Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autor
- Roberto Getino de la Mano, Jefe del Departamento de Ahorro y Eficiencia Energética, Ente Público Regional de la Energía de Castilla y León/Junta de Castilla y León
Resumen
Para el año 2020, los Estados Miembros de la Unión Europea, se han fijado como objetivo reducir en un 20% el consumo de energía referido al año 1990. En España, con los últimos datos publicados (año 2013), el consumo de energía final del sector edificación (residencial + servicios) ascendió a 285.802 Giga vatios-hora, lo que representa el 30,4% del consumo total de energía final en España [1], teniendo una tendencia ascendente. En la Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios, se fija como objetivo el fomento de la eficiencia energética de los edificios ubicados en la Unión, debiéndose tener en cuenta, a la hora de construir y renovar edificios, las condiciones climáticas exteriores, las particularidades locales, así como las exigencias ambientales interiores y la rentabilidad en térmicos coste-eficacia de soluciones técnicas respetuosas con el medio ambiente. La incorporación de un “Atrio” conectado de forma activa al sistema de climatización de un edificio, contribuye de forma muy importante a reducir el consumo energético de los edificios, calculando, que de media el ahorro energético es del 19,62%, siendo una solución viable técnica y económicamente que contribuye a alcanzar los retos fijados por la Unión Europea.
Introducción
El consumo energético en los edificios es muy elevado, en España, en el año 2013, el consumo de energía final del sector edificación ascendió a 285.802 Gigavatios-hora. Este consumo energético, en lo que a abastecimientos energético se refiere, implica una gran dependencia de mercados exteriores monopolizados, provocando a su vez, un alto índice de emisiones, sobre todo de CO2. Se puede estimar que las emisiones de CO2 que generan un consumo de 285.802 Gigavatios-hora son del orden de 66.427 millones de kilogramos al año.
Construir edificios teniendo en cuenta conceptos bioclimáticos, así como desde el punto de vista de la eficiencia energética, es una solución que contribuye necesariamente a la reducción del consumo energético en los edificios y a la reducción de las emisiones a la atmósfera.
El diccionario de la lengua española de la Real Academia de la Lengua española define «Atrio» como: «espacio descubierto, y por lo común cercado de pórticos, que hay en algunos edificios». Ahora bien, si en vez de estar descubierto, lo integramos dentro de un edificio, lo que tenemos es un espacio exento, en el cual se puede acumular aire. Si ahora, este espacio exento, se cierra con huecos acristalados, en su orientación sur y este, lo que tenemos es un captador de energía solar pasiva. Si además, ese espacio lo conectamos de forma activa a través de conductos con un sistema de climatización, en realidad, lo que tenemos es un productor de aire caliente gratuito.
La captación solar pasiva en un edificio es una aplicación de la denominada «arquitectura bioclimática», que sin duda, contribuye de una forma muy favorable a conseguir los objetivos que se han fijado en las Directivas del Parlamento Europeo y del Consejo, relativas a la eficiencia energética de los edificios.
Las Directivas sobre eficiencia energética publicadas hasta la fecha, establecen como uno de los objetivos prioritarios, el fomento de la eficiencia energética de los edificios ubicados en la Unión Europea, teniendo en cuenta las condiciones climáticas exteriores y las particularidades locales, así como las exigencias ambientales interiores y la rentabilidad en términos coste-eficacia de las soluciones técnicas, introduciendo un concepto fundamental, «el consumo energético casi nulo de los edificios».
En las Directivas se considera «edificio de consumo de energía casi nulo», a un edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto. La cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida la energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno [2].
La arquitectura bioclimática se puede definir como el «arte de proyectar o construir edificios para vivir, teniendo en cuenta las condiciones del clima”.
Hay diversos criterios a tener en cuenta a la hora de construir un edificio bajo la definición de arquitectura bioclimática: (i) la disposición sobre el terreno, (ii) la ubicación, (iii) el tratamiento exterior del edificio, (iv) la forma del edificio, (v) la orientación de la edificación, (vi) la captación de energía solar pasiva, (vii) el efecto invernadero, (viii) la protección contra la radiación en verano, (ix) la masa térmica, (x) los sistemas de aislamiento, (xi) los sistemas de ventilación, (xii) el aprovechamiento climático del suelo, (xiii) los espacios tapón tipo, (xiv) los sistemas evaporativos de refrigeración, (xv) los sistemas vegetales hídricos reguladores de la temperatura y de la humedad.
Son varios los efectos bioclimáticos que se dan con el diseño de un “Atrio”, siempre que, el mismo esté en contacto directo con el exterior, uno de los efectos que se produce es precisamente la captación solar pasiva, consiguiendo que se caliente el aire que contiene, de forma gratuita, para que posteriormente, se pueda utilizar para climatizar las zonas ocupadas. Pero tiene otros efectos bioclimáticos, funciona como un «espacio tampón» o como un «espacio acumulador de energía», ya que las condiciones en cuanto a temperatura y humedad del aire que se acumula, son más favorables que las existentes en el exterior u en otras zonas del edificio.
Cuando el “Atrio” funciona correctamente dimensionado e integrado con el sistema de climatización de los edificios, se produce un ahorro de hasta el 19,62% de la energía que se utiliza para climatizar el edificio.
Estudio de un Atrio Real
A través de las mediciones que se han realizado durante un año, sobre un “Atrio” construido con una función energética en un edificio de 1.852 m2, con una demanda de calefacción de 106 kW-h/m2, y una demanda de refrigeración que se sitúa en 12,81 kW-h/m2, ha quedado demostrado el ahorro energético que se produce, casi un 20%.
El edificio estudiado, cuenta con un espacio diáfano (Atrio) con una altura de 15 metros y una superficie en planta de 120 m2, lo que genera un volumen exento de 1.800 m3. Este espacio cuenta con una vegetación natural, que aporta oxígeno y una fuente de agua que aporta humedad al aire.
El aire se renueva a través de una rejilla de ventilación conectada directamente con el exterior en la orientación norte cuya superficie es de 1,40 m2.
Las mediciones realizadas en el interior del “Atrio” en estudio han mostrado que las temperaturas invernales se mantienen más altas en el interior que en el exterior, mientras que la temperatura del aire en el interior del “Atrio” en verano, ha sido más baja que en el exterior.
Configuración Atrio
La pared del atrio en la cara norte, con una superficie total de 136 m2, está formada por seis capas de materiales, con diferentes espesores y diferentes características térmicas, que se comporta como un acumulador de energía. Con esta configuración, el muro en su conjunto, tiene una transmitancia térmica U=0,55 W/m2K. [3]
Este elemento constructivo, permite acumular energía en forma de calor. Debido a la altura, así como a las diferentes temperaturas a las que se encuentra la pared norte por efecto de la posición del sol a lo largo del día, así como a lo largo de las estaciones del año, se manifiesta el efecto de la estratificación del aire, de forma que el aire más caliente se mueve hacia la parte alta del “Atrio”.
La cara sur y la cara este, se encuentran totalmente acristaladas con una «doble piel» formada por dos paramentos de vidrio separados 1,2 mt de longitud entre ambos (ver Figura 3). La superficie de la cara sur es de 136 m2, y, trabaja como un gran captador de energía solar pasiva, transmitiendo la energía en forma de calor al aire interior del “Atrio”, por efecto de la radiación y la convección.
Comportamiento del Atrio y resultados
El aire existente en el «Atrio», se utiliza para la ventilación-climatización de las zonas ocupadas del edificio, de manera que, cuando las condiciones de temperatura y humedad de este aire, son las adecuadas según el sistema de control, previamente programado, el climatizador, mediante un conducto directo, recoge el aire de ventilación de este espacio, a través de una rejilla situada en la parte alta del “Atrio”.
La contribución del «Atrio» con sus 1.800 m3 de aire, a la climatización del edificio es del 30%.
Esta forma de actuar garantiza un ahorro de energía anual en la calefacción del 18,07%. El ahorro de energía en refrigeración es de 1,55%, y en total 19,62%, lo que representa un ahorro de energía total de 104.573,71 kW-h por año.
En invierno, el aire dentro del “Atrio” se mantiene con temperaturas más altas, que en el exterior. Por otra parte, para un porcentaje muy alto de las veces en verano, el aire dentro del “Atrio” se mantiene más frío que la temperatura exterior. En todo caso, se constata, que, el ahorro de energía es mayor en invierno que en verano, debido a la ubicación del proyecto en una zona fría como es León, clasificados de acuerdo con el Código Técnico de la Edificación como una región E1.
Es de destacar, que el valor mínimo de temperatura del aire registrado en el «Atrio», a lo largo de las mediciones realizadas durante todo el año, ha sido de 9,30ºC, mientras que en el exterior el valor de la temperatura mínimo, ha sido de -5,80ºC, 15,1ºC de salto térmico de diferencia. Si se analizan los datos promedio, el valor mínimo promedio en el «atrio» ha sido de 11,40ºC y en el exterior de -0,87ºC, lo que representa un salto térmico promedio de 12,27ºC.
Por su parte la máxima temperatura registrada en el «Atrio» durante todo el periodo de mediciones, ha sido de 24,90ºC, mientras que en el exterior, en condiciones de sombra ha sido de 25,80ºC, aunque en condiciones de sol, la temperatura máxima alcanzada ha sido de hasta 40ºC, ésta, sería la temperatura media de referencia que se tendría en un edificio de construcción convencional, sin tener en cuenta, el «Atrio» o la propia sombra que ejerce el edificio sobre la toma de aire de ventilación.
Con estas condiciones es fácil identificar el ahorro energético que se genera, ya que en vez de climatizar/ventilar con aire tomado directamente desde el espacio exterior, por ejemplo en invierno con temperaturas de hasta -5,80ºC o en verano con temperaturas de hasta 40ºC, se climatiza/ventila en invierno con temperaturas en el aire que nunca han bajado de 9,30ºC o que en verano nunca ha subido de 24,90ºC.
En la Figura siguiente, se representa una situación en la que como se aprecia, el sistema de control ordena tomar el aire de climatización de la parte alta del “Atrio” a una temperatura de 15,3ºC, mientras que la temperatura exterior es de 8,6ºC, es decir, con una diferencia de temperatura de 6,7ºC, salto térmico, que no es necesario superar consumiendo combustible en la caldera, ya que el “atrio” está trabajando como acumulador de aire a una temperatura más elevada que la temperatura exterior, todo ello, gracias a la captación pasiva de la radiación solar en las horas anteriores. Como se puede observar, tan sólo hay que aportar calor para subir de 17,8ºC a 24,4ºC, ya que además en este caso, se están aprovechando otros 2,5ºC, gracias a la instalación de un recuperador entálpico y al efecto del “free-cooling”.
Como puede verse, el calor sólo se requiere para elevar la temperatura de 17,8°C a 24,4°C, a diferencia de si se tomara el aire desde el exterior, que se tendría que elevar la temperatura desde 9ºC a 24,4ºC.
Se observa de forma inmediata, que cuando es necesario calentar las zonas de ocupación, el salto térmico que se debe superar es mucho menor cuando se toma el aire del «Atrio» (línea azul) que cuando se toma el aire del exterior (línea negra), mientras que cuando es necesario refrigerar, el salto térmico entre la temperatura del aire del «Atrio» es menor al salto térmico que habría, si se tomara el aire desde el exterior directamente, teniendo en cuenta, que en el caso estudiado, a su vez, la toma de aire exterior ha sido estratégicamente ubicada con objeto de aprovechar la propia sombra del edificio, lo que ya implica un importante ahorro al no tomar el aire exterior a temperaturas excesivamente elevadas, como si se cogiera, como es habitual, el aire en la azotea del edificio.
La Figura 8, representa el ahorro de energía por metro cúbico de aire para cada semana. La zona comprendida entre la línea azul (entrada de aire HVAC superior de ventilación en el atrio) y la línea negra (entrada de aire desde el exterior) representa la cantidad de energía ahorrada, 17,42 kW-h/año por metro cúbico de aire introducido en el edificio.
Conclusiones
En Europa, es obligatorio cumplir los objetivos fijados para el año 2020 y que en relación al consumo de energía, se ha fijado como objetivo reducir en un 20% el consumo de energía, referido al consumo del año 1990, siendo necesario, que las medidas que se lleven a cabo por los Estados Miembros sean medidas rentables basadas en ratios de eficiencia máximos.
Por ello, los agentes implicados en el sector edificación, esto es, promotores, propietarios, arquitectos, constructores, administraciones, deben tomar conciencia de las obligaciones que tenemos todos los Estados Miembros y aplicar, los conocimientos, las propuestas probadas, las opciones rentables de construcción y/o renovación de edificios para alcanzar el objetivo fijado de reducir nuestro consumo enérgico en un 20% en el año 2020.
Como se ha demostrado en el estudio realizado, en los edificios con demanda de ventilación forzada, la incorporación de un espacio tipo “Atrio”, representa una contribución real de no menos del 19,62% a la reducción del consumo de energía.
Los edificios con un espacio correctamente dimensionado, situado estratégicamente tipo “Atrio” y conectado de forma activa al sistema de climatización de un edificio, ahorraría 17,42 kW-h anuales por metro cúbico de aire climatizado, lo que representa una reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera de 4,38 kg por año y por metro cúbico de aire refrigerado/climatizada en comparación con el uso de gas natural como combustible para generar calor y energía eléctrica para generar frío.
Es difícil encontrar datos oficiales sobre la superficie construida de los edificios. Sin embargo, en España se estima que el volumen de aire que se climatiza cada año es del orden de 6.900 millones de metros cúbicos.
Por lo tanto, la incorporación de un “Atrio” implicaría un ahorro energético de alrededor de 120.198 Gigavatios-hora al año, una reducción de aproximadamente 30.222 millones de kilogramos de CO2, aproximadamente 720 kg por habitante y año.
Sin ninguna duda, la incorporación de un “Atrio” en los edificios con necesidades de ventilación es una posibilidad “real” para la mejora de la eficiencia energética.
Referencias
- IDAE, «Plan de Ahorro y Eficiencia Energética 2011-2020. 2º Plan de Acción Nacional de eficiencia energética en España 2011-2020.,» IDAE, MADRID, 2011.
- Parlamento Europeo y Consejo Europeo, Directiva 2010/31/UE, relativa a la eficiencia energética de los edificios, 2010.
- Código Técnico de la Edificación, Apéndice E sobre cálculo de los parámetros característicos de la demanda. Documento básico HE ahorro de energía, 2006.