Resumen del proyecto

Autor del proyecto: José Manuel Rodicio Crespo

ESTUDIO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EDIFICIO EXISTENTE DE 95 VIVIENDAS, Y DISEÑO DE PLANTA SOLAR TÉRMICA PARA SU MEJORA Autor: Rodicio Crespo, José Manuel. Director: Miguel López, David. Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO El presente proyecto tiene como objeto proveer de un certificado de eficiencia energética a un edificio existente de 95 viviendas, y mejorar la calificación obtenida, mediante el diseño de una planta solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS. Es por ésto que se pueden distinguir dos partes diferentes del proyecto: una primera, en la que se analiza y justifica el proceso seguido para la realización del certificado de eficiencia energética, y una segunda, más larga, en la que se aborda el diseño de la instalación solar. El edificio considerado se ubica en la ciudad de Madrid, España, y se trata de un edificio de 95 viviendas construido en 1982 y desarrollado en: planta baja, nueve alturas, planta de cubierta y sótano. Además, consta de cuatro patios interiores. En primer lugar, se aborda la realización del certificado de eficiencia energética. El certificado de eficiencia energética se realiza conforme a lo establecido en el RD 235/2013, de abril, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios. Para ésto, se recurre a uno de los documentos reconocidos establecidos según lo dicho en el mismo Real Decreto, y que se muestran en la página web del ministerio de industria. En este caso, se encuentran dos programas: CE3 y CE3X. Para seleccionar cuál de estos programas utilizar, se recurre a las comparaciones realizadas por el ministerio de industria, con las que se determina que, para el caso de estudio de bloques de viviendas, el programa que aporta mejores resultados es el CE3. Una vez seleccionado el programa que se va a utilizar, se procede a la recogida de datos. Este programa requiere datos que se pueden agrupar en cuatro bloques: 1. Cerramientos: datos de la composición material de los distintos cerramientos del edificio (composición de fachadas, suelos, cubiertas, etc) 2. Definición geométrica: dimensiones de las distintas zonas habitables y de sus cerramientos, además de sus orientaciones geográficas. 3. Definición de sombras: obstáculos propios y ajenos que proyectan sombras, según su posición geográfica. 4. Datos de instalaciones de acondicionamiento: datos de potencias, y rendimientos de los sistemas utilizados para la calefacción y refrigeración del edificio, y para la producción de ACS.

[1]

Resumen del proyecto

Autor del proyecto: José Manuel Rodicio Crespo

Una vez se han recogido todos los datos, se introducen en sus respectivos campos del programa que calcula a continuación la calificación de eficiencia energética, y provee del correspondiente certificado. La calificación de eficiencia energética obtenida, es de E. Una vez obtenida la calificación, se pasa al análisis de las posibles medidas de mejora. De entre todas las posibles, se analizan las siguientes, por considerarse las más interesantes en este caso: mejora del aislamiento térmico del edificio, instalación de planta solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS y una combinación de estas dos. Del análisis de estas mejoras se obtiene utilizando el mismo programa, que la calificación de eficiencia energética mejorará a una D en todos los casos, ya que aunque en algunos, el ahorro energético sea mayor que en otros, las diferencias no son lo suficientemente grandes como para materializarse en un salto de letra. En base a estas previsiones de mejora de la calificación de eficiencia energética, se escoge cuál de las tres opciones resulta mejor para ser implementada en el edificio. Dado que se estudia un edificio existente, la mejor de estas opciones es la realización de una instalación solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS, ya que las mejoras del aislamiento en todos los casos implican la reforma de los cerramientos exteriores entre otros, para lo que es necesario realizar obras en el interior de cada vivienda, lo que resulta caro y muy molesto para los vecinos. Tras ésto, y comprobado que la mejor opción para alcanzar el objetivo de mejora de la calificación de eficiencia energética del edificio es la realización de una instalación de energía solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS, se procede a la realización del proyecto de diseño de dicha instalación, que como se dijo antes compone la segunda y más amplia, parte de este proyecto. El diseño de esta instalación se realiza fundamentalmente conforme a lo establecido en el CTE, el RITE y el pliego de especificaciones técnicas para instalaciones de energía solar térmica a baja temperatura del IDAE. Para la realización de este diseño se parte de datos históricos de consumo de ACS medidos en el edificio para conseguir una medida más aproximada del consumo. Además, se parte de los datos climáticos contenidos en el pliego de especificaciones técnicas para instalaciones de energía solar térmica a baja temperatura del IDAE, teniendo en cuenta que el dimensionado de la instalación se realizará para cubrir la demanda del mes de menor demanda y mayor irradiancia, con el objetivo de evitar problemas de sobrecalentamientos. Este mes, es el llamado mes de diseño. En primer lugar, se aborda la selección de la configuración de la instalación. En base al volumen de agua con el que se trabaja por las necesidades de acumulación energética, y dado que se trabaja con ACS, con lo que ésto implica en cuanto a necesidad de tratamientos antilegionela, se opta por una configuración de primario – secundario con acumulador de inercia, formada por un circuito primario que integra el campo de captadores, y un secundario, con el acumulador de inercia. El esquema básico de esta configuración se muestra a continuación (figura 1)

[2]

Resumen del proyecto

Autor del proyecto: José Manuel Rodicio Crespo

Figura 1. Esquema básico de la instalación

Tras esto, se procede al dimensionado del campo de captadores. Este dimensionado consiste en un proceso iterativo por el que, a base de probar distintos modelos de captadores, se busca obtener aquel para el que el número de captadores necesarios para cubrir la demanda térmica para la producción de ACS, cumpla el requisito de no exceder el límite de espacio disponible para los mismos. Además, una vez se tiene calculado el número de captadores, y determinado su modelo, se calcula la potencia media anual que aporta la instalación. Con esta potencia, se vuelve a hacer el estudio de medidas de mejora de la eficiencia energética, obteniéndose la calificación de eficiencia energética que, esta vez de forma segura, obtendrá el edificio cuando se realice la instalación. Esta nueva calificación es de una D, coincidiendo con la obtenida en el análisis de opciones previo, por haberse utilizado para ello una potencia media de la instalación, del orden de lo que era previsible obtener, dados los límites de producción a los que está condicionada la instalación en el mes de diseño para evitar sobrecalentamientos. Una vez se cuenta con el número y modelo de captadores, se pasa al análisis térmico de la instalación en el que, en base a los datos de potencia aportada por el campo de captadores para el mes de diseño y los datos de consumo, se calculan los caudales y saltos de temperatura que deben existir en cada punto de la instalación. Este cálculo, además produce una revisión del número de captadores calculados, puesto que marca cuántos deben conectarse en serie en cada batería para conseguir el salto térmico requerido. Además, se realiza una estimación horaria de demandas y consumos energéticos en un día para el mes de diseño, para así determinar la necesidad de sistema de refrigeración en función de si existe posibilidad de sobrecalentamientos, por descompensación entre consumo y demanda energética. Con los resultados de este análisis, se dimensionan el acumulador de inercia y los intercambiadores de calor. En base a los resultados del análisis térmico de la instalación, incluyendo las conclusiones obtenidas del citado estudio horario, se diseña el sistema de control de la instalación, indicando cuáles son sus funciones, cómo debe manejar los distintos elementos y bajo qué circunstancias, aunque sin entrar en detalles electrónicos del mismo. Con este estudio, se seleccionan los elementos necesarios para realizar el control electrónico. Con el número de captadores necesarios, su modelo y el número que hay por cada batería para cumplir las condiciones impuestas, se procede a situar las baterías de captadores en la cubierta, de tal forma que no se vean afectadas por sombras, en base a las normas establecidas en la guía ASIT de la energía solar térmica, documento reconocido del RITE. [3]

Resumen del proyecto

Autor del proyecto: José Manuel Rodicio Crespo

Hecha la distribución de las baterías de captadores en cubierta, se procede a trazar el circuito hidráulico. Para el trazado, se tiene en cuenta el equilibrado del circuito por lo que se realiza procurando que el mismo se produzca de forma natural, para evitar introducir pérdidas de carga adicionales, que implicarían pérdidas energéticas innecesarias. Tras ésto, se determinan los diámetros de cada tramo del circuito en base a los caudales de diseño determinados anteriormente en el cálculo térmico. Con los diámetros de cada tramo designado se pasa al cálculo de las pérdidas de carga y dimensionado de las bombas. Para completar el diseño de la planta solar, se añaden todos los elementos adicionales como válvulas, purgadores, vasos de expansión, sistemas de alimentación, elementos de medida, etc, siguiendo lo indicado en la guía ASIT y el pliego de especificaciones técnicas para instalaciones de energía solar térmica a baja temperatura del IDAE. Finalmente, se termina realizando un estudio económico de la instalación solar proyectada. En este estudio, se calcula cual es el periodo de amortización de la instalación, en base al cálculo de costes realizado en el presupuesto y al ahorro en el consumo de gas para producir ACS, que aporta la instalación solar. El periodo de amortización resultante para la instalación es de 41 años. Los resultados finales del proyecto son: 1. La calificación de eficiencia energética del edificio estudiado es de una E. 2. La mejor opción para mejorar la calificación de eficiencia energética es realizar una instalación solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS. 3. El coste de la instalación solar ascendería a 116.805,72 euros, siendo su periodo de amortización de 41 años. 4. La instalación solar proyectada mejora la calificación de eficiencia energética a una D.

[4]

Project summary

Author of the project: José Manuel Rodicio Crespo

STUDY OF ENERGY EFFICIENCY IN AN EXISTING BUILDING CONTAINING 95 FLATS, AND DESIGN OF SOLAR THERMAL SYSTEM FOR ITS IMPROVEMT Author: Rodicio Crespo, José Manuel. Director: Miguel López, David. Collaborating organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

PROJECT SUMMARY The aim of this project is to provide an energy efficiency certificate to an existing building containing 95 flats, and to improve the result obtained through the design of a low temperature solar thermal system for producing DHW. Thus it is possible to distinguish between two different parts of the project: the first, which discusses and justifies the process for obtaining the energy efficiency certificate and a second, longer one, in which the design of the solar installation is addressed. The considered building is located in the city of Madrid, Spain, and it is a building containing 95 flats built in 1982 and is made up of: a ground floor, nine floors, ground cover and basement. As well as this, it has four courtyards. Firstly, we deal with the obtaining of the energy efficiency certificate. The energy efficiency certificate is made just as it is established in the RD 235/2013, of April, by which is approved the basic procedure for the energy efficiency certification of buildings. With this aim, we go to one of the recognized documents established by the same Royal Decree, and which are shown in the web page of the Spanish Ministry of Industry. For this case, we found two programs: CE3 and CE3X. To select which of these programs should be used, we go to comparisons made by the Spanish Ministry of Industry, and with them it is determined that, for the case of studying housing blocks, the program that provides better results is CE3. Once the program that is going to be used is selected, we proceed to the collection of data. This program requires data that can be grouped into four blocks: 1. Building envelope: data about the material composition of the building envelope (composition of facades, floors, roofs, etc) 2. Geometric definition: dimensions of the different living areas and their envelopes, in addition to its geographical directions. 3. Shadows definition: their own and other obstacles that cast shadows according to their geographical position 4. Data of conditioning facilities: data of powers, and performance of the systems used to heating and cooling the building, and for the production of DHW. Once all the data has been collected, it is entered in its respective fields of the program that then calculates the energy efficiency rating, and provides the corresponding certificate. The obtained energy efficiency rating is E.

[1]

Project summary

Author of the project: José Manuel Rodicio Crespo

Once the rating is obtained we continue with the analysis of possible improvement measures. Among all possibilities, we analyze the following ones, as they are considered the most interesting in this case: improving building insulation, low temperature solar thermal plant for producing DHW and a combination of both of them. From the analysis of these possible improvements it is obtained using the same program that the energy efficiency rating will improve to a D in all cases, because although in some, the energy savings are greater than in others, the differences are not large enough to be materialized on a leap on the letter. Using these predictions about the improving of the energy efficiency rating, it is chosen which of the three options is the best to be implemented in the building. As the building studied is an existing building, the best of these options is carrying out a low temperature solar thermal installation for producing DHW, as insulation improvements in all cases involve the reform of the external enclosures, among others, what makes it necessary to carry out works in each home, which is expensive and very annoying for the neighbors. After this, and once confirmed that the best option to achieve the objective of improving the energy efficiency rating of the building is to carry out a low temperature solar thermal system for the production of DHW, we proceed to the realization of the design project of the facility which is, as stated before, the second and larger part of this project. The design of this facility is mainly done in accordance with the provisions of the CTE, the RITE and the technical specifications for low-temperature solar systems of the IDAE. For carrying out this design we start from historical DHW consumption data measured in the building, in order to get a more accurate measure of consumption. In addition, we also start from climate data provide in the technical specifications for lowtemperature solar systems of the IDAE, considering that the sizing of the installation will be done to meet the demand of the month of lower demand and higher irradiance, in order to avoid overheating problems. This month is called the design month. Firstly, we deal with the selection of the configuration of the installation. Based on the volume of water we work with due to the needs of energy accumulation and since we work with DHW, with all that this implies in terms of antilegionela treatments, we opt for primary - secondary configuration with inertia accumulator, which is made of a primary circuit that integrates the collector field, and a secondary with the inertia accumulator tank. The basic scheme of this configuration is shown below (figure 1)

[2]

Project summary

Author of the project: José Manuel Rodicio Crespo

Figure 1. Basic installation diagram

Following this, we proceed with the sizing of the collector field. This sizing is an iterative process that through checking different models of collectors, it looks to obtain that one for which the number of collectors required to cover the heat demand for the production of DHW, meets the limit of space available for them. Besides, once we have the number of collectors calculated, and their model determined, the annual average power provided by the installation is calculated. With this power, we make again the study of measures to improve energy efficiency, obtaining the energy efficiency rating that, this time safely, is going to get the building when the installation is performed. This new rating is a D, the same as the obtained in the previous option analysis, due to having been used for it, an average power of the installation that was likely to be got, given the limits of production installation is conditioned to in the month of design to prevent overheating. Once we have the number and the model of the collectors, we start the thermal analysis of the system, in which based on the data about the power provided by the collector field for the month of design and the consumption data, we calculate the flow and temperature jumps that must exist in every point of the system. This calculation also produces a review of the number of collectors calculated, since it determines how many must be connected in series in each battery to achieve the required temperature leap. In addition, it is done a time estimation of the demands and energy consumption that takes place in one day for the month of design, in order to determine if it is needed a cooling system, depending on whether there is any possibility of overheating, due to imbalance between energy demand and consumption. With the results of this analysis, the inertial tank and the heat exchangers are dimensioned. Based on the results of the thermal analysis of the system, including the conclusions of the time study, the control system of the plant is designed, indicating its functions, how it has to handle the different elements and under what circumstances, but not entering in details about its electronics. With this study, the elements to do the electronic control of the system are selected. Having the number of collectors required, its model and its number for each battery to meet the conditions imposed, we proceed to place the batteries of collectors on the roof, so they will not be affected by shadows, based on the rules established in the ASIT guide of solar thermal energy recognized RITE document.

[3]

Project summary

Author of the project: José Manuel Rodicio Crespo

With the distribution of the batteries of collectors on the roof done, we proceed to trace the hydraulic circuit. For plotting, the pressure balance of the circuit has to be taken into account so it is performed ensuring that it naturally occurs, to avoid introducing additional pressure losses, which would involve unnecessary energy losses. After this, we calculate the diameters of each section of the circuit using the design flow rates determined above in the thermal calculation. With diameters of each designated section done, we do the calculation of pressure losses and we size pumps To complete the design of the solar plant, all additional items such as valves, strainers, expansion tanks, feed systems, measurement elements, etc are added, following the indications of the ASIT guide and the technical specifications for lowtemperature solar systems of the IDAE Finally, we finish it doing an economic study of the solar system projected. In this study, the amortization period of the installation is estimated, on the basis of the calculation of costs made in the budget and the savings in gas consumption to produce DHW, provided by the solar installation. The resulting amortization period of the installation is of 41 years. The final results of the project are: 1. The energy efficiency rating of the studied building is an E. 2. The best option to improve the energy efficiency rating is to make a low temperature solar thermal system to produce DHW. 3. The cost of the solar system would amount to 116,805.72 euro with a repayment period of 41 years. 4. The projected solar system improves the energy efficiency rating to a D.

[4]