Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Cosme Segador Vegas, Coordinador Técnico, Agencia Extremeña de la Energía
- Daniel Encinas Martín, Jefe de Área de Energía solar y Biomasa, Agencia Extremeña de la Energía
- Leilén Cuadros Salcedo, Técnico de Energías Renovables, Agencia Extremeña de la Energía
- Juan Manuel Cosme Moñino, Técnico de Energías Renovables, Agencia Extremeña de la Energía
Resumen
Las plataformas de monitorización energética son herramientas para la medición y control de parámetros que facilitan en gran medida el mantenimiento del edificio, el diseño de estrategias y la toma de decisiones de los gestores energéticos. En los edificios públicos, estas herramientas son de un especial interés ya que éstos presentan pautas de comportamiento energético marcadas. Esta Comunicación presenta los resultados obtenidos por la Agencia Extremeña de la Energía en el marco del proyecto europeo ALTERCEXA al implantar estos sistemas en edificios públicos de tipo administrativo, sanitario, deportivo y estaciones depuradoras de aguas residuales. Su implementación ha facilitado la toma de decisiones en la implantación de sistemas de energías renovables permitiendo comprobar los ahorros obtenidos así como el seguimiento de varios aspectos del mantenimiento.
Introducción y antecedentes
La utilización eficiente de la energía en los edificios y en los servicios públicos y la implementación en ellos de soluciones energéticas mediante energías renovables para el autoconsumo, son cada vez más una prioridad del administrador porque, por una parte debe reducir los costes de explotación del edificio y por otra sus actuaciones deben servir como modelo a la ciudadanía.
Asimismo, en los últimos años se ha producido un notable incremento de la intensidad energética del sector de los servicios públicos, en gran medida debido a un notable crecimiento demográfico y urbanístico que se ha producido en nuestro país desde la década de los años 70.
Para potenciar la eficiencia energética, las Administraciones Públicas han aprobado en los últimos años diversa normativa, estrategias y planes de eficiencia, pero son las actuaciones en sus propios edificios las que tienen un efecto ejemplarizante sobre el ciudadano y las que consiguen un beneficio económico y medioambiental más inmediato.
Paso previo para la implantación de estas actuaciones es conocer en profundidad el comportamiento energético del edificio público, para lo cual son fundamentales los sistemas de monitorización energética que son objeto del presente artículo y que además constituyen una herramienta fundamental de mantenimiento para el gestor del edificio como se comprobará a través de los resultados obtenidos.
La Agencia Extremeña de la Energía, en el marco del proyecto ALTERCEXA del Programa Operativo de Cooperación Territorial Transfronteriza España-Portugal desarrolló para ello un análisis y caracterización del comportamiento energético de 30 edificios públicos de diversas tipologías mediante los datos obtenidos a través de instalaciones de monitorización que posteriormente han facilitado la toma de decisiones a la hora de implementar sistemas de energías renovables en dichos edificios públicos.
Descripción del proyecto Altercexa
El proyecto ALTERCEXA II, aprobado en el marco de la primera convocatoria del Programa Operativo de Cooperación Territorial Transfronteriza España-Portugal (2007-2013) y coordinado por la Consejería de Industria, Energía y Medio Ambiente de la Junta de Extremadura, y en el cual es socio integrante la Agencia Extremeña de la Energía, tiene el objetivo general de fomentar la producción de energía con fuentes alternativas en las regiones de Centro y Alentejo en Portugal y Extremadura en España.
Si bien existe en ambos lados de la frontera una similar política y normativa de fomento de las energías renovables, existen diversos problemas de introducción en mercado de las mismas y la necesidad de un mayor desarrollo y difusión de las mejores prácticas en todo el territorio. Estas problemáticas comunes a ambos lados de la frontera, necesitan ser abordadas conjuntamente de forma adecuada a través de la propuesta de soluciones innovadoras y eficaces.
Para contribuir a ello, dentro de las actividades del proyecto, la Agencia Extremeña de la Energía ha desarrollado diversas actuaciones dirigidas a la promoción de la eficiencia energética y el uso de las energías renovables en edificios públicos y como paso previo, el desarrollo de metodologías y técnicas de análisis del comportamiento energético de los edificios. Dentro de ellas se encuentra la instalación de monitorizaciones energéticas en edificios públicos de diversas características para analizar su comportamiento y posteriormente implantar instalaciones de energías renovables de diverso tipo, fundamentalmente energía solar fotovoltaica para autoconsumo, energía solar térmica, instalaciones de biomasa y geotermia.
El análisis se desarrolló sobre treinta edificios públicos de la administración pública regional y local de varias tipologías: Administrativo, Sanitario, y deportivo. Posteriormente se implementaron diversas medidas en algunos de ellos que a continuación se describen.
Metodología
Las plataformas de monitorización energética son herramientas para la medición y control de parámetros que facilitan en gran medida el mantenimiento del edificio, el diseño de estrategias y la toma de decisiones de los gestores energéticos. Estas herramientas nos permiten conocer los perfiles de potencias demandadas instantáneas intradiarios (térmicas o eléctricas) frente al tiempo en las diversas situaciones que se pueden dar a lo largo del año así como diversos parámetros ambientales que pueden afectar al funcionamiento del edificio. Para el análisis de edificios públicos desarrollado, se instalaron sistemas de monitorización energética en los edificios seleccionados entre los que se encontraban 30 edificios sanitarios y administrativos así como un centro deportivo con piscina climatizada.
Los datos que proporcionan las monitorizaciones instaladas son entre otros: temperatura ambiente, temperatura interior, y diversos parámetros eléctricos de los circuitos como pueden ser tensiones e intensidades, potencias instantáneas y frecuencia de la red.
En el caso de la piscina climatizada municipal, además se han monitorizado las temperaturas en diversos puntos del circuito hidráulico para el calentamiento del vaso de la piscina climatizada así como de la deshumectadora del recinto. Las gráficas e información que nos aportan estas monitorizaciones pueden ser observadas a modo de ejemplo en la Figura 1, que corresponde a las gráficas de potencias demandadas a lo largo de un día tipo para los distintos circuitos eléctricos de la piscina climatizada municipal monitorizada.
El procesado estadístico de los datos obtenidos, descargables en formato Excel ha permitido la caracterización de los perfiles típicos de comportamiento de las distintas temporadas de funcionamiento para los edificios. Asimismo, estos datos constituyen una herramienta de mantenimiento que ha permitido la detección de anomalías en el funcionamiento en algunas ocasiones.
Las curvas descargadas tienen el aspecto de la Figura 3 que corresponde a las demandas cuartohorarias instantáneas a lo largo de una semana para un edificio de uso sanitario.
Procediendo de esta manera es posible determinar un “día medio tipo laborable” y un “día medio tipo festivo” para las distintas épocas del año.
Tras realizar este modelado para determinar el perfil de los “días tipo”, se obtuvieron curvas diarias de comportamiento estacionales similares a las que se pueden observar en la Figura 4, que corresponde a un edificio administrativo de la muestra de treinta edificios estudiada. En ella se pueden observar las grandes diferencias de comportamiento que se presentan en las distintas épocas de año.
La determinación de los comportamientos de los edificios permitió implementar varias actuaciones piloto cuyos resultados son discutidos a continuación. En una primera fase, se llevó a cabo un estudio de viabilidad de instalaciones fotovoltaicas para autoconsumo en los 30 edificios de la muestra. Para ello se diseñó una herramienta informática que determina las producciones fotovoltaicas horarias y calcula diversos parámetros económicos y energéticos de la instalación.
Para el desarrollo del modelo de predicción energética fotovoltaica se han utilizado los valores de irradiancia diaria media directa y difusa de la base de datos de PVGIS desarrollada por el “Joint Research Center” de la Comisión Europea, obteniéndose a partir de ellos la irradiancia horaria media y las temperaturas ambiente. Con los valores horarios de la irradiancia, y mediante la determinación de la influencia sobre el sistema de la temperatura ambiente a lo largo del día, se puede calcular el valor de potencia máxima, tensión y corriente en el campo fotovoltaico mediante el modelo de célula. Los estudios de viabilidad permitieron conocer los parámetros medios de viabilidad de este tipo de instalaciones en edificios públicos de tipo sanitario y administrativo. Por otra parte, la caracterización energética y los estudios de viabilidad se plasmaron en la ejecución de dos actuaciones piloto que se describen a continuación.
Resultados y discusión
Los resultados de los estudios de autoconsumo basados en las monitorizaciones arrojan posibilidades de ahorros medios de un 30% con períodos de retorno cercanos a los 10 años en los edificios elegidos, principalmente los de uso administrativo y sanitario. En algunos casos se puede llegar a cubrir con la instalación fotovoltaica hasta un 50% del consumo y con períodos de retorno de la inversión cercanos a los 8 años. Sobre todo en el caso de edificios con demandas muy constantes a lo largo de todo el año y con sistemas de calefacción/climatización a través de bombas de calor.
En el caso de los edificios administrativos y sanitarios, el factor que más influye en el comportamiento es el consumo en climatización tanto en invierno como en verano que puede representar del orden de un 60% de los consumos energéticos de un edificio. En este ámbito del autoconsumo como ya se ha comentado, se han llevado a cabo dos experiencias piloto en sendos edificios públicos singulares. Una de ellas, de 5 kW, se ha instalado en una piscina climatizada municipal, que además dispone de una caldera de biomasa y una instalación solar térmica para cubrir las demandas de ACS y calentamiento del vaso y del recinto, lo que le proporciona un ahorro de un 60% en relación a una piscina convencional. La instalación fotovoltaica aporta aproximadamente el 40% del consumo eléctrico.
Tras analizar los resultados de las monitorizaciones, se han desplazado además algunos consumos, como los de la depuradora de la piscina climatizada municipal, de forma que se aprovecha en mayor medida la energía que se produce en la instalación fotovoltaica de autoconsumo. Asimismo se han podido detectar algunos problemas de diseño como es un cierto desequilibrio en las fases de alimentación de la bomba principal de impulsión.
La segunda actuación experimental se llevó a cabo sobre la cubierta del Edificio del Servicio Territorial del Medio Natural de Badajoz que cuenta con un sistema de climatización a través de bomba de calor geotérmica (ejecutada con el proyecto europeo PROMOENER). En este caso la instalación, también de autoconsumo, es de 5 kW, una potencia muy baja en relación al consumo total del edificio, pero todo el sistema ha sido monitorizado y se están obteniendo los datos de comportamiento de las instalaciones de Energías Renovables que nos servirán de referencia para próximas actuaciones.
Como puede observarse en la Figura 5, durante el período de febrero a marzo, fecha en que entró en funcionamiento la instalación geotérmica, el ahorro respecto al año anterior supera el 50%. Se está a la espera de obtener los datos del período de refrigeración en verano para establecer el ahorro total obtenido con la instalación. En el caso de la situación del verano, si bien también se produce este incremento del consumo a primeras horas, las puntas de consumo se desplazan a las horas centrales del día debido a que a esa hora existen mayores cargas térmicas.
Actualmente se están finalizando la construcción de otra instalación en una depuradora de aguas residuales de titularidad de la Diputación Provincial de Badajoz en la que se ha integrado también un sistema de monitorización de los consumos de los circuitos y las producciones fotovoltaicas en el SCADA de la misma.
Conclusiones
En primer lugar hay que destacar la gran utilidad de los sistemas de monitorización para la caracterización de los comportamientos de los edificios así como en la toma de decisiones y el diseño de actuaciones posteriores sobre las instalaciones.
En relación al uso de energías renovables para uso propio derivado de un buen análisis basado en datos de monitorización de un edificio, hay que insistir en las numerosas ventajas sociales, económicas y medioambientales que pueden conseguirse con el complemento de varias tecnologías.
De manera directa, la más inmediata es el ahorro energético y, por tanto, económico. En especial, el autoconsumo con energía fotovoltaica, además presenta una importante ventaja, como son las pérdidas de energía en la red, en este caso como la electricidad no recorre grandes distancias, hay menos pérdidas.
A la hora de determinar la viabilidad sobre la base de estos datos obtenidos a través de las monitorizaciones, existen dos factores que influyen decisivamente en los resultados obtenidos en los casos de estudio que son: el tipo de uso del edificio y el tipo de contrato eléctrico con la comercializadora. El primer factor influye en el precio de la electricidad consumida así como en la distribución diaria de dichos costes. El segundo factor influye en la distribución horaria de los consumos durante el día y por tanto en el mayor o menor ajuste de la curva de generación con la curva de demanda.
Hay que destacar además que las monitorizaciones energéticas han permitido detectar problemas de diseño y estrategias de operación de las instalaciones para un funcionamiento más eficiente del edificio.
En definitiva, los sistemas de monitorización representan la piedra angular en el edificio público para cumplir con el viejo dicho “lo que no se mide no se puede conocer, lo que no se conoce no se puede mejorar”.
Referencias
- Green, M.A., 1982, Solar cells. Operating principles, Technology and System Applications. Prentice-Hall, Nueva Jersey
- Jantsch, M., Schmidt, H. y Schmidt, J. (1992).‘Results on the concerted action on power conditioning and control’. 11th European photovoltaic Solar Energy Conference (pp. 1589-1592). Montreux,
- Joint Research Centre. Institute for Energy and Transport. Photovoltaic Geographical Information Systems (PVGIS). Geographical Assessment of Solar Resource and Performance of Photovoltaic Technology.
- Proyecto de Real Decreto por el que se establece la regulación de las condiciones administrativas, económicas y técnicas de las modalidades de suministro de energía eléctrica con autoconsumo y de producción con autoconsumo. 18 de Julio de 2013.