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RETOS Y HERRAMIENTAS EN LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN

D. José TúnicaGrupo JG Ingeniería


1. Confort ambiental

2. Simulación en la edificación

3. Ejemplo 1 SPIRALLING TOWER

4. Ejemplo 2 Edificio TAULAT

CONFORT AMBIENTALLa sensación de bienestar térmico del cuerpo humano se produce en gran parte por el balance de los efectos térmicos que lo rodean.Necesidad de eliminación del calor del cuerpo (conducción, convección y radiación).En relación al confort térmico el parámetro fundamental es la temperatura, pero resulta muy importante también el contenido de humedad, el movimiento del aire, la actividad desarrollada e incluso el tipo de vestimenta utilizada.

Considerando la humedad del aire se trabaja con el concepto de la temperatura efectiva.

La temperatura efectiva estándar esta definida como la de un ambiente con aire con un 50% de humedad que da la misma sensación que el ambiente estudiado con una temperatura dada y una humedad relativa también dada.

Como evolución de este concepto y para poder trabajar con todo el conjunto de parámetros de bienestar, se incorpora el movimiento del aire de modo que podamos englobar en un único valor los efectos de la temperatura, de la humedad y del movimiento del aire en relación con la sensación de calor o de frío sentida por el cuerpo humano.

Esta temperatura efectiva global es un valor numérico experimental y corresponde al de un ambiente con el aire saturado y sin movimiento que provocaría una sensación idéntica.

TEMPERATURA EFECTIVA

Gráfico realizado en 1923 por Yaglou y Houhton

• El efecto de la radiación (solar o de cerramientos a temperatura elevada) es importante de cara a la transmisión de calor del cuerpo. Cuando se hace referencia a una temperatura que afecta al bienestar de las personas, debería expresarse la temperatura operativa o resultante.

• La temperatura operativa, o temperatura o resultante, es la temperatura media entre la temperatura radiante y la temperatura del aire ( o temperatura seca).

ta = temperatura del aire seco (ºC)tr = temperatura radiante de las superficies del local (ºC). Es la temperatura de las superficies que percibe el cuerpo humano.

• Por convenio y de acuerdo con diferentes estudios, normativas e índices se ha establecido que la temperatura operativa media que se considera de confort está entre 23ºC y 26ºC sin tener en cuenta la acción de la ventilación.

TEMPERATURA OPERATIVA

2a r

op

t tt

Teniendo en cuenta la complejidad de los mecanismos físicos y climatológicos que influyen en el comportamiento del ambiente interior de un edificio, se comprueba la dificultad de analizar correctamente las evoluciones de las condiciones térmicas o de confort ambiental.

Actualmente es posible efectuar análisis con mayor detalle mediante la aplicación de las herramientas de cálculo o simulación

que la tecnología informática proporciona.

SIMULACIÓN EN LA EDIFICACIÓN

La simulación informática es un herramienta de análisis para el estudio del comportamiento de los edificios, los sistemas que lo componen y su interacción con el entorno.

El principal objetivo es el de simular y validar diferentes opciones de la conceptualización del edificio con la utilización de herramientas informáticas.

Mediante estas herramientas es posible disponer de los datos adecuados para proyectar y diseñar correctamente las instalaciones en espacios complejos desde el punto de vista del diseño térmico y de la optimización de recursos energéticos.

Sistemática de una simulación energética

Base de datos climáticos.

Definición del edificio, creación del modelo.Se construye un modelo, reproduciendo las características básicas de la edificación en referencia a los elementos de construcción y arquitectura:

Modelo Real y Maqueta

Modelo 3D

Tipologías de estudios de simulación en la edificación

Para comprobar y validar las diferentes opciones de conceptualización del edificio las tipologías de estudio que se pueden realizar son:

– Estudio Solar, Térmico y Lumínico– Estudio Fluidodinámico– Estudio Ventilación Natural– Estudio de Consumos Energéticos y de Tarificación Eléctrica

– Estudio de Transporte Vertical– Estudio de Evacuación de Personas– Estudio de Incendios

Existen estrategias de sostenibilidad sencillas que permiten proyectar edificios climáticamente equilibrados.

Algunas de estas estrategias se basan en la adopción de medidas pasivas resultantes del análisis del entorno y de la envolvente del edificio.

Es el caso de la SPIRALLING TOWER, en el diseño de la piel de este edificio ha primado, a parte del valor estético, el encontrar el equilibrio entre el aprovechamiento de la luz natural y el ahorro energético en climatización.

Estudios de simulación – Objetivos:

Estudio de simulación solar para detectar las zonas más expuestas a laradiación solar y diseñar los elementos de protección solar pasiva en lasfachadas de vidrio.

Estudio de simulación energética para valorar el ahorro en la demanda de refrigeración debido al uso de elementos de protección solar.

Estudio de simulación lumínica para valorar la repercusión del aprovechamiento de la luz natural en el consumo eléctrico

Estudio de Simulación Solar – Secuencias solares:

Se han realizado simulaciones hora a hora durante los 4 días más significativos del año:

Solsticio de verano (21 de Junio): período más largo de exposición solarSolsticio de invierno (21 de diciembre): período más corto de exposición solarEquinoccios de primavera y otoño (21 de marzo y 23 de septiembre): períodos intermedios.

Fachada Sur Fachada Este

21 de Junio

Hora Solar 06:00


21 de Junio

Hora Solar 08:00


21 de Junio

Hora Solar 09:00


21 de Junio

Hora Solar 10:00


21 de Junio

Hora Solar 11:00


21 de Junio

Hora Solar 12:00


21 de Junio

Hora Solar 13:00


21 de Junio

Hora Solar 14:00


21 de Junio

Hora Solar 15:00


21 de Junio

Hora Solar 16:00


21 de Junio

Hora Solar 17:00


21 de Junio

Hora Solar 18:00


21 de Junio

Hora Solar 19:00

Estudio de Simulación Solar – Conclusiones:

- Fachada Oeste: fachada más expuesta a la radiación solar. Aplicar elemento de protección solar vertical en toda su superficie.

- Fachada Sur: protección mediante elemento horizontal.- Fachada Norte: poco expuesta a la radiación solar. Proteger esquina de

orientación Norte-Oeste .- Fachada Este: poco expuesta debido a les proyecciones de sombras del

propio edificio. Posible protección mediante elemento vertical.

Estudio de Simulación Solar

Diseño de los elementos de protección solar:

Como elemento de protección solar pasiva se ha utilizado un elemento de chapa perforada.

Se han analizado diferentes configuraciones de elementos de protección en función de la orientación de la fachada: disposición vertical, disposición horizontal, altura...

Fachada Sur Fachada SurFachada Este Fachada Este

21 de Junio

Hora Solar 06:00

Hora Local 08:00


21 de Junio

Hora Solar 07:00

Hora Local 09:00


21 de Junio

Hora Solar 08:00

Hora Local 10:00


21 de Junio

Hora Solar 09:00

Hora Local 11:00


21 de Junio

Hora Solar 10:00

Hora Local 12:00


21 de Junio

Hora Solar 11:00

Hora Local 13:00

Fachada Norte Fachada NorteFachada Oeste Fachada Oeste

21 de Junio

Hora Solar 13:00

Hora Local 14:00


21 de Junio

Hora Solar 14:00

Hora Local 15:00


21 de Junio

Hora Solar 15:00

Hora Local 16:00


21 de Junio

Hora Solar 16:00

Hora Local 17:00


21 de Junio

Hora Solar 17:00

Hora Local 18:00


21 de Junio

Hora Solar 18:00

Hora Local 19:00

OBJETIVO

Estudio energético de un edificio tipo de oficinas de superficie aproximada 10.000 m2.

Análisis de la repercusión de la potencia a carga máxima y del consumo energético al aplicar las siguientes tipologías de sistemas de climatización:

a) Edificio con fachada de vidrio de forjado a forjado y sistema de climatización con Fan-coils (FC) y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).

b) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Fan-coils (FC) y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).

Mediante a) y b) se valora la repercusión de la envolvente en la demanda energética.

c) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por aire (PA).

d) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por agua (PHT).

e) Edificio con fachada de vidrio y fachada opaca con un porcentaje de huecos del 40% y sistema de climatización con Climatizadores VAV y plantas enfriadoras condensadas por agua mediante freático (PHF).

C.O.P.

PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AIRE

(AIRE – AGUA)2,6 a 3,2

PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AGUA

(AGUA – AGUA)4 a 5

CONDENSADAS MIEDIANTE TORRE DE REFRIGERACIÓN

(30 – 35ºC)

PLANTAS ENFRIADORAS DE AGUA CONDENSADAS POR AGUA

(AGUA – AGUA)6 a 8

CONDENSADAS MIEDIANTE AIGUA DE MAR, SUBSUELO, RIO, ...

(20 – 25ºC)

COP = (Coeficient Of Performance) Potencia producida a plena carga en relación a la potencia consumida

CARACTERÍSTICAS DEL EDIFICIO:

• Edificio de oficinas situado en Barcelona• Planta Baja + 5• Superficie total = 10.000 m2

• Superficie climatizada = 8.200 m2

METODOLOGÍA Y HERRAMIENTA UTILIZADA

El programa utilizado es el HAP de Carrier de determinación de cargas de climatización (refrigeración y calefacción) tomando como punto de partida las bases o condiciones de diseño que se expondrán en el punto siguiente.

Este programa sigue la metodología de cálculo CLTD/SCL/CLF según ASHRAE, siendo, por lo tanto, un método de cálculo hora a hora que permite determinar los valores de las cargas de refrigeración a diferentes horas del día, mes y año, la cual cosa hace posible determinar el valor punta de la carga tanto para un local como para el conjunto de un edificio, la demanda y su consumo energético.

El resultado de la simulación es la obtención de unas demandas energéticas (refrigeración y calefacción) y de unos consumos energéticos (eléctricos y de gas natural) debidos al sistema de climatización que al aplicar una de las tarifas vigentes dan como resultado unos gastos energéticos de explotación a lo largo del año.

CÁLCULO DE LA DEMANDA Y DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE UN EDIFICIO

Paso 1

Determinar zonas,

cerramientos y cond. interiores

Paso 2

Cálculo de cargas para cada zona

Paso 3

Seleccionar sistema

climatización HVAC

Paso 4

Cálculo hora a hora de los

consumos de energía

Paso 5

Cálculo de los costes

de la energía

APLICACIÓN: Carrier’s Hourly Analysis Program (HAP)HAP System DesignHAP Energy Analysis

BASES DE DISEÑO DEL PROYECTO

• Definición de los cerramientos• Definición condiciones exteriores de cálculo • Definición condiciones interiores de cálculo • Definición cargas internas • Definición de horarios de funcionamiento • Definición sistema de climatización

COMPARATIVA 1:

EDIFICIO DE VIDRIO FC + PA vs EDIFICIO 40% VIDRIO FC + PA

Tabla comparativa de potencias térmicas y de consumos energéticos.

Reducción de 580 KW en la potencia pico y un 23% de reducción en el consumo total anual.

Potencia Total Frío (kW)

Ratio Frío (W/m2)

Potencia Total Calor (kW)

Ratio Calor (W/m2)

Consumo anual total (kWh)

Consumo anual climatización (kWh)

Edificio 100% cristal FC + PA

1.599,6 195,03 472 57,57 2.504.290 1.108.909

Edificio 40% cristal FC+ PA

1.019,9 124,35 422 51,41 1.927.086 668.206

Gráfico comparativo de costes de energía anuales

Edificio cristal 100% FC + PA Edificio 40% cristal FC + PA

56,5%HVAC Electric

3,2%HVAC Natural Gas

40,4% Non-HVAC Electric

56,5%HVAC Electric


40,4% Non-HVAC Electric

42,9% HVAC Electric


53,0%Non-HVAC Electric

42,9% HVAC Electric



COMPARATIVA 2:

EDIFICIO 40% CRISTAL FC + PA vs VAV con free-cooling + PA


Se aprecia el ahorro energético gracias al free-cooling de los climatizadores, aproximadamente un 10% de la energía utilizada para la generación de frío.


Ratio Frío (W/m2)




1.019,9 124,35 1.927.086 668.206

Edificio 40% cristal VAV + PA

1.056,1 128,00 1.694.652 603.661

COMPARATIVA 3:

EDIFICIO 40% VAV con free-cooling + PA vs VAV con free-cooling + PHT


Se aprecia un ahorro energético debido al aumento del COP de las plantasCOP Plantas Cond. Aire ≈ 3 COP Plantas Cond. Agua (30ºC/35ºC) ≈ 6Ahorro de un 14 % del total del consumo de energía.


Ratio Frío (W/m2)



Edificio 40% cristal VAV + PA

1.056,1 128,00 1.694.652 603.661

Edificio 40% cristal VAV + PHT

1.056,1 128,00 1.461.235 244.843

Gráfico comparativo de costes de energía anuales

Edificio cristal 40% VAV + PA Edificio 40% cristal VAV + PHT

Cada vez el consumo energético debido al HVAC es menor respeto al total.

42,9% HVAC Electric



42,9% HVAC Electric



32,9% HVAC Electric 0,3%HVAC Natural Gas


32,9% HVAC Electric 0,3%HVAC Natural Gas


COMPARATIVA 4:

EDIFICIO 40% VAV con free-cooling + PHT vs VAV con free-cooling + PHF


Se aprecia un ahorro energético debido al aumento del COP de las plantas y a la no existencia de los ventiladores de las torres.

COP Plantas Agua Torres (30ºC/35ºC) ≈ 6COP Plantas Agua Freático (20ºC/25ºC) ≈ 8

Ahorro de un 15 % del total del consumo de energía.


Ratio Frío (W/m2)



Edificio 40% cristal VAV + PHT

1.056,1 128,00 1.461.235 244.843

Edificio 40% cristal VAV + PHF

1.056,1 128,00 1.243.159 152.168

COMPARATIVA 5:

EDIFICIO 100% FC + PA + PHT vs Edificio 40% VAV con free-cooling + PHF


Reducción de 543 kW en la potencia pico de frío (un 33% menos).

Reducción en un 50% el consumo energético total anual del edificio y en consecuencia también del coste económico.

Potencia total frío (kW)

Ratio Frío (W/m2)



Ratio consumo total anual (kWh/m2)


1.599,6 195,03 2.504.290 1.108.909 305,33

Edificio 40% cristal VAV + PHF

1.056,1 128,00 1.243.159 152.168 151,57

COMPARATIVA mensual:

Consumo Energético de la Producción de Frío

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

200.000G

en

Fe

b

Ma

r

Ab

r

Ma

i

Jun

Jul

Ag

Se

p

Oct

No

v

De

c

(kWh)

Fan coils Ed. Vidre Fan coils Ed 40%/60% VAV Ed 40%/60%Cond AireVAV Ed 40%/60% Cond Aigua VAV Ed 40%/60% Cond Aigua+Torres

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