D09_DOCUMENTS ON ENERGY IMPROVEMENTS IN THE EXPERIMENTAL HOUSE AND MONITORING

D09_DOCUMENTS ON ENERGY IMPROVEMENTS IN THE EXPERIMENTAL HOUSE AND MONITORING. These documents show the final results and conclusions of the tests car

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D09_DOCUMENTS ON ENERGY IMPROVEMENTS IN THE EXPERIMENTAL HOUSE AND MONITORING. These documents show the final results and conclusions of the tests carry on, in order to demonstrate the energy savings that people can achieve in their houses if they use some installations that are friendly with the environment and they acquire some habits in the use of them. The tests were produced in the experimental buildings of the EDEA project and several strategies were tested, as passive as active ones.

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN…………………………………………....…….………………………………….………………….…………..……3 2. ENSAYO DE ESTRATEGIA ACTIVA: CALEFACCIÓN CON SOLAR TÉRMICA + LOSA TERMOACTIVA VS. BOMBA DE CALOR CONVENCIONAL + FAN COILS.…….………………………………….………………….…………….…5 2.1. Introducción.…………………………………………………………………………………………………………………………………...…5 2.2. Objetivos.……………………………………………………………………………………………………………………………….…………..6 2.3. Metodología…………………………………………………………………………………………………………………………………..…..6 2.4. Resultados del ensayo de calefacción con instalación solar térmica y con losa térmica.………………….....7 2.5. Conclusiones del ensayo de calefacción con instalación solar térmica y con losa térmica…………….…..14

3. ENSAYO DE CHIMENEA SOLAR EN RÉGIMEN DE VERANO. ………………………………………………………….16 3.1. Introducción…………………………………………………………………….………………………………………….……………………16 3.2. Objetivos.…………………………………………………………………………………………………………………………….……………18 3.3. Metodología. ……………………………………………………………………………………………………………………………………19 3.4. Resultados del ensayo de Chimenea Térmica en las distintas situaciones. ……………………………………….21 3.5. Primeras conclusiones del ensayo de Chimenea Solar. ………………………………………………….…………………24

4. ENSAYO DE CHIMENEA SOLAR EN RÉGIMEN DE INVIERNO. ……………………………………………………….25 4.1. Introducción...……………………………………………………………………………………………………………….………………….25 4.2. Objetivo. …………………………………………………………………………………………………………………….….………………..26 4.3. Metodología. ………………………………………………………………………………………………………………………….………..26 4.4. Resultados del ensayo de la chimenea solar en régimen de invierno. ………………………………………………27 4.4.1. Ensayo con chimenea solar funcionando de forma autónoma… …….…………..………………………………27 4.4.2. Ensayo de chimenea solar e intercambiador tierra aire funcionando de manera conjunta………….31 4.5. Primeras conclusiones del ensayo de Chimenea Solar. …………………………………………………………..………..35

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1. INTRODUCCIÓN. En los demostradores EDEA se han llevado a cabo dos tipos de ensayos, basados en estrategias activas y pasivas. Los ensayos de estrategias activas han tenido como finalidad estudiar el funcionamiento, consumo, rendimiento y prestaciones de las instalaciones convencionales y de las de alta eficiencia de los Demostradores Experimentales EDEA. Estos ensayos nos sirven para conocer la realidad de estos equipos en el clima extremeño, obteniéndose los datos necesarios para calcular su coste real, su consumo y la problemática que pudieran presentar en las viviendas. Los ensayos de estrategias activas son sólo una muestra del potencial de los Demostradores Experimentales EDEA. La unión de todos los equipos actualmente instalados, las diversas combinaciones que de éstos pudieran hacerse, así como las posibles ampliaciones o instalación de equipos alternativos en un futuro, hablan del potencial de los Demostradores Experimentales y de su flexibilidad para poder realizar cualquier ensayo planteable en un futuro. Los ensayos se han realizado en régimen de invierno y de verano y las instalaciones que se han estudiado han sido: 



En calefacción: -

Solar térmica con fan-coils o con losa térmica.

-

Geotermia tierra – agua con fan-coils o con losa térmica.

-

Caldera de biomasa combinada con solar térmica, con radiadores o con losa térmica.

En refrigeración: -

Bomba de calor geotérmica en refrigeración con fan-coils.

-

Persianas motorizadas.

-

Intercambiador tierra – aire con fan-coils.

-

Bombas de calor con fan-coils, intercambiador tierra-aire con fan-coils, caldera de biomasa con radiadores y caldera de biomasa con losa térmica.

El objetivo de estos ensayos es realizar una comparativa entre los equipos e instalaciones usados habitualmente, en régimen de calefacción o refrigeración y que podemos encontrarnos en las viviendas extremeñas, con respecto a equipos de alta eficiencia o novedosos, poniendo de manifiesto las ventajas y desventajas de uno y otro. Al mismo tiempo, se realizará su puesta a punto y comprobará su correcto funcionamiento. Usando todas las unidades terminales interiores (radiadores, fancoils y losa térmica) para demostrar el confort que aporta cada una de ellas y poder compararlas entre sí. Además, se ha buscado poner a prueba el rendimiento de equipos investigando sobre la configuración de los mismos. La bomba de calor instalada es un equipo que permite infinidad de configuraciones y equipos auxiliares, por eso hemos estudiado también los consumos en función de algunos parámetros internos. En los ensayos con estrategias pasivas se estudian las mejoras relacionadas con la envolvente térmica del edificio y la optimización de su uso. Son las estrategias que actúan sobre la DEMANDA de los edificios. 3

Estos ensayos evalúan los elementos de sombreamiento, las mejoras de aislamiento, la iluminación natural, el confort térmico, la ventilación sin componentes mecánicos o eléctricos... Se medirán los consumos necesarios para mantener las condiciones de confort interiores, en función de la estrategia pasiva ensayada. De esta manera se podrá cuantificar el consumo de energía en cada vivienda y estudiar la mejora que supone la estrategia comparando en tiempo real sus consumos. Los ensayos con estrategias pasivas que se han realizado son: -

Chimenea solar en verano e invierno.

-

Aislamiento de 5 cm en la fachada Norte.

-

Cubierta aljibe en verano.

-

Persianas aluminotérmicas en lugar de PVC.

-

Toldos en fachada sur.

-

Persianas motorizadas.

Los primeros ensayos pasivos se han realizado con el objetivo de estudiar la repercusión de algunos comportamientos de los usuarios en las viviendas y comprobar algunas conclusiones obtenidas en la fase de simulación. Se trata de ensayos cotidianos y sencillos, que tratan de influir sobre los hábitos de uso y consumo de los usuarios. Los primeros ensayos pasivos estaban relacionados con la apertura de ventanas y persianas, para observar de qué manera afectaban al confort de la vivienda para posteriormente orientar a los usuarios sobre el manejo correcto de ellas y cómo obtener la mayor eficiencia posible. Con los ensayos pasivos también se ha pretendido evaluar de manera real la repercusión del aumento del aislamiento en la fachada Norte de las viviendas. Durante la fase de simulaciones, hemos comprobado que esta mejora repercute positivamente en el confort global en el edificio, como veremos más adelante. En general lo que se pretende, tanto con las estrategias activas como pasivas es saber cuánto nos puede costar cada una de ellas y cuánto nos podemos ahorrar en nuestro clima, de forma que sirva a los usuarios para extraer conclusiones y tomar las decisiones basándose en estudios reales realizados en viviendas similares y en un clima como el suyo, aunque los resultados serían perfectamente extrapolables a otras poblaciones.

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2. ENSAYO DE ESTRATEGIA ACTIVA: CALEFACCIÓN CON SOLAR TÉRMICA + LOSA TERMOACTIVA VS. BOMBA DE CALOR CONVENCIONAL + FAN-COILS. 2.1. Introducción. Las instalaciones solares térmicas permiten calentar fluidos, normalmente agua, por lo que se utilizan en aquellas aplicaciones en las que es necesario disponer de agua a temperatura superior a la ambiente, como por ejemplo, producción de agua caliente sanitaria y apoyo a la calefacción. Efectivamente, las instalaciones solares térmicas pueden utilizarse para apoyar al sistema de calefacción. Sin embargo, esta es una aplicación menos rentable que la producción de agua caliente, ya que en los momentos en que existe un mayor aporte solar (verano) no es necesario la calefacción, y viceversa, en los momentos de mayor demanda de calefacción (invierno), el aporte solar será menor. Por otro lado, la aplicación de la energía solar térmica a la calefacción necesita que las unidades terminales que van a transmitir ese calor a la vivienda sean de baja temperatura (suelo radiante o losa termoactiva, radiadores de baja temperatura, fan-coils), no siendo aconsejable para otros sistemas en los que es necesario disponer de temperaturas de agua muy elevadas (radiadores convencionales). En la teoría se considera que una superficie de paneles térmicos de un metro cuadrado por cada 10 metros cuadrados de superficie a calefactar, reducirá entre un 20 y un 35% el consumo energético de calefacción (con unidades terminales de baja temperatura). Será uno de los datos que vamos a estudiar con este ensayo real. En EDEA disponemos de 24 paneles solares térmicos, con lo cual no sólo podremos utilizar la instalación como apoyo a la calefacción sino utilizar esta instalación como única fuente generadora de calefacción. Además podremos extrapolar los resultados de esta instalación para instalaciones más pequeñas calculando la superficie idónea de energía solar térmica a colocar teniendo en consideración parámetros como la inversión, el retorno y el ahorro conseguidos con respecto a instalaciones convencionales. COLECTORES SOLARES

COLECTOR HIDRÁULICO

AEROTERMO

Figura 1. Instalación solar del proyecto EDEA

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2.2. Objetivos. Los objetivos que se persiguen con la realización de estos ensayos son: 1.

Evaluar las diferencias de funcionamiento, especialmente desde el punto de vista de la eficiencia energética y la sostenibilidad, de una instalación solar térmica y todos sus componentes respecto de una instalación convencional, así como analizar las condiciones de confort alcanzadas en invierno en el interior de las viviendas con estos sistemas, diferente por las distintas unidades emisoras habituales de cada una de ellas (fan-coils en la bomba de calor y losa térmica en la instalación solar térmica).

2.

Evaluar el rendimiento diario en función de la climatología de una instalación solar térmica.

3.

Obtener el número mínimo de captadores necesarios para satisfacer las demandas de ACS y calefacción de una vivienda en función de su superficie y los datos económicos y de amortización de dicha instalación.

2.3. Metodología. Se activará la instalación solar térmica. ¿Cómo se realiza esta activación?. Se pone en funcionamiento la bomba (B-4) que manda agua térmica del depósito solar hacia el colector hidráulico. Desde este colector se derivaría posteriormente hacia la unidad terminal que elijamos en la Vivienda Experimental. Todo esto ocurre en lo que podríamos denominar circuito terciario de la instalación solar o circuito de consumo. ¿Cómo se gestionan los circuitos primario y secundario de la instalación solar térmica? Ambos se gestionan mediante temperaturas de consigna que marcamos previamente en la instalación. Así por ejemplo, la circulación del fluido por el circuito primario de la instalación (circuito entre captadores solares e intercambiador) sólo se produciría cuando la temperatura existente en el campo de captadores superara la temperatura de 40ºC (temperatura que se considera suficiente para poder abastecer un sistema de calefacción por losa térmica (baja temperatura). En este caso, entraría en funcionamiento la bomba del circuito primario B-1. Además, en este tramo, encontramos otra temperatura de consigna y, en este caso, de seguridad, ya que se trata de la temperatura a la cual redireccionamos el fluido térmico hacia el aerotermo para refrigerar dicho fluido (normalmente lo tenemos a 100ºC) Con respecto al circuito secundario (tramo entre el intercambiador y el depósito solar), la bomba B-2 sólo entraría en funcionamiento en el momento en el que la temperatura de salida del intercambiador fuera superior a la existente en el depósito solar, es decir, cuando podamos calentar el depósito y no enfriarlo. En este ensayo la energía contenida en el agua solar, la impulsaremos contra la losa térmica como unidad terminal por planta de la Vivienda Experimental. El consumo total de la instalación estará relacionado con la calefacción de una vivienda. Mientras, en la Vivienda Patrón tendremos como sistema de calefacción la bomba de calor convencional con los fan-coils como unidades terminales. La duración estimada será de 3 días completos. El horario de funcionamiento de la instalación de calefacción y la consigna de las habitaciones será constante a 20ºC. Las variables más importantes a medir serán el consumo eléctrico, el rendimiento de los sistemas, la temperatura y humedad de las zonas calefactadas. Las sondas con referencia “VP_Ta_Pxx_x” en la Vivienda Patrón y “VE_Ta_Pxx_x” en la Vivienda Experimental están relacionadas con la temperatura ambiente de las habitaciones.

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En situación de temperatura constante se medirá el flujo térmico para evaluar las pérdidas por cada uno de los cerramientos y tabiques en cada momento del día. Las sondas de medición del flujo térmico tienen referencias “VP_FL_Pxx”. La humedad relativa de las estancias se medirá para conocer el comportamiento psicrométrico del recinto y evaluar la evolución de las diferentes valores higrotérmicos. Las sondas de humedad relativa tienen la referencia “VP_H_Pxx” en la Vivienda Patrón y “VE_H_Pxx” en la Vivienda Experimental. 2.4. Resultados del ensayo de calefacción con instalación solar térmica y con losa térmica. El primer objetivo de estos ensayos era evaluar las diferencias de funcionamiento, especialmente desde el punto de vista de la eficiencia energética y la sostenibilidad, de una instalación solar térmica y todos sus componentes respecto de una instalación convencional, así como analizar las condiciones de confort alcanzadas en invierno en el interior de las viviendas con estos sistemas. Para ello este ensayo se ha llevado a cabo durante tres días. Durante este tiempo, se ha realizado un control sobre las instalaciones para obtener los datos que pretendíamos evaluar. Durante los días 19, 20 y 21 de noviembre de 2013 se puede evaluar la energía que se genera por el campo de captadores solares y el rendimiento de dicho campo (mediante la lectura del consumo eléctrico de la instalación completa), en función de la meteorología que hemos tenido. En la gráfica siguiente se puede ver la energía en Watios producida en el campo de captadores solares (línea azul) y el consumo eléctrico de la instalación solar (línea rosa), además de la meteorología de este periodo de estudio. Podemos comprobar que el consumo eléctrico es un consumo que se encuentra presente en todo momento aun cuando no hay producción energética en el campo solar (horas sin sol) porque siempre hay una recirculación del fluido para evitar la congelación del mismo. Observamos también que este consumo eléctrico sube cuando hay la suficiente temperatura en el campo de captadores como para activar su funcionamiento, ya que entran en funcionamiento más circuitos de la instalación solar al alcanzar temperaturas de régimen o de consigna.

Figura 2. Energía térmica producida y consumida por la Instalación Solar Térmica.

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Para este estudio, analizaremos un periodo de tiempo comprendido entre las 21:45 del día 18 de noviembre de 2013 y las 21:47 del día 21 de noviembre de 2013, lo que significa tres días completos. En este periodo, la instalación solar térmica ha generado 2.713 kW térmicos. El consumo eléctrico ha sido de 590 kW eléctricos. El rendimiento global es de 4,60. Esto nos indica que por cada kW eléctrico que nosotros le proporcionamos a la instalación, ésta nos devuelve 4,60 kW en forma de calor utilizable, en calefacción por ejemplo. La media diaria de este análisis energético nos arroja los siguientes resultados: 904,33 kW térmicos y 196,67 kW eléctricos. La superficie de absorción de cada captador es de 2,37 m2, por lo que la superficie de absorción total instalada es de 56,88 m2, al existir 24 captadores solares instalados. Por tanto, la potencia generada por m2 es de 15,9 kW/m2 de captador al día, lo que supone una energía de 381,58 kWh/m2 de captador. La energía generada por el campo completo de captadores según las gráficas es de 226,065 kWh (total). La media diaria es de 75,35 kWh/día. Por m2 de captador sería 1,32 kWh/m2día. Como la demanda de las viviendas EDEA en régimen de calefacción es de 46,78 kWh/m2año. Para una casa de 100 m2 y con las características constructivas como las de EDEA, la demanda de calefacción es de 4.678 kWh/año. En este mismo ensayo, también hemos realizado un estudio de la estratificación del calor que se produce en la vivienda experimental respecto a la vivienda patrón al utilizar dos unidades terminales diferentes: losa térmica (o suelo radiante en la Vivienda Experimental) y fan-coils (en la Vivienda Patrón). Es importante destacar el confort térmico obtenido en las estancias con esta estrategia de losa térmica. La temperatura del techo es homogénea, y por lo general, el suelo está ligeramente más caliente que el techo durante la mayor parte del tiempo. Este comportamiento es el más confortable. Sin embargo, esta unidad terminal es la que tiene un tiempo de respuesta más largo, y además, es la que necesita una mayor inversión de ejecución (el resto de unidades terminales estaría entre un 30%-40% del coste de ésta) El segundo objetivo era evaluar el rendimiento diario en función de la climatología de una instalación solar térmica. Durante los tres días que duró el ensayo el rendimiento medio global fue de 4,60. El tercer objetivo era obtener el número mínimo de captadores necesarios para satisfacer las demandas de ACS y calefacción de una vivienda en función de su superficie y los datos económicos y de amortización de dicha instalación. Con los datos de energía producidos por captador, y los datos de energía necesarias para calefacción, podemos concluir que las necesidades de superficie de calefacción para una vivienda EDEA sería de 19.35 m2 de superficie de captación, lo que equivale a 5 captadores, lo cual hace que no sea rentable la instalación completa para calefacción con este tipo de energía. Sí lo hace muy interesante como instalación de apoyo a calefacción de un sistema convencional como pudiera ser una caldera de condensación de gas natural o una bomba de calor de alta eficiencia. Por último en este ensayo se compararán los sistemas de calefacción mediante energía solar térmica y un sistema de calefacción basado en bomba de calor de alta eficiencia. Ambos sistema para poder ser comparables, se han utilizado con las mismas unidades terminales, fan-coils en ambos casos y con temperaturas de consigna de entrada y salida del agua similares, establecidas en un rango entre 35 ºC y 45 ºC. Los resultados de este ensayo se recogieron durante los días 12, 13 y 14 de noviembre de 2013 desde las 9:00 h de la mañana del primero hasta las 21:00 del último (2,5 días de ensayo). La temperatura máxima de estos días estuvo en torno a los 20ºC con mínimas de hasta 7ºC. Como vemos fue una temperatura elevada para esta época del año, por lo que para poder realizar un estudio de energía con resultados, se estableció

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una temperatura de consigna en el interior de las viviendas de 24ºC, aun no siendo la temperatura de confort ideal. La temperatura de estos días fueron las siguientes:

11 de noviembre

12 de noviembre

13 de noviembre

14 de noviembre

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Para poder mantener en el interior de las viviendas la temperatura de consigna prefijada y establecida en 24ºC, el funcionamiento de la bomba de calor es constante y entra en funcionamiento cuando la temperatura del depósito de agua, desde el que se abastece los fan-coils de la vivienda patrón, baja de cierta temperatura, con lo cual, el suministro de agua caliente para calefacción está asegurado para las 24 horas de cada uno de estos días de ensayo. En el caso de la instalación solar térmica, como podemos observar en la gráfica, a partir de las 16:40, se deja de producir agua caliente solar gratuita. Esto obliga a que el depósito solar de 3.000 l (con mucha más capacidad que el depósito de la bomba de calor de 150 l) sea el que abastezca de agua caliente de los fan-coils de la vivienda experimental. Esta es una de las primeras conclusiones que podemos destacar, la necesidad de un depósito que almacene el calor generado de mucha mayor dimensión que en el caso de energías convencionales y no intermitentes. No obstante, se puede observar cómo el comportamiento de ambas viviendas con distintos sistemas es idéntico con respecto a su comportamiento de confort interior, con lo cual se ve que la instalación solar aun cuando no hay horas de Sol puede abastecer un sistema de calefacción gracias al almacenamiento en un depósito de agua durante las horas de radiación.

Figura 3. Temperatura a altura media en los dormitorios de la vivienda experimental (marrón) y patrón (rojo)

En la gráfica de temperaturas del día 13 de noviembre vemos reflejado claramente este hecho y el comportamiento en cuanto a confort similar de ambas viviendas comparando las sondas de temperatura a una altura media en los dormitorios principales.

Ahora nos vamos a ceñir a las gráficas de energía térmica producida (gráfica azul) y consumo eléctrico (gráfica rosa) de las dos instalaciones, la instalación solar térmica y la bomba de calor. El periodo de estudio va a estar comprendido entre las 9:00 a.m. del día 12 de noviembre hasta las 21:00 p.m. del día 14 de noviembre, lo que representa 2,5 días de ensayo.

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Figura 4. Producción de Energía térmica y consumida por la Instalación solar.

Figura 5. Producción de Energía térmica y consumida por la bomba de calor convencional.

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A simple vista observamos cuándo existe mayor producción de energía térmica y consumo de energía eléctrica por parte de la bomba de calor, y es durante las horas de la ausencia de sol. Sin embargo en la instalación solar térmica se produce el fenómeno contrario, ya que es durante las horas de Sol cuando el campo de captadores está funcionando plenamente para calentar el depósito que actúa como almacenador de ese calor para después trasladarlo a la vivienda.

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30

7:12

9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

2:24

4:48

7:12

9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

2:24

4:48

7:12

9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Figura 6. Temperatura del agua del depósito en función de la hora del día.

Este gráfico refleja claramente este hecho. Se observa cómo durante las horas de Sol y durante las horas en que los captadores están aumentando la temperatura del fluido primario, se está calentando el agua del acumulador, del cual se manda a las unidades terminales a la temperatura óptima de trabajo. Cuando los captadores dejan de producir energía térmica, vemos cómo la temperatura del acumulador comienza a decrecer (ya que no hay nada que lo esté calentando) para poder abastecer la demanda de agua caliente de los fan-coils, y así, hasta el día siguiente en que comienza de nuevo el ciclo de calentamiento de esta agua a través de la batería de captadores. Sería muy apropiado comprobar hasta cuándo el depósito podría satisfacer una demanda continuada de calefacción en una vivienda. Desde luego, para una unidad terminal de baja temperatura donde la temperatura de entrada es más baja, este periodo será mayor.

Dicho esto y volviendo a las gráficas de energía de ambas instalaciones podemos extraer los siguientes datos:

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Con respecto a la Bomba de calor, se puede observar que gracias al depósito de inercia de la instalación de bomba de calor, la máquina no tiene un funcionamiento continuo. Durante las horas de Sol y más calor, la bomba de calor consume una energía fluctuante con picos en 1.500 W aproximadamente. Este consumo eleva sus picos hasta 2.500 W a partir de la tarde, ya que la temperatura del depósito baja con mayor rapidez a raíz de la demanda de agua caliente por parte de los fan-coils para mantener la temperatura de consigna (24ºC) en el interior de la vivienda Patrón. La energía térmica entregada por la bomba de calor durante el periodo de ensayo fue de 164,35 kWh. La energía eléctrica consumida fue de 97,094 kWh. El COP durante este periodo es de 1,69. Comentar que observando el gráfico podemos detectar que hay periodos en los que no sería necesaria la utilización de la bomba de calor ya que la energía que entrega no justifica la energía eléctrica consumida que incluso es mayor. Esto se produce durante las horas de Sol y más calor exterior, donde gracias al aislamiento de la vivienda el calor se mantiene perfectamente en su interior. La bomba no necesita generar energía térmica y como el depósito está caliente se produce una recirculación del agua con el consiguiente consumo eléctrico (que como señalábamos supera incluso a la producción térmica). Para esto sirven los sistemas de control, para poder controlar la puesta en marcha o parada de las instalaciones en función de las condiciones interiores de la vivienda. Si existiese un sistema de control adecuado se evitaría este consumo. Por otro lado, durante este periodo, la instalación solar térmica ha producido 255,55 kWh. La energía eléctrica consumida por el sistema térmico global ha sido de 51,150 kWh. El COP durante este periodo fue de 4,99. Es importante destacar el consumo de eléctrico de todos los equipos auxiliares del sistema: bombeo, sistema eléctrico de los equipos auxiliares, tienen un consumo que es más o menos estable, tanto en standby como en marcha.

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2.5. Conclusiones del ensayo de calefacción con instalación solar térmica y con losa térmica. Después de analizar los resultados podemos concluir que: 

La calefacción mediante energía solar térmica es una muy buena alternativa como sistema de apoyo para sistemas convencionales debido a los rendimientos y la energía gratuita que nos entrega. A día de hoy su utilización como sistema de calefacción único es inviable desde un punto de vista económico y técnico debido a que para una vivienda de 100 m2 necesitaríamos en torno a 5 colectores solares térmicos con depósitos de acumulación de gran volumen. Por espacio es desaconsejable y la inversión estaría entre 20.000 € y 27.000 €, con un periodo de retorno muy elevado. Según el ensayo realizado el volumen del depósito necesario, si utilizamos una unidad terminal de baja temperatura, para poder tener calefacción mediante energía solar únicamente debe ser de 3.000 l en el mes de Noviembre, lo que supondría aún un mayor volumen en meses más fríos. Además, este depósito debería estar situado en un recinto resguardado, para que así las pérdidas de calor fuesen menores. Por esta razón sería inviable un sistema de calefacción en el que sólo se utilizará la instalación solar térmica, siendo necesario el apoyo de otras fuentes de energía.



Para una misma demanda térmica los consumos eléctricos de las dos instalaciones serían: Instalación solar: COPIS 

Demanda kWheléctri cos IS

Bomba de calor: COPBC 

Demanda kWheléctri cos BC

COPIS kWheléctri cos BC 4,99    kWheléctri cos BC  2,95  kWheléctri cos IS COPBC kWheléctri cos IS 1,69 Es decir para conseguir las mismas condiciones de confort en las dos viviendas se necesitan 2,95 veces más energía eléctrica en el caso de la bomba de calor que en el caso de la Instalación solar térmica. La demanda térmica diaria de las viviendas EDEA es de:

Demanda 

4.678kWhtérmi cos  13kWhtérmi cos/ día 365días

Energía Eléctrica diaria consumida por la instalación solar sería:

kWheléctri cos IS 

13 kWh  2,61 4.99 día

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Energía Eléctrica diaria consumida por la bomba de calor sería:

kWheléctri cos BC 

13 kWh  7,69 1,69 día

El ahorro diario de Energía Eléctrica sería: 7,69  2,61  5,09

kWh . día

El ahorro diario de Energía Eléctrica conseguido para proporcionar 13 kWhtérmicos es de 5,09kWh/día, por lo que el ahorro por kWhtérmico producido será:

Ahorro 

5,09 KWheléctri cos  0,39 13 kWhtérmico

Ahorro (€)  0,39  0,130485  0,05

€ kWhtérmicodía

El ahorro anual para una vivienda tipo del proyecto EDEA sería de: 0,05x365x13=241,47€/año. 

Para la misma demanda, considerando las condiciones que se dieron en el período de estudio, el ahorro en Energía Eléctrica sería:

Ahorro(%) 

kWheléctri cos BC  kWeléctri cos IS 7,69  2,61  100   100  66% kWheléctri cos BC 7,69

Es decir, el ahorro en energía eléctrica de la instalación solar térmica es del 66% respecto a la instalación con bomba de calor convencional. 

La estratificación de la temperatura fue óptima cuando empleamos losa térmica como unidad terminal, sin embargo, debemos recordar los costes de instalación y la lenta respuesta de este sistema.

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3. ENSAYO DE CHIMENEA SOLAR EN RÉGIMEN DE VERANO. 3.1. Introducción. Su principio de funcionamiento es el siguiente: el sol incide sobre la superficie acristalada orientada al sur. La radiación solar trasmitida a través del vidrio llega hasta la placa metálica pintada de negro que se encuentra en el interior de la chimenea, paralelamente al vidrio. Esta placa, que llamaremos placa absorbedora, se calienta y a su vez, calienta por convección el aire situado entre ella y la placa absorbedora. El aire calentado disminuye su densidad y se eleva verticalmente, generándose un flujo de aire ascendente movido por convección natural.

Figura 7. Chimenea solar situada en la fachada sur del demostrador experimental de EDEA.

Las aplicaciones de la chimenea solar en edificación son básicamente tres: ventilación, refrigeración y calefacción. De todas estas aplicaciones la que se va a estudiar en el presente ensayo, es la de ventilación (y refrigeración) en régimen de verano.

Figura 8. Principio de funcionamiento de la chimenea solar en modo verano.

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Su colocación no tiene que ser necesariamente por encima del techo, también puede estar de forma integrada en la fachada sur. Si se dispone como elemento de fachada, las compuertas deben abrirse en función de la época del año y, por tanto, del empleo que va a hacerse de la chimenea. En la siguiente figura se ilustra el detalle constructivo de la chimenea solar.

Figura 9. Chimenea solar. Detalles constructivos.

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El fundamento en el que se basa la ventilación y refrescamiento mediante chimenea solar radica en el hecho de que el aire en movimiento reduce la sensación de calor. Esta sensación térmica se cuantifica en lo que se llama temperatura efectiva, frente a la temperatura de bulbo seco que no tiene en cuenta la velocidad del aire. Según diversos estudios, la sensación de calor se reduce en 1ºC por cada 0,2 m/s de velocidad del aire. Y es aquí donde entra la chimenea solar, que es capaz de mover el aire cuando incide la radiación solar sobre ella. El límite en el que la velocidad del aire llega a ser incómodo se sitúa en 1,1 – 1,2 m/s. Con lo cual se puede llegar hasta una temperatura efectiva 6ºC menor que la temperatura seca del aire. Como se puede ver en la Figura 8, el aire entra en la habitación por una ventana situada a media altura en la fachada norte, donde además la temperatura del aire es menor en las horas centrales del día al encontrarse en sombra. El aire en movimiento recorre la sala en diagonal para entrar en la chimenea por los orificios superiores de la fachada sur de cada planta y ascender verticalmente por ella, para terminar saliendo al exterior. El aire frío que entra por la parte inferior de la chimenea, se caliente y asciende, provocando que el aire caliente del interior de la vivienda sea expulsado al exterior por un efecto de succión. Durante la noche también podría emplearse la chimenea solar para refrigeración si se mantienen abiertos los orificios de la parte inferior de las fachadas de cada planta. La placa oscura emitiría radiación hacia el exterior, provocando el enfriamiento de la misma a costa de calentar el aire de fuera de la vivienda. El aire que entra por la parte superior de la chimenea en contacto con la placa, se enfriaría y bajaría, entrando por los orificios inferiores de la fachada sur de cada planta. y en contacto con el del interior de la vivienda se enfriaría por convección al entrar en contacto con ella (que se está enfriando); la densidad del aire aumenta y circula hacia abajo por la chimenea solar. El efecto neto sería la entrada del aire más frío al interior de la vivienda del que existe en el exterior. Una ventana en la fachada norte debe estar abierta para que exista una corriente de aire. No obstante, cabe señalar que hemos realizado ese ensayo durante el verano y el resultado obtenido no ha sido el de una bajada de temperatura en la vivienda experimental, con lo que quedaría en entredicho esta utilidad de refrigeración de la chimenea solar. La chimenea solar se puede utilizar junto con otras técnicas de enfriamiento pasivo como, por ejemplo, el enfriamiento evaporativo en climas con veranos secos. De esta forma se aumenta la humedad a niveles de confort higrotérmico. En lo relativo a la ventilación, el parámetro más importante es el caudal de aire que es capaz de extraer la chimenea solar. A mayor altura de la chimenea solar, mayor es el flujo másico para un ancho del canal dado, existiendo para cada altura un ancho del canal para el cual el flujo másico es máximo. 3.2. Objetivos. Los objetivos que se pretenden conseguir mediante la realización de este ensayo son: 1. Evaluar el funcionamiento, especialmente desde el punto de vista de la eficiencia energética y la sostenibilidad, de una chimenea solar, así como analizar las condiciones de confort alcanzadas en verano en el interior de la vivienda con este sistema frente a otra vivienda que no lo tenga. 2. Valorar la sensación térmica y temperatura en el interior de la vivienda que se obtiene con su empleo, tanto por las noches, como por el día, realizando una ventilación cruzada.

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Figura 10. Chimenea solar. Monitorización.

3.3. Metodología. Este ensayo trata de comprobar la eficacia de una chimenea solar en verano para distintas condiciones de ventilación a diferentes horarios. Encontrándonos en verano, durante las horas de Sol del día, la temperatura exterior es superior a la del interior de las viviendas, por lo que no es recomendable abrir las ventanas al norte para realizar una ventilación cruzada. Obviamente, esta ventilación cruzada se realizaría a horas en las que el Sol no esté presente y la temperatura exterior haya caído, principalmente de noche. Así pues hemos establecido el siguiente horario y disposición en ambas viviendas para el ensayo: - Desde el lunes 16 de junio de 2014 hasta el jueves 19 de junio de 2014 desde las 08:45 de la mañana a las 21:00. VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

Ventanas Norte

Cerradas

Ventanas Norte

Cerradas

Ventanas Sur

Cerradas

Ventanas Sur

Cerradas

Chimenea

Abierta

- Desde el lunes 16 de junio de 2014 hasta el jueves 19 de junio de 2014 desde las 21:00 de la mañana a las 08:45. VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

Ventanas Norte

Abiertas

Ventanas Norte

Abiertas

Ventanas Sur

Cerradas

Ventanas Sur

Cerradas

Chimenea

Abierta

19

- Desde el jueves 19 de junio de 2014 a las 22:00 de la noche hasta el viernes 20 de junio de 2014 a las 08:00. VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

Ventanas Norte

Abiertas

Ventanas Norte

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Ventanas Sur

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Ventanas Sur

Abiertas

Chimenea

Abierta

- Desde el viernes 20 de junio a las 08:00 de la mañana hasta el lunes 23 de junio de 2014 a las 09:00: VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

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Ventanas Sur

Cerradas

Ventanas Sur

Cerradas

Chimenea

Abierta

- Desde el lunes 23 de junio de 2014 a las 09:00 de la mañana hasta el martes 24 de junio de 2014 a las 12:00: VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

Ventanas Norte

Abiertas

Ventanas Norte

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Ventanas Sur

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Chimenea

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- Desde el martes 24 de junio de 2014 hasta el viernes 27 de junio de 2014 la situación será de 12:00 a 22:00: VIVIENDA EXPERIMENTAL

VIVIENDA PATRÓN

Ventanas Norte

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Chimenea

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De 22:00 a 12:00: VIVIENDA EXPERIMENTAL

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Chimenea

Abierta

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3.4. Resultados del ensayo de Chimenea Térmica en las distintas situaciones. Durante los primeros días del ensayo desde el lunes 16 de junio hasta el jueves 19 de junio, las viviendas se mantuvieron en comportamiento libre, estando durante todo este tiempo las ventanas de las dos viviendas cerradas sin horario de apertura, y manteniéndose la chimenea solar de la vivienda experimental con los huecos abiertos. Antes del ensayo, ambas viviendas se encuentran en ESTADO LIBRE. Las temperaturas son iguales, lo cual se observa en el solape que se produce en las líneas de temperatura en ambas viviendas.

Figura 11. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Comportamiento libre. Domingo 15 de junio de 2014.

Apertura de las ventanas en la fachada Norte de ambas viviendas por la noche. En la fachada Sur de ambas viviendas, las ventanas permanecen cerradas. Sólo actúa la chimenea solar en la vivienda Experimental. Por el día, a las 8:45 se observa en la línea gris que se procede al cierre de las ventanas en las fachadas norte de ambas viviendas, con lo cual comienzan a igualarse las temperaturas de ambas. La temperatura durante la noche disminuye en torno a 2-3ºC sólo por efecto de la chimenea en la vivienda experimental.

Figura 12. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Apertura de las ventanas en la fachada norte por la noche y cierre de las ventanas a las 8:45 de ambas viviendas. Miércoles 18 de junio de 2014.

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Figura 13. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Apertura de ventanas al sur de la vivienda patrón. Jueves 19 de junio de 2014.

En esta última gráfica del jueves 19 de junio, se ve que a las 22:45 se abren las ventanas al Sur en la vivienda Patrón. De hecho en este día el ensayo consistía como hemos visto en Apertura de ventanas al Sur de la vivienda patrón, permaneciendo las ventanas en la fachada sur de la vivienda experimental cerradas (con la chimenea abierta). En ambas viviendas se encuentran las ventanas en la fachada norte abiertas para favorecer la ventilación cruzada.

Figura 14. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Ventilación cruzada frente a ventilación con chimenea. Se cierran todas las ventanas a las 8:15 de la vivienda patrón. Viernes 20 de junio de 2014.

Podemos observar del gráfico anterior cómo disminuye mucho más la temperatura haciendo ventilación cruzada que empleando la chimenea solar. Cuando por la mañana se procede al cerrado de todas las ventanas que estaban abiertas a las 8:15 aproximadamente, la temperatura en ambas viviendas comienza a igualarse. Ese fin de semana dejamos en comportamiento libre ambas viviendas y podemos observar que la temperatura sin realizar ningún tipo de ventilación en la vivienda. Únicamente permanecía abierta la chimenea solar en la vivienda experimental.

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Figura 15. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Todas las ventanas cerradas en ambas viviendas y chimenea abierta en la experimental. Sábado 21 de junio de 2014.

Figura 16. Temperaturas en el interior de las viviendas patrón y experimental. Todas las ventanas cerradas en ambas viviendas y chimenea abierta en la experimental. Domingo 22 de junio de 2014.

Con chimenea pero sin abrir las ventanas al norte en ninguna de las dos viviendas. Si no hay ventilación cruzada la chimenea no funciona. (Fin de semana 21 y 22 de junio). Durante el lunes 23 de junio, dejamos abiertas las ventanas de las dos viviendas para poner ambas bajo las mismas condiciones interiores para poder comenzar de nuevo el ensayo. Esta segunda fase del ensayo se realizó durante los días 24, 25, 26 y 27 de junio. Las gráficas de temperaturas fueron similares a la desarrollada durante el miércoles 18 de junio. La duración total del ensayo fue de dos semanas.

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3.5. Primeras conclusiones del ensayo de Chimenea Solar. Después de analizar los resultados podemos concluir que: 

La chimenea solar por sí sola y sin apertura de ventanas creando circulación cruzada no vale para rebajar la temperatura.



La chimenea solar en fachada sur y realizando una ventilación cruzada posibilita una reducción de la temperatura en torno a 2ºC. Además, al realizar el cierre de las ventanas a una hora del día adecuada, mantenemos la temperatura siempre por debajo de la vivienda que no tiene la chimenea solar, con lo cual es menor la temperatura que durante el verano deberíamos disminuir gracias a una bomba de calor, por ejemplo.



Esto anterior se traduce en un ahorro de energía a utilizar para refrigerar la vivienda y por tanto, en un ahorro económico. Por cada grado que tenga que disminuir nuestra bomba de calor la temperatura del interior de la vivienda, el consumo aumenta en un 8%, lo que equivale a incrementar el gasto en electricidad de 2 a 3 euros al mes por cada grado.



Haciendo un cálculo anual del ahorro, estaríamos hablando de 5 €/mes de ahorro  15 €/año, con lo cual el periodo de retorno de esta instalación la haría inviable desde el punto de vista económico, aunque sí recomendable desde el punto de vista medioambiental.



Sin embargo, si renovamos un equipo de aire acondicionado antiguo por otro con calificación energética ´A´, con un SEER en torno a 3, podríamos conseguir hasta un 40% o 50% de ahorro de electricidad, lo que supone una rebaja mensual en la factura eléctrica de hasta 20 euros, además de contribuir a la disminución de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera mientras se obtiene el mismo bienestar.



Si lo que queremos es rebajar la temperatura de una vivienda, es más eficaz realizar una ventilación cruzada abriendo ventanas en fachada norte y sur que utilizar una chimenea solar.

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4. ENSAYO DE CHIMENEA SOLAR EN RÉGIMEN DE INVIERNO. 4.1. Introducción. La chimenea solar tiene los mismos elementos que se indicaron en el ensayo anterior, en régimen de refrigeración. El funcionamiento en modo calefacción se basa en que el sol incide sobre la superficie acristalada orientada al sur y la radiación solar trasmitida a través del vidrio llega hasta una placa metálica pintada de negro o algún color oscuro. La placa, que aquí llamaremos placa absorbedora, se calienta y, a su vez, calienta por convección el aire situado entre la superficie acristalada y la placa absorbedora. El aire calentado disminuye su densidad y se eleva verticalmente, generándose un flujo de aire ascendente movido por convección natural en el recinto a calentar. En España la mayoría de las viviendas tienen algún sistema de calefacción. La fuente de energía primaria que utilizan es fundamentalmente de origen fósil. El empleo de la chimenea solar supone un modo de romper con la alta dependencia de los combustibles fósiles que se da en las sociedades económicamente avanzadas. Además, el empleo de la energía solar no produce emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero.

Figura 17. Funcionamiento de la chimenea en modo calefacción.

En cada una de las dos plantas que componen el edificio experimental, existirán dos rejillas en cada una de las plantas, una casi a ras de suelo y otra próxima al techo de cada planta. Estas cuatro rejillas comunicarán con la chimenea.

Figura 18. Distribución de las rejillas en el interior de la habitación.

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En la figura 17 se puede observar que en modo calefacción. Durante el día, la chimenea está cerrada tanto por la parte superior como por la inferior y las dos rejillas abiertas. De esta manera se produce un flujo circular del aire de la habitación. El aire frío de la habitación al entrar en contacto con la chapa de la chimenea se calienta, disminuyendo su densidad, ascendiendo y succionando el aire menos caliente de la habitación, produciéndose de esta forma el flujo circular por convección. Durante la noche se cerrarán las cuatro trampillas para que no se enfríe el aire de la habitación, ya que durante la noche la placa absorbedora de la chimenea emitirá calor y se enfriará, por lo que el aire que entre en contacto con ella sufrirá un enfriamiento. Además de en régimen de calefacción, la chimenea puede emplearse para realizar un precalentamiento del aire de entrada para ventilar en invierno. En lugar de ventilar abriendo las ventanas en la fachada norte y sur, abriremos sólo las de la fachada norte y en la fachada sur en lugar de abrir las ventanas se abrirá la chimenea por la parte inferior, permaneciendo cerrada la superior. La ventilación es recomendable que se realice en invierno durante las horas de sol, para de esta manera poder precalentar el aire de ventilación, que atravesando la chimenea saldrá de nuevo al exterior a través de las ventanas de la fachada norte. 4.2. Objetivo. El objetivo de este ensayo es evaluar el consumo energético alcanzado con la chimenea solar en invierno así como analizar las condiciones de confort alcanzadas en invierno en el interior de las viviendas. Se evaluará el consumo energético de la chimenea utilizada sin otro apoyo auxiliar y el consumo de la chimenea con el apoyo de un intercambiador tierra – aire. 4.3. Metodología. Se activará la chimenea solar en la vivienda experimental y la vivienda patrón estará en las mismas condiciones iniciales de ensayo que la experimental salvo por la chimenea solar. Con este ensayo queremos comprobar la mejora que supone el funcionamiento de la chimenea solar, evaluando su consumo y funcionamiento. Desde el punto de vista del consumo energético, no existe ningún consumo energético en la chimenea ya que el ventilador que provoca la conducción del aire al interior de la chimenea se alimenta mediante placas solares.

Figura 19. Placas solares situadas a ambos lados de la chimenea.

El caudal de ventilación de la chimenea, depende de las horas de sol, porque la velocidad de funcionamiento del ventilador variará en función de la radiación solar.

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Según la CTE – HS – 3, el caudal mínimo de renovación de aire necesario debe ser de 280 m3/h, 140 m /h en cada planta. El caudal máximo de entrada en la chimenea fue de 43.4 m3/h, por lo que la chimenea necesita el apoyo de otro sistema de ventilación. 3

Durante una semana, desde el 9 al 15 de Diciembre, se evaluará el funcionamiento de la chimenea solar funcionando de forma autónoma y durante la semana del 16 al 22 de Diciembre, se evaluará la chimenea de forma conjunta con el intercambiador tierra – aire. Los parámetros que se medirán serán la temperatura y la humedad relativa de los locales recintos calefactados. Las sondas de temperatura de la vivienda patrón y de la vivienda experimental se nombrarán como VP_Ta_Pxx_Cmed y VE_Ta_Pxx_Cmed respectivamente. Las sondas que miden la humedad relativa se nombrarán como VP_H_Pxx y VE_H_Pxx, en las viviendas patrón y experimental. Antes de comenzar el ensayo, las dos viviendas se pondrán a la misma temperatura y humedad relativas para poder comparar las viviendas, partiendo de las mismas condiciones iniciales.

4.4. Resultados del ensayo de la chimenea solar en régimen de invierno. 4.4.1. Ensayo con chimenea solar funcionando de forma autónoma. Los resultados obtenidos del ensayo con la chimenea solar corresponden a las mediciones tomadas desde el 9 al 15 de Diciembre. Los resultados obtenidos se repitieron periódicamente en el periodo indicado, por lo que se tomará un día tipo para evaluar los resultados. La fecha seleccionada es el 12 de Diciembre. En la figura 20 se muestran el caudal de entrada a la chimenea y la temperatura exterior tomada de la estación meteorológica.

Figura 20. Caudal horario de entrada a la chimenea (verde) en m3/h y temperatura exterior (negro) en ºC. 12 de Diciembre de 2013

A las 11:00 de la mañana del día 12 se puso en funcionamiento la chimenea solar y se desconectaba a las 15:00. La variación del caudal se debe a que el ventilador de admisión variaba su velocidad en función de la radiación solar. La temperatura exterior no superó los 14ºC. 27

La figura 21 representa las temperaturas en una habitación situada en la primera planta afectadas por la chimenea solar.

Figura 21. Temperaturas en la misma habitación de la planta alta en viviendas patrón (rojo) y experimental (marrón). 12 de Diciembre de 2013

En la gráfica se aprecia que si despreciamos la diferencia de temperatura existente de 3.2ºC, el máximo aumento de temperatura debido a la chimenea solar sería de 12 ºC alrededor de las 11:30 de la mañana. La chimenea solar aumenta la temperatura de la habitación desde que se pone en marcha a las 11:00 hasta las 13:00, de media 6ºC. Por lo que la chimenea calentaría la habitación durante dos horas al día en invierno. Posteriormente se comprueba la diferencia de temperaturas en una habitación situada en planta baja.

Figura 22. Temperaturas en la misma habitación de la planta baja en viviendas patrón (rojo) y experimental (marrón). 12 de Diciembre de 2013

Despreciando como en el caso anterior la diferencia de temperaturas residual, se puede ver que la chimenea solar aumenta ligeramente la temperatura, pero de forma despreciable, de unos 2ºC como máximo. Los caudales de entrada a la habitación situada en la planta alta fueron superiores al caudal de entrada en la habitación de la planta baja, como se representa en la figura 23.

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Figura 23. Caudal de entrada a la chimenea (rojo), caudal de entrada a la habitación planta primera (verde) y caudal de entrada a la habitación planta baja (azul) en m3/h. 12 de Diciembre de 2013.

Estos resultados nos demuestran que para calentar de la misma manera las dos habitaciones, sería necesario cortar el paso al aire de la chimenea en cada una de las plantas, para evitar que todo el aire vaya por convección natural a la planta superior. Se pasa a analizar la humedad relativa de los mismos recintos en los que se midió la temperatura.

Figura 24. Humedad relativa (%) en habitación en planta primera de las viviendas patrón y experimental. 12 de Diciembre de 2013

Como máximo ha habido una disminución de la humedad relativa de un 6% aproximadamente en la vivienda experimental respecto de la humedad relativa de la vivienda patrón.

Figura 25. Humedad relativa (%) en habitación en planta baja de las viviendas patrón y experimental. 12 de Diciembre de 2013

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Como era de esperar, la influencia de la chimenea sobre la humedad relativa en la habitación de la planta baja es despreciable. De cara al confort de los usuarios se debe tener en cuenta la estratificación que se produciría, al utilizar la chimenea. Para ello se han tomado los datos de temperatura a nivel de suelo y a nivel de techo, de las sondas del edificio experimental.

Figura 26. Temperatura cerca del suelo (marrón) y cerca del techo (gris) en edificio experimental y en la habitación de la planta primera. 12 de Diciembre de 2013.

La conclusión que se puede obtener de los datos de la figura 26, es que se produce una gran estratificación de hasta 6ºC, lo que puede provocar incomodidad en los usuarios.

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4.4.2. Ensayo de chimenea solar e intercambiador tierra aire funcionando de manera conjunta. Para conseguir calefacción mediante el intercambiador tierra – aire, será necesario activar los fan – coils que se encuentran situados en cada una de las habitaciones de la vivienda experimental. Además se activará el ventilador del intercambiador tierra – aire, que permitirá el flujo del aire exterior a través de los tubos horizontales enterrados en el suelo, para de esta manera conseguir un aumento de la temperatura del aire exterior. Los resultados obtenidos del ensayo con la chimenea solar corresponden a las mediciones tomadas desde el 16 al 22 de Diciembre. Los resultados obtenidos se repitieron periódicamente en el periodo indicado, por lo que se tomará un día tipo para evaluar los resultados. La fecha seleccionada es el 21 de Diciembre. En la figura 27 se muestran el caudal de entrada a la chimenea, el caudal proveniente del intercambiador tierra – aire y la temperatura exterior tomada de la estación meteorológica.

Figura 27. Caudal horario de entrada a la chimenea (verde) y de entrada al intercambiador (azul) en m3/h y temperatura exterior (rojo) en ºC. 21 de Diciembre de 2013.

La figura 28 representa las temperaturas en una habitación situada en la primera planta, cuando simultáneamente están funcionando la chimenea solar y el intercambiador tierra – aire.

Figura 28. Temperaturas en habitación de planta primera de la vivienda patrón (rojo) y experimental (marrón) en ºC. 21 de Diciembre.

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En la gráfica se aprecia que si despreciamos la diferencia de temperatura existente de 1ºC, el máximo aumento de temperatura debido al intercambiador y a la chimenea solar sería de aproximadamente 4ºC entre las 12:00 y las 16:00. El funcionamiento conjunto de la chimenea y el intercambiador, hace que la temperatura aumente aproximadamente 4ºC durante cuatro horas al día. Posteriormente se comprueba la diferencia de temperaturas en una habitación situada en planta baja.

Figura 29. Temperaturas en la misma habitación de la planta baja en viviendas patrón (rojo) y experimental (marrón). 21 de Diciembre.

En la planta baja la chimenea solar afecta en menor medida a la temperatura de la habitación. El incremento de temperaturas llega a ser de hasta 7ºC. En cambio en las horas en las que la chimenea solar está activa, el incremento de temperaturas es menor, de 1ºC, prácticamente despreciable. Los caudales de entrada a la habitación situada en la planta alta fueron superiores al caudal de entrada en la habitación de la planta baja, como se representa en la figura 30, al igual que sucedía en el caso del funcionamiento de la chimenea funcionando de manera autónoma.

Figura 30. Caudal de entrada a la chimenea (amarillo), caudal de entrada a la habitación planta primera (rojo) y caudal de entrada a la habitación planta baja (verde) y caudal de entrada de aire desde el intercambiador (azul) en m3/h. 21 de Diciembre de 2013.

Estos resultados nos demuestran que para calentar de la misma manera las dos habitaciones, sería necesario cortar el paso al aire de la chimenea en cada una de las plantas, para evitar que todo el aire vaya por convección natural a la planta superior. 32

Se pasa a analizar la humedad relativa de los mismos recintos en los que se midió la temperatura.

Figura 31. Humedad relativa (%) en habitación en planta primera de las viviendas patrón y experimental. 21 de Diciembre de 2013.

Como máximo ha habido una disminución de la humedad relativa de un 7% aproximadamente en la vivienda experimental respecto de la humedad relativa de la vivienda patrón, en la planta primera.

Figura 32. Humedad relativa (%) en habitación en planta baja de las viviendas patrón y experimental. 21 Diciembre 2013.

Como era de esperar, la influencia de la chimenea sobre la humedad relativa en la habitación de la planta baja es menor que en la planta alta, siendo de un 4% aproximadamente. De cara al confort de los usuarios se debe tener en cuenta la estratificación que se produciría, al utilizar conjuntamente ambos sistemas. Para ello se han tomado los datos de temperatura a nivel de suelo y a nivel de techo de las sondas del edificio experimental.

Figura 33. Temperatura cerca del suelo (marrón) y cerca del techo (gris) en edificio experimental en la habitación de la planta primera. 21 de Diciembre de 2013.

La conclusión que se puede obtener de los datos de la figura 26, es que se produce una gran estratificación de hasta 6ºC, lo que puede provocar incomodidad en los usuarios, cuando están en funcionamiento los dos sistemas. Mientras que cuando la chimenea no genera calor, la estratificación llega a desaparecer y por tanto el confort aumentará.

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Figura 34. Temperatura cerca del suelo (marrón) y cerca del techo (gris) en edificio experimental en la habitación de la planta baja. 21 de Diciembre de 2013.

Ocurre lo mismo que ocurría en la planta primera, a una menor temperatura.

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4.5. Primeras conclusiones del ensayo de Chimenea Solar. Después de analizar los resultados podemos concluir que: 

La chimenea solar funcionando de manera autónoma logrará aumentar la temperatura media hasta 6ºC en la planta alta y 2ºC en la baja durante dos horas. Esta falta de uniformidad se solucionaría compartimentando la chimenea, para lograr que el caudal de entrada en las dos plantas fuera similar, con lo que conseguiríamos una media de aproximadamente 4ºC de aumento en la temperatura. Si utilizásemos una bomba de calor convencional, para aumentar cada grado centígrado, se necesitaría un aumento del consumo de energía en un 8%. Al ser 4 grados de diferencia el consumo sería un 32% inferior en el edificio experimental durante dos horas, al consumo del edificio patrón.



La chimenea solar permite ventilar, precalentando el aire de entrada, lo que supondrá un ahorro energético al no bajar tanto la temperatura de la vivienda, como si ventilásemos abriendo las ventanas. Es importante ventilar en invierno durante las horas de sol en los que la chimenea aporta una mayor cantidad de energía. Sin embargo, el caudal de ventilación de la chimenea no es suficiente para cumplir el Código Técnico de la Edificación.



Haciendo un cálculo anual del ahorro, debido a que el funcionamiento óptimo de la chimenea es de sólo dos horas en invierno, hace que el tiempo de retorno de la inversión sea alto, pero desde el punto de vista medioambiental es muy interesante su instalación, ya que se utiliza como única fuente de energía la radiación solar.



Desde el punto de vista del confort, la chimenea por si sola produce una gran estratificación de hasta el 6ºC, pero en cambio disminuye la humedad relativa en torno a un 4% de media.



La utilización conjunta de la chimenea solar con un intercambiador tierra – aire, no produce un aumento significativo de la temperatura respecto a la chimenea solar actuando de forma independiente, pero si aumenta el confort ya que disminuye la estratificación, hasta incluso llegar a hacerla nula.



Sería interesante poder regular el caudal del intercambiador, en función de las necesidades.



El consumo conjunto de energía eléctrica de ambos sistemas es de 50W de forma continua (corresponde al ventilador de impulsión del aire por el intercambiador), lo que suponen 0,25€/día. El rendimiento del intercambiador mejor cuanto más baja es la temperatura exterior.



El funcionamiento conjunto de ambos sistemas, es muy útil a la hora de ventilar, ya que se consigue introducir en la vivienda aire más caliente que el del exterior. De esta manera la instalación de calefacción principal consumirá menor energía, al ser menor el salto térmico que tiene que aportar.

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