Rehabilitación de Edificios y Energías Renovables: Implantación

Euskadi tiene el parque de viviendas más viejo del sur de Europa; durante los próximos años, todos los agentes implicados: vecinos, administración pública, técnicos… vamos a tener que hacer un gran esfuerzo por modernizarlo, incidiendo sobre todo en dos aspectos:

  • Accesibilidad universal (supresión de barreras arquitectónicas e instalación de ascensores)
  • Renovación de la envolvente térmica (aumento del confort y reducción de gasto energético y emisiones).

Sin embargo hay una tercera pata que nos estamos dejando olvidada en el camino: la implantación de energías renovables; efectivamente si queremos ir hacia ciudades más accesible, sanas y descentralizadas no podemos obviar que hay que descarbonizar nuestro sistema energético y eso pasa porque una parte importante de la energía consumida en nuestros barrios se produzca de manera local y sostenible.

¿Pero es esto realmente posible. Hay obstáculos técnicos y económicos que limitan esta visión… o es más factible de lo que imaginamos?

Bueno…. pues veamos un ejemplo:

Como base de trabajo hemos realizado un modelo virtual en BIM, en el que hemos representado un bloque de viviendas lineal con dos portales, uno en su estado actual y el otro en la que se van a ir testando las diferentes propuestas.

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Esquema en planta de los edificios a analizar; a la derecha el estado actual, a la izquierda tras la renovación

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Fachada norte con la implantación del nuevo ascensor

En esta propuesta el nuevo núcleo de comunicaciones se va a convertir, como veremos más adelante, en un elemento imprescindible del proyecto ya que, más allá de la mejora en calidad de vida que proporciona, va a permitir la distribución vertical y horizontal de las nuevas instalaciones alimentadas con energías renovables que se van a incluir en el edificio.

Todo ello gracias a que, como se aprecia en las siguientes imágenes, junto al ascensor propiamente dicho vamos a disponer un patinillo de generosas dimensiones y practicables en cada planta.

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Detalle de la disposición del patinillo en el nuevo núcleo de comunicaciones vertical

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Otro elemento importante es el casetón que aparece en la cubierta y que servirá para albergar las nuevas calderas, elementos auxiliares como depósitos, etc.

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Y ahora pasamos a ver que energías renovables podemos incluir:

1 – Solar fotovoltaica
2 – Solar térmica
3 – Biomasa
4 – Aerotermia
5 – Minieolica
6 – Otros

Goazen!! Vamos allá!


1. Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina.

Al producir electricidad tiene gran versatilidad y puede utilizarse localmente, almacenarse en baterías o inyectarse en una red eléctrica para que se consuma en otro emplazamiento.

Otra ventaja importante es su escalabilidad; se puede instalar desde un único módulo para alimentar un elemento autónomo, hasta construir gigantescos campos de generan cientos de megavatios de potencia.

Por todas estas razones la solar fotovoltaica es un de las fuentes de energía renovable más fácilmente integrable en un edificio.

Evidentemente los paneles deben recibir un adecuado soleamiento para funcionar adecuadamente; en ese sentido hay que tener en cuenta tanto el acimut (desviación con respecto al sur) como el ángulo de inclinación del panel.

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Teniendo en cuenta estos dos parámetros el código técnico de la edificación propone un diagrama para determinar rápidamente la eficiencia máxima teórica de un panel fotovoltaico.

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En nuestro caso, las fachadas de los edificios están orientadas norte-sur, con un acimut de alrededor de 15º

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Carta solar con el recorrido del sol el 1 de junio.

Entonces, a partir del diagrama antes presentado podemos plantear cuales son las superficies más adecuadas para disponer los paneles.

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Eficiencia aproximada de los paneles en función de su orientación y ubicación en el edificio.

Por tanto, se aprecia muy claramente que es el faldón sur en el que mayor rendimiento se obtendrá. Esto unido a que es una ubicación no visible desde la calle y por tanto no presenta problemas de integración arquitectónica hace que sea la ubicación elegida.

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Las exigencias del CTE relativas a seguridad estructural serán de aplicación a la estructura soporte de los módulos. El cálculo y la construcción de la estructura y el sistema de fijación de módulos permitirán las necesarias dilataciones térmicas sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los módulos, siguiendo las indicaciones del fabricante.

Desde el punto de vista constructivo, se plantea que en el edificio reformado la tradicional cubierta de tejas se sustituye por un sistema de paneles con aislamiento; de este modo aparte de resolver el aislamiento del tejado, las grecas o puntos altos del panel sirven para anclar los rastreles sobre los que se sujetan los módulos fotovoltaicos.

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Detalle de fijación de los módulos fotovoltaicos sobre las grecas de los nuevos paneles de cubierta.

Los paneles no son el único elemento de la instalación; podemos enumerar los siguientes:

  • Sistema generador fotovoltaico, compuesto de módulos que a su vez contienen un conjunto de elementos semiconductores conectados entre sí, denominados células, que captan la energía solar.
  • Inversor que transforma la corriente continua producida por los módulos en corriente alterna de las mismas características que la de la red eléctrica.
  • Batería de almacenamiento de energía.
  • Conjunto de protecciones, elementos de seguridad, de maniobra, de medida y auxiliares.

instalacion_aislada

El tamaño de todos estos elementos de la instalación es tan reducido que se podrían disponer en el espacio disponible sobre la caja del ascensor; de allí bajará una línea de distribución hasta la planta baja en la que se ubicará el contador y la interconexión con la red eléctrica.

Esquema implantación fotovoltaica

El cálculo de la energía producida por el sistema así como los costes y periodos de amortización de la instalación se detallarán en una próxima entrada.


2. Solar Térmica

La energía solar térmica o termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del sol para producir calor generalmente para la producción caliente sanitaria o calefacción.

En comparación con la fotovoltaica que hemos visto antes, ese es su mayor hándicap; mientras que la electricidad la vamos a demandar, en mayor o menor medida todo el año, la energía termosolar  nos va a producir gran cantidad de agua caliente en verano que no vamos a poder utilizar ni transferir a otros edificios. Por ello entendemos que es una tecnología más adecuada para edificios que tengan una alto consumo de agua caliente todo el año (instalaciones deportivas, hoteles, vestuarios).

En viviendas nosotros lo recomendamos como apoyo de un sistema térmico principal (caldera de gas, biomasa, etc) y siempre ajustando muy bien el tamaño de la instalación para no producir excedentes en verano.

A pesar de estos argumentos y por razones no del todo claras, el Código Técnico de la Edificación ha hecho obligatoria su instalación en edificios de nueva planta.

Los sistemas de captación de placa plana con cubierta de vidrio son los más comunes; el vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más. El vidrio que cubre el captador no solo protege la instalación sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.

Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y finalmente por tubos soldados ultrasónicos.

Tipos de paneles solares térmicos

Hay un segundo modelo de captador, el de tubos de vacío, en este los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio, introducidos, de uno en uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Las grandes ventajas que presentan estos tipos de captadores son su alto rendimiento (196 % más eficientes que las placas planas) y que, en caso de que uno de los tubos se estropeara, no hay que cambiar todo el panel por uno nuevo, sino que solo hay que cambiar el tubo afectado.  Por el contrario son más caros.

En nuestro caso, vamos a plantear una instalación formada por dos paneles de tubos de vacío ubicada en la cubierta del casetón de instalaciones. Para mejorar el ángulo de incidencia del sol, los colectores se instalarán sobre una subestructura metálica.

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Sección por el casetón en la que se aprecia la ubicación de los paneles fotovoltaicos y los termosolares.

En nuestra opinión la proporción entre fotovoltaica y termosolar debería ser, aproximadamente, la que aquí se propone.

Recordemos:

La fotovoltaica nos proporciona electricidad que se puede almacenar en baterías de tamaño muy compacto y cuyo uso es ubicuo en nuestra sociedad. La energía producida se consumiría primero en los propios servicios comunes del edificio, posteriormente en las viviendas y en último término se inyectaría a la red (donde volvería a consumirse en el alumbrado urbano, viviendas próximas, etc).
Por tanto se trata de una energía renovable fácil de producir y almacenar y que se consume de modo local.

La termosolar nos produce agua caliente, obviamente en mucha mayor cantidad en verano y las horas centrales del día… esto es, exactamente cuando no la necesitamos. Y en cuanto al almacenamiento; instalar un depósito de 1.000 o 2.000 litros sobre la cubierta de un edificio existente… resulta más barata que la fotovoltaica si únicamente atendemos a los costes de implantación.


3. Calefacción y ACS alimentada por Biomasa

La biomasa es materia orgánica que se utiliza como fuente de energía, y abarca productos tan variados como madera prensada, astillas, huesos de aceituna, cáscaras de frutos secos, residuos forestales, etc. La biomasa es autóctona, es decir, emplea recursos procedentes del entorno en el cual se consume.

Biomasa Ciclo

El carbono de la biomasa ha sido captado por las plantas durante su crecimiento procedente de la atmósfera. Por este motivo, la combustión de biomasa supone un balance neutro[1] de CO2, a diferencia de los combustibles fósiles como el gas o el gasoil, que alteran el equilibrio en la atmósfera y contribuyen al cambio climático

Como se ha demostrado en países de centro Europa, el uso de la biomasa provoca sinergias sociales relacionadas con la creación de puestos de trabajo y nuevas actividades económicas en el entorno.

En nuestro caso tenemos dos posibilidades para la implantación de la biomasa, la primera sería plantear un sistema de calefacción a escala de barrio que alimente a los edificios desde una caldera centralizada.

La segunda posibilidad consiste en diseñar un sistema de calefacción central por edificio que de este modo cubriría íntegramente las necesidades de calefacción y ACS de cada bloque de viviendas con energías renovables.

Biomasa ubicación en cubierta

El principal desafío con el que nos vamos a encontrar aquí es la ubicación de la caldera. Como veíamos al principio de esta sección hemos diseñado un cuarto de instalaciones en cubierta.

Sin embargo llevar la biomasa hasta ese lugar no es fácil; se realizará por impulsión neumática desde el camión cisterna a pie de acera.

Para ello, a lo largo de la fachada, se ejecutará una conducción de aluminio, que ascenderá desde la calle por el nuevo patín de instalaciones hasta la sala de máquinas donde se aloja el silo.

Carga de Biomasa

Esta es una de las razones, pero no la única por la que como tipo de biomasa vamos a elegir los pellets.

Biomasa 01

Los pellets de madera o pellas son un tipo de combustible granulado alargado a base de madera (principalmente a la leña), se fabrican mediante prensado de serrín donde la propia lignina hace de aglomerante. No se necesita ni pegamento ni ninguna otra sustancia más que la misma madera. Este proceso les da una apariencia brillante como si estuviesen barnizados y los hace más densos que la madera original.

Los pellets tienen varias ventajas respecto a la madera:

  • No se necesita talar árboles. Mientras no se extiende mucho sus uso, se utilizan desperdicios de podas, talas o de carpinterías, que son recursos limitados.
  • Al ser material reaprovechado, es un combustible más barato.
  • Es más fácil hacer las estufas programables para que se enciendan o apaguen automáticamente. Se pueden bombear y almacenar en silos con alimentación automática.
  • Al rellenar mejor el espacio y tener mayor densidad aparente, ocupan menos que los troncos o ramas y caben en cualquier recipiente de cualquier forma.
  • Generan una cantidad apreciable de cenizas de origen vegetal y no tóxicas que se pueden aprovechar como abono o suplemento mineral de animales. Estas cenizas son ricas en calcio y potasio.

Para el almacenamiento de los pellets, se puede instalar un silo textil con una capacidad de 1,6tn que tendría una autonomía aproximada de 1,5 meses

Biomasa instalacion

El sistema puede compaginarse con la producción solar mediante un depósito de acumulación según lo indicado en el siguiente esquema:

Biomasa esquema

Como conclusión podemos decir que las calefacción por biomasa es una solución muy buena desde el punto de vista técnico y medioambiental, pero que tiene el handicap de necesitar bastante espacio para el almacenamiento de pellets. Aunque como vemos es posible bombearlos hasta cubierta son soluciones más fáciles de implementar si contamos con un espacio en planta baja o sótano que podamos emplear.


4. Calefacción y ACS alimentada por Aerotermia

La aerotermia es una energía renovable que, mediante una bomba de calor, saca provecho de la energía contenida en el aire que nos rodea, para utilizarla para producir agua caliente sanitaria y también para calefacción y climatizar viviendas o espacios cerrados.

La energía, en forma de temperatura, presente en el aire de manera natural, está disponible de manera virtualmente inagotable, ya que es capaz de regenerarse por medios naturales (calentamiento por la energía del sol), por lo que la aerotermia se puede considerar como una energía renovable. Utilizando esta energía se consigue producir calor y agua caliente de manera menos contaminante, consiguiéndose importantes ahorros energéticos.

Aerotermia concepto

Por tanto, una alternativa a la caldera de biomasa explicada en el apartado anterior, puede ser la instalación de una bomba de calor aire-agua[2] que se situaría en el casetón de la cubierta.

El rendimiento de una bomba de calor aerotérmico se mide con dos coeficientes el SCOP (en calefacción) y el SEER (en refrigeración); que son simplemente la relación entre potencia térmica producida entre potencia eléctrica consumida.

Por ejemplo si nuestra vivienda en un determinado momento necesita 4kW de calefacción para mantenerse a 20ºC y nuestro equipo tiene un SCOP de 3, entonces (teóricamente) estaría consumiendo: 4 kW (térmicos) / 3 = 1,33 kW (eléctricos)

Frente a la biomasa tiene la ventaja de que nos ahorraríamos el suministro de combustible puesto que este tipo de sistemas funcionan con electricidad (parte de la cual, recordemos, podría venir directamente de los paneles fotovoltaicos)

El sistema funciona mediante una unidad exterior (que es la bomba de calor propiamente dicha), una unidad interior (que es la encargada de transmitir la energía al fluido caloportador) y generalmente un depósito de acumulación. Desde allí se distribuye para las necesidades de agua caliente y calefacción.

Aerotermia Daikin

Para nuestro caso concreto hemos elegido una bomba de calor Daikin Alterma, que presenta ciertas ventajas:

  • Tecnología inverter: que proporciona un buen rendimiento en cualquier nivel de carga; desde el 10% hasta el 100%
  • Calefacción regulable a alta temperatura (desde 25ºC hasta 80ºC) y ACS.
  • Se puede conectar a redes interiores convencionales de radiadores y agua caliente.
  • Máxima seguridad (no requiere depósitos de gas / gasóleo ni chimeneas).

Para el rango de potencias que estamos manejando en este proyecto concreto hemos elegido instalar dos dispositivos DAIKIN ALTHERMA HT mod ERSQ014AY1, con una potencia de calefacción de 14 kW y alimentación monofásica.

Aerotermia datos2

Como vemos para una temperatura de impulsión del agua caliente de 60ºC, obtendríamos un SCOP de 3,0

La implantación se realizaría en el espacio reservado a instalaciones en la cubierta de nuestro edificio:

Aerotermia implantacion

En mi opinión los sistemas de calefacción por aerotermia combinados con una instalación fotovoltaica son el sistema más completo desde el punto de vista medioambiental.

Recordemos que para calefactar nuestras viviendas 3/4 partes de la energía se obtendrían de la temperatura del aire que rodea el edificio, mientras que el resto proviene de la electricidad producida por los paneles fotovoltaicos y almacenados en nuestro sistema de baterías; por tanto a poco que dimensionemos adecuadamente nuestro sistema, nos encontraremos con amplios periodos de tiempo en los que estamos consumiendo un 100% de energía renovable producida localmente.

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Las barreras de entrada principales son por un lado el alto coste inicial (con periodos de retorno no tan largos como podría pensarse) y por otro un cierto desconocimiento o falta de confianza por parte de los usuarios dada la amplísima implantación de las calefacciones basadas en la quema de combustibles fósiles.


 

5. Minieólica

La energía minieólica es el aprovechamiento de los recursos eólicos mediante la utilización de aerogeneradores de potencia inferior a los 100 kW.

Esta tecnología cuenta con una serie de ventajas:

  • Permite el suministro de electricidad en lugares aislados y alejados de la red eléctrica.
  • Genera energía de manera distribuida (Microgeneración distribuida) reduciendo de este modo las pérdidas de transporte y distribución.
  • Produce electricidad en los puntos de consumo, adaptándose a los recursos renovables y a las necesidades energéticas de cada lugar.
  • Puede combinarse con fotovoltaica en instalaciones híbridas.

Lo primero que hay que considerar antes de realizar una instalación de minieólica es si en tu localidad dispones de recurso éolico (viento) suficiente para que puedas producir electricidad con un aerogenerador de forma más o menos constante.

Para tener una primera idea de la magnitud del viento medio que hay en una localidad concreta puedes consultar el atlas eólico de España.

Según las características de cada aerogenerador, el viento medio mínimo para un buen funcionamiento puede variar. De forma general, la viabilidad de una instalación mini eólica empieza a partir de unos 4-5 m/s de velocidad del viento media.

Si cumplimos con este requisito o nos situamos en valores cercanos, podemos avanzar en el estudio de posibilidades para realizar la instalación. De todas formas, lo recomendable es realizar medidas de disponibilidad de viento in-situ con una empresa especializada.

Como vemos en una captura del atlas eólico, toda el área urbana de Durango se sitúa en una zona con velocidad media anual inferior a 4 m/seg; por lo que el rendimiento de este tipo de instalaciones es muy bajo en dicha localización y no es conveniente su instalación.

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No obstante en algunas imágenes se ha planteado la integración de un aerogenerador de unos 3kW de potencia para analizar su integración urbanística y en previsión de que en otras localizaciones el régimen de vientos sea más adecuado.

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6. Otros sistemas de ahorro energético.

Aunque no son propiamente sistemas de producción de energías renovables hay una serie de actuaciones relacionadas con la eficiencia energética y el ahorro de emisiones que debería tenerse en cuenta en la renovación de los edificios:

  • Iluminación led y con detector de presencia en zonas comunes
  • Ascensor de bajo consumo
  • Sistemas de recuperación de calor en la ventilación de las viviendas.

NOTAS:

[1] Esto no es totalmente correcto ya que para la recolección, procesado, secado y distribución de la biomasa estamos empleando energía que proviene de fuentes fósiles; sin embargo aun considerando esto, las emisiones de CO2 de la biomasa son extremadamente bajas.

[2] Esto quiere decir que la bomba de calor obtiene energía del aire y se lo transfiere a un fluido (agua) que es el que lleva la energía hasta las viviendas.

 

MaaB arquitectura y urbanismo

Jorge Mallagaray Mendizabal
Belén Rodríguez Gorgojo
Ángel M. Cea Suberviola

 

 

 

 

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