JORNADA T.CNICA CONSTRUMAT 2001 PARTE-02

JORNADA TÉCNICA: LA FACHADA ACRISTALADA, UNA CENTRAL DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA: UNA ALTERNATIVA ACTUAL

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PARTE 2

III.- Análisis energético global de un edificio de oficinas con fachada acristalada incorporando fachadas fotovoltaicas D. Manuel Macías Miranda.

Profesor de Ciencias Ambientales de la Universidad Politécnica de Madrid



III Análisis energético global de un edificio de oficinas con fachada acristalada incorporando fachadas fotovoltaicas

D. Manuel Macías Miranda. Profesor de Ciencias Ambientales de la Universidad Politécnica de Madrid

Introducción:

La arquitectura contemporánea utiliza cada vez más el vidrio como uno de los elementos

constructivos más emblemáticos y de mejores posibilidades estéticas y funcionales.

En España, el 20% del consumo en energía primaria se utiliza en el acondicionamiento de edificios.

Actualmente, el impacto de los sistemas de acondicionamiento en la demanda eléctrica representa un

serio problema para los países del área Mediterránea, ya que la curva de demanda se desplaza cada

vez más a las horas centrales del día en verano por la demanda de refrigeración.

Los indicadores de eficiencia energética muestran que en el sector terciario, el consumo eléctrico

representa más del 75% del consumo de energía final.

La incorporación de fachadas ventiladas de vidrio actúan en dos direcciones: Reducen la potencia

instalada con el consiguiente reducción del término de potencia cuando el consumo principal sea la

electricidad y reducen el consumo energético anual.

La evaluación del rendimiento energético de las fachadas de vidrio es un proceso complejo ya que

interacciona con el edificio y los sistemas de iluminación y de acondicionamiento. El uso de

iluminación natural con control electrónico de luminarias puede reducir substancialmente la demanda

de electricidad para iluminación, pero la ganancia solar a través del vidrio debe ser controlada

cuidadosamente para prevenir la penalización que esta supone en la carga de refrigeración.

En los últimos años se ha puesto de manifiesto un creciente interés por la integración de módulos

fotovoltaicos como elementos de fachada en edificios comerciales. Los sistemas de vidrio de fachada

acristalada son susceptibles de ser reemplazados por paneles fotovoltaicos sin marco, ofreciendo una

vía de generación de electricidad limpia, y contribuyendo de este modo, a disminuir la demanda

eléctrica en horas punta, consiguiendo a su vez un aplanamiento de la curva de demanda en aquellas

regiones eléctricas en las que el pico de demanda coincida con las horas de máxima insolación.



En este trabajo realizamos una evaluación energética de los sistemas constructivos de vidrio como

elementos de fachadas ventiladas , aplicando la metodología de simulación energética durante un

año tipo, a un edificio de referencia como el que se describe en el apartado siguiente, dotado de un

sistema de climatización convencional. Estudiamos en este trabajo los beneficios energéticos y medio

ambientales por el uso de diferentes tipos de sistemas de vidrio avanzados actualmente en el

mercado y la sustitución del vidrio exterior por paneles fotovoltaicos tipo a-Si y mono cristalino.

1.- DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO DE REFERENCIA

El edificio de oficinas de referencia es un edificio de 7800 m2 de ocho plantas, situado en Madrid de

planta rectangular con las tres últimas de menores dimensiones en el eje longitudinal (Penthouse).

Las dimensiones son 82 x 19 m y 26,6 m de altura. El lado mayor está orientado al Sur, sin

proyección de sombras por edificios circundantes.

Las plantas características del edificio se presentan en las figuras 1, 2 y 3.

El edificio se caracteriza como un edificio de masa media con 350 mm de forjados de hormigón de

baja densidad y muro cortina con un 50% de superficie vidriada.



La zonificación del edificio se ha realizado de acuerdo con la figura 4.

Fig. 4. Zonificación del edificio de oficinas

Tabla 1.- Características constructivas y de los sistemas del edificio de referencia. Dimensiones y Distribución 7.813 m2 de oficinas ENVOLVENTE - Cerramientos - Cubierta - Forjados - Forjado sobre garaje

3.952 m2 muro cortina (50% doble vidrio) 1.060 m2 cubierta plana U = 0,45 W/m2 °C ; CP = 167 KJ/m2 Kg ºC 5.803 m2 (35 cm hormigón ligero) 951 m2 (35 cm hormigón ligero)

EQUIPAMIENTO - Iluminación - Personas - Miscelaneous (PC's, etc.) - HVACS - A.C.S.

Oficinas: 15 W/m2 ; Parking: 15 kW 10 m2 / persona 20 W/m2 Sistema: Caudal Constante (VTCV) Frío: 3 Enfriadoras en paralelo de 600 kW y compresor alternativo Calor: 1 caldera de gas de 600 kW. Demanda pico: 8 kW

HORARIOS - Termostatos Refrigeración - Termostato Calefacción - Ocupación - Luces - Sistemas de Calefacción - Sistema de Refrigeración

24 °C de 8 a 19 horas de Marzo a Noviembre de Lunes a Viernes 20 °C de 8 a 19 horas de Dic-Feb de Lunes a Viernes 30% de 7-8 horas 100% de 8-18 horas y 30% de 18-19 horas Oficinas: 50% de 7-8 horas, 100% de 8-18 y 50% de 18-19 horas Parking: 100% de 7-22 horas 8-19 horas 8-19 horas

ENERGÍA UTILIZADA Electricidad, gas,



2.- ESTUDIO ENERGÉTICO DEL EDIFICIO

El comportamiento energético de un edificio queda caracterizado por los siguientes valores

representativos.

Carga pico de calefacción y refrigeración en condiciones de diseño. Este parámetro determina el

dimensionado del sistema y los equipos y por tanto las potencias a contratar con las compañías

suministradoras de energía.

Consumo energético anual en año tipo. Este parámetro determina los consumos de cada una de las

fuentes de energía, eléctricas, gas, gasóleo, etc., calculadas durante un año de referencia que

representa las condiciones meteorológicas típicas del emplazamiento del edificio. Este parámetro nos

permite calcular los costes de operación del edificio desde el punto vista energético.

Consumo eléctrico en iluminación. El consumo eléctrico mensual del edificio en iluminación nos

permite establecer los ahorros que se producen por la elección de un determinado vidrio o sistema de

vidrio, caracterizado por su factor de ganancia solar y su transmitancia en el visible, siempre que las

luminarias estén dotadas de un sistema de control central o local.

Índice de consumos. Con objeto de comparar las distintas medidas de ahorro introducidas en el

diseño o en el sistema de acondicionamiento se ha definido un índice que nos da el consumo

energético en términos de energía primaria y final durante un año tipo por metro cuadrado de

superficie acondicionada.

Aportación de energía eléctrica de la fachadas fotovoltaicas. Este dato nos permite evaluar el ahorro

en el consumo eléctrico del edificio

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la simulación del edificio para la composición

de las fachadas que se muestran en la tabla 2.



Tabla 2. Composición de los tipos de fachadas ensayadas Tipo de fachada U

(W/m2 K) Coefic. de Sombra

(SC)

Factor solar (SF)

Transm. Visible

(VT) A - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planitherm (6-8-6 mm.) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: Parsol gris 6 mm.

1,55 0,41 0,36 0,33

B - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4-10-5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: Stopsol classic gris 6 mm.

1,95 0,32 0,28 0,18

C - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planitherm (6-8-6 mm.) - Cámara de aire de 60 mm - Vidrio ext.: Stopsol classic gris 6 mm.

1,60 0,27 0,24 0,16

D - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4 –10 - 5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: 3 – Asi – 3 mm

1,90 0,06 0,05 0,04

E - Vidrio Interior: Doble acristalamiento Planilux - Planilux (4-10-5) - Cámara de aire de 60 mm. - Vidrio ext.: 6 mm – Si – lamina de tedlar

transparente

1,90 0,21 0,18 0,17

El diseño de la fachada ventilada se muestra en la figura 5. Corresponde al denominado Ventil Wall

fabricado por INASUS.



Fig. 5 Diseño de fachada

En la figura 6 se muestran los modelos de fachada ventiladas fotovoltaicas en ensayo en los

Laboratorios de Fotovoltaica del CIEMAT.



Fig. 6 Modelos de fachada ventilada ensayada

3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para la comparación de las diferentes soluciones de composición de las fachadas utilizamos los tres

parámetros descritos en el apartado anterior

Potencia Frigorífica y Calorífica:

La potencia frigorífica se obtiene a partir de la carga pico de refrigeración calculada para un día de

diseño como suma de las cargas internas, cargas debidas a la transmisión de calor a través de los

cerramientos, cargas debido a la ventilación e infiltración y la carga debida a la ganancia solar a

través de la superficie acristalada que encierra el edificio.

La potencia calorífica se obtiene a partir de la suma de las cargas debidas a la transmisión a través

de los cerramientos y las debidas a la ventilación e infiltración. En este caso, para considerar las

condiciones más desfavorables no se consideran las ganancias internas ni las debidas a las

ganancias solares.

En la figura 7 se presentan los resultados comparativos de la potencia pico.



Fig. 7. Potencia Frigorífica y Calorífica

Demanda Eléctrica y Gas pico

En España el término de potencia representa un elevado porcentaje del recibo eléctrico. Por ello, las

medidas introducidas en el diseño para reducir principalmente la potencia eléctrica pico debidas a la

potencia frigorífica instalada representa un ahorro significativo a lo largo de la vida del edificio.

En la Figuras 8a y 8b se presenta los resultados para los distintos tipos de fachada.

Fig. 8a. Demanda eléctrica pico



Fig. 8b. Demanda térmica pico

Consumo Eléctrico y Gas

El consumo mensual eléctrico y gas para los casos comparados se presentan en la figuras 9a y 9b.

Fig. 9a. Consumo eléctrico durante un año



Fig. 9b. Consumo térmico (gas) durante un año

Consumo eléctrico en iluminación

El ahorro producido por el aprovechamiento de la luz natural puede evaluarse mediante la

comparación de los consumos de electricidad para la iluminación. El consumo eléctrico mensual del

edificio para la iluminación en los casos comparados se presentan en la figura 10.

Fig. 10. Consumo eléctrico mensual para iluminación



Índice de consumos

El índice de consumos en términos de energía primaria o energía final(MJ/m2/año) nos permite

comparar elementos constructivos o sistemas desde un punto de vista medioambiental. Los

resultados se presentan en la figura 11.

Fig. 11. Índice de consumos de energía final y energía primaria

Producción mensual de electricidad fotovoltaica

En la figura 12 se presentan los resultados del cálculo de producción de electricidad fotovoltaica para

las fachadas D y E.

Fig. 12. Producción de electricidad fotovoltaica



4. Estudio económico de soluciones

Para el estudio económico se han comparado solo los ahorros producidos por la generación de

electricidad en los modelos de fachada D y E frente A y B. Se ha utilizado un modelo simple para el

análisis de inversiones en sistemas de energía solar en los que la instalación convencional debe estar

dimensionada en base a la carga pico por lo que la potencia contratada no sufre ninguna disminución.

En una instalación solar ha de cumplirse que, al final del periodo n de amortización o retorno del

capital se verifique la igualdad:

( ) ( ) ( )∑ ∑= =

−− +≤+++n

1x

n

1x

1x1xn C1Ai1Md1C

Donde:

C = Exceso de inversión de la instalación solar(coste del vidrio de sustitución).

A = Ahorro en combustible convencional durante el primer año en Pta.

M = Exceso de gasto de mantenimiento de la instalación solar

d = Tasa anual en tanto por uno del coste del dinero

i = Tasa anual en tanto por uno de la inflación

c = Tasa anual en tanto por uno del coste del combustible

n = Año de retorno del capital < que la vida de la instalación

Para una instalación en la que el año de retorno de la inversión sea inferior a periodo de vida de la

instalación, la Tasa Interna de Rentabilidad se calcula como el valor de d que iguala los miembros de

la ecuación para el valor de n tomado como el periodo de vida de la instalación en años.

Los valores considerados en el análisis que se presentan a continuación se han obtenido suponiendo

un coste adicional por la sustitución de la capa de vidrio exterior Stopsol clasic con un valor estimado

de 8500 Pta/m2 por los paneles fotovoltaicos que conforman los modelos de fachada D y E con un

coste estimado de 35.000 Pta/m2 y 42.000 Pta/m2 respectivamente.

C(a-Si) = 50 Mpta (700 Ptas/Wp) C(Si) = 61 Mpta (700 Ptas/Wp)

A(a-Si) = 1,33 Mpta (16 Ptas/kWh) A(Si) = 1,66 Mpta (16 Ptas/kWh)

M = 0

d = 0,045

i = 0,03

c = 0,02



Con estos valores el periodo de retorno del capital supera el periodo de vida de la instalación.

Considerando los beneficios del Plan de Energías Renovables en el que se contempla una

subvención del 40% de la instalación y la venta de la energía a la compañía suministradora con un

prima de 60 Pta/kWh(C(a-Si) = 30 Mpta,(Si) = 36,6 Mpta, A(a-Si) = 5,2 Mpta, A(Si) = 6,2 Mpta), el

periodo de retorno del capital supone un total de 9 años y un TIR de 7 % para el panel de a-Si y n =

9,5 años y d = 6,5 % para el módulo de Si.

No se consideran costes adicionales de montaje ni de mantenimiento por la existencia de los paneles

fotovoltaicos.

5. Conclusiones

1. El comportamiento de las fachadas fotovoltaicas en climas templados mejora ligeramente

los consumos energéticos del edificio cuando se realiza una disposición adecuada de

células o se utiliza un panel fotovoltaico semitransparente

2. Si no existe una subvención a la utilización de este tipo de alternativa energética, no existe

justificación económica para la utilización de estos sistemas.

3. La internalización de los costes externos de la energía en las grandes ciudades permitirán

mejorar la economía de los sistemas de integración de las energías renovables en los

edificios.

6. Bibliografía

1. J Córdoba, M. Macias y J. M. Espinosa. Study of the potential savings on energy demand and

HVAC energy consumption by using coated glazing for office buildings in Madrid. Energy and

Building. V.27(1998) 13-19

2. Energy and Buildings 21, 1994, 165-167 Foreword .Low-energy buildings.

3. DOE-2.1E. No LBL-34947, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA. 1993.

4. Trane Air Conditioning Economic (TRACE 600) computer Program, TRCE-UM-601, November

1992.

5. M. Macias y otros. Global Energy Análisis of an office buildin with PV Façades. 14TH European

Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, 1997.

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