Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

AUDITORIA AMBIENTAL DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Consuelo Pizarro García Universidad de Oviedo Dpto. de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente

1. AUDITORIAS ENERGÉTICAS Las auditorias energéticas consisten en la realización de estudios y diagnósticos energéticos en los puntos de consumo. La finalidad es proponer mediadas que supongan un ahorro y un mejor uso de la energía. Con toda la información recabada en la auditoria se desarrolla un informe en el que se analizan y proponen soluciones técnicas, medidas para minimizar los consumos energéticos y, se propone la instalación de aparatos de alta eficiencia energética. 1.1. AUDITORIAS ENERGÉTICAS EN EMPRESAS La eficiencia energética es un concepto muy importante actualmente y crucial para la competitividad de cualquier tipo de empresa, se incluyendo dentro de este concepto los diferentes aspectos energéticos como consumo eléctrico, de combustibles fósiles (provenientes del petróleo, carbón o gas natural) y otras fuentes de energía alternativas. No obstante, antes de hablar de eficacia es necesario conocer la situación de partida para una vez realizadas las medidas controlar y establecer las posibles acciones de mejora. A través de las auditorias se adquiere conocimiento suficientemente fiable del consumo energético de la empresa para detectar los factores que afectan a dicho consumo, e identificar y evaluar las distintas oportunidades de ahorro en función de su rentabilidad. Tenemos que tener en cuenta que la eficacia energética está muy relacionada con la reducción de emisiones de, CO2 y con el cumplimiento del Protocolo de Kyoto. 1.1. 1. Etapas de la auditoria energética A continuación aparecen reflejadas los distintos pasos a seguir para realizar la auditoría: a. Preauditoría o prediagnóstico. Lo primero es realizar una vista a la instalación como toma de contacto, en ella se recaba información sobre los equipos, métodos de trabajo, protocolos de actuación,

datos

de

tarificación

y 1

consumos

energéticos

(eléctricos,

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

combustibles fósiles, energías alternativas). En esta etapa se pretende detectar los puntos críticos en cuanto a consumos, las malas prácticas y con todo esto establecer un plan de acción para establecer los períodos y puntos de toma de datos, medidas realizadas "in situ" y entrevistas con el personal. b. Toma de datos. Los períodos de toma de datos pueden variar dependiendo del tipo de empresa, oscilando desde días hasta un mes en función del número de equipos a auditar, tipos de instalaciones, dimensiones, etc. En cualquier caso, debe ser el suficiente para que los datos sean representativos. Es importante durante esta etapa contar con la colaboración del personal de la empresa, especialmente con el encargado de mantenimiento y el jefe de planta. c. Diagnóstico Al estudiar los datos recabados se puede identificar los puntos donde no se está consiguiendo un uso eficaz de la energía y establecer las medidas correctoras oportunas como puede ser la sustitución de equipos, o utilizar nuevos protocolos de actuación. Además de la viabilidad técnica, debe analizarse la económica, determinando inversiones, beneficios, costes y períodos de recuperación. d. Implantación y seguimiento. Una vez adoptadas las medidas propuestas, debe realizarse un seguimiento para comprobar que se están ejecutando correctamente y confirmar las mejoras y los ahorros consiguientes. 1.1.2. Beneficios de las auditorias energéticas Ente los principales beneficios obtenidos al llevar a cabo una auditoria energética se encuentran la optimización del consumo energético (lo que se traduce en una importante reducción de costes), el aumento del de vida de los equipos, ya que se asegura que estos trabajan en las condiciones más adecuadas,

evitando

el

sobredimensionado

o

la

sobrecargas.

Como

consecuencia de todo esto se mejora la competitividad de la empresa ya que repercute en la reducción de los costes de producción. Por último es preciso considerar que al consumirse menos energía se disminuyen las emisiones de CO2, tanto en la planta como en la producción de la electricidad consumida.

2

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

Dentro del Plan de Acción 2005-2007 (Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España) se le da mucha importancia de las auditorias energéticas. Actualmente hay líneas de ayuda para el sector de la industria.

2. CONSUMOS EN EDIFICIOS Y VIVIENDAS En España hay un aumento creciente de la demanda energética, por este motivo es necesario llevar a cabo un buen plan de ahorro energético. Dentro de los objetivos prioritarios se encuentra la utilización de energías renovables para reducir el consumo de comestibles fósiles. En la edificación se están tomando medidas ya que casi el 30 % del consumo de energía primaria es debido a los edificios. Para conseguir esta reducción existen dos alternativas una sería potenciar el uso de energías renovables y otra opción es la utilización de las energías de forma eficiente. 2.1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EDIFICACIÓN Se entiende por eficiencia energética la adecuada administración del uso de las energías y en consecuencia su ahorro. Lo que se pretende es reducir del consumo de energía manteniendo los mismos servicios energéticos, sin disminuir nuestro confort y calidad de vida, protegiendo el medio ambiente, asegurando el abastecimiento y fomentando un comportamiento sostenible en su uso. Evaluación energética

La evaluación energética de los edificios se puede abordar de dos maneras: teórica mediante simulación, o en condiciones reales de funcionamiento, mediante la experimentación. La evaluación de las soluciones energéticas de los edificios a través de un proceso de simulación del comportamiento, se realiza con la utilización de unos modelos de simulación, en los que se consideran los procesos de transferencia energética que tienen lugar entre los distintos materiales que forman el edificio, así como la distribución concebida por el diseñador. La evaluación energética de los edificios en condiciones reales de utilización, también conocida con el nombre de monitorización, consiste en la instalación de unos sensores en el interior y en el exterior de cada edificio. Se realiza el seguimiento y toma de datos, y mediante un balance energético, conocer el comportamiento energético de dichos edificios. 3

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

- CALENER El Programa informático CALENER es una herramienta promovida por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, a través del I.D.A.E.,y por el Ministerio de Vivienda, que permite determinar el nivel de eficiencia energética correspondiente a un edificio. Este programa sirve para simular el comportamiento energético (realiza una modelización teórica del consumo energético del edificio) del edificio durante todo el año, en unas condiciones de uso determinadas, considerando aquellos factores que más influyen en el consumo como las condiciones meteorológicas, tales como la envolvente del edificio o su orientación, las características de las instalaciones de calefacción, agua caliente sanitaria o iluminación entre otras. En función del resultado se le asignará una clase de eficiencia energética determinada. - LIDER Se utiliza para calcular la demanda de energía del edificio a proyectar. El programa evalúa la demanda energética del edificio en régimen de calefacción y refrigeración mediante simulación. Para los cálculos se tiene en cuenta, la descripción del edificio que incluiría características de la envolvente, la ventilación y orientación, las condiciones ambientales interiores, la existencia de sistemas solares pasivos y protecciones solares, las instalaciones de calefacción, ACS y aire acondicionado y las de iluminación. 2.2. CALIFICACIÓN Y CERTIFICACIÓN ENERGÉTICA EN EDIFICIOS La aplicación el nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE), del nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y de la Certificación Energética de Edificios de la Directiva Europea 2002/91 CE, permitirá ahorros significativos en los edificios, donde conviene integrar los aspectos energéticos y medioambientales que condicionarán su consumo. 2.2.1. El código técnico de la edificación El CTE establece las exigencias básicas de ahorro de energía. Estas exigencias se desarrollan en un documento básico que consta de las siguientes secciones: HE-1 Limitación de la demanda energética HE-2 Rendimiento de las instalaciones térmicas HE-3 Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación 4

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

HE-4 Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria HE-5 Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica De estas exigencias solo se trataran las relacionadas con la calefacción y el ACS. HE-1 Limitación de la demanda energética Se considera la envolvente exterior para que resulte adecuada en relación a los requerimientos necesarias para alcanzar el confort térmico en su interior, teniendo en cuenta condiciones climáticas y estacionales. Para ello se utiliza el. aislamiento, y se estudia tanto la permeabilidad al aire como la exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales y puentes térmicos. HE-2 Rendimiento de las instalaciones térmicas Se modificó el RITE incorporando cuestiones fundamentales como la estimación obligatoria de las emisiones anuales de CO2 de cada proyecto de más de 70kW, y nuevo tratamiento de las ventilaciones. HE-4 Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria Se han definido 5 zonas climáticas en España y se tienen en cuenta la ocupación, interferencias, sombras, etc. Dependiendo de la zona climática en que se localice el edificio y consumo anual del mismo se fija una contribución o aporte solar mínimo anual entre 30% y 70%. 2.2.2. Certificación energética en edificios Esta certificación es un requisito legal que a partir de ahora tendrán que cumplir todos los edificios nuevos, y que dentro de dos años también afectará a los edificios existentes. Con una etiqueta se informa a los compradores del grado de eficiencia del edificio. Se trata de que cada edificio disponga de una etiqueta con su calificación energética (de la A, que correspondería a los edificios más eficientes, a la G, los edificios menos eficientes) y en la que se incluya su consumo estimado de energía y las emisiones de CO2 asociadas. La etiqueta deberá constar en la publicidad utilizada en la venta o arrendamiento del edificio. La valoración se hace en función del CO2 emitido por el consumo de energía de las instalaciones de calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria (ACS) e iluminación. Por ejemplo, un edificio de clase energética A tendrá que reducir sus emisiones de CO2 más del 60%. Las principales ventajas que aporta esta etiqueta es que permite: 5

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción • •

• • • • • • •

Dar a conocer al usuario las características energéticas de su edificio. Facturar los gastos de energía: calefacción, climatización y ACS, en función del consumo real, para así poder distribuir los costes de manera más equilibrada e individualizada. Permitir la inspección periódica de calderas. Realizar auditorías energéticas en edificios de alto consumo de energía. Controlar el aislamiento térmico en edificios de nueva construcción. Mejorar la eficiencia energética Rentabilizar costes Estudiar la viabilidad técnica de los proyectos Mejorar el medioambiente

Con el cerificado se pretende es construir edificios más eficientes y animar a la rehabilitación de edificios para que se consuma menos energía. Los edificios con una calificación más eficiente tendría una mejor imagen, y también la existencia de un etiquetaje facilitaría que el consumo de energía se convertirse en un criterio más de compra por parte del consumidor. 2.2.3. Arquitectura bioclimática Arquitectura bioclimática es aquélla que tiene por objetivo conseguir el nivel de confort térmico adecuado mediante la adecuación del diseño, la geometría, la orientación y la construcción del edificio a las condiciones climáticas de su entorno. Se trata, pues de una arquitectura adaptada al medio ambiente, sensible al impacto que provoca en la naturaleza, y que intenta minimizar el consumo energético y con él, la contaminación ambiental, aprovechando los recursos disponibles (sol, vegetación, lluvia, vientos, etc.). Se distribuyen de espacios, atendiendo a consideraciones bioclimáticas, de ahorro energético y funcionales. Es muy importante una buena orientación, como por ejemplo acristalamientos al sur, con paredes y suelos de alta inercia térmica, y estancias de poco uso al norte (garajes, despensas). Se emplean también materiales saludables y biocompatibles, que faciliten los intercambios de humedad entre la vivienda y la atmósfera ya que “la vivienda debe respirar”. Otro requisito que cumplen es que los materiales deberán ser de materia prima lo menos elaborada posible y encontrarse lo más cerca

6

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

posible de la obra, también deben hallarse totalmente exentos de elementos nocivos.

3. SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Como se puede ver reflejado en la tabla los porcentajes más elevados de consumos energéticos en el hogar son los de calefacción y agua caliente que suponen el 67% del total. Tabla1. Consumos en los hogares españoles por usos (2003) Calefacción 41 %

Electrodomésticos 12%

Iluminación 9%

Agua caliente 26 %

Cocina 11%

Aire acondicionado 1%

Fuente: IDAE

Por este motivo tiene una gran importancia la reducción en los consumos de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS). 3.1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS La eficiencia de una caldera está en función tanto de la combustión que tiene lugar en el hogar como de la transferencia de calor hacia el agua. Por esos es preciso optimizaren la calidad de la combustión y tanto la capacidad como la efectividad de la caldera e intercambiador. Ambos dependen del estado de mantenimiento, conservación de la combustión y la limpieza de la superficie libre de intercambio de calor. Debemos de considerar que tanto las incrustaciones como el hollín disminuyen la capacidad de transmisión de calor. Para obtener la máxima eficacia se tiene que cumplir que: o Se aporte el aire necesario a la cámara para su combustión. o Exista una íntima mezcla entre el aire y el combustible. o Adaptar la llama a la geometría de la cámara de combustión. o Desplazar los productos de combustión hacia la salida de los humos. El tipo de combustible utilizado y sobre todo composición determinan la energía intrínseca liberada, los residuos generados (hollín, cenizas) y los gases de combustión liberados a la atmósfera. Los principales combustible que se utilizan son el gas natural, los gases licuados, el gasóleo C, el carbón y la madera cuyos poderes caloríficos superiores (PCS) aparecen a continuación en la siguiente tabla.

7

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

Tabla 2. PCS de los principales combustibles Combustibles sólidos PCS (kJ/kg) Carbón (Antracita) 34.300-34.700 Madera seca 19.000 Madera húmeda 14.400 Combustibles líquidos PCS (kJ/kg) Gasóleo C 42.280- 43.120 Queroseno 43.400-46.500 Combustibles gaseosos PCS (kJ/m3) Gas natural 38.630-42.920 Gas ciudad 16.900-18.200 Propano (20ºC) 85.700-93.300 Butano (20ºC) 109.900-119.200 3.2. MANTENIMIENTO Es una condición previa para optimizar la operación y el mantenimiento de la instalación es la elección correcta de la potencia de la caldera. Calcular la necesidades energéticas del edificio y utiliza la caldera adecuada sirve para trabajar en las condiciones óptimas de operación y reducir la exigencia de gestión de las cenizas, limpieza de la caldera, y el número de averías debidas a demandas de potencia demasiado bajas. Se deben de realizar inspecciones periódicas de la eficiencia energética de los generadores ya que si no se realizan disminuye el rendimiento energético aumentando el consumo específico de energía y las emisiones de las calderas asociado a las sustancias contaminantes desprendidas a la atmósfera. 3.3 AISLAMIENTO Una vivienda mal aislada necesita mucha más energía tanto en invierno como en verano. Además del aislamiento de la cubierta exterior del edificio se deben de considerar también las ventanas, los acristalamientos, marcos y molduras de puertas y ventanas, cajetines de persianas enrollables sin aislar, tuberías, conductos y chimeneas. Realizando mejoras en el aislamiento se puede llegar a ahorros energéticos del 30% en calefacción y aire acondicionado. 3.4. SUELO RADIANTE Con las calefacciones de radiadores, el circuito lleva agua a una temperatura media de unos 80ºC. En el suelo radiante la temperatura del agua ronda los 4045ºC. Al trabajar a esta baja temperatura se reducen las pérdidas de calor en las tuberías. También disminuyen las pérdidas de calor por techos y por 8

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

entrada de aire exterior. Con todos estos factores se puede asegurar que el ahorro energético del suelo radiante ronda el 10 % respecto al sistema de calefacción tradicional. Otra ventaja es que dada la baja temperatura requerida, se puede combinar con energías alternativas como la solar. 3.5. RED DE CALEFACCIÓN CENTRALIZADA La red de calefacción centralizada (district heating) es un sistema dedicado al suministro de calefacción y agua caliente a distintos edificios a partir de una planta central. El calor producido en dicha planta se entrega a los usuarios para su consumo mediante un sistema de doble tubería. Este tipo de calefacción utiliza potencias de instalación superiores a 500 kW suelen estar comprendidas entre 600 y 2.500 kW. Entre las principales ventaja de este sistema se encuentra el suministro de la energía al usuario directamente, evitándole la necesidad de manipular (con los consiguientes problemas de seguridad y suciedad) y almacenar combustibles (mejorando la seguridad para el caso de combustibles altamente inflamables). Además evita la supervisión individual de las calderas y las necesidades de recargas periódicas, mejorándose en conjunto la eficiencia de los propios sistemas del usuario. Se mejora también el rendimiento de la caldera.

4. UTILIZACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLE PARA LOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN En este apartado se comentan las principales alternativa existentes en el mercado para cubrir las demandas térmicas solo con energías renovables. 4.1. ENERGÍA SOLAR La energía solar térmica es la que aprovecha la radiación infrarroja del sol para generar calor que se destina, principalmente, a la producción de agua caliente sanitaria, calefacción y calentamiento del agua en piscinas. El captador solar térmico es el encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía térmica, de manera que se calienta el fluido de 9

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

trabajo que ellos contienen. Toda la energía que incide sobre el captador solar no puede ser considerada como energía útil, de manera que al mismo tiempo que se produce el calentamiento del fluido de trabajo, una parte de esta energía se pierde

por

radiación,

conducción, generándose

convección un

y

balance

energético entre la energía incidente (en forma de radiación solar) y las pérdidas térmicas, obteniendo como resultado una potencia útil del colector solar.

Figura 1. Esquema del circuito calefacción

Figura 2. Esquema del circuito de A.C.S

Fuente: SAPRE Energies

4.2. BIOMASA Las calderas de biomasa pueden funcionar con distintos tipos de combustibles, (pellets, cáscara de frutos secos, astillas, etc.) no emiten gases nocivos comos los que producen los combustibles fósiles, y tienen un balance neutro de gases de efecto invernadero. Tienen un rendimiento entre el 85 y 92% y tiene la ventaja de que este tipo de combustibles no son inflamables.

Figura 3. Esquemas de calderas de biomasa Fuente: BIOTECH www.pelletsworld.com

Fuente: HERZ www.pelletsworld.com

10

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

4.2.1. Calderas de biomasa con tecnología de condensación Este tipo de caldera recupera el calor latente de condensación contenido en el combustible, operando de manera que desciende progresivamente la temperatura de los gases hasta que condensa el vapor de agua en el intercambiador y pasa el calor desprendido al agua de la caldera.

Humo 40ºC Retorno para los circuitos de calentamiento a alta Cambiador de calor Retorno para los circuitos de calentamiento a baja Salida del agua de condensación Superficie de calentamiento

Figura 4. Caldera de pellets con tecnología de condensación Fuente: ÖKOFEN www.pelletsheizung.at

Esto supone un ahorro de combustible del 15% respecto a la combustión tradicional y un rendimiento entorno al 103%. En estas calderas se tiene en cuentas tanto el PCS como el PCI, como todos los cálculos de rendimiento están hechos en función del PCI si se calcula el rendimiento para una caldera de condensación dan por encima del 100% debido a la restitución del calor latente que representa el 11%. 4.2.2. Quemadores de biomasa Los quemadores de biomasa sirven para sustituir a los quemadores de gasoil o propano pudiendo aprovecha la misma caldera y resto de la instalación. Se utilizan mucho en Suecia.

Figura 5. Equipos utilizados para adaptar las calderas convencionales a los biocombustibles sólidos Fuente:www.novaenergia.org

Fuente: http://www.balund.com/

11

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

4.3. SISTEMAS MIXTOS BIOMASA ENERGÍA SOLAR El sol en algunas ocasiones no puede cubrir la totalidad de las necesidades energéticas, sino una parte bastante importante, entre 50 y un 80% siendo necesaria una energía de suplementaria que proporciona el complemento, que en este caso es una caldera de biomasa. El equipo consta de un mismo acumulador conectado a la caldera de biomasa y a los captadores solares.

Figura 6. Esquema del acumulador solar y de la caldera Fuente: http://www.solarfocus.at

4.3.1. Cabinas energéticas Contiene todos los elementos necesarios de una sala de calderas de biomasa y además están provistas de placas solares, formando una de sus paredes exteriores, y acumulador. Son fáciles de instalar ya que solamente precisan de su conexión a los circuitos de impulsión y retorno y a la toma eléctrica.

Figura 7. Cabinas energéticas Fuente: http://www.energycabin.com

4.4. ENERGÍA GEOTÉRMICA La corteza terrestre absorbe parte de la energía solar en forma de calor, la temperatura depende en gran medida del terreno y la radiación solar de cada región, para España a 5m de profundidad es alrededor de 15ºC y se mantiene constante.

12

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

Mediante un sistema de captación adecuado y una bomba de calor se puede transferir calor de esta fuente de 15 ºC a otra de 50 ºC, y utilizar esta última para la calefacción domestica y la obtención de agua caliente sanitaria para uso en la vivienda. La bomba geotérmica capta el calor en el exterior y lo disipa en el interior de la vivienda. Este sistema de calefacción está basado en una bomba de calor geotérmica que es una máquina térmica capaz de transferir el calor de un medio a otro utilizando las propiedades de cambio de estado de un fluido refrigerante.

Figura 8. Funcionamiento de la bomba geotérmica Fuente: http://www.solcansll.com

El fluido en estado de vapor es comprimido por un compresor. Al elevar la presión cede calorías a un condensador y pasa a estado líquido. Después atraviesa un descompresor, su presión y su temperatura se eleva, y pasa al estado gaseoso dentro de un evaporador donde recupera calorías. El calor se transmite a la vivienda mediante un circuito de distribución hidráulica utilizando suelo radiante o una red de radiadores. Generalmente se emplea para producir calor, pero también se puede utilizar para producir frío utilizando un dispositivo de "inversión" de ciclo. Se llama entonces bomba de calor reversible. 4.4.1. Captadores horizontales Son los más utilizados en las viviendas, consiste en uno o varios circuitos compuestos de una tubería y enterrado en el jardín a una profundidad de hasta 1 m. Esta tubería encierra en su interior un líquido refrigerante. El fluido intercambia calor con el subsuelo 13

Auditoría ambiental de sistemas de calefacción

4.4.2. Captadores verticales Este sistema es una solución para pequeñas superficies de terreno, pero es más costosa que la anterior.

Figura 9. Tipos de captadores Fuente: http://www.ecohabitar.org

WEBS DE REFERENCIA - Instituto para la diversificación y el ahorro de energía IDAE http://www.idae.es -Revista sobre las energías renovables en España http://www.energias-renovables.com -Bioheat promociona e informa sobre el uso térmico de la biomasa en edificios y comunidades de vecinos. http://www.bioheat.info -Energía, la guía de la energía, es un portal especializado en energía. http://www.energuia.com -Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN). Red de Energías eficientes y renovables (Departamento de Energía U.S.A.). http://www.eren.doe.gov -EuroREX: (European Renewable Energy information Exchange). Web para el intercambio de información sobre la energía renovable europea. http://www.eurorex.com/ -Solarweb http://www.solarweb.net

14