Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Víctor Sánchez, Investigador, División Construcción Sostenible, Tecnalia
- Olga Macías, Investigador, División Construcción Sostenible, Tecnalia
- Eneritz Barreiro, Investigador, División Construcción Sostenible, Tecnalia
Resumen
El diseño de edificios de consumo casi nulo, hace necesaria la adopción de nuevas formas de construir, así como la implantación de tecnologías innovadoras en los edificios. Por otro lado, resulta imprescindible promover un comportamiento responsable en el uso de la energía por parte de los usuarios. En ambos casos, la implantación de sistemas de control inteligentes con funcionalidades de control, monitorización y visualización resulta crítica para la consecución de esos objetivos, manteniendo niveles de fiabilidad y complejidad coherentes con el uso y las capacidades de los usuarios. El edificio residencial construido en Portugalete en el marco del Proyecto Europeo Buildsmart constituye un buen ejemplo de integración coste efectiva de soluciones de alto rendimiento (fachadas activas, cogeneración, paneles fotovoltaicos, bombas de calor), a través de una plataforma de control inteligente. A partir de las diferentes estrategias de operación definidas para cada sistema e implementadas en la plataforma de control, ésta se encarga de orquestar el funcionamiento de todos los sistemas, adaptando su operación a la evolución de las cargas (térmicas y eléctricas), la generación local y las condiciones contorno, para optimizar su rendimiento y el aprovechamiento de la generación distribuida. Las conclusiones derivadas de los datos recogidos por el sistema de monitorización son coherentes con los objetivos establecidos en el proyecto, y han permitido identificar posibilidades de mejora en las estrategias de operación a implementar en el futuro.
Introducción
En respuesta a las nuevas obligaciones normativas surgidas durante los últimos años, la construcción de edificios de consumo casi nulo prolifera por toda Europa. Para ello, está siendo necesario adoptar nuevas formas de construir basadas en nuevas tecnologías en muchos casos con niveles de eficiencia y fiabilidad no contratadas en condiciones reales de uso.
En este contexto, el objetivo del Proyecto Europeo Buildsmart ha sido demostrar la integración coste efectiva de soluciones de alto rendimiento, en edificios de muy bajo consumo de energía para diferentes climas europeos. Dentro del proyecto se han diseñado, construido y monitorizado 2 edificios no residenciales y 3 edificios residenciales en Suecia y España, entre los que se encuentra el demostrador de Portugalete (Vizcaya).
Se trata de un edificio residencial de protección oficial cuya construcción ha sido promovida por el Gobierno Vasco y financiada parcialmente por el Proyecto Europeo Buildsmart. El edificio se ha diseñado de acuerdo con criterios de edificios de consumo casi nulo, con un concepto arquitectónico orientado a minimizar la demanda del edificio. El concepto de diseño, se completa con la integración de fachadas solares activas, tecnologías de alto rendimiento (bombas de calor) y tecnologías de generación distribuida (Cogeneración y Fotovoltaica), integradas mediante una plataforma de control y monitorización inteligente, que orquesta el funcionamiento de todos los sistemas instalados proporcionando un rendimiento óptimo y un aprovechamiento máximo de la generación local.
Además, la plataforma ofrece funcionalidades de visualización en tiempo real del consumo y el coste de la energía a nivel de vivienda, para fomentar un uso responsable por parte de los usuarios.
El edificio está compuesto por 3 bloques adosados con un número total de 32 viviendas. Las fachadas norte, este y oeste se han resuelto con una solución común en los 3 bloques (bloque Ytong), mientras que la fachada sur se ha resuelto con soluciones diferentes en cada uno. Ello, ha permitido evaluar el potencial de cada una y establecer comparaciones, a partir de los resultados proporcionados por el sistema de monitorización y modelos de simulación dinámica avanzada.
Descripción de las soluciones de alto rendimiento
Soluciones de fachada solar activas
Muro trombe activo acoplado al sistema de ventilación
El muro trombe activo es una solución de fachada bioclimática de doble piel, formada por una piel exterior acristalada semitransparente, una cámara con circulación de aire y una hoja interior con un elevado valor de masa térmica, aislada interiormente para limitar la cantidad de la energía captada que se emite al interior de las viviendas directamente por medio de radiación.
La cámara de aire en su extremo superior se encuentra conectada al sistema de ventilación del Bloque 1, que genera una depresión en el interior de la cámara que posibilita la entrada del aire exterior. Este flujo de aire, es su movimiento ascendente, se caliente con la energía almacenada en la hoja interior del muro, generando un movimiento de ascensión por convección natural, que facilita el flujo del aire y reduce el consumo del ventilador de impulsión del sistema de ventilación.
Así pues, el sistema de ventilación se emplea como medio de distribución único de la energía captada, permitiendo un mejor control de su emisión y aprovechamiento. La integración con el sistema de ventilación se ha resuelto mediante un plenum y una red de conductos que incluye las compuertas necesarias para aislar el muro del sistema de ventilación, así como para permitir la descarga directa al exterior del aire precalentado, para evitar posibles recalentamientos del edificio.
Fachada SolarWall
Se trata de una fachada solar con colector integrado para calentamiento de aire. El sistema se compone de una chapa metálica perforada (colector) instalada a una distancia de varios centímetros del plano de la fachada, creando una cámara de aire conectada en su extremo superior, por medio un ventilador de caudal variable y plenums dispuestos a tal efecto, a la bomba de calor aire/agua instalada en la cubierta.
El elemento colector es calentado por la irradiación solar incidente, al tiempo que el aire penetra en la cámara, a través de las perforaciones del colector como consecuencia de la presión eólica, y de la depresión generada por el ventilador. En su trayectoria ascendente el flujo de aire se calienta por medio de la energía acumulada en el colector, de modo que se produce un efecto de convección natural que facilita el flujo y reduce el consumo de los ventiladores.
Habitualmente esta solución se ha empleado como alternativa a los sistemas de ventilación con recuperación. De acuerdo con este enfoque tal y como se ha descrito para el muro trombe, se emplearía el sistema de ventilación como elemento de distribución de la energía. Sin embargo, en la solución implantada en Portugalete el flujo de aire precalentado se utiliza como fuente de energía de una bomba de calor aire/agua integrada en la planta de calor del edificio. Con este enfoque, es posible maximizar el rendimiento medio estacional de la bomba de calor y reducir su consumo eléctrico.
Además, el sistema dispone de una compuerta que permite la descarga directa del flujo de aire producido por la fachada, en caso de ausencia de cargas de calor.
Planta de generación de calor
La planta de producción de calor para calefacción y ACS está compuesta por un micro-cogenerador DACH 5.5 (12,5 kWt y 5,5 kWe), una bomba de calor aire/agua Mitsubishi CAHV-P500YB-HPB (capacidad nominal de 45 kW y COP de 4,5 TImp = 35 oC /Taire =10 oC) y una caldera de condensación BAXI ROCA BIOS PLUS 110F (capacidad nominal de 102 KW, rendimiento nominal del 95%) para cubrir cargas punta. Además, la planta dispone de un subsistema de almacenamiento compuesto por un tanque acoplado al cogenerador (3 m3) y un tanque de almacenamiento de ACS (2 m3).
El subsistema de emisión del sistema de calefacción se ha resuelto por medio de suelo radiante para habilitar la operación del sistema a bajas temperaturas de impulsión (35-45°C). Ello, junto con la utilización de aire precalentado generado por la fachada solar activa del Bloque 2, permite que la bomba de calor opere con valores de rendimiento muy elevados.
Estas tecnologías se han combinado en la planta de calor, de modo que en función de las condiciones de contorno (cargas, disponibilidad de generación local y condiciones exteriores), se pueda emplear la tecnología de generación más adecuada desde el punto de vista de los costes de explotación.
La transferencia de energía desde los diferentes generadores de la planta de calor y el subsistema de distribución del edificio se produce a través de intercambiadores específicos (producción ACS y calefacción desde el cogenerador, calefacción desde la bomba de calor, ACS desde la caldera, etc), y circuitos equipados con bombas de caudal variable (salto térmico óptimo y consumo mínimo).
Por su parte, el sistema de ventilación de cada bloque está compuesto por una caja de ventilación de caudal constante con recuperación de calor y compuerta de Bypass (90% de eficiencia nominal).
Sistemas de generación distribuida
En cuanto a las instalaciones de generación distribuida de carácter renovable y no renovable, además del micro-cogenerador y la bomba de calor de alto rendimiento citadas anteriormente, el edificio dispone de una instalación fotovoltaica formada por 88 paneles ELIFRANCE EL60255 (potencia pico de 255 W y rendimiento del 15,5%) distribuidos por la cubierta de los 3 bloques, con una potencia eléctrica pico de 22,4 kW. Aunque la instalación fue inicialmente concebida para trabajar con la posibilidad de exportar excedentes de producción local a la red eléctrica, a raíz de los cambios normativos introducidos a partir de 2012, su diseño se modificó para orientarla al autoconsumo.
El proceso de tramitación de la puesta en marcha de la instalación fotovoltaica se encuentra en curso, de modo que su impacto en el balance energético no se ve reflejado en las conclusiones presentadas.
Estrategias de operación de los sistemas activos
Soluciones de envolvente activas
Muro trombe activo acoplado al sistema de ventilación
Se han definido 2 modos de operación diferentes, dependiendo de la demanda existente en las viviendas. Si la demanda existente es de calefacción el muro trombe operará según el modo de calor, y en caso contrario el muro trombe operará en modo de disipación.
Además, en el caso del modo de calor, la posición de las compuertas del sistema se ajusta, en función de la evolución relativa del valor temperatura del aire a la salida del muro trombe (TSMT), y del valor de la temperatura de retorno del sistema de ventilación del Bloque B1 (TRet_B1). El siguiente cuadro, resume la posición de las diferentes compuertas del muro trombe y del sistema de ventilación del Bloque B1, tanto para el régimen de calor como para el régimen de disipación, siendo:
- Estado CAE, el estado de la compuerta de admisión directa desde el exterior.
- Estado CCMT, el estado de la compuerta de conexión del muro trombe.
- Estado CD, el estado de la compuerta de disipación al exterior.
- Estado Bypass, el estado de la compuerta de bypass del recuperador de calor.
La siguiente figura muestra los flujos de aire asociados al modo de funcionamiento de calor (izquierda) y al modo de funcionamiento de disipación (derecha).
Solarwall
La operación del ventilador que habilita el flujo a lo largo de la cámara de aire de la fachada solar y la entrega del aire precalentado a la bomba de calor, está vinculado al estado de la bomba de calor. Así pues, este ventilador se activa cuando el sistema de control demanda energía a la bomba de calor y permanece en funcionamiento siempre que el incremento de temperatura a la salida de la fachada solar sea mayor que el valor mínimo establecido (3 oC), y se mantenga la demanda a la bomba de calor.
Planta de calor
En el siguiente cuadro, se resumen las restricciones implementadas en la plataforma de control que permiten al sistema establecer los generadores en servicio en cada momento, para satisfacer las cargas de calefacción y producción de ACS.
Plataforma de control y monitorización inteligente
El edificio dispone de una plataforma inteligente de control y monitorización basada en soluciones comerciales y protocolos de comunicación abiertos (Modbus y MBUS), para compatibilizar el nivel de complejidad del sistema con el entorno de los edificios residenciales, y contribuir a que la solución propuesta para el edificio en su conjunto sea coste efectiva.
La plataforma supervisa permanentemente la operación de todos los sistemas (setpoints y modos de operación activos) de acuerdo con las estrategias de operación definidas, adaptando el funcionamiento del edificio en respuesta a la evolución de las cargas internas, la disponibilidad de generación local y a las condiciones de contorno, para optimizar el aprovechamiento de la generación local y maximizar el rendimiento de todos los sistemas.
El sistema de monitorización registra en la base de datos de la plataforma la evolución a lo largo del tiempo de los valores de todas las variables que tienen un impacto relevante en el comportamiento energético del edificio y en el rendimiento de sus sistemas, incluyendo las condiciones climáticas, el confort térmico y las variables de operación de todos los subsistemas del edificio. Así mismo, además de la workstation local, la plataforma ofrece acceso remoto a través de webstation, para configurar el sistema o analizar los valores históricos almacenados en la base de datos.
Por otro lado, cada vivienda incorpora un sistema mixto de control y visualización que además de proporcionar las funcionalidades necesarias para que el usuario pueda ajustar las condiciones de confort de las viviendas, facilita información desagregada (calefacción y ACS) del consumo y coste de energía de cada vivienda en tiempo real, dando a los usuarios la oportunidad de optimizar el uso de la energía.
Discusión de resultados
Los resultados disponibles para los 3 primeros meses con ocupación (enero, febrero y marzo de 2017), son coherentes con las predicciones y objetivos establecidos al inicio del proyecto (56,9 kWh/m2a). Sin embargo, como consecuencia de la baja ocupación de las viviendas del Bloque 3 (aproximadamente el 25%), y dado que el proceso de optimización de todos los sistemas del edificio continúa abierto, los resultados parciales disponibles no puedan considerarse definitivos. Además, como se ha citado anteriormente, estos resultados no contemplan la contribución de la planta fotovoltaica.
En todo caso, los resultados disponibles justifican el potencial de las diferentes soluciones implantadas:
- El acoplamiento con la fachada solar, permite que la bomba de calor haya funcionado con COP-s de hasta 5,4.
- En días soleados el muro trombe proporciona temperaturas de impulsión de hasta 26ºC.
- En días soleados la fachada solar proporciona temperatura de impulsión de hasta 21ºC superior a la temperatura exterior.
Así mismo, durante los primeros meses de operación del edificio se han identificado algunas deficiencias a corregir en el futuro.
- Se produce un aprovechamiento sub-óptimo de la producción del muro trombe, debido a la no integración en la plataforma de control del controlador autónomo que regula el estado de la compuerta de bypass del recuperador del Bloque 1.
- Se produce un aprovechamiento sub-óptimo de la producción de aire caliente generada por la fachada solar, durante los periodos sin demanda de energía a la bomba de calor. Esta circunstancia, se debe en parte al bajo número de viviendas ocupadas en el Bloque 3. En cualquier caso, en el futuro se estudiará el sistema de ventilación del Bloque 2 como mecanismo complementario de explotación de la energía captada por la fachada solar.
Conclusiones
La implantación de una plataforma de control inteligente basada en soluciones comerciales, permite la integración coste efectiva de tecnologías de alto rendimiento en edificios residenciales, con niveles de fiabilidad y necesidades de mantenimiento análogas a los de las soluciones tradicionales, optimizando el rendimiento de todos los sistemas y el aprovechamiento de la generación local, sin introducir complejidades adicionales para el usuario.
Los resultados disponibles permiten confirmar el potencial de las soluciones implantadas, así como la coherencia del comportamiento del edificio en su conjunto con los objetivos establecidos al inicio del proyecto.
En cualquier caso, el proceso de optimización de las estrategias de operación de todos los sistemas del edificio permanece abierto, de modo que cabe esperar que una vez finalizado, tras el primer año completo de monitorización, y con la instalación fotovoltaica en servicio, se produzca una mejora del funcionamiento de todos los sistemas reduciendo significativamente el consumo de energía del edificio.
Agradecimientos
La investigación que ha dado lugar a estos resultados ha recibido financiación del Séptimo Programa Marco de la Unión Europea [PM7/2007-2013] en virtud del acuerdo de subvención nº [285091].