorporar en nuestro edificio. 5.1. Cálculo del Coste del Ciclo de Vida En primer lugar se va a calcular el Coste del Ciclo de Vida, el cual es un parámetro que mide el coste global de una instalación a lo largo de su vida útil, teniendo en cuenta el gasto en inversión inicial junto con el gasto en operación y mantenimiento anual a lo largo de los años, incluyendo el factor de encarecimiento del coste de las cosas a lo largo del año, medido a través del índice de inflación. Así, este Coste del Ciclo de Vida (CCV), se define como: 𝐶𝐶𝑉 = 𝑆𝐶𝐼+𝐶𝑂𝑃𝑀·∑1 (1+𝑖)𝑥 𝑛 𝑥=1 (26) Donde: • 𝑆𝐶𝐼 ∶ Sobrecoste inicial (sobre la instalación convencional) • 𝐶𝑂𝑃𝑀: Coste de Operación y Mantenimiento anual. Su cálculo es la suma del coste de operación anual reflejado en la Tabla 4-4 con el coste de mantenimiento anual que requiere la instalación, el cual se calculará en el siguiente apartado. • 𝑛: Número de años de la vida útil, que se establece en 20 años. • 𝑖 ∶ Índice de inflación. Se estima en un valor de 0,03. 5.2. Datos económicos utilizados Para el cálculo del CCV se necesitan como datos el sobrecoste inicial de las instalaciones a incorporar: Instalación fotovoltaica y depósitos de acumulación, los cuales se presentan a continuación: A - 47 - Tabla 5-1. Costes de las instalaciones innovadoras utilizados Instalación Coste inicial Coste mantenimiento anual Interacumulador ACS 500 L 2.659,60 € 55,85 € Interacumulador ACS 1000 L 5.287,45 € 111,04 € Interacumulador ACS 1500 L 7.850,82 € 164,87 € Instalación fotovoltaica (15 captadores) 3.002,55 € 41,33 € Depósito de inercia 5000L 7.253,94 € 94,82 € Depósito de inercia 10000L* 11.654,41 € 152,34 € Depósito de inercia 15000L* 18.724,33 € 244,76 € Los datos recogidos en la tabla anterior han sido calculados tomando los valores de elementos existentes en el programa Generador de precios, de Cype [10]. Los datos con el símbolo * han sido estimados en base a relaciones de precios de depósitos de otras dimensiones, al no haberse encontrado en dicho programa depósitos de tales dimensiones. Estos cálculos y suposiciones se encuentran recogidos en el Anexo de Cálculo. 5.3. Cumplimiento del Código Técnico Además del análisis del Coste del Ciclo de Vida, se tendrá en cuenta los parámetros normativos con los que ha de cumplir el edificio en base a lo establecido en el Documento Básico de Ahorro de energía del Código Técnico de la Edificación (DB-CTE -HE0) [5] a la hora de analizar los resultados obtenidos. Para ello, se ha realizado el cálculo de la Energía Primaria tanto Total como No Renovable para cada uno de los casos a analizar, los cuales se pueden consultar en los anexos de cálculo. Como resultado del cálculo se obtuvieron los siguientes valores de Energía Primaria: Análisis tecno-económico de las soluciones - 48 - Tabla 5-2. Valores obtenidos de Energía Primaria No Renovable y Energía Primaria Total para cada solución. Area de captación (m2) Volumen Acumulación ACS (L) Volumen acumulación Falling-film (L) Energia primaria No Renovable (kWh/m2) Energía Primaria Total (kWh/m2) 31,5 500 5000 20,7 52,7 31,5 500 10000 18,3 56 31,5 500 15000 17,3 57,3 31,5 1000 5000 19,3 52,4 31,5 1000 10000 16,9 55,6 31,5 1000 15000 15,9 57 31,5 1500 5000 19,2 52,4 31,5 1500 10000 16,7 55,6 31,5 1500 15000 15,7 57 Los valores máximos que establece el HE0 para el caso de aplicación son 55 kWh/m2 de Energía Primaria No Renovable y 80 kWh/m2 de Energía Primaria Total. Como se observa, todos los casos de estudio cumplen el HE0 holgadamente, además del HE4 (se puede observer en las tablas de cálculo de los anexos) y dado que la solución escogida ya cumplía las restricciones del HE1 según el trabajo de base de partida, se puede decir que todas las soluciones cumplen las restricciones normativas que se le imponen, por lo que cualquiera de ellas puede ser una solución elegible, el criterio por tanto de elección de la solución innovadora a implantar en el edificio lo determinará el coste del ciclo de vida, es decir, los parámetros económicos. 5.4. Línea de subvención aplicable Una vez calculado los distintos valores de Energía Primaria, tanto No Renovable como Total, era necesario el plantear la posibilidad de incoporar una subvención a las instalaciones propuestas, de cara que se pueda reducir el CCV de las soluciones que cumplan los requisitos. Dicho esto, se ha investigado acerca de esta posibilidad y se ha encontrado una Línea de Subvenciones de la Junta de Andalucía del Plan de Ecovivienda que es de aplicación al edificio. Se trata de la Línea 3: Plan Eco Vivienda: Programa de ayudas a las actuaciones de rehabilitación a nivel edificio (Línea 3), cuyas bases completas pueden consultarse en la siguiente referencia [11]. Las actuaciones subvencionales de aplicación al caso del edificio estudiado que se cita son las siguientes: “Actuaciones de mejora o rehabilitación en las que se obtenga: • Reducción del consumo de energía primaria no renovable de al menos el 30% • y reducción de la demanda energética anual global de calefacción y refrigeración de al menos 35% en zonas climáticas D y E y 25% en zona climática C. o No exigible en edificios protegidos. o Posibilidad de considerar actuaciones realizadas en los últimos 4 años.” El edificio estudiado se encuentra en una zona climático B, por lo que no le es de aplicación el segundo punto. Por tanto el único requisito para ser subvencionado es que tras la mejora el edificio obtenga una reducción de la Energía Primaria No Renovable mayor al 30%, para lo cual se contaría con el siguiente importe subvencionado sobre el coste inicial de la instalación: - 49 - Figura 5-1. Importe de las subvenciones de la Línea 3 del Plan Eco Vivienda de la Junta de Andalucía. Recuperado de [11] Teniendo encuenta esto, se tendrá en cuenta la concesión de esta subvención en los casos que cumplan los requisitos, los cuales se presentan a continuación. Tabla 5-3. Determinación de soluciones subvencionables y porcentaje subvencionado sobre coste de instalación Area de captación (m2) Volumen Acumulación ACS (L) Volumen acumulación Falling-film (L) Epnr (kWh/m2) % reduccion ¿ Tiene subvención ? Porcentaje subvencionado sobre coste de instalación 31,5 500 5000 20,7 -19,46% NO 0% 31,5 500 10000 18,3 -28,79% NO 0% 31,5 500 15000 17,3 -32,68% SI 40% 31,5 1000 5000 19,3 -24,90% NO 0% 31,5 1000 10000 16,9 -34,24% SI 40% 31,5 1000 15000 15,9 -38,13% SI 40% 31,5 1500 5000 19,2 -25,29% NO 0% 31,5 1500 10000 16,7 -35,02% SI 40% 31,5 1500 15000 15,7 -38,91% SI 40% En la tabla anterior se ha calculado el porcentaje de reducción de la Energía Primaria No Renovable frente a la que se tiene en la instalación convencional actual (25,7 kWh/m2), y según este porcentaje, se tiene un porcentaje de la instalación subvencionada. En todos los casos subvencionados ha resultado en un 40% ya que el porcentaje de reducción no ha sobrepasado el 45%. Con esto, ya se puede plantear un análisis más homogéneo de las soluciones planteadas, puesto que con el dinero cubierto por la subvención se ha equilibrado el CCV de las distintas soluciones. 5.5. Resultados obtenidos Tras haber calculado el Coste del Ciclo de Vida teniendo en cuenta la cantidad subvencionada a las solcuiones Análisis tecno-económico de las soluciones - 50 - que cumplan con los requisitos, se han analizado los casos planteados frente a los valores de Energía Primaria Total y Energía Primaria No Renovable, donde se obtuvieron las siguientes gráficas: Figura 5-2. Energía Primaria No Renovable frente al CCV de las soluciones planteadas Figura 5-3. Energía Primaria Total frente al CCV de las soluciones planteadas En las gráficas anteriores, puesto que todas las soluciones cumplen con la normativa del HE0, no supone una mayor ventaja en este sentido elegir una solución mejor energéticamente, por lo que se ha priorizado a la hora de elegir la solución óptima a aquella con menor Coste del Ciclo de Vida, que es la que se refleja con un punto naranja. - 51 - Por tanto, la solución innovadora elegida como solución de instalación a incorporar al edificio es la correspondiente a: • Área de captación de 31,5 m2: 15 paneles fotovoltaicos. • Volumen de acumulación del depósito del agua del falling-film: 10.000 L • Volumen de acumulación del interacumulador para el ACS: 1.000 L • Coste del Ciclo de Vida (con subvención aplicada): 23.971,74 € • Ahorro obtenido por la aplicación de la subvención: 7.977,76 € Puede observarse en detalle el cálculo y los valores obtenidos del CCV, con subvención y sin subvención en los Anexos. Conclusiones - 52 - 6. CONCLUSIONES Una vez planteados los modelos propuestos, simulados y obtenidos los resultados, se van a llevar a cabo una serie de conclusiones finales: • La solución innovadora de pre-enfriamiento del agua de las baterías de frío del equipo autónomo o bomba de calor logra una gran eficacia en su labor de disipación del calor mediante intercambio convectivo-radiante, lo cual lleva a pensar en la posibilidad de que esta solución pueda ser una solución muy factible en la rehabilitación y creación de nuevos edificios, sobre todo por que se trata de una técnica de enfriamiento natural, con lo que eso conlleva en la actualidad, en cuanto al auge de las tecnologías renovables. • La combinación de esta solución solución innovadora con paneles fotovoltaicos a modo de láminas es un complemento perfecto para aprovechar la energía en cualquier momento del día, permitiendo en los meses de verano disipar calor a través del rociado de agua en las horas nocturnas y por el día generar electricidad mediante los módulos fotovoltaicos. • El volumen de acumulación de los depósitos juega un gran papel en la inercia térmica del agua almacenada en la misma, se ha comprobado cómo un menor volumen puede provocar quizás picos de calentamiento elevados, pero no consistentes en el tiempo a lo largo del día, viéndose perjudicada la temperatura del agua en horas nocturnas donde no se aporta calor (para el caso del depósito del ACS) • De igual manera ocurre para el depósito de inercia del agua que pre-enfria el equipo autónomo, que en las horas de luz que es cuando no se realiza la disipación, a un menor volumen, el agua enfriada por la noche dura menos tiempo. Por tanto se destaca la importancia del papel de la inercia térmica y su influencia en el funcionamiento de los sistemas. • El sistema planteado en la instalación convencional es un sistema bastante válido y que permite cumplir a la perfección la normativa del DB-HE sin una inversión excesiva, no obstante el coste de operación anual debido a la alta demanda eléctrica del sistema de aerotermia con bomba de calor es un punto en contra frente a las soluciones innovadoras planteadas, las cuales reducen este gasto anual considerablemente. • La instalación con las soluciones innovadoras planteadas permite tal margen de mejora que se ve recompensado en forma de subvenciones que ayudan abaratar los costes de inversión inicial, lo cual permite destacar su gran potencial de mejora de la eficiencia de los edificios. Por tanto, en vista de lo comentado, se concluye finalmente que se demuestra que un edificio con características constructivas medias puede llegar a tener una gran eficiencia energética sin tener necesariamente que reducir sus consumos, sino mediante la incorporación de soluciones innovadoras y renovables que permiten, además abaratar el coste de operación anual. Lógicamente estas instalaciones tienen un coste de inversión inicial elevado, por tanto de cara a que en un futuro cada vez más personas puedan adoptar estas soluciones, será primordial tal y como se demuestra en el análisis del CCV, que el Estado o bien las diferentes Comunidades Autónomas ofrezcan cada vez más ayudas en forma de subvenciones parciales del coste de la inversión, puesto que esto hace más asumibles los altos costes que acarrean algunas de las soluciones, y sobretodo incentivaría al cambio gradual - 53 - de las instalaciones de los edificios, lograndose una mayor sostenibilidad y menor impacto al medio ambiente, , el cual es uno de los grandes problemas que existen hoy en día. Referencias - 54 - REFERENCIAS [1] «Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) - HE0. Limitación del consumo energético,» de Código Técnico de la Edificación (CTE), 2013. [2] «Documento Básico de Ahorro Energético (DB-HE) - HE1. Condiciones para el control de la demanda energética,» de Código Técnico de la Edificación (CTE), 2013. [3] «Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) - HE4. Contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria,» de Código Técnico de la Edificación (CTE), 2013. [4] Grupo de Termotecnia de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Sevilla, Condiciones de aceptación de procedimientos alternativos a LIDER y CALENER. Anexos, Madrid: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), 2009. [5] M. Guerrero Delgado, J. Sánchez Ramos, J. A. Tenorio Ríos y S. Álvarez Domínguez, «Falling-film as natural cooling technique: Modelling and energy impact assessment,» Energy Conversion and Management 221, 2020. [6] M. Guerrero Delgado, J. Sánchez Ramos, E. Rodríguez Jara, J. L. Molina Félix y S. Álvarez Domínguez, «Decision-making approach: A simplified model for energy performance,» Energy Conversion and Management 177, 2018. [7] Departamento de Ingeniería Eléctrica, «Práctica 4: Generación Fotovoltaica,» de Asignatura de Generación Eléctrica Renovable, Máster Universitario en Ingeniería Industrial, Universidad de Sevilla, 2021. [8] CEN, «ISO 13790:2004. Eficiencia térmica de los edificios. Cálculo del consumo de energía para calefacción de espacios». [9] Magallón Instalaciones, «¿Cuánto consume una caldera de gas?,» [En línea]. Available: https://calderasgascalefaccionzaragoza.com/cuanto-consume-caldera-de- gas/#:~:text=Seg%C3%BAn%20Choose%2C%20el%20coste%20es,euros%20de%20gas%20y%20electricidad.. [Último acceso: 31 Octubre 2024]. [10] CYPE Ingenieros, S.A., «Generador de precios». [11] Junta de Andalucía, «Plan Eco Vivienda: Programa de ayudas a las actuaciones de rehabilitación a nivel edificio (Línea 3),» [En línea]. Available: https://www.juntadeandalucia.es/organismos/fomentoarticulaciondelterritorioyvivienda/areas/viviendarehabilitacion/plan-eco-vivienda/paginas/plan-eco-edif-p3.html. [Último acceso: 31 Octubre 2024]. [12] S. Álvarez Domínguez, J. Sánchez Ramos y M. C. Guerrero Delgado, «Infiltración/ventilación. Integración en procedimiento simplificado,» de Asignatura de Edificios de Alta Eficiencia Energética, Grupo Termotecnia - Universidad de Sevilla. - 55 - ANEXOS - 62 - 4. Cálculo del SCOP de la Bomba de Calor de la instalación convencional A continuación se muestra el cálculo llevado a cabo para obtener el SCOP = SEER de la bomba de calor de la instalación convencional de partida, teniendo en cuenta que se ha de garantizar la renovabilidad del edificio (para edificios con un consumo inferior a 5000 L/día se corresponde con el 60% [5]) Se tienen los siguientes valores de demanda para el caso elegido como edificio de partida: • Demanda de ACS Anual: 9015, 94 kWh • Demanda de Calefacción Anual: 7510,90 kWh • Demanda de Refrigeración Anual: 6520,12 kWh Teniendo en cuenta que el área acondicionada al edificio de tres plantas es: 3·148,54 = 445,62 m2, se tienen los siguientes valores de demanda en términos de kWh por superficie acondicionada: • Demanda de ACS Anual: 20,23 kWh/m2 • Demanda de Calefacción Anual: 16,85 kWh/m2 • Demanda de Refrigeración Anual: 14,63 kWh/m2 Tras conocer la demanda, se desgrana estos valores en según usos, sistemas y vectores energéticos a fin de conocer la energía final. Tras conocer la energía final, se convierte esta energía en energía primaria, total, renovable y no renovable, usando los siguientes factores de conversión recuperado de [1]: Tras obtener los valores de energía primaria renovables, se puede comprobar si el cálculo de la renovabilidad del HE4 se cumple. En este caso, para un SCOP = SEER = 4,56 se obtiene: %𝐴𝐶𝑆 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 = 𝐸𝑝𝑟 𝑜𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐴𝐶𝑆 ·100 =12,6 20,6·100 =61,37 % (> 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 60%) En las siguientes imágenes se pueden observer los cálculos efectuados. - 63 - 5. Mediciones para la realización de la gráfica del factor de utilización Se muestran a continuación las mediciones que se hicieron para poder obtener la gráfica del factor de utilización frente a Oferda/Demanda, para unos volúmenes de 500 y 1000 litros respectivamente: Caso de estudio Oferta/ Demanda Factor Utilización - 0 1 Abril 31,5m2 / 500L 0,89 0,92 Abril 31,5m2 / 500L 1,34 0,64 Mayo 31,5m2 / 500L 1,8 0,5 Julio 31,5m2 / 500L 2,6 0,33 Caso de estudio Oferta/ Demanda Factor Utilización - 0 1 Abril 31,5m2 / 1000L 0,89 0,97 Abril 31,5m2 / 1000L 1,34 0,67 Mayo 31,5m2 / 1000L 1,8 0,5 Julio 31,5m2 / 1000L 2,6 0,36 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Electricidad de red 4,56 3,7 Medioambiente 0,78 13,2 Refrigeración 14,63 BdC Electricidad de red 4,56 3,2 Electricidad de red 4,56 3,6 Medioambiente 0,78 12,6 ACS 2 4,05 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 4,4 Calefacción 16,85 BdC ACS 1 16,19 BdC Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 Refrigeración Electricidad de red 3,2 1,954 0,414 2,368 6,3 0 0,0 6,3 Electricidad de red 3,6 1,954 0,414 2,368 6,9 1,47 0,0 8,4 Medioambiente 12,6 0 1 1 0,0 0 12,6 12,6 ACS 2 Gas natural 4,4 1,190 0,005 1,195 5,2 0,02 0,0 5,3 25,7 53,0 Calefacción ACS 1 ANEXOS - 64 - 6. Resultados del Análisis de sensibilidad del falling-film en términos de energía disipada Se presenta a continuación una gráfica adicional donde se dan los resultados obtenidos de la simulación del depósito de falling film para distintas combinaciones, en términos de energía disipada Figura 0-5. Análisis de sensibilidad de la energía disipada por falling film en función del volumen y el área. 7. Resultados de las distintas combinaciones de la simulación del depósito ACS A continuación se muestran las distintas tablas de los resultados para cada una de las combinaciones de la simulación llevada a cabo en cuando al interacumulador del ACS. Resultados para 10.5 m2 y 500L 5000 10000 15000 20000 25000 Área 10,50 m2 1334,1 3073,7 4705,4 5779,3 6349,5 Área 21,00 m2 2056,6 4483,5 5945,2 6482,8 6520,1 Área 31,50 m2 2768,8 5287,1 6354,8 6520,1 6520,1 Área 42,00 m2 3317,9 5702,2 6435,3 6520,1 6520,1 Área 52,50 m2 3713,0 5925,3 6460,7 6520,1 6520,1 Área 63,00 m2 3993,4 6037,3 6472,2 6520,1 6520,1 Energía Total Demandada (kWh) 6520,12 6520,12 6520,12 6520,12 6520,12 0,0 1000,0 2000,0 3000,0 4000,0 5000,0 6000,0 7000,0 TOTAL ENERGÍA APORTADA (kWh) VOLUMEN DE ACUMULACIÓN (L) ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD 1 - 65 - Resultados para 10.5 m2 y 1000L Resultados para 10.5 m2 y 1500L Resultados para 21 m2 y 500L ANEXOS - 66 - Resultados para 21 m2 y 1000L Resultados para 21 m2 y 1500L - 67 - ANEXOS - 68 - Resultados para 31.5 m2 y 500L - 69 - Resultados para 31.5 m2 y 1000L ANEXOS - 70 - Resultados para 31.5 m2 y 1500L 8. Cálculo de los costes de las instalaciones propuestas A continuación se describe cómo se han obtenido los datos que aparecen en la Tabla 5-1. Interacumulador ACS 500L Se ha tomado los valores correspondientes al siguiente elemento del programa Generador de Precios : ICS050 Ud Interacumulador de intercambio simple, para producción de A.C.S. 2.659,60€ Interacumulador de acero vitrificado, con intercambiador de un serpentín, de suelo, 500 l, altura 1720 mm, diámetro 800 mm, aislamiento de 50 mm de espesor con poliuretano de alta densidad, libre de CFC, protección contra corrosión mediante ánodo de magnesio, protección externa con forro de PVC. Incluso válvulas de corte, elementos de montaje y accesorios necesarios para su correcto funcionamiento. Código Unidad Descripción Rendimiento Precio unitario Importe 1 Materiales mt38csg050j2 Ud Interacumulador de acero vitrificado, con intercambiador de un serpentín, de suelo, 500 l, altura 1720 mm, diámetro 800 mm, aislamiento de 50 mm de espesor con poliuretano de alta densidad, libre de CFC, protección contra corrosión mediante ánodo de magnesio, protección externa con forro de PVC. 1,000 2.500,00 2.500,00 mt37svs010c Ud Válvula de seguridad, de latón, con rosca de 1/2" de diámetro, tarada a 6 bar de presión. 1,000 4,42 4,42 mt37sve010e Ud Válvula de esfera de latón niquelado para roscar de 1 1/4". 2,000 16,78 33,56 mt37sve010d Ud Válvula de esfera de latón niquelado para roscar de 1". 2,000 12,15 24,30 mt38www011 Ud Material auxiliar para instalaciones de A.C.S. 1,000 1,45 1,45 Subtotal materiales: 2.563,73 - 71 - Código Unidad Descripción Rendimiento Precio unitario Importe 2 Mano de obra mo004 h Oficial 1ª calefactor. 1,000 22,74 22,74 mo103 h Ayudante calefactor. 1,000 20,98 20,98 Subtotal mano de obra: 43,72 3 Costes directos complementarios % Costes directos complementarios 2,000 2.607,45 52,15 Coste de mantenimiento decenal: 558,52€ en los primeros 10 años. Costes directos (1+2+3): 2.659,60 Interacumulador ACS 1000L Se ha tomado los valores correspondientes al siguiente elemento del programa Generador de Precios: ICS050 Ud Interacumulador de intercambio simple, para producción de A.C.S. 5.287,45€ Interacumulador de acero vitrificado, con intercambiador de un serpentín, de suelo, 1000 l, altura 2280 mm, diámetro 1050 mm, aislamiento de 50 mm de espesor con poliuretano de alta densidad, libre de CFC, protección contra corrosión mediante ánodo de magnesio, protección externa con forro de PVC. Incluso válvulas de corte, elementos de montaje y accesorios necesarios para su correcto funcionamiento. Código Unidad Descripción Rendimiento Precio unitario Importe 1 Materiales mt38csg050t2 Ud Interacumulador de acero vitrificado, con intercambiador de un serpentín, de suelo, 1000 l, altura 2280 mm, diámetro 1050 mm, aislamiento de 50 mm de espesor con poliuretano de alta densidad, libre de CFC, protección contra corrosión mediante ánodo de magnesio, protección externa con forro de PVC. 1,000 5.000,00 5.000,00 mt37svs010c Ud Válvula de seguridad, de latón, con rosca de 1/2" de diámetro, tarada a 6 bar de presión. 1,000 4,42 4,42 mt37sve010g Ud Válvula de esfera de latón niquelado para roscar de 2". 2,000 39,38 78,76 mt37sve010e Ud Válvula de esfera de latón niquelado para roscar de 1 1/4". 2,000 16,78 33,56 mt38www011 Ud Material auxiliar para instalaciones de A.C.S. 1,000 1,45 1,45 Subtotal materiales: 5.118,19 2 Mano de obra mo004 h Oficial 1ª calefactor. 1,500 22,74 34,11 mo103 h Ayudante calefactor. 1,500 20,98 31,47 Subtotal mano de obra: 65,58 3 Costes directos complementarios % Costes directos complementarios 2,000 5.183,77 103,68 Coste de mantenimiento decenal: 1.110,36€ en los primeros 10 años. Costes directos (1+2+3): 5.287,45 ANEXOS - 78 - CASO 4 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1000 Refrigeración 1 8,42 BdC Electricidad de red 4,56 1,8 Refrigeración 1 Electricidad de red 1,8 1,954 0,414 2,368 3,6 0 0,0 3,6 Depósito Acumulación Refrigeración 2 6,21 Falling-film Medioambiente 1,00 6,2 Refrigeración 2 Medioambiente 6,2 0 1 1 0,0 0 6,2 6,2 5000 ACS 1 13,67 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,7 ACS 1 Medioambiente 13,7 0 1 1 0,0 0,00 13,7 13,7 ACS 2 6,56 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,1 ACS 2 Gas natural 7,1 1,190 0,005 1,195 8,5 0,04 0,0 8,5 19,3 52,4 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -6,4 -24,81% -0,6 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,7 HE4 (% ACS Cubierto) 65,73% Calefacción 16,85 BdC Calefacción CASO 5 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1000 Refrigeración 1 2,77 BdC Electricidad de red 4,56 0,6 Refrigeración 1 Electricidad de red 0,6 1,954 0,414 2,368 1,2 0 0,0 1,2 Depósito Acumulación Refrigeración 2 11,86 Falling-film Medioambiente 1,00 11,9 Refrigeración 2 Medioambiente 11,9 0 1 1 0,0 0 11,9 11,9 10000 ACS 1 13,67 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,7 ACS 1 Medioambiente 13,7 0 1 1 0,0 0,00 13,7 13,7 ACS 2 6,56 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,1 ACS 2 Gas natural 7,1 1,190 0,005 1,195 8,5 0,04 0,0 8,5 16,9 55,6 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -8,8 -34,24% 2,6 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,7 HE4 (% ACS Cubierto) 65,73% Calefacción 16,85 BdC Calefacción - 79 - CASO 6 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1000 Refrigeración 1 0,37 BdC Electricidad de red 4,56 0,1 Refrigeración 1 Electricidad de red 0,1 1,954 0,414 2,368 0,2 0 0,0 0,2 Depósito Acumulación Refrigeración 2 14,26 Falling-film Medioambiente 1,00 14,3 Refrigeración 2 Medioambiente 14,3 0 1 1 0,0 0 14,3 14,3 15000 ACS 1 13,67 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,7 ACS 1 Medioambiente 13,7 0 1 1 0,0 0,00 13,7 13,7 ACS 2 6,56 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,1 ACS 2 Gas natural 7,1 1,190 0,005 1,195 8,5 0,04 0,0 8,5 15,9 57,0 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -9,8 -38,24% 4,0 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,7 HE4 (% ACS Cubierto) 65,73% Calefacción 16,85 BdC Calefacción CASO 7 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1500 Refrigeración 1 8,42 BdC Electricidad de red 4,56 1,8 Refrigeración 1 Electricidad de red 1,8 1,954 0,414 2,368 3,6 0 0,0 3,6 Depósito Acumulación Refrigeración 2 6,21 Falling-film Medioambiente 1,00 6,2 Refrigeración 2 Medioambiente 6,2 0 1 1 0,0 0 6,2 6,2 5000 ACS 1 13,80 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,8 ACS 1 Medioambiente 13,8 0 1 1 0,0 0,00 13,8 13,8 ACS 2 6,43 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,0 ACS 2 Gas natural 7,0 1,190 0,005 1,195 8,3 0,03 0,0 8,4 19,2 52,4 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -6,5 -25,44% -0,6 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,8 HE4 (% ACS Cubierto) 66,36% Calefacción 16,85 BdC Calefacción ANEXOS - 80 - CASO 8 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1500 Refrigeración 1 2,77 BdC Electricidad de red 4,56 0,6 Refrigeración 1 Electricidad de red 0,6 1,954 0,414 2,368 1,2 0 0,0 1,2 Depósito Acumulación Refrigeración 2 11,86 Falling-film Medioambiente 1,00 11,9 Refrigeración 2 Medioambiente 11,9 0 1 1 0,0 0 11,9 11,9 10000 ACS 1 13,80 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,8 ACS 1 Medioambiente 13,8 0 1 1 0,0 0,00 13,8 13,8 ACS 2 6,43 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,0 ACS 2 Gas natural 7,0 1,190 0,005 1,195 8,3 0,03 0,0 8,4 16,7 55,6 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -9,0 -34,87% 2,6 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,8 HE4 (% ACS Cubierto) 66,36% Calefacción 16,85 BdC Calefacción CASO 9 Uso Demanda Sistema Vector energético Rendimiento medio estacional Energía final Uso Vector energético Energía final fpnren fpren fptot Epnr Epr distant Epr onsite Eptot Area 31,5 m2 Electricidad de red 4,56 3,7 Electricidad de red 3,7 1,954 0,414 2,368 7,2 0 0,0 7,2 Volumen ACS Medioambiente 0,78 13,2 Medioambiente 13,2 0 1 1 0,0 0 13,2 13,2 1500 Refrigeración 1 0,37 BdC Electricidad de red 4,56 0,1 Refrigeración 1 Electricidad de red 0,1 1,954 0,414 2,368 0,2 0 0,0 0,2 Depósito Acumulación Refrigeración 2 14,26 Falling-film Medioambiente 1,00 14,3 Refrigeración 2 Medioambiente 14,3 0 1 1 0,0 0 14,3 14,3 15000 ACS 1 13,80 Generación fotovoltaica Medioambiente 1,00 13,8 ACS 1 Medioambiente 13,8 0 1 1 0,0 0,00 13,8 13,8 ACS 2 6,43 Caldera de gas natural Gas natural 0,92 7,0 ACS 2 Gas natural 7,0 1,190 0,005 1,195 8,3 0,03 0,0 8,4 15,7 57,0 Límites HE0 55 80 Dif. Con Convencional -10,0 -38,87% 4,0 ACS 20,8 Epr on site ACS 13,8 HE4 (% ACS Cubierto) 66,36% Calefacción 16,85 BdC Calefacción - 81 - 10. Cálculo del Coste del Ciclo de Vida de cada solución planteada A continuación se muestra en tabla los cálculos para la obtención del Coste del Ciclo de Vida, con los distintos términos económicos que lo engloban y distinguiendo entre CCV sin subvencionar y CCV subvencionado. El índice de inflación considerado ha sido de 0,03 y el sumatorio para (n=20 años considerados) obtenido es de 14,88. Area de captación (m2) Volumen Acumulación ACS (L) Volumen acumulación Falling-film (L) Sobrecoste inicial Coste mantenimiento anual Coste operación Ganancia operación COP & M CCV sin subvención Epnr (kWh/m2) % reduccion Subvención Ept (kWh/m2) Sobrecoste inicial con subvención CCV (con subvención) Ahorro por subvención 31,5 500 5000 12.916 09 192 00 706 38 -37 95 860 43 25.717 11 20,7 -19,46% 0 52,7 12.916 09 25.717 11 0 00 31,5 500 10000 17.316 56 249 52 573 84 -37 95 785 41 29.001 46 18,3 -28,79% 0 56 17.316 56 29.001 46 0 00 31,5 500 15000 24.386 48 341 93 517 65 -37 95 821 63 36.610 25 17,3 -32,68% 1 57,3 14.631 89 26.855 66 9.754 59 31,5 1000 5000 15.543 94 247 18 659 36 -24 59 881 95 28.665 16 19,3 -24,90% 0 52,4 15.543 94 28.665 16 0 00 31,5 1000 10000 19.944 41 304 70 526 82 -24 59 806 93 31.949 50 16,9 -34,24% 1 55,6 11.966 64 23.971 74 7.977 76 31,5 1000 15000 27.014 33 397 12 470 63 -24 59 843 15 39.558 29 15,9 -38,13% 1 57 16.208 60 28.752 56 10.805 73 31,5 1500 5000 18.107 31 301 01 638 86 -18 57 921 30 31.813 97 19,2 -25,29% 0 52,4 18.107 31 31.813 97 0 00 31,5 1500 10000 22.507 78 358 53 506 32 -18 57 846 28 35.098 31 16,7 -35,02% 1 55,6 13.504 67 26.095 20 9.003 11 31,5 1500 15000 29.577 70 450 95 450 12 -18 57 882 50 42.707 11 15,7 -38,91% 1 57 17.746 62 30.876 03 11.831 08 ANEXOS - 82 - 11. Hoja de cálculos de las simulaciones de los depósitos y de obtención de resultados de los análisis Las simulaciones tanto del depósito de falling-film como de la generación de fotovoltaica y del depósito de ACS, así como el análisis de las soluciones, en términos de energía y coste, se han llevado a cabo en su totalidad en hojas de cálculo. Sin embargo, dada la cantidad de datos de estas hojas y su imposibilidad de verse legible mediante captura de pantalla, se ha optado por dejar un enlace a una carpeta de Google Drive donde se encuentra subido los archivos utilizados para el cálculo: https://drive.google.com/drive/folders/1Cx5CMf0yVRs6MXLG2PsZotrbchDKzCtg?usp=sharing No obstante, se presenta a continuación un par de capturas correspondientes a las simulaciones. Figura 0-6. Captura de pantalla de la hoja de cálculo de la simulación del depósito de falling-film Figura 0-7. Captura de pantalla de la hoja de cálculo de la simulación del depósito de ACS - 83 - ANEXO C – PLANOS A continuación se adjunta por un lugar el plano complete del edificio objeto de estudio y planos adicionales con esquemas de funcionamiento de las instalaciones, de elaboración propia.