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El reto de climatizar edificios EECN no residenciales

Pedro Vicente Quiles. Vicepresidente Ejecutivo del Comité Técnico de Atecyr y profesor titular de la Universidad Miguel Hernández de Elche.12/04/2019

España está tramitando una revisión del Documento Básico DB-HE 'Ahorro de Energía' en cumplimiento de la Directiva 2010/31/UE, de 19 de mayo de 2010. El borrador actual de CTE-2019 está enviado a Bruselas y previsiblemente se aprobará con pocos cambios la versión publicada en la web de la Comisión Europea.

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Los nuevos requisitos de eficiencia energética para los edificios se van a detallar en el nuevo Código Técnico de la Edificación CTE-2019. Desde junio de 2017, en España se define Edificio de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN) como un edificio que cumple el Documento de Energía HE del Código Técnico de la Edificación en vigor. A nivel europeo, un EECN es un edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto, donde la cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno.”

La Sección HE1 establece exigencias muy importantes para reducir la demanda energética de los edificios que se traducirá en un mayor aislamiento de los edificios de forma que no sólo se tendrá que atender al espesor de los aislamientos, sino que se deberá cuidar en gran medida el diseño de las ventanas y la ejecución de los puentes térmicos.

Las mayores exigencias de eficiencia energética las encontramos en la Sección HE0, donde se establecen límites al consumo de energía primaria no renovable y total por metro cuadrado, que en el caso de edificios no residenciales, dependerán de la zona climática y de la carga interna. En este artículo se analizarán estas exigencias y se comentarán las distintas estrategias para su cumplimiento en edificios no residenciales.

Por último, cabe decir, que los cambios en la legislación edificatoria en España van a continuar debido en parte a la aprobación en 2018 de las Directivas 2018/844/UE y 2018/2002/UE. La transposición de las estas nuevas exigencias, llevarán a nuevos cambios en un plazo inferior a 2 años bien en el Código Técnico o bien en el Reglamento de las Instalaciones Térmicas de los Edificios (HE2 del CTE).

Exigencias del CTE-2019 a las instalaciones de las oficinas

Las exigencias de eficiencia energética se establecen principalmente en la Sección HE0, donde en el caso de edificios no residenciales nuevos se han establecido valores muy bajos, que en algunas zonas climáticas serán un auténtico reto.

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Tabla 1. Valor límite Cep, nren, lim (kWh/m2 año) para usos distintos del residencial privado.

El nivel de carga interna CFI (W/m2) depende de la carga de ocupación, equipos e iluminación, estando ponderada en función del número de horas de uso. En el caso de edificios de oficinas, aunque en un espacio concreto con una ocupación de  una persona por cada 10 m2, el nivel de carga interna CFI pueda ser de 8-10 W/m2, cuando se pondera un edificio completo con pasillos, hall, zonas de archivo, salas de reuniones, zona de cafetería/comedor, etc., el valor típico estará en el rango de 4 - 6 W/m2. Considerando un valor de CFI = 5 W/m2, la Tabla 3.1b del HE0 proporciona un límite de consumo de energía primaria no renovable para un edificio de oficinas en Valencia (Zona climática B) de 95 kWhEPnR/m2 año, y de 60 kWhEPnR/m2 año para Madrid (Zona climática D).

A continuación se muestra un caso práctico de un edificio de oficinas de 6000 m2 realizado en el DTIE 19.01 Edificios de consumo de energía casi nulo. Los datos se generalizan en cualquier caso a valores por m2 de superficie, siendo estos válidos para cualquier edificio de uso de oficinas.

Eficiencia de las instalaciones. 1.- Bombeo

Considerando que la instalación tiene un sistema de agua, la potencia necesaria para bombear el agua para climatizar el edificio depende de la potencia instalada en los generadores, del cuidado en el diseño y dimensionado de la instalación para que ésta tenga pocas pérdidas de presión, en el rendimiento de la bomba y en su funcionamiento: caudal constante frente a caudal variable.

En el DTIE 19.01 se realiza un caso práctico de estimación de consumos de energía primaria no renovable del edificio de oficinas de 6000 m2, funcionado 3.000 horas al año. Se consideran los 4 casos de dimensionado mostrados en la Tabla 2.

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Tabla 2. Casos de dimensionado de circuitos hidráulicos

A estos 4 casos, se le aplican 4 modos de funcionamiento de las bombas:

  • Funcionamiento F1. Caudales de primario y secundario constantes
  • Funcionamiento F2. Una máquina de primario parada si la demanda es inferior al 40%
  • Funcionamiento F3. Funcionamiento F2 + secundario a caudal variable con válvulas de equilibrado estáticas y bomba de secundario a ?p = constante
  • Funcionamiento F4. F2 + secundario a caudal variable con válvulas de equilibrado y control dinámicas y bomba de secundario a ?p = constante.

La Figura 1 muestra los resultados de consumo de energía eléctrica de las bombas de primario y secundario EB y de energía primaria no renovable y total.

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Figura 1. Consumo de primaria no renovable para bombeo de climatización en un edificio de oficinas

Los resultados muestran que son tan importantes las decisiones de diseño y dimensionado de los circuitos como que posteriormente su funcionamiento esté optimizado para funcionar eficientemente a cargas parciales. Los diseños convencionales presentes en un gran número de instalaciones tienen consumos en bombeo superiores a 12 kWhEPnR/m2 año (en un edificio que funcione unas 3000 horas al año). Los resultados muestran que estos consumos pueden reducirse a menos de 5 kWhEPnR/m2 año.

Eficiencia de las instalaciones. 2.- Unidades de tratamiento de aire

En el caso de las unidades de ventilación, se calcula la energía primaria que consumen las UTAs con recuperación situadas en un edificio de oficinas de 6000 m2 con 300 ocupantes. Se instalan 2 UTAs de 3000 m3/h y 3 UTAs de 2500 m3/h que cumplen con la ErR-2018 y con el RITE.

El consumo de los ventiladores de las UTAs de 3000 m3/h es de 2,6 kW y el de las UTAs de 2500 m3/h de 2,1 kW, resultando un consumo total de 11,5 kW en ventiladores de UTAs.

Suponiendo que la ventilación funciona durante 3000 horas al año (horario de la oficina), se tiene un consumo de energía de 34500 kWhEE/año (11,5 kW x 3000 h). El consumo de energía primaria no renovable resulta 11,2 kWhEPnR/m2 y año. Si se considera que la ocupación de cada trabajador es de 2000 horas al año y que la UTA puede modular el caudal de ventilación por CO2, el consumo de energía primaria podría reducirse de 11,2 a 7,5 kWhEPnR/m2 y año (2/3 del valor anterior).

Eficiencia de las instalaciones. 3.- Unidades terminales: fancoils

Los fancoils y en general las unidades terminales que trasiegan aire tienen un consumo energético importante. En el DTIE 19.01 se ha desarrollado una tabla (Tabla 4) para estimar el consumo energético anual de energía primaria no renovable debido a los ventiladores de las unidades terminales.

Si en el edificio de 6000 m2 se instalan 120 unidades de 5 kW, la capacidad instalada en unidades terminales, será de 100 W/m2. Si el consumo eléctrico de cada fancoil es de 125 W, se tiene 125/5 = 25 W/kW. Entrando en la Tabla 4, resulta un consumo de energía primaria no renovable de 14,7 kWhEPnR/m2 y año.

En el caso de bajar la demanda, se podrán instalar 120 unidades de 2,5 kW (50 W/m2). Si se seleccionan unidades terminales con ventiladores de mayor eficiencia (50 W), se tiene 50/2,5 = 20 W/kW, resultando 5,9 kWhEPnR/m2 y año.

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Figura 2. Consumo de energía primaria no renovable por consumo de los ventiladores de fancoils

Eficiencia de las instalaciones. 4.- Generadores de frío y calor

Los futuros nZEB van a tener una baja demanda debido a las exigencias en la envolvente especificadas en el HE1 y a la recuperación de energía del aire de ventilación. De hecho, en el DTIe 19.03 se analizaron distintas estrategias para alcanzar las exigencias nZEB y se determinó que un edificio de oficinas bien diseñado podría tener una demanda en Valencia de unos 35 kWhT/m2 y año (25 refrigeración + 10 calefacción) y una demanda en Madrid de unos 50 kWhT/m2 y año (25 refrigeración + 25 calefacción).

En este sentido, la selección de equipos eficientes será fundamental para la reducción del consumo de energía en los equipos generadores. Además de la eficiencia nominal, la simulación de las instalaciones muestran que cuando se seleccionan equipos d baja potencia, su eficiencia es mayor debido a que éstos trabajas a cargas parciales más altas. En el caso de oficinas, se puede plantear arrancar las instalaciones antes del inicio de la actividad del edificio para conseguir confort con equipos relativamente 'infradimensionados'. En cualquier caso, el CTE-2019 permite que el edificio esté el 4% del tiempo total de ocupación fuera de consigna.

Las eficiencias medias estacionales para refrigeración pueden ser de 2,0 – 3,2 y para calefacción de 1,8 - 2,5. El consumo de energía primaria no renovable podría ser de aproximadamente en generadores podría ser de 23 – 35 kWhEPnR/m2 para el edificio situado en Valencia y de 35 – 50 kWhEPnR/m2 para el edificio situado en Madrid. Se trata de variaciones de 10-15 kWhEPnR/m2 por eficiencia de equipos. Evidentemente se opta por soluciones como geotermia, calderas de biomasa o equipos singulares como máquinas de levitación magnética, las eficiencias mejorarán.

Eficiencia de la iluminación

En edificios no residenciales, la eficiencia del sistema de iluminación es fundamental para alcanzar los límites de energía primara no renovable del HE0. Los niveles de iluminación se toman de la norma UNE-EN 12464-1 para oficinas y la eficiencia mínima en iluminación (VEEIlim) del documento HE3. Además, hay que tener en cuenta el aprovechamiento de la luz natural.

Para llegar a valores aceptables, se plantea que la eficiencia energética de iluminación debe ser el 50% del VEEIlim del HE3 y que además, el edificio debe estar diseñado de forma que el sistema de aprovechamiento de la luz natural permita al menos un ahorro del 30% de consumo de energía en despachos y zonas comunes (Tabla 1).

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Tabla 3. Consumo de energía final y primaria de un edificio de oficinas. Funcionamiento optimizado

En el caso de ir a los valores límite del HE3 y de no cuidar la iluminación natural, el consumo de energía primaria no renovable en iluminación podría ascender de este valor de unos 20 kWhEPnR/m2 y año a 60 kWhEPnR/m2 y año (3 veces más).

Instalación solar fotovoltaica

A continuación se estima la potencia eléctrica fija consumida en el edificio de 6000 m2 y 300 personas de ocupación.

  • Iluminación: 18 kW (3 W/m2) considerando el sistema eficiente detallado en la Tabla 3.
  • Equipos informáticos: 30 kW (5 W/m2) considerando 100 W por equipo y persona).
  • Bombas: 6 kW (1,0 W/m2) considerando bombas eficientes con variación de velocidad.
  • Unidades de tratamiento de aire: 9 kW (1,5 W/m2) considerando variación de velocidad.
  • Fancoils: 6 kW (1,0 W/m2) considerando una buena selección de unidades.
  • Total: 69 kW (11,5 W/m2) kW para aplicaciones EPBD.

Si además, se puede considerar que se tendrá al menos un 20% de consumo adicional en ascensores, emergencias, máquinas de vending, cafetería, etc., se puede afirmar que en los días laborables, el consumo de energía en horas solares será superior a 80 kW, valor a considerar para estimar el autoconsumo instantáneo. En este cálculo no se ha considerado la potencia de los generadores de frío y calor, ya que podrían estar parcializando.

Por otro lado, en el DTIE 19.01 se proporciona una tabla de estimación de la energía producida por una Instalación solar fotovoltaica en un año para las 52 capitales de provincia, resultando 1632 kWhEE/kWp para Madrid y 1646 kWhEE/kWp para Valencia (similar).

La Sección 5 del CTE exige una generación renovable (en la práctica, contribución solar fotovoltaica) para edificios de más de 3000 m2 de:

Pmin = 0,002 x S – 5 = 0,002 x 6000 -5 = 7 kWp

Este valor debe ser inferior al 2% de la superficie de la cubierta (en este caso, 1200 m2, 24 kWp)

Se trata de una instalación de 7 kWp en un edificio de 6000 m2, lo que supone una potencia de la instalación de 1,2 Wp/m2. La producción de energía será de 7 x 1632 = 11400 kWhEE al año, lo que supone una reducción de 3,7 kWhEPnR/m2 y año (dados los consumos del edificio, es un valor prácticamente simbólico).

Si se opta por una ISF de 10 Wp por m2 de superficie (60 kWp), se generarían 98000 kWhEE al año, lo que supone una reducción de 31,9 kWhEPnR/m2 y año (una contribución significativa). Además. El edificio autoconsumiría la mayor parte de la energía producida (el 100% en días laborables).

Conclusiones. Cumplimiento de las exigencias en Valencia

En el caso del edificio de oficinas situado en Valencia, el valor límite de energía primaria no renovable es de 95 kWhEPnR/m2 año (Zona climática B, factor de carga interna CFI = 5 W/m2).

La Figura 3 muestra la suma de consumos de energía primaria de iluminación, bombas, ventiladores y generadores en el caso de cumplimiento de normativa (izquierda) y en el caso de diseño eficiente.

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Figura 3. Consumo de primaria no renovable de un edificio de oficinas situado en Valencia.

Los resultados muestran que resulta relativamente fácil alcanzar las exigencias nZEB en un edificio de oficinas de Valencia. Si la iluminación se selecciona con determinado cuidado y teniendo en cuenta las exigencias en cuanto a la limitación de la demanda y la eficiencia mínima de los equipos actuales, fijada por los reglamentos de ecodiseño, podríamos tener un edificio de consumo de energía casi nulo sin ningún aporte de energía renovable.

El diseño 'eficiente' podría quedarse con 63 kWhEPnR/m2 y año o reducirse incluso a 31 kWhEPnR/m2 si se instala una ISF de 10 Wp/m2 (-32 kWhEPnR/m2).

Conclusiones. Cumplimiento de las exigencias en Madrid

En el caso del edificio de oficinas situado en Madrid, el valor límite de energía primaria no renovable es de 60 kWhEPnR/m2 año (Zona climática D, factor de carga interna CFI = 5 W/m2).

La Figura 4 muestra la suma de consumos de energía primaria de iluminación, bombas, ventiladores y generadores en el caso de cumplimiento de normativa (izquierda) y en el caso de diseño eficiente.

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Figura 4. Consumo de primaria no renovable de un edificio de oficinas situado en Madrid.

Los resultados muestran que es complicado cumplir las exigencias nZEB en el caso de un edificio de oficinas situado en Madrid. En el caso de diseño 'normativo', no se cumplirían las exigencias nZEB ni instalando una ISF de 60 kWp (10 Wp/m2).

Empleando soluciones técnicas muy eficientes, se debería optar por realizar una ISF de 30 kWp (5 Wp/m2) para alcanzar el valor límite.

En este caso, se tendría que realizar un trabajo minucioso en cuanto a maximizar la eficiencia energética de las instalaciones. El primer paso sería reducir al máximo la potencia en generación: es más eficiente una instalación dimensionada para 50 W/m2 que para 100 W/m2. Se deberán realizar los circuitos hidráulicos cuidando tanto las pérdidas de presión de diseño como su funcionamiento a cargas parciales. Además, se deberá considerar la eficiencia en la ventilación y en la selección de las unidades terminales de aire. Por último, de deberán seleccionar de equipos eficientes y optar por un funcionamiento eficiente: por ejemplo, temperatura de distribución baja en calefacción.

El reto de cumplir los requisitos EECN del HE CTE-2019 en edificios no residenciales va a depender en gran medida de la zona climática.

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