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Fachada Unitized que genera energía con biomasa

Tara Sabri24/04/2020

Este artículo es parte del Trabajo Final (TFM) del Máster Universitario en Innovación y Tecnologías de la Arquitectura de la ETSAB - Universitat Politècnica de Catalunya, desarrollado en 2018 y del que Enrique Corbat fue tutor. El  trabajo completo se puede consultar en el siguiente enlace: https://upcommons.upc.edu/handle/2117/181267

En la arquitectura moderna se manifiesta la tendencia de proyectar edificios cada vez más sofisticados y con tecnología más elaborada. En cualquier lugar del mundo se está construyendo edificios con fachadas acristaladas y eso sin tener siempre en cuenta el clima local de cada ciudad. Algunos de estos edificios ya incorporan en sus fachadas innovaciones como placas fotovoltaicas (Torre FKI en Seúl), turbinas de viento (Torre Pearl River en China) y paneles donde crecen micro algas, con el objetivo de generar energía eléctrica y biogás.

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Figura 1. Ejemplo de fachada Unitized, que genera energía con biomasa. imagen: Tara Sabri.

El objetivo de este TFM es desarrollar una tecnología que dé un paso adelante en este sentido, pero sin por ello ser caracterizada como alta tecnología. Para ello se ha concebido una fachada Unitized con integración de pequeñas calderas de biomasa doméstica que producen energía térmica para calefacción y agua caliente sanitaria (ACS). Se ha elegido la biomasa porque es una de las mejores alternativas de introducción de estas materias orgánicas en la producción de energía. Con la utilización de la biomasa en la edificación podremos reducir el impacto de los incendios en bosques al utilizar residuos de madera que contienen mucha energía almacenada. La BIQ house es el primer edificio en el mundo que consume energía a partir de biomasa generada en su propia fachada.

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BIQ House, en Hamburgo, Alemania. Foto: Gunnar Reis Zwo. Flickr.

En el mundo, la biomasa es la cuarta fuente de energía detrás del carbón, petróleo y gas. Y la primera fuente de energía renovable con un 14% de utilización. 

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Ejemplo de biomasa natural: cultivos energéticos y residuos forestales.

Podemos ver en la figura 2 que hoy en día el 55% de la biomasa se está utilizando aun de manera tradicional, lo que consiste en quemar biomasa, sin o con chimeneas, donde se aprovecha poco la energía potencial.

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Figura 2. Gráfico de uso de la biomasa y ejemplos de uso tradicional.

Hoy en día, existen calderas de biomasa domésticas que producen energía térmica, tanto para calefacción como ACS, pero su inconveniente es que ocupan algo de espacio en el interior de los edificios, toman oxígeno del interior para la combustión y necesitan un mantenimiento regular: llenar el depósito de combustible (sea pellets/huesos de aceitunas u otros) y vaciar el depósito de ceniza. Además, presentan un riesgo, controlado, de propagación del fuego dentro del edificio lo que, con las actuales envolventes tan herméticas, puede ser un inconveniente cuando el fuego se genera en el interior.

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Ejemplo de caldera de biomasa doméstica que puede funcionar con combustible de pellets u otro similar.

La fachada Unitized, con integración de pequeñas calderas de biomasa 

La propuesta que se presenta consiste en integrar pequeñas calderas de biomasa en las propias fachadas; así se ganaría espacio interior, se eliminaría el riesgo de fuego en los interiores, se aspiraría oxígeno del exterior, se repartiría el calor por todo el perímetro de la fachada y se automatizaría el suministro de pellets, así como la extracción de las cenizas. (Figura 3)

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Figura 3. Croquis explicativo de la integración de pequeñas calderas de biomasa en la fachada (edificio de la derecha), frente a las calderas domésticas, como se aprecia en el edificio de la izquierda.

En los edificios de fachadas vidriadas, con calderas situadas en el interior del edificio, la persona no está siempre cómoda porque el calor viene de un lugar opuesto a la zona más fría de la sala. En el caso de disponer pequeñas calderas en la fachada, se repartiría mejor el calor alrededor de tododo el edificio, lo que mejoraría el confort interior con respecto a una calefacción centralizada. La calefacción perimetralizada presenta esta interesante ventaja (Figura 4).

Otras fachadas de este tipo, como las fotovoltaicas o de micro algas se calientan con el sol, pero se enfrían justo al atardecer. Este no es el caso de las calderas de biomasa que funcionan independientemente de la hora del día.

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Figura 4. Croquis explicativo de la repartición de calor con calderas domésticas dentro del edificio (croquis de la izquierda) en comparación con calderas integradas en la fachada (edificio de la derecha).

El prototipo que se presenta (Figura 5) consiste en 5 módulos Unitized de 1,50 m de ancho y 3,50 m de altura que permite a un edificio ya existente o de nuevo cuño, producir su propia energía térmica con combustión de biomasa. Los diversos módulos son: una caldera, un depósito de pellets, una ventana con jardinera, un balcón y un conector.

Todos los módulos tienen un marco perimetral, con rotura de puente térmico, y son totalmente fabricados en taller, lo que permite una instalación rápida en obra sin andamios. Los módulos se fijan a los forjados por su parte superior y son los módulos conectores los que permiten el intercambio vertical entre los diversos módulos. En la parte superior de los 4 módulos principales, una caja vacía permite la interconexión horizontal entre módulos.

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Figura 5. Módulos estándar propuestos.

El módulo de caldera tiene una potencia de 3kW. Está compuesto de un hogar, un depósito de ceniza y un serpentín y todo el conjunto está aislado por una lana de roca ignífuga y chapas metálicas. Un rociador está situado en la parte superior para el caso de emergencias.

El módulo del depósito de pellets es hermético y está compuesto de 3 vidrios simples separados con 2 cámaras de 10 cm de espesor totalmente llenas de pellets. Además de su utilidad práctica, el módulo de pellet actúa por sí solo como un buen aislante térmico.

Los módulos de jardinera y balcón permiten ventilar el edifico y al mismo tiempo las plantas que contienen limpian el aire exterior. En la parte superior, la caja que permite la conexión entre módulos es achaflanada con un ángulo de 15 grados para disminuir el efecto de caja.

Los conectores presentan una chapa de aluminio perforada en su parte exterior dejando que pase el oxígeno necesario para la combustión de los pellets. Además, presentan unos huecos en sus extremos para facilitar el pasaje de las materias entre plantas.

Se puede apreciar en la representación en planta cómo funcionan los módulos en conjunto (Figura 6). Todo empieza con el transporte de los pellets del módulo de almacenaje hacia el módulo de caldera con Sinfines flexibles.

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Figura 6. Esquema de funcionamiento de los cuatro módulos en conjunto.

El módulo de caldera aspira oxígeno del exterior para realizar la combustión. Los pellets se queman y el vapor resultante calienta el líquido anticongelante del serpentín que pasa por el falso techo en un circuito cerrado hacia un depósito de agua situado dentro del edificio. Posteriormente, los humos de la combustión se extraen hacia el tejado. Cuando se enfrían las cenizas resultantes de la combustión, detectado por un sensor de temperatura, estas se aspiran hacia la tierra del módulo con jardinera, para ser reutilizadas como abono para las plantas ya que contienen calcio, potasio y fósforo lo que mejora la fertilidad y textura del suelo.

En la representación en alzado se observan con más detalle las conexiones entre módulos: los pellets que se transfieren a los respectivos módulos desde el depósito en el tejado, el transporte de los pellets al módulo de caldera para su combustión, la evacuación de los humos hacia el tejado, el traslado de las cenizas hacia la tierra de las plantas y la entrada del oxígeno aspirado del exterior. Esta composición de la figura 7 es la modulación estándar.

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Figura 7. Modulación estándar de la fachada Unitized.

Existen otras alternativas posibles que doten de un poco más de movimiento en la fachada (figura 8): la primera con los módulos no alineados (alzado izquierda) y la segunda con la máxima optimización (alzado derecha): los conectores donde no necesitan pasar tubos se quitan, así se podrían añadir más módulos de visión.

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Figura 8. Alternativas de modulación de fachada Unitized.

Validación de la propuesta

Para validar si el sistema modular se adapta a zonas climáticas diferentes, se han elegido 2 ciudades con climas diferentes: Barcelona y Ottawa. Se ha considerado el caso de un apartamento de 200 m2 donde vive una familia de 4 miembros.

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En Barcelona, en invierno, la familia necesitaría una potencia total de caldera de 21 KW para ACS y calefacción. En cuanto a Ottawa, la familia necesitaría dos veces más: 42 KW. En verano, en las 2 ciudades solo necesitaran la caldera para obtener ACS (6 KW en Barcelona y 9 KW en Ottawa).

Como cada módulo de fachada es una pequeña caldera de pellets de 3KW, se instalarán 7 calderas en Barcelona y 14 en Ottawa para satisfacer las necesidades de la familia. En verano, solo 2 de estos módulos se encenderán en Barcelona y 3 módulos en Ottawa (figura 9).

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Figura 9. Gráfico comparativo entre Ottawa y Barcelona.

En cuanto al módulo de almacenaje de pellets, en Ottawa hace más frio que en Barcelona y se necesita también más aislamiento térmico, por lo que en Ottawa se llenarán las 2 cámaras de pellets y en Barcelona solo una de dichas cámaras (figura 10). Con todo ello resulta una transmitancia térmica U del módulo de 0.49 W/m²K en Ottawa y una U del módulo de 0.78 W/m²K en Barcelona.

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Figura 10: Comparativo de la composición del módulo de pellets en Barcelona (izquierda) y Ottawa.

Las especies vegetales elegidas también serían diferentes en las 2 ciudades. De hecho, existen muchas plantas que sobreviven en la sombra y las zonas de rusticidad permiten elegir las plantas más adecuadas para cada ciudad. Aquí se observan plantas de sombra que sobreviven a las zonas de rusticidad 10a. (Barcelona) y 5a. (Ottawa).

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Plantas de sombra de zona de rusticidad 10a, Barcelona.
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Plantas de sombra de zona de rusticidad 5a, Ottawa.

Podemos ver claramente en la representación en alzado (figura 11), la diferencia entre el mismo sistema modular instalado en Barcelona y Ottawa. Según las necesidades del clima, se pueden instalar más o menos calderas. En Barcelona como se ve, el edificio tiene más porcentaje de vidrio que en Ottawa porque necesita menos calderas.

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Figura 11: Comparativo que muestra la diferencia entre el sistema modular instalado en Barcelona y Ottawa.

Eso supone que la U global del edificio en Ottawa será mejor, como podemos ver en las tablas 1 y 2, donde se aprecia la U de cada módulo y la U global, tanto en Barcelona como en Ottawa. La U del edificio se podría mejorar en ambas ciudades eliminando los módulos de visión y los conectores que no se utilizan. También, en el caso de Barcelona por ejemplo llenando la segunda cámara de pellets.

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Tabla 1: U global del edificio en Barcelona.

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Tabla 2. U global del edificio en Ottawa.

Conclusión

Hoy en día, la imagen de ‘edificios de vidrio’ nos seduce. Un edificio que no brilla ya no se considera de alta tecnología actual. Pero, como contrapartida, estos edificios son térmicamente poco eficientes. Con el sistema modular propuesto se intenta compaginar esta imagen de alta tecnología mejorando al mismo tiempo su eficiencia y sostenibilidad con algunos elementos incorporados (figura 12). Aunque el sistema de combustión de pellets es de tecnología muy sencilla, la imagen conseguida con su integración en la fachada ya es más sofisticada. El sistema se adapta a diferentes climas y puede colocarse en todas las orientaciones (Norte, Sur, Este y Oeste). Imaginad los módulos Unitized integrados en edificios tipo hoteles, residencias u hospitales, que necesitan mucha calefacción y agua caliente.

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Figura 12. Ejemplo de fachada Unitized, que genera energía con biomasa. Imagen: Tara Sabri.

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Comentarios al artículo/noticia

#1 - Elsa Yazbek
23/05/2020 22:16:07
Artículo muy intersante ¿¿¿¿

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