Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2 INVENTARIO ENERGÉTICO DE EDIFICIOS 2.1 INTRODUCCIÓN El propósito de este capítulo es la creación de un protocolo para el análisis de los parámetros energéticos actuales de un cierto edificio, obteniendo información sobre el funcionamiento de éste a través de cuestionarios, inspecciones in situ, elaboración de perfiles de ocupación y horarios… Es decir, el objetivo final es la creación de un inventario energético detallado que, según el nivel al que se estime oportuno, permita la recogida de información, la realización de un prediagnóstico energético del edificio, o una evaluación detallada del mismo. Este inventario energético se engloba en el proceso de rehabilitación energética de un edificio. Junto con los datos de facturas de los diferentes usos energéticos, permite llevar a cabo un diagnóstico previo. Si además se monitoriza éste, determinando todos los parámetros relacionados con los usos energéticos y sus modos de funcionamiento, puede lograrse un inventario energético detallado. Determinar las deficiencias del edificio permite evaluar sus puntos potenciales de mejora, y con ello definir un protocolo de actuación adecuado a cada caso concreto. Recolección de datos (Anteproyecto) Inventario Energético Facturas Diagnóstico Previo MONITORIZACIÓN Certificación Existentes Diagnóstico Final Proyecto Rehabilitación Figura 5: Utilidad del inventario energético 21 Así, en este capítulo se describen en primer lugar, en el punto 2.2 Auditorías energéticas, los objetivos y fases que debería acometer una auditoría energética. Dichas fases pueden enumerarse como prediagnóstico, diagnóstico y propuestas de mejora. Las dos primeras fases se conocen como inventario energético en sí. Sin embargo, la última no se engloba en el alcance del presente documento por su extensión, por lo que se plantea como una línea futura de trabajo. En segundo lugar, en el punto 2.3 Inventario energético, se detallan las dos primeras fases mencionadas, proporcionando una visión general de los procedimientos necesarios para un correcto diagnóstico. Además, se describe para cada elemento representativo de la instalación energética toda la información que debe recopilarse, y se proporciona un cuestionario, en formato de hoja de cálculo de Microsoft Office Excel, que sirve de guía para la recogida de toda la información necesaria in situ. Dicha hoja de cálculo se encuentra en la documentación adjunta, bajo el título de Inventario Energético. Durante el desarrollo del inventario energético se mencionarán varios parámetros que, en general, no pueden obtenerse de manera directa. Por ello, a continuación se detallan diversos procedimientos para su cálculo. En concreto, en el punto 2.4 Caracterización de la epidermis se detallan los procedimientos experimentales para la caracterización de la epidermis de un edificio mediante el cálculo del coeficiente global de transferencia y el nivel de infiltraciones. Dichos procedimientos se aplican a situaciones reales. También se detallan diversos métodos de cálculo de rendimientos instantáneos, tanto para generadores de frío como de calor, en el punto 2.5 Determinación de rendimientos instantáneos. Dichos métodos se implementan en una segunda hoja de cálculo de Microsoft Office Excel, que sintetiza la información que debe recabarse y contiene las expresiones necesarias. Dicha hoja de cálculo se encuentra en la documentación adjunta, bajo el título de Rendimientos Instantáneos. Además, en el punto 2.6 Determinación de rendimientos estacionales se profundiza en la definición de rendimiento estacional, proporcionándose referencias bibliográficas y expresiones para su cálculo, diferenciando también entre generadores de frío y generadores de calor. Por último, en el punto 2.7 Inspecciones de eficiencia energética se sintetizan las exigencias de la normativa española en cuanto a inspecciones de eficiencia energética, su ámbito de aplicación y su periodicidad. Debido a la falta de información en ésta sobre los procedimientos que deben seguirse, los equipos de medida o los límites admisibles de los parámetros, se proporcionan ciertos puntos clave y referencias que amplían estos y otros aspectos. Éstos pueden encontrarse en el punto 2.8 Procedimientos de inspección. 22 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.2 AUDITORÍAS ENERGÉTICAS En general, cualquier metodología que se aplique para la realización de estudios de auditoría energética debe tener como objetivos los siguientes: a) Analizar las condiciones reales de funcionamiento de los principales equipos. b) Identificar y cuantificar el potencial de ahorro de energía en las instalaciones y equipamiento energético. c) Identificar y evaluar las alternativas de mejora viables técnica y económicamente. En el desarrollo de la metodología de trabajo para la realización de auditorías energéticas en edificios o instalaciones se pueden establecer las siguientes fases: 1. Prediagnóstico 2. Diagnóstico 3. Propuestas de mejora AUDITORÍA Propuestas de mejora Diágnóstico Prediagnóstico Inventario INVENTARIO ENERGÉTICO Figura 6. Esquema de la relación entre inventario energético y auditoría Las dos primeras fases se corresponden con el citado inventario energético, mientras que la unión de este inventario energético con las propuestas de mejora es lo que se conoce como auditoría. 23 2.2.1 Prediagnóstico / inventario Comprende el reconocimiento preliminar del edificio o instalación, el estudio previo de su geometría, de su distribución espacial y orientación, de las condiciones climáticas a las que se encuentra sometido, de las instalaciones así como de los equipos, los cuales permitirán evaluar la magnitud de los problemas energéticos y planificar las actividades a realizar en las siguientes fases de la auditoría. Los datos necesarios que se deberán obtener y analizar en esta primera fase son: Planos del edificio (generales y detallados a diferentes escalas) y de las instalaciones existentes (esquemas de principio). Diagramas unifilares, esquemas de principio y funcionamiento de las instalaciones energéticas. Registros históricos mensuales de los consumos y costes de los suministros energéticos, que abarquen como mínimo el periodo del año anterior al actual así como los meses del año en curso ya facturados. Relación de equipos consumidores de energía más importantes (receptores): características técnicas de diseño, parámetros energéticos o eléctricos (tensiones por fase, corrientes por fase, potencia activa total, factor de potencia y demandas de energía reactiva registrables en los cuadros de control y contaje de energía eléctrica,…), horas de operación al año, etc. Datos de otros receptores (aire acondicionado, calderas para producción de ACS, quemadores, temperaturas entrada-salida de intercambiadores, consumo de combustibles fósiles, rendimientos eléctricos, mecánicos, etc.) Horas de funcionamiento de las instalaciones y horas de operación al año de los equipos. Fuentes de suministro de energía. Equipos de medida instalados (ejemplos: contadores de energía activa, de energía reactiva, maxímetros, caudalímetros, termopares etc.) y su ubicación dentro del sistema energético. Características de las dimensiones, ocupación y utilización del edificio o instalación (número de usuarios, horarios de apertura y cierre, actividades que se desarrollan, etc.). En la sección correspondiente al desarrollo del inventario energético, punto 2.3 Inventario energético, se detalla qué tipo de información, partiendo de estos puntos, es necesario conocer para cada uno de los subcomponentes de un sistema energético: datos climáticos, equipos (ofimática, ascensores, otros), sistemas de generación de agua fría o caliente, sistemas de disipación, autónomos / subsistemas secundarios de tratamiento de aire, agua caliente sanitaria, transporte de agua, transporte de aire, epidermis, iluminación, condiciones ocupacionales y funcionales. 24 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.2.2 Diagnóstico La fase de diagnóstico constituye en sí el grueso del trabajo de una auditoria, y pretende ser un reflejo fiel del estado actual en el que se encuentran las instalaciones y equipos. Un buen diagnóstico debe identificar la problemática existente en los sistemas energéticos que conduce a un mayor consumo e ineficiencia energética, así como indicar las posibles causas que la producen. El siguiente esquema muestra de forma simplificada una posible descomposición de los hitos a acometer en esta fase: Suministro energético Sistema Edificio Consumo •Fuentes de energía primaria: electricidad, gas, GLP, combustibles líquidos y/o sólidos. •Consumos asociados [kWh] •Costes de energía •Prioridad de usos energéticos: índices globales de volumen y eficiencia del consumo energético •Condiciones energéticas de operación •Mediciones, consultas... •Inventario exhaustivo para cada uso: elementos de control, equipos auxiliares, regulación, conducciones... •Definición y cálculo de índices •Evaluación del sistema y su consumo •Condiciones de contratación •Análisis del nivel de servicio prestado Figura 7. Principales puntos a tener en cuenta en la fase de diagnóstico 25 2.3 INVENTARIO ENERGÉTICO Un inventario energético debe consistir, de forma genérica y como ya se ha comentado, en un protocolo de medición desglosado en los principales elementos consumidores de energía en un cierto sistema. En este caso, este protocolo ha sido elaborado mediante una revisión en detalle del estado actual de conocimientos técnicos en la materia, basada en la experiencia del grupo de Termotecnia de la Universidad de Sevilla, por lo que toda la información puede ampliarse consultando las referencias englobadas en el punto 5 Bibliografía, BIBLIOGRAFÍA ESPECÍFICA PARA EL INVENTARIO ENERGÉTICO. Las principales ideas que se esbozan, y que tienen relación directa con los hitos definidos en la fase de diagnóstico, son las siguientes: Suministro energético Los usos de mayor consumo energético dentro de un edificio son: alumbrado, calefacción, aire acondicionado, producción de agua caliente sanitaria (ACS), y otros consumos eléctricos, no despreciables, de usos internos: maquinaria, ascensores, puestos de trabajo… Por ello, las conclusiones definitivas que se hagan sobre un determinado uso energético deberán tener presente el resto de usos no analizados. Sistema La caracterización del sistema tiene como finalidad recabar in situ, y mediante trabajo de campo, mediciones y consultas (tanto a los usuarios como a los técnicos responsables), toda aquella información de las instalaciones, equipos y otros aspectos del sistema que pueden incidir en el consumo y/o nivel de servicio y como consecuencia en su mayor o menor eficiencia (condicionantes de eficiencia): Dimensiones del sistema y características de los elementos. Prestaciones de servicio. Condiciones de utilización y explotación, haciendo referencia al funcionamiento, regulación o modulaciones de uso, estado de conservación y sistema de mantenimiento. Características de posibles condicionantes de la eficiencia del sistema. Las mediciones en este sentido se orientan a dimensionar el sistema energético y a medir los parámetros que determinan las condiciones de confort o las prestaciones de servicio del uso energético que se analiza, como por ejemplo, los niveles de iluminación en el sistema de alumbrado, o la temperatura en el interior de los locales en el sistema de aire acondicionado. 26 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Consumo La caracterización del consumo, de un determinado uso energético, tiene como objetivo determinar la curva diaria media de consumo y el modelo teórico de utilización (“baseline”). En la práctica la caracterización del consumo de un determinado uso energético es complicada, ya que normalmente no existe una relación unívoca entre los contadores que contabilizan el consumo y el uso energético (en otras palabras, un único contador puede registrar los consumos de varios usos energéticos distintos) y la complejidad de los datos de ocupación del edificio o utilización de las instalaciones, al ser variables, implican unas fluctuaciones de consumo de difícil apreciación. Por tanto, se deberán poner todos los medios disponibles para que la caracterización del consumo se ajuste lo más posible a la realidad. Evaluación De la caracterización del sistema, del consumo y de los costos/datos de facturación se podrán definir y cuantificar unos índices, que serán función del uso energético que se analice (alumbrado, bombeo, climatización, etc.). Estos índices permitirán apreciar el estado actual, las características y funcionamiento del sistema y ayudarán a analizar en concreto sus condiciones energéticas, las condiciones de contratación del suministro de energía y las condiciones del nivel de servicio prestado por el sistema. Los índices que se definan para este análisis deberán permitir evaluar la eficiencia energética del sistema y la eficacia de sus elementos. Se analizarán, asimismo, el régimen de explotación y utilización del sistema y demás condicionantes que puedan influir en la eficiencia energética del sistema. En general, la metodología de evaluación (análisis) se basa en tres puntos fundamentales: Realización, a partir de los datos obtenidos en la caracterización del sistema y consumo, del cálculo teórico de la potencia necesaria y del consumo teórico anual. Comparando estos datos con la potencia y los consumos reales podremos deducir los rendimientos medios de la instalación y comprobar si están dentro de los valores normales. Consideración puntual de los aspectos condicionantes de la eficiencia energética para localizar posibles desviaciones desfavorables. Corroborar si el sistema energético proporciona el nivel de servicio demandado por los usuarios de la instalación y se encuentra ajustado a la actividad desarrollada en su interior. Después de realizar el diagnóstico de cada uso energético, conviene hacer un diagnóstico global del edifico o instalaciones que, además de integrar a los anteriores, examine las posibles relaciones entre ellos, tanto en el aspecto funcional como en el de contratación y suministro de energía. 27 El diagnóstico reflejará la problemática que conduce a la ineficiencia energética de los sistemas e indicará las desviaciones de las características del sistema con relación a los valores óptimos utilizados y las posibles causas de estas desviaciones. Con todo ello, los parámetros y ratios a calcular tras la realización del inventario energético serán de los siguientes tipos: Ratios de potencia. Potencia térmica y eléctrica instalada en cada uno de los sistemas generadores y consumidores de energía del edificio (kW), ratios de potencia instalada por sistema, ocupación, superficie, horas de actividad, etc. Ratios de consumo. Consumos anuales de los distintos tipos de combustible, electricidad y energía en general (kWh/año), ratios de consumo por ocupación, superficie, horas de actividad, etc. Ratios económicos. Gasto anual en electricidad, en combustibles y en energía en general (€/año), coste medio de la electricidad, combustibles y energía en general (€/kWh), ratios de gasto por ocupante, superficie, horas de actividad, etc. Ratios de emisiones de CO2. En base a los coeficientes de emisión de CO2 asociados a cada tipología de combustible, teniendo en cuenta la correspondiente actualización anual de los mismos, se determinarán ratios referentes a emisiones de CO2 por consumo de electricidad , por consumo de combustibles y por consumo de energía en general, ratios de emisiones de CO2 por ocupante, por superficie, etc. Por último, a modo de sumario, conviene realizar los siguientes gráficos: 28 Evolución del consumo de energía del edificio en un determinado intervalo de años. Distribución de potencias y consumos por tipos de fuente de energía en un determinado año. Evolución de la distribución de potencias y consumos por tipos de fuente de energía en un determinado intervalo de años. Distribución de las distintas tecnologías y equipos existentes en el edificio para cada uno de los sistemas o instalaciones del mismo. Distribución del consumo de energía por instalaciones y sistemas en un determinado año. Evolución de la distribución del consumo de energía por instalaciones y sistemas en un determinado intervalo de años. Capítulo 2. Inventario energético de edificios A continuación se describen los principales parámetros que se requieren para la construcción del diagnóstico energético de la situación de partida de un edificio y su instalación energética, separados según sean: datos climáticos, equipos (ofimática, ascensores, otros), sistemas de generación de agua fría o caliente, sistemas de disipación, autónomos / subsistemas secundarios de tratamiento de aire, agua caliente sanitaria, transporte de agua, transporte de aire, epidermis, iluminación, condiciones ocupacionales y funcionales. 2.3.1 Datos climáticos Se requieren los datos climáticos que afectan al edificio en cuestión, para ello la mejor opción es la instalación de una estación meteorológica durante el proceso de evaluación. Durante la fase de actuación esta recogida de datos climáticos es de vital importancia y debe estar operativa desde el inicio. Los datos mínimos a recoger son: Temperatura seca [°C]. Humedad relativa [%] o absoluta [kg agua/kg aire seco]. Radiación global sobre superficie horizontal [W/m2]. Si fuera posible, radiación directa [W/m2]. 2.3.2 Equipos de ofimática, ascensores y otros Estos consumos suponen un porcentaje importante de la factura eléctrica del edificio, pero en muchas ocasiones se menosprecian, al estar enmascarados con el resto de servicios energéticos. Corresponden al resto de consumos eléctricos del edificio, que no forman parte de los servicios de calefacción, refrigeración e iluminación, detallados posteriormente. Pueden englobarse en tres grupos generales: Equipos informáticos: debe conocerse el número de ellos en los espacios representativos del edificio, así como su potencia eléctrica promedio [kW/m2], considerando las divisiones necesarias para describir la carga interna de los espacios. Ascensores: debe definirse la cantidad, el tipo de motor eléctrico, el tipo de tracción, el tipo de regulación, la potencia eléctrica nominal [kW], las horas de uso anuales. Otros consumidores: debe determinarse el tipo de consumidor, el número de cada tipo concreto, su potencia eléctrica [kW], las horas de uso anuales. 29 2.3.3 Sistemas de generación de agua fría o caliente Los sistemas de generación de agua fría o caliente, o sistemas primarios, tienen como finalidad la de producir agua fría (normalmente a 7°C) o caliente (a 35°C) para combatir las cargas térmicas de los sistemas secundarios. Los principales tipos de sistemas primarios son: plantas enfriadoras, bombas de calor (de 2 ó 4 tubos) y calderas. Los parámetros que deben conocerse de la instalación en general son: Tipo de sistema, año de instalación y número. Inicio y fin del periodo de calefacción y refrigeración. Número de horas/día y número de días a la semana que opera el sistema. Demanda del sistema: estimación del perfil horario de la carga requerida y de la energía entregada (gestión del sistema). Tipo de control de encendido y apagado. Y los parámetros que deben conocerse de cada sistema en particular son: 30 Potencia frigorífica/calorífica en condiciones nominales [kW]. EER/COP (instantáneo, medio horario, medio diario, medio estacional. Consumos previsto en diseño y real de energía eléctrica [kWh]. Consumos previsto en diseño y real de energía primaria [TEP]. Costes previsto y actual de funcionamiento [€]. Temperaturas prevista y actual de salida del agua del evaporador [°C]. Temperatura del agua a la entrada y salida del condensador [°C]. Temperatura de agua en los colectores / consumidores [°C], pérdidas en transporte. Caudales de agua circulantes. Tipo de planta enfriadora: condensación por aire, agua de torre o agua de pozo. Tipo de combustible asociado al sistema de generación: eléctrica efecto Joule, eléctrica bomba de calor, fueloil, gasóleo, gas natural, propano, butano, combustible sólido. Tipo de regulación del sistema. Sistemas de apoyo acoplados: potencia y tipo. Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.3.4 Sistemas de disipación En los sistemas de climatización en los que se utiliza agua como fluido caloportador se requiere la cesión del calor residual a un foco frío. En los edificios existentes, las instalaciones más habituales de disipación de calor son los aerocondensadores, las torres de evaporación o el uso de una fuente de agua bruta, procedente de un reservorio natural (pozo o río). La descripción de estos sistemas requiere los siguientes datos: Aerocondensadores: condiciones nominales del sistema / de diseño, consumo real, rendimiento real, evaluación de las condiciones físicas de la instalación. Torres evaporativas: condiciones nominales del sistema / de diseño, condiciones reales de funcionamiento: 2.3.5 - Temperatura de entrada y salida del aire [°C]. - Temperatura de entrada y salida del agua [°C]. - Eficiencia del sistema evaporativo. - Consumo de agua. - Consumo eléctrico del ventilador. - Estado actual: ensuciamiento, pérdidas de carga, mantenimiento. Agua bruta: temperatura de entrada y salida del agua, caudal de agua circulante, consumos asociados, eficiencia del sistema de intercambio, costes medioambientales asociados. Autónomos / subsistemas secundarios de tratamiento de aire Los sistemas secundarios son los encargados de climatizar los espacios del edificio. Los autónomos son un caso particular de sistemas secundario más primario, ya que consumen electricidad para producir la energía térmica demandada. Los sistemas secundarios pueden clasificarse de forma genérica como: Todo aire - climatizadoras: caudal constante, caudal variable, climatizadora de aire primario, sólo ventilación, solo calefacción, recalentamiento terminal, enfriamiento evaporativo, doble conducto. Todo refrigerante/ mixtos refrigerante - aire - Autónomo: caudal constante/ variable de aire. Todo agua: fan-coil, radiador de agua, radiador eléctrico, suelo radiante, hilo radiante 31 En general, debe recopilarse la siguiente información: Tipo de Sistema: caudal constante o variable. Existencia o no de ventilador de Retorno. Caudales nominales de aire de impulsión y aire exterior [m3/h]. Potencias nominales de los ventiladores de impulsión y retorno [kW]. Temperatura del aire de impulsión [°C], en condiciones de diseño y reales. Si dispone de algún sistema de recuperación de energía: free-cooling, recuperación del calor del aire de extracción. Consignas de calefacción y refrigeración. En el caso particular de sistemas autónomos, debe conocerse: Tipo de sistema: caudal variable/constante de refrigerante, clasificación según sea compacto, dividido o multisplit. Potencias frigorífica y calorífica nominal [kW]. EER/COP medio estacional. Consumos previsto en diseño y actual de energía eléctrica [kWh]. 2.3.6 Agua caliente sanitaria El agua caliente sanitaria en edificios terciarios puede no ser un consumo importante, salvo en hoteles y hospitales, por ejemplo. Los parámetros a tener en cuenta son: 32 Tipo de sistema y año de instalación. Tipo de combustible asociado al sistema. Potencia nominal. Volumen y temperatura de acumulación de agua. Temperatura de consigna de producción de agua. Rendimientos nominal y real, en operación y estacional. Caudales circulantes y bombeo asociado. Temperaturas superficiales: definir problemas de aislamiento, nivel de pérdidas. Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.3.7 Transporte de agua En las instalaciones en las que el fluido de trabajo es el agua es importante considerar los consumos energéticos debidos a este uso. Los principales usos del bombeo de agua son: climatización, aguas residuales, reutilización de aguas grises, contra incendios. Dentro del uso de climatización, debe obtenerse la siguiente información: Planos de la instalación y condiciones de diseño. Tipo de sistema hidráulico: caudal constante o variable, caudales nominales. Horas/año de operación, número de bombas activas y en reserva, tipo de regulación. Medición de caudales reales mediante técnicas no intrusivas en diferentes puntos de la red para evaluar el equilibrado del sistema. Salto de temperatura de diseño en el sistema primario y en secundarios. Medición de temperaturas del agua en producción y demanda, comparación con las condiciones nominales de diseño. Temperaturas superficiales de tuberías mediante termografías o termómetros de contacto para analizar las pérdidas térmicas o posibles deficiencias en el aislamiento del sistema. Salto de presión real y de diseño en la bomba. Pérdida de carga sufrida en los elementos del circuito: baterías, intercambiadores… Medición de consumos eléctricos asociados a los equipos de bombeo para evaluar las condiciones de trabajo y el nivel de equilibrado de la instalación. 2.3.8 Transporte de aire En las unidades de tratamiento de aire, el transporte de aire supone el consumo principal, alcanzando valores cercanos al 30% en equipos autónomos. De la red de distribución de aire hay debe extraerse la siguiente información: Planos de la instalación y condiciones de diseño. Tipo de sistema: caudal constante o variable. Caudales nominales de aire de impulsión, retorno y exterior. Condiciones reales de la instalación: caudales y temperaturas. Potencia nominal del ventilador. Sobrepresión y pérdidas de carga reales y de diseño de la red. Rendimientos nominales del sistema y de la instalación. 33 Posición del motor respecto a la corriente (interior o exterior). Si se dispone de variador de frecuencia. Evaluación de posibles condiciones de trabajo a carga parcial o modos de operación erróneos: fugas, ensuciamiento… Temperaturas superficiales: nivel de aislamiento, pérdidas térmicas… 2.3.9 Epidermis Los principales parámetros a caracterizar de la envuelta de un edificio son el coeficiente global de transferencia por transmisión y el nivel de infiltraciones. Estos parámetros, en general, no se conocen, por lo que será necesario llevar a cabo algún procedimiento experimental para su determinación. Algunos de estos procedimientos se detallan en el punto siguiente 2.4 Caracterización de la epidermis. Además, para tener en cuenta la transferencia por radiación habría que realizar el siguiente inventario: Distribución, orientación y número de huecos en la envuelta. Características radiantes de estos huecos: tipo de hueco. Caracterización simplificada de sombras Tipo de carpinterías: permeabilidad y puentes térmicos 2.3.10 Iluminación En este punto, además del consumo eléctrico se debe perseguir la evaluación de la calidad de luminancia existente, de forma que se maximicen el aprovechamiento natural de luz y el rendimiento en el plano de trabajo. Para el consumo eléctrico, la potencia real consumida o absorbida por el sistema se determinará a través de mediciones eléctricas, ya sean puntuales o continuas, con aparatos de medida portátiles (analizadores de redes eléctricas, amperímetros, voltímetros, etc.). Los puntos de medición dentro de las instalaciones se determinarán previamente teniendo en cuenta que lo que se pretende medir es el consumo eléctrico de un determinado uso energético, objeto de estudio, por lo que se habrá que medir sobre el circuito propio del uso, aislándolo del resto de los usos energéticos del edificio o instalación. Se aprovecharán asimismo los equipos fijos de medición que se encuentren instalados, como por ejemplo contadores eléctricos, maxímetros, etc. Las mediciones continuas de los consumos energéticos se realizarán a lo largo de un periodo de tiempo que sea representativo y que refleje la posible estacionalidad de los consumos (invierno / verano, por ejemplo). Generalmente, midiendo un ciclo completo de 24 horas será suficiente para representar la evolución del consumo si el uso del edificio o instalación es 34 Capítulo 2. Inventario energético de edificios relativamente continuo y uniforme. Si la utilización es más variable, procede hacer medidas más de una vez en distintos periodos de tiempo. Para una instalación de alumbrado típica, es conveniente conocer: Cuadros: protecciones, sistemas de encendido y apagado, número de horas de operación, sistemas de regulación del flujo luminoso. Luminarias: número de luminarias y número de lámparas por luminaria, tipo de lámpara y equipo auxiliar, tipo de control, potencia unitaria lámpara, consumo real, tipo de montaje, tipo de reflector, tipo de difusor, tipo de encendido, nivel de iluminación medio [Lux], año de instalación, IEE índice de eficiencia energética. El cálculo del IEE se va a explicar con un ejemplo: dado un espacio de un área de 49m2 y una altura de 3.4m, con una potencia instalada de 444W entre equipos de iluminación y lámparas, el cociente entre la potencia instalada y el área abastecida asciende a 7.047 W/m2, por lo que el IEE (W/m2·100Lux)=7.047·(100/325)=2.168 Fuentes de luz: es conveniente utilizar un soporte digital (conjunto de hojas de cálculo o bases de datos, por ejemplo) para la toma de datos en las que se recogerá información relativa a: - Puntos de luz: Información sobre los tipos de lámparas y luminarias empleadas con las potencias instaladas en cada una de ellas. - Cuadros de mando: Información sobre los sistemas de encendido y de medida, elementos de maniobra y protección, así como sistemas de reducción en el caso de que se aplicasen. - Consumos eléctricos, facturación eléctrica. 2.3.11 Condiciones ocupacionales y funcionales La variable principal a analizar en este punto es el nivel de ocupación y el horario de demanda real del edificio, y con ello la magnitud de las cargas internas. Existen varias opciones para conocer el nivel de ocupación de un espacio, cada una de ellas ligada al nivel de aproximación que se quiera alcanzar. A continuación se detallan dos en concreto: una aproximada y otra más detallada. Opción 1: Nivel aproximación del nivel de ocupación / uso del espacio Esta vía simplificada permite establecer un orden de magnitud de la situación de partida del edificio, mediante la elaboración de encuestas y registro de datos. Se puede buscar un nivel de detalle asociado a la cantidad de muestras que se deseen elaborar, por ejemplo, los espacios se pueden agrupar haciendo la hipótesis de condiciones de ocupación idénticas. Esto haría que midiendo en detalle un espacio se pudiera extrapolar el resto del grupo, estableciendo un perfil de ocupación diario para cada uno de los días del año (diferenciando especialmente laborales – fines de semana – cambios de funcionamiento). 35 Opción 2: Nivel detallado de caracterización del uso del espacio Sensores de presencia Esta alternativa es válida cuando mediante un valor binario se puede acotar el uso del espacio. Por ejemplo para un despacho de un solo individuo, o cuando se quiere hacer un control todo/nada en función de existe o no ocupación: desconexión de iluminación, de unidades de climatización… Hay que destacar que la calidad de este sensor está ligada a la cobertura admisible, pudiendo tratarse de una red de sensores en lugar de un solo sensor. De esta forma, se puede acometer un nivel de ocupación con más precisión si se divide el espacio por sectores y cada sector se monitoriza con un sensor. Contadores Existe multitud de soluciones comerciales. El funcionamiento de todas es el mismo: se instalan una serie de sensores barrera en los accesos al espacio. Estas barreras detectan el paso hacia el interior de una persona o su salida del mismo, queda registrado el número de personas que hay en el habitáculo desde la puesta a cero del mismo. Nivel de CO2 El fundamento de esta metodología se encuentra en la norma UNE 100-01191, en la que se establece que una persona sana, con una dieta normal, genera una cantidad de dióxido de carbono que viene dada por: Donde qCO2 es la tasa de generación de dióxido de carbono en L/s por persona M es la actividad metabólica expresada en met En un estado estacionario del sistema de ventilación (tiempo de muestreo amplio), la relación entre el caudal de aire exterior, las concentraciones de dióxido de carbono y la tasa de generación de dióxido de carbono puede deducirse de un balance de masa de dióxido de carbono y resulta ser: Donde 36 Q es el caudal de aire exterior en I/s [CO2] recinto es la concentración media de dióxido de carbono en el local (ppm) [CO2] exterior es la concentración de dióxido de carbono en el exterior (ppm) Capítulo 2. Inventario energético de edificios De esta forma, conociendo el caudal de aire exterior que se impulsa por el sistema hacia el espacio se puede estimar el número de personas existentes en el mismo. Para ello convendría fijar la situación de referencia mediante la toma de datos “in situ” a partir de la opción 1 comentada con anterioridad, y posteriormente calibrar la medición del sistema con los datos recogidos (variación de concentración frente a variación de ocupación observada). Esta medida puede resultar interesante por su facilidad una vez que se ha calibrado y se ha puesto en funcionamiento, aunque tiene como desventaja la posible inexactitud de resultados en comparación con la anterior. 37 2.4 CARACTERIZACIÓN DE LA EPIDERMIS Como se ha comentado anteriormente, para la correcta elaboración del inventario energético de un edificio es conveniente conocer las características de la envolvente de dicho edificio. Los principales parámetros que deben conocerse son el coeficiente global de transferencia por transmisión a través de cerramientos y el nivel de infiltraciones. En general, estos parámetros no se conocen a priori, y no pueden ser calculados de forma directa. Por ello, se detallan a continuación diversas opciones para su obtención a través de experimentación, aplicándose además a ejemplos concretos. 2.4.1 Coeficiente global de transferencia La caracterización del coeficiente global de transferencia, denominado habitualmente UA, de un cerramiento requiere, en general, las siguientes mediciones: Temperatura del aire exterior, o, preferiblemente, temperatura de la superficie exterior del cerramiento, ya que puede medirse de forma más precisa, siempre y cuando se eviten los efectos radiantes y los puentes térmicos. Temperatura del aire interior, o, preferiblemente, temperatura de la superficie interior del cerramiento. Flujo de calor a través del cerramiento, o en su defecto, energía térmica aportada por el equipo de climatización ligado al espacio. Debe tenerse en cuenta que ésta última variable concentra todas las cargas térmicas del espacio, no solo la debida a transmisión, y el experimento puede perder precisión. La opción más sencilla y rápida para la determinación de este coeficiente implica la instalación de un fluxómetro, donde se registran las medidas anteriores y se realizan los cálculos pertinentes para la presentación directa en pantalla del UA del cerramiento donde se instale. A continuación, se describen dos métodos de cálculo, en caso de que no se disponga de este equipo, basados en las mediciones descritas anteriormente. Cada uno de ellos se pone en práctica mediante un ejemplo real. A. Método 1: Nivel de mediciones bajo – promedio diario En la referencia [27] se describe un método simplificado para el cálculo del UA basado en técnicas de regresión, analizando la energía consumida por el sistema de calefacción en una base temporal fija (normalmente mayor que un día) frente a la diferencia media de temperaturas interior y exterior: ( ) Donde: Q 38 Es la energía [kWh] aportada por el sistema de climatización. Capítulo 2. Inventario energético de edificios Es la temperatura exterior media en el intervalo. Es la temperatura interior media en el intervalo. Corresponde al coeficiente de transferencia global UA del espacio con el exterior en cada periodo [kWh/K]. De este modo, el valor medio buscado del coeficiente global de transferencia ̅ sería el promedio de los valores válidos calculados. Lyberg y Honarbakhsh (1989) mostraron que el error cometido en esta estimación es muy sensible a la longitud de la base temporal, y al tipo de edificio, por lo que debe descartarse su uso para una base de tiempo inferior a un día. Ejemplo de aplicación A modo de aplicación práctica se hace una síntesis de la caracterización de las pérdidas térmicas a través de una fachada ventilada, enmarcado en el trabajo realizado por el grupo de Termotecnia como participante en el proyecto de investigación MECLIDE, subvencionado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial CDTI. Esta fachada, además de tener vidrio doble protegido por una capa de aislamiento de 2 cm, incluye unas lamas huecas rellenas de material PCM, con el objetivo de almacenar energía como elemento activo en el combate de cargas térmicas. Figura 8. Izda: esquema de la célula experimental (2.4 x 2.4 x 5 m). Drcha: esquema de la fachada ventilada acoplada a la cara sur de la célula experimental. Las características de este sistema durante el experimento, y para el objetivo que concierne, son las siguientes: El espacio interior se mantiene a una temperatura constante, entre 28 y 32°C. La fachada ventilada recibe aire a través de tres ventiladores situados en la parte inferior de la misma. Este aire procede durante 12h (8 am a 20 pm) del interior del espacio, el resto del tiempo procede del exterior. De esta manera se realiza durante 39 cada periodo de 24h un ciclo completo de carga (durante la circulación del aire interior caliente) y descarga (mediante el aire exterior frío) de las lamas de PCM. Las mediciones que se realizaron, durante el periodo del 03-12-2011 al 12-12-2011, fueron: velocidad del aire en la cámara, temperatura superficial exterior e interior del muro, temperatura del PCM en las lamas, variables climáticas y temperatura del aire en la entrada y salida de la cámara. El estudio se lleva a cabo sobre la mitad inferior del muro, que corresponde a la zona con un nivel de pérdidas más crítico: el aire caliente penetra en la cámara desde la parte inferior. El objetivo que se persigue es la evaluación de las pérdidas térmicas a través del cerramiento vidrio + aislante + marco metálico instalado en la fachada. Dado que en la celda la temperatura interior se mantiene constante, puede considerarse un estado estacionario de forma que el flujo de energía a través del cerramiento corresponde a dichas pérdidas, y puede caracterizarse el coeficiente de transferencia si se conocen éstas. Luego el balance de energía que se debe hacer sobre este elemento para el cálculo de pérdidas es el siguiente: Energía calorífica transferida por el aire = Energía absorbida por el muro + Energía acumulada por las lamas de PCM + Pérdidas a través del cerramiento exterior (vidrio) Todos los términos del balance aparecen caracterizados salvo el de pérdidas que se quiere calcular, resultando el siguiente gráfico. 40000000 35000000 30000000 Energy MJ 25000000 20000000 Lost through glass MJ Absorbed by PCM MJ AbsorBed by wall MJ 15000000 10000000 5000000 12-12-11 11-12-11 10-12-11 9-12-11 8-12-11 7-12-11 6-12-11 5-12-11 4-12-11 3-12-11 0 Figura 9. Balances de energía realizados sobre la fachada ventilada 40 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Conocidas entonces las pérdidas diarias en el periodo de experimentación a través del cerramiento se procede a la caracterización del coeficiente de transferencia global, particularizando la expresión anteriormente descrita: ( ) Donde: es la temperatura convectivo-radiante promedio en el interior de la cámara [°C]. es la temperatura sol-aire exterior [°C]. es el área del cerramiento de la mitad inferior de la fachada [m2]. es el coeficiente de transferencia buscado [W/m2·K]. Los resultados diarios se muestran en la tabla siguiente, donde se indican las temperaturas promedio diaria sol-aire y del interior de la cámara, así como el coeficiente global de pérdidas diario: Fecha ( ) [°C] [°C] [°C] [W/K] [W/m2K] 3-12-11 26.85 10.60 16.25 19.56 4.29 4-12-11 31.39 17.88 13.51 25.87 5.67 5-12-11 26.64 12.81 13.83 15.40 3.38 6-12-11 29.28 17.52 11.76 22.68 4.97 7-12-11 31.11 17.69 13.43 25.87 5.67 8-12-11 29.37 18.57 10.80 27.50 6.03 9-12-11 27.54 10.51 17.03 6.88 1.51 10-12-11 29.16 11.45 17.71 16.94 3.71 11-12-11 29.21 10.95 18.25 15.12 3.32 12-12-11 28.89 14.06 14.83 16.53 3.63 Superficie 4.56 m2 Media 4.22 Tabla 2. Tabla de resultados del análisis realizado sobre la fachada ventilada en el periodo de calentamiento. 41 Como se concluye de la tabla anterior, el coeficiente global de pérdidas de la fachada puede considerarse de 4.22 W/m2·K. Para conocer la validez de este resultado se realiza un análisis del orden de magnitud esperado para este coeficiente evaluando los componentes que lo forman. En primer lugar, se tienen las siguientes propiedades para el vidrio y el aislante por separado, para el vidrio y el aislante agrupados, y para el marco metálico: Vidrio 2 U=3.5 W/m K 2 He=25 W/m K 2 Hi = 7.7 W/m K 1/U=1/he+Rv+1/hi Aislante e=0.02 m K=0.03 W/mK Ri=0.66 2 Rv=0.12 m K/W Vidrio + Aislante 1/Uv+i=1/he+Rv+Ri+1/hi 2 Uv+i=1.11 W/m K Marco metálico 2 UF=14 W/m K Agrupando todos los elementos: Escenario 1: 80% del area (vidrio + aislante)+20%(marco metálico) 1/Ug=0.8Uv++0.2UF 2 U =3.7 W/m K g Escenario 2: 70% del area (vidrio + aislante)+30%(marco metálico) 1/Ug=0.7Uv++0.3UF 2 Ug=5 W/m K 2 U = 5 – 3.7 W/m K g Esta estimación del orden de magnitud posible del coeficiente global de transferencia de calor a través del cerramiento, arroja tranquilidad sobre el valor calculado con anterioridad. 42 Capítulo 2. Inventario energético de edificios B. Método 2: Método del promedio Definido en la referencia [28], consiste en la aplicación del método clásico en régimen permanente: “the average method”. Son necesarias tres medidas: temperatura interior (K), temperatura exterior (K), y flujo de calor a través de la pared (W/m2). El intervalo de tiempo entre medidas es normalmente de una hora. De la siguiente fórmula se obtiene la estimación de la resistencia térmica después de N medidas: ∑ ( ) ∑ Lo que equivale a dividir la diferencia de temperaturas media entre el flujo de calor medio. De acuerdo al documento CEN/TC89/WG8 N90, “Building components and elements – in situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance (ISO 9869)”, este método es preciso si se cumple que: I. La duración del test excede las 72 horas (3 días). II. La estimación al final del periodo de test no debe desviarse más del 2% de la estimación 24 horas antes. III. La estimación correspondiente a los 2-3 primeros del periodo no debe desviarse más del 2% de la estimación de los 2-3 últimos. IV. Durante el experimento la pared no debe estar expuesta ni a radiación solar ni a penetración de lluvia. V. El cambio de la energía interna de la pared debe ser menor que el 2% del flujo que pasa a través de la pared durante el periodo de test. Este cambio puede estimarse como la diferencia entre la temperatura media de la pared al comienzo y al final del test (K), multiplicado por el calor específico (J/kg·K) y la masa de la pared (kg/m2) Dichas condiciones reflejan la necesidad de un escenario estable y controlado durante el periodo de medida, lo que en la práctica no suele ocurrir. Una modificación del método anterior desarrollada en la referencia [29] permite con el mismo fundamento obtener el valor del coeficiente buscado. El valor de U puede estimarse con una simple media, donde es necesario medir el flujo de calor a través de la pared mediante un fluxómetro, y las temperaturas interior y exterior en intervalos de una hora: ∑ ∑ ∑ Hay inconvenientes en el uso de las temperaturas interna y externa del aire, en términos de las incertidumbres introducidas. En el caso de la temperatura interna puede haber estratificación, luego la temperatura medida puede no ser representativa de la localización del fluxómetro. Mientras que la temperatura externa puede ser representativa para el edificio, en la superficie externa puede haber exposición a radiación solar e intercambio radiante con los alrededores. Esto ocurre con el resto de técnicas comentadas, por lo que la opción recomendada 43 sería el uso de las temperaturas superficiales internas y externas, un superficies representativas del elemento que se quiere caracterizar, evitando influencias de radiantes o puentes térmicos. Ejemplo de aplicación Sobre una célula experimental similar a la presentada en el punto anterior, pero sin el acoplamiento de una fachada ventilada se realiza el siguiente experimento. Se mantiene a temperatura interior constante, 30°C, durante los periodos: 21-11 al 2611 y 28-11 al 02-12 del año 2011. Se realizan las siguiente mediciones: temperatura y humedad exterior (Lleida), radiación solar, temperatura y humedad interior, temperatura superficial interior de cada muro, temperatura superficial interior de cubierta y suelo, energía eléctrica consumida por el sistema de climatización (bomba de calor). Las mediciones realizadas sobre la celda para el periodo de análisis son las que se representan en la siguiente figura: Figura 10. Datos medidos del experimento sobre la célula experimental Del periodo experimental se extraen los datos del intervalo del 29 de noviembre de 2011 al 2 de diciembre de 2011 debido a que la radiación global sobre superficie horizontal medida en esos días es lo suficientemente baja. De esta forma se puede hacer la hipótesis de que las ganancias de calor a través de los cerramientos opacos (único tipo de cerramiento presente en la célula) son despreciables, pudiendo asociar la energía calorífica entregada por la bomba de calor a las pérdidas por transmisión. 44 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Figura 11. Radiación global horizontal W/m2 medida sobre la célula de ensayo Según la expresión antes detallada, y tomando como variables las temperaturas superficiales de los cerramientos, se tiene que: ∑ ( ) ∑ Donde RN es equivalente a 1/UGLOBAL. Dado que las temperaturas superficiales se miden en cada una de las superficies de la celda, la temperatura que se considera es la media ponderada por las áreas de cada uno de los cerramientos. A su vez la energía calorífica suministrada por la bomba de calor no es medida como tal, sino que se tiene un contador del consumo eléctrico del sistema. Para calcular de forma simplificada la energía calorífica asociada al consumo eléctrico medido se requieren las condiciones nominales del sistema, y la variación de las mismas en función de la carga parcial y de las condiciones climáticas; puesto que esto último no aparece en el catálogo del fabricante, se aproximarán con las curvas de comportamiento de autónomos que usa CALENER GT. Sistema: ASHA07LCC-AOHR07LCC Inverter Fujitsu (existen dos unidades instaladas en la celda). Cada unidad es medida por separado, por lo que se calculan por separado y se suma la energía calorífica aportada por cada unidad en el paso de tiempo elegido. Cada una de ellas tiene las siguientes características: Figura 12. Captura del manual técnico de la BdC instalada en el experimento 45 Las curvas que se necesitan son las siguientes (pág. 43 Manual de curvas de CALENER GT): Figura 13. Capturas del manual de curvas de CALENER GT El procedimiento seguido para calcular la energía calorífica aportada es el siguiente: 1. A partir de la curva [COP_ELEC_T] se calcula el factor corrector del consumo asociado a las condiciones climáticas y de operación del sistema. 2. Puesto que se conoce el consumo eléctrico real y el nominal, se despeja el factor corrector del consumo eléctrico debido a la carga parcial de la siguiente fórmula [COP_ELE_FCP]: Consumo eléctrico real (W)=Consumo eléctrico nominal (W) · [COP_ELEC_T] · [COP_ELE_FCP] A partir de este parámetro se calcula el factor de carga parcial con el que se encuentra trabajando el sistema (relación entre la potencia calorífica real entregada y la nominal). A continuación se presenta la evolución de las temperaturas exterior e interior, del aire y superficiales, en los días bajo estudio: 46 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 35 30 25 20 15 10 5 0 28-11 29-11 30-11 Temp. Exterior ºC Temp. Superficial exterior ºC 1-12 2-12 3-12 Temp. Interior ºC Temp. Superficial interior ºC Figura 14. Temperaturas superficiales y del aire medidas Con estas temperaturas y la energía calorífica entregada por el equipo, asumiendo la hipótesis de que esta energía corresponde únicamente a las pérdidas a través del cerramiento, se calcula el coeficiente de transferencia buscado, comparando dos escenarios: Escenario A) : se considera la diferencia de temperaturas superficiales en los cerramientos USUPERFICIE-SUPERFICIE= 1.45 W/m2·K Escenario B): se considera la diferencia de temperaturas aire exterior – aire interior UAIRE-AIRE= 1.18 W/m2·K Este valor es el calculado entre los días 29 de noviembre al 1 de diciembre, probando que el valor calculado para el día 2 de diciembre de 2011 difiere un 0.8% (superficie-superficie) y un 0.95% (aire-aire) con respecto al estimado en el periodo anterior, por lo que se puede considerar una situación de régimen permanente. Al igual que con el método anterior, se va a realizar una estimación teórica del coeficiente de transferencia de los cerramientos a partir de su composición, considerando el suelo adiabático: 47 MURO Termoarcilla Enfoscado CUBIERTA Arena y grava Poliestireno Árido Hormigón Espesor Conductividad Densidad UmuroW/m2K (m) (W/mk) (kg/m3) 0.29 0.04 0.421 1.4 1080 2100 Espesor Conductividad Densidad (m) (W/mk) (kg/m3) 0.06 0.08 0.04 0.25 8 0.046 0.35 1.323 1450 30 1000 1330 1.39 Ucubierta W/m2K 0.49 Tabla 3. Tabla de resultados del análisis analítico de las transmitancias asociadas a los muros de la celda experimental A la vista de los resultados del coeficiente de transferencia para muro y cubierta, se tiene que el coeficiente global teórico es: U teórico = 1.30 W/m2·K Este valor es ligeramente inferior al estimado de forma experimental (alrededor del 11%), pero indica que puede aceptarse el valor estimado. C. Comparación entre los diferentes métodos. A partir del método del promedio pueden derivarse dos expresiones que evitan el uso de las temperaturas interior y exterior del aire, sustituyéndolas por las temperaturas superficiales. Luego conocido el salto de temperaturas entre las superficies exterior e interior, y utilizando las resistencias térmicas estándar interna y externa, respectivamente r int=0.13 m2K/W y rext=0.04 m2K/W (referencia [29]) puede escribirse: ∑ ∑ Incluso si no puede medirse la temperatura de la superficie externa, puede usarse el salto entre la temperatura de la superficie interior y el aire exterior: ∑ ∑ 48 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Si se aplican las tres expresiones a la celda de ensayo anteriormente descrita, pero en periodo de refrigeración, manteniendo la temperatura interior constante (17 ºC) durante una semana, se obtienen los siguientes resultados: Método ∑ ∑ ∑ UA 0.16053434 ∑ ∑ 0.107409951 ∑ 0.202845439 ∑ A la vista de estos resultados, se concluye que sólo por elegir un modo de cálculo u otro el valor obtenido de UA varía considerablemente, hasta un 100% de diferencia. Por un lado, la exigencia de tener unas condiciones cuasi-permanentes en la celda no se verifica al estar en refrigeración (existen periodos en los que la temperatura exterior es inferior a la del interior de la celda). Por otro, las mediciones sobre edificios existentes siempre suponen dificultades, el modelo introduce su propia incertidumbre, y la calidad de los datos experimentales generalmente es deficiente. 49 2.4.2 Infiltraciones Se describen a continuación dos métodos principales para la determinación experimental del nivel de infiltraciones de un espacio: mediante gases trazadores, que a su vez engloba tres opciones diferentes, y mediante el uso de una puerta soplante. A. Método: Gases Trazadores Descripción basada en la referencia [30]. El gas más utilizado como trazador es el hexafluoruro de azufre (SF6), seguido de los freones (R-12, R-13B1, R-115) que, además de ser poco tóxicos y no encontrarse habitualmente en el aire, presentan límites de detección muy bajos. El uso de CO2 tiene como máximo inconveniente el de ser un componente habitual del aire, teniendo en cambio la gran ventaja de su bajo costo. En cuanto a los equipos de medida, un monitor de infrarrojo tiene sensibilidad suficiente para el N20, permitiendo la lectura continua de la concentración del mismo en el aire. Sin embargo, la humedad ambiental y el CO2, presente pueden interferir en la respuesta del monitor a las condiciones de trabajo en que se realizan las mediciones. La medición puede realizarse por espectroscopia infrarroja (IR) a niveles de partes por millón (ppm) (10-6) y por cromatografía de gases con detector de conductividad térmica (CGHWD) para el dióxido de carbono o con detector de captura de electrones (CG-ECD) para el óxido de dinitrógeno, compuestos halogenados y hexafluoruro de azufre, a unos niveles para estos últimos compuestos de ppb (10-9) e incluso ppt (10-12). Con ello se puede disminuir el volumen de gas trazador necesario en el caso de sistemas extensos, aunque desde el punto de vista analítico hay que tener en cuenta que los sistemas de CG-ECD son de difícil estabilización, precisan de frecuentes calibraciones y dan una respuesta secuencial y no lineal, lo que puede dificultar su conexión a un ordenador para tratamiento de los resultados. Los tres métodos están basados en la ecuación de balance de masa, según la cual la variación de la cantidad de gas trazador presente se obtendrá como: Donde: V: volumen de aire del recinto [m3] C: concentración del gas trazador en el aire del recinto [m3/m3] : Tiempo [h] F: velocidad de introducción de gas trazador en el recinto [m3/h] C0: concentración de gas trazador en el aire exterior [m3/m3] Q: caudal de aire a través del recinto [m3/h] 50 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 1. Caída de concentración Consiste en introducir una cantidad conocida de gas trazador en el recinto que se quiere controlar, mezclarlo completamente con el aire para obtener una concentración uniforme, y medir la caída de la misma a lo largo de un periodo de tiempo. Esto se puede llevar a cabo mediante la toma y análisis de muestras de corta duración o mediante sistemas continuos de medida. Para lograr unas condiciones iniciales adecuadas el gas trazador puede liberarse a través del sistema de ventilación o en un punto del recinto, necesitando entonces un sistema mecánico (ventilador) para lograr una concentración homogénea. Utilización: renovaciones de aire discretas en periodos cortos. Ventajas: equipo de medida sencillo y de bajo coste, poco consumo de gas trazador. Inconvenientes: no indicado para mediciones de larga duración. Equipo mínimo: botella de gas trazador, ventilador, monitor de gas. La velocidad de renovación del aire se calcularía según: ( ) Dónde: : Tiempo [h] : Concentración en el tiempo 0 [m3/m3] : Concentración en el tiempo t [m3/m3] N: Nº de Renovaciones hora del aire en el espacio Con ello, el caudal de infiltraciones (Q exterior) puede calcularse como: [ ⁄ ] Ejemplo de aplicación: Dióxido de carbono De la referencia [31]. Consiste en medir, en el local sin ocupantes, la disminución de concentración de dióxido de carbono en un periodo de tiempo. Para ello se parte del fundamento de la fórmula anterior, con la salvedad de que ahora puede haber concentración de este contaminante en la sala antes de comenzar el experimento, de ahí que se tenga que hacer una corrección en la misma, tal y como sigue: 51 Donde: : Tiempo [h] : Concentración exterior de dióxido de carbono [ppm] : Concentración inicial de dióxido de carbono [ppm] : Concentración final de dióxido de carbono [ppm] Debe tenerse en cuenta la precisión del instrumento de medida de concentraciones de dióxido de carbono. La revisión bibliográfica desvela la siguiente conclusión en cuanto a precisión: Para tener estimaciones del caudal de aire exterior con un error inferior al 5% es necesario que la diferencia de concentraciones sea superior a 500 ppm si se dispone de un instrumento de precisión ±10 ppm, o bien disponer de una precisión de medida mejor que ±2 ppm para poder estimar el caudal cuando la diferencia es de 100 ppm. Cabe comentar un ejemplo bajo el proyecto PSE-ARFRISOL, en la referencia [32], se ha realizado con CO2 industrial y las medidas se han realizado con un medidor portátil multifunción TESTO 400 acoplado a una sonda de medición de concentración de CO2 (de rango 0-10000 ppm y precisión 100 ppm +3% del valor medido). Se realizó una batería de experimentos sellando todos los posibles orificios de intercambio de aire entre el despacho analizado y sus diferentes fronteras tanto interiores como exteriores. Se procedió al sellado de las rejillas de impulsión de aire de los impulsores, de la rejilla de retorno de aire de la estancia, de la puerta de acceso al pasillo y de las tomas eléctricas (descartando éstas últimas como fuentes de intercambio de aire no premeditado al no variar apreciablemente las medidas). Se realizaron además experimentos con el sistema de ventilación mecánica en funcionamiento. Los resultados se encuentran en periodo de estudio. 2. Emisión constante Consiste en liberar el gas trazador en el recinto a una velocidad constante a lo largo de todo el periodo de medida. Cualquier cambio que se presente en la concentración de gas trazador estará relacionado con la velocidad de renovación. 52 Utilización: renovaciones continuas de aire durante periodos largos. Ventajas: equipo de medida sencillo. Inconvenientes: consumo elevado de gas trazador. Equipo mínimo: botella de gas trazador, medidor de caudal , ventilador, monitor de gas. Capítulo 2. Inventario energético de edificios Si la velocidad de introducción de gas trazador en el recinto y la concentración del gas que se va a medir son constantes, las renovaciones de aire se calculan mediante la fórmula: Donde: F: velocidad de introducción de gas trazador en el recinto [m3/h] V: volumen de aire del recinto [m3] C: concentración del gas trazador en el aire del recinto [m3/m3] Ejemplo de aplicación: SF6 De la referencia [33]. Considerando y las concentraciones final e inicial del gas SF6, el comportamiento del valor de ( )fue correlacionado linealmente frente al tiempo mediante la siguiente fórmula: Si se relaciona con la fórmula fijada en esta sección, se observa que se debe admitir que la tendencia del experimento requiere un valor constante (fugas hacia el interior del espacio). De forma que | | es el valor ( ) y la renovación del aire se corresponde a: El caudal de infiltración (m3/h) de aire puede ser calculado a partir de las renovaciones hora del espacio y el volumen del mismo. 3. Concentración constante Puede aplicarse en los mismos casos que el método de la emisión constante. En este método el gas trazador se dosifica para mantener su concentración constante. Utilización: renovación continua de aire en edificios ocupados. Ventajas: permite medir la renovación media de aire en periodos largos con variaciones en la renovación, y dar detalles de las mismas. Inconvenientes: coste de gas trazador elevado, equipo de medida caro. Equipo mínimo: botella de gas trazador, medidor de caudal, ventilador, monitor de gas, dosificador del gas trazador. En este caso, la renovación del aire es directamente proporcional a la velocidad de emisión de gas trazador requerida para mantener la concentración constante, como sigue: 53 Donde: F: velocidad de introducción de gas trazador en el recinto [m3/h] V: volumen de aire del recinto [m3] C: concentración del gas trazador en el aire del recinto [m3/m3] B. Método: Puerta soplante (blowingdoor) Las puertas soplantes se utilizan comúnmente para medir las infiltraciones de aire en edificios. En el test, descrito en ASTM Standard E779 (ASTM, 1999), se mide el flujo de aire necesario para presurizar una zona única, para varios saltos de presión entre el interior y el exterior. Consiste en situar a sobrepresión todo el espacio mediante la instalación de ventiladores impulsando aire, creando cierta hermeticidad en los elementos interiores (enchufes, puertas…), para caracterizar las infiltraciones a partir del caudal del ventilador. Ejemplo de aplicación: En el experimento de la referencia [34] se utilizaron durante las mediciones dos ventiladores en tres configuraciones diferentes: un solo ventilador (superior o inferior) y los dos ventiladores en paralelo. En todos los casos se efectuaron pruebas con la puerta interior cerrada o abierta en diferentes posiciones. Las fórmulas utilizadas para este análisis son las siguientes: El flujo de aire cuando se activa sólo el ventilador 1 es: ̇ ⁄ Si se activa sólo el ventilador 2: ̇ ⁄ Y con los dos ventiladores activos a la vez: ̇ ⁄ Siendo DP la diferencia de presión aportada por el ventilador en el momento que se alcanza el régimen permanente de funcionamiento. En el caso de que las fugas de aire se vean limitadas por la resistencia del flujo a la entrada y la salida de las grietas (es decir, la resistencia por arrastre es despreciable), la ecuación de Bernoulli a partir de la mecánica de fluidos básica se reduce a la ecuación del orificio: 54 Capítulo 2. Inventario energético de edificios √ Donde es caudal de aire, es la diferencia de presiones, es la densidad del aire, y ELA es el área efectiva de infiltraciones del edificio, cuando la diferencia de presiones toma un valor de referencia. En US, la presión de referencia utilizada normalmente es de 4 Pa. En la práctica, los ensayos con puerta soplante se llevan a cabo usualmente con diferencias de presión elevadas, para minimizar los errores de medida. Además, ELA depende del salto de presiones entre el interior y el exterior, así que es necesario extrapolar los resultados experimentales para determinarla a la presión de referencia. En el ejemplo mencionado se asume: Donde k y n son, respectivamente, el coeficiente de infiltraciones y el exponente de dicha ley. Combinando ambas expresiones, puede evaluarse la ELA a la presión de referencia: √ ( ) Las viviendas unifamiliares en USA tienen, en general, valores de ELA (a 4 Pa) entre 0.04 m (hermético) y 0.3 m2 (abierto). 2 El área efectiva de infiltraciones se usa en los modelos de infiltración para predecir el flujo de aire en función de la velocidad del viento, y el salto de temperaturas entre el interior y el exterior. El modelo de infiltraciones LBL define el flujo de aire como: √ Donde s se conoce como la tasa específica de infiltraciones, que es función del salto de temperaturas entre el interior y el exterior , y la velocidad del viento . Los parámetros fs y fw corresponden a los factores de tiro térmico y de viento, respectivamente, y sus valores dependen de la geometría y de la distribución de infiltraciones en el edificio. 55 2.5 DETERMINACIÓN DE RENDIMIENTOS INSTANTÁNEOS Para discernir si un equipo o sistema concreto funciona de forma adecuada, o si por el contrario necesita ciertas mejoras, es imprescindible conocer su rendimiento. En general, el rendimiento no se conoce a priori, pero en la literatura pueden encontrarse diversos métodos para su determinación. Se presentan a continuación procedimientos concretos para generadores de frío, como plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire, así como para generadores de calor, como calderas. 2.5.1 Generadores de frío En la “Guía técnica IDAE 2. Procedimientos para la determinación del rendimiento energético de plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire” pueden encontrarse dos métodos para la determinación experimental de rendimientos instantáneos en plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de aire: directo e indirecto, que se resumen a continuación. En el primero de ellos la toma de datos se lleva a cabo sobre el fluido frigorígeno, en el segundo, sobre el fluido exterior. Si se requiere información más detallada puede consultarse dicha referencia. A. Método directo Como ya se ha comentado, se basa en la toma y evaluación de datos de funcionamiento correspondientes al fluido frigorígeno, luego es aplicable tanto a plantas enfriadoras de agua como a equipos de tratamiento de aire. En realidad, determina exclusivamente el rendimiento frigorífico instantáneo del evaporador o el condensador de la maquina, correspondiendo el primero de ellos al rendimiento frigorífico instantáneo: Donde: : Coeficiente de eficiencia energética lado evaporador, equivalente al rendimiento frigorífico instantáneo . : Coeficiente de eficiencia energética lado condensador. : Potencia instantánea absorbida por el agente frigorígeno en el evaporador (potencia instantánea cedida por el fluido exterior del evaporador al agente frigorígeno), en kW. : Potencia instantánea cedida por el agente frigorígeno al fluido exterior del condensador, en kW. 56 Capítulo 2. Inventario energético de edificios : es la potencia eléctrica instantánea absorbida por la máquina para su funcionamiento, en kW (medida o calculada mediante expresión). Dichas potencias pueden obtenerse mediante las expresiones siguientes: √ Donde: : Diferencia de entalpías específicas entre la del líquido a la entrada del evaporador la del vapor a la salida del evaporador , en kJ/kg. y : Diferencia de entalpías específicas entre la del vapor a la entrada del condensador la del líquido a la salida del condensador , en kJ/kg. y : Entalpía del líquido subenfriado, necesario conocer presiones instantáneas de evaporación/condensación, y la temperatura real del líquido a la entrada de la válvula de expansión. : Entalpía del vapor recalentado, necesario conocer la presión y temperatura de aspiración. : Entalpía del vapor en la descarga del compresor, necesario conocer la presión y temperatura de descarga. : Caudal másico de vapor bombeado por el compresor, en kg/s (debe solicitarse al fabricante). : Desplazamiento volumétrico del compresor, en m3/s (debe solicitarse al fabricante). : Densidad del vapor aspirado por el compresor, en kg/m3 (de tabla de propiedades del fluido). : Tensión de fase de suministro eléctrico a la maquina, en Voltios (medición directa con un voltímetro, valor medio de las tres fases). : Intensidad de fase total absorbida por la máquina, en Amperios (medición con amperímetro de pinza, valor medio de las tres fases; comprobar que no existen desequilibrios superiores al 5%). : Medio de la máquina (medición directa mediante analizador de redes o instrumento específico, en su defecto suponer 0.8). 57 Notar que en el caso de que la máquina tuviera varios circuitos frigoríficos internos, se deben calcular los rendimientos de cada uno de ellos por separado, determinando la eficiencia de la máquina completa como la media de los rendimientos de cada circuito ponderada por sus potencias respecto a la potencia total del equipo. B. Método indirecto Se basa en la toma y evaluación de datos de funcionamiento correspondientes a fluidos externos a la máquina. Las expresiones son las mismas que en el método directo, pero las potencias instantáneas se determinan desde el lado “exterior”: Donde: : Coeficiente de eficiencia energética lado evaporador, equivalente al rendimiento frigorífico instantáneo . : Coeficiente de eficiencia energética lado condensador. : Potencia instantánea absorbida por el agente frigorígeno en el evaporador (potencia instantánea cedida por el fluido exterior del evaporador al agente frigorígeno), en kW. En enfriadoras de agua puede ser medida directamente utilizando un contador de energía intercalado en la tubería del circuito exterior del evaporador. : Potencia instantánea cedida por el agente frigorígeno al fluido exterior del condensador, en kW. En enfriadoras de agua también puede ser medida directamente utilizando un contador de energía. : es la potencia eléctrica instantánea absorbida por la máquina para su funcionamiento, en kW (medida o calculada mediante expresión). En este caso, dichas potencias se calculan de un modo u otro en función del fluido exterior, como sigue: Potencia térmica transferida al agua o salmuera exterior en un evaporador: ( Potencia térmica transferida al agua o salmuera exterior en un condensador: ( 58 ) ) Potencia térmica transferida al agua o salmuera exterior en un intercambiador para recuperación de calor, condensador auxiliar de recuperación, “desuperheater”, etc: Capítulo 2. Inventario energético de edificios ( ) Potencia térmica (calor total) transferida al aire que circula por el exterior de un evaporador o de un recuperador de frío, agente frigorígeno-aire, o agua, o salmueraaire: ( ) Potencia térmica (calor sensible) transferida al aire que circula por el exterior de un condensador o de un recuperador de calor, agente frigorígeno-aire, o agua, o salmueraaire: ( ) Donde: : Caudal volumétrico del fluido caloportador líquido [l/s, m3/s, m3/h] Éste puede medirse directamente con un caudalímetro instalado en la tubería del circuito exterior del intercambiador a analizar. Si no, puede obtenerse mediante alguno de los siguientes procedimientos: Determinando la pérdida de carga en el intercambiador midiendo las presiones de entrada/salida, y obteniendo el caudal de la curva característica caudal-pérdida de carga (dada por el fabricante). Midiendo la presión neta instantánea con la que está funcionando la bomba, por diferencia entre las lecturas de un manómetro situado alternativamente en la aspiración/descarga de ésta, o del consumo instantáneo, determinando la potencia consumida, obteniendo el caudal de las curvas características caudal-presión o caudalpotencia de la bomba (dadas por el fabricante). : Caudal volumétrico del aire en circulación evaporador/condensador/intercambiador [l/s, m3/s, m3/h] por el circuito exterior de Puede medirse directamente siguiendo las recomendaciones que establece la norma UNE 100010-2: 1989 (Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado. Parte 2: Mediciones), utilizando un anemómetro, preferentemente rotativo, que mida la velocidad del aire en circulación, determinando el caudal, conocida el área de paso, como: También puede determinarse mediante la curva caudal-presión de los ventiladores, midiendo mediante un tubo Pitot y un manómetro las presiones de aspiración y descarga. : Densidad (peso específico) del fluido caloportador líquido [kg/dm3, kg/m3] Se determina por medición directa con un densímetro o en tablas de propiedades (para el agua suele tomarse 1 kg/dm3). 59 : Densidad (peso específico) del aire [kg/m3] Suele tomarse 1.2 kg/m3, o determinarse mediante un diagrama psicrométrico. : Calor específico (a presión constante) del fluido caloportador líquido [kJ/kgK] Suele tomarse un valor de 4.18 kJ/kgK para el agua. : Calor específico (a presión constante) del aire [kJ/kgK] Suele tomarse un valor de 1.003 kJ/kgK. : Temperatura de entrada del fluido caloportador al intercambiador [ ] : Temperatura de salida del fluido caloportador al intercambiador [ ] : Temperatura de bulbo seco del aire a la entrada del intercambiador [ ] : Temperatura de bulbo seco del aire a la salida del intercambiador [ ] : Entalpía específica del aire húmedo a la entrada del intercambiador [kJ/kg] Se obtiene de un diagrama psicrométrico, mediante la temperatura seca y la temperatura húmeda o la humedad relativa. : Entalpía específica del aire húmedo a la salida del intercambiador [kJ/kg] Se obtiene de un diagrama psicrométrico, mediante la temperatura seca y la temperatura húmeda o la humedad relativa. 2.5.2 Generadores de calor En la “Guía técnica IDAE 5. Procedimiento de inspección periódica de eficiencia energética para calderas” pueden encontrarse dos métodos para la determinación experimental de rendimientos instantáneos de calderas: directo e indirecto, que se resumen a continuación. En el primero de ellos el rendimiento se determina mediante el calor útil aportado al agua, en el segundo, mediante el cálculo de pérdidas. Si se requiere información más detallada puede consultarse dicha referencia. A. Determinación del rendimiento por el calor útil aportado al agua (método directo) El rendimiento en este caso se calcula mediante la siguiente expresión: ̇ 60 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Donde: Rendimiento ̇ % Caudal de agua en la caldera kg/s Calor específico del agua kJ/kg Temperatura del agua a la salida de la caldera Temperatura del agua a la entrada de la caldera Consumo de combustible kg/s Poder calorífico inferior del combustible kJ/kg B. Determinación del rendimiento por las pérdidas en caldera y en gases de combustión (método indirecto) En este caso, el rendimiento se determina mediante las pérdidas en caldera y gases de combustión como sigue: ( ) En el sector edificación suele determinarse el denominado rendimiento de combustión, en el que se desprecian las pérdidas por radiación-convección, por su dificultad de medición y baja incidencia, modificándose la expresión anterior: ( ) A continuación, se desglosan los tres tipos generales de pérdidas en una caldera: a través del cuerpo, en los humos, y por inquemados. Pérdidas a través del cuerpo de la caldera Se producen por tres mecanismos: conducción en los apoyos, y convección y radiación a través de la envolvente, aunque las primeras no suelen tenerse en consideración. Su valor instantáneo puede ser determinado por vía experimental. Disminuye al aumentar la potencia de la caldera, pero a una temperatura constante de 80 se encuentra en los siguientes intervalos: Calderas estándar: 1.5 – 5 % Calderas baja temperatura / condensación: 0.5 – 2 % Pérdidas de calor sensible en los humos Estas pérdidas suponen en torno a un 6 – 10 % de la potencia nominal, aunque pueden aumentar si el mantenimiento de la caldera es deficiente. 61 Pueden calcularse mediante una de las dos expresiones siguientes, dependiendo si se conoce el caudal másico o volumétrico de humos: ̇ ̇ Donde: ̇ ̇ Pérdidas en humos % Caudal másico de humos kg/s Volumen másico de humos m3/s Calor específico de los humos kJ/kg Calor específico de los humos kJ/m3 Temperatura de los humos a la salida de la caldera Temperatura del aire ambiente de la sala de calderas Consumo de combustible kg/s Poder calorífico inferior del combustible kJ/kg El calor específico de distintos gases de combustión en función de la temperatura de éstos puede determinarse, por ejemplo, según la tabla siguiente: Tabla 4: Calor específico de gases de combustión Pérdidas por inquemados Estas pérdidas son debidas a la presencia de monóxido de carbono en los gases de escape a causa de una combustión incompleta, de forma que son muy pequeñas si la combustión es correcta. Pueden determinarse experimentalmente mediante la expresión siguiente: 62 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Donde: : Pérdidas por inquemados [%] : Contenido de monóxido de carbono [%] : Poder calorífico del monóxido de carbono : Poder calorífico inferior del combustible Si el combustible empleado es gaseoso, representa menos del 0.5 % de la potencia útil de la caldera. Si el combustible es líquido o sólido, puede aplicarse el método BACHARACH, en función del nivel de ennegrecimiento de los humos en comparación a una escala determinada, según la tabla siguiente: Tabla 5: Índice de BACHARACH 63 2.6 DETERMINACIÓN DE RENDIMIENTOS ESTACIONALES El rendimiento instantáneo de generación de un equipo representa el modo de funcionamiento de dicho equipo en un instante concreto. Es por ello que se hace necesario el cálculo del rendimiento estacional, que abarca el funcionamiento en un cierto periodo de tiempo, en función de las condiciones variables de funcionamiento y demanda de una instalación real. En primer lugar, es importante resaltar que no pueden extrapolarse los valores de rendimientos instantáneos para determinar rendimientos estacionales de forma directa. Se encuentran numerosas referencias en la bibliografía sobre su cálculo, las más representativas se detallan a continuación según se trate de generadores de frío o de calor. Sin embargo, todas ellas necesitan de una recogida de información sobre el sistema de, al menos, una estación de duración, de forma que escapan del alcance de una inspección periódica concreta. 2.6.1 Generadores de frío En el caso de sistemas de generación de frío el rendimiento estacional se determina de forma genérica como la relación entre la energía aprovechada y consumida en un determinado periodo, como se indica por ejemplo en la “Guía Técnica IDAE 2 Procedimientos para la determinación del rendimiento energético de plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire”, en su apartado “7. Extrapolación para la estimación de rendimientos estacionales”: ∫ ∑ En la norma ANSI/AHRI Standard 210/240 “Performance rating of unitary airconditioning & air-source heat pump equipment”, en su apéndice C “Uniform test method for measuring the energy consumption of central air conditioners and heat pumps – Normative” en su apartado “4.1 Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) Calculations” pueden encontrarse una serie de procedimientos detallados para el cálculo del rendimiento estacional según el tipo de equipo en cuestión, puede consultarse ésta para información más detallada. Por otro lado, puede emplearse un método simplificado para el cálculo del rendimiento estacional, por ejemplo el que se detalla en la guía “Non-domestic Heating, Cooling, and Ventilation Compliance Guide”, en su apartado “9.5 Calculating the SEER for the NCM (SBEM)” Según esta guía, el rendimiento medio estacional puede calcularse en función del EER (Energy Efficiency Ratio) del equipo en diferentes condiciones de carga (25, 50, 75 y 100%): 64 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Dichos coeficientes pueden tomarse proporcionales, en función de la información disponible, o pueden tomarse de forma genérica para oficinas tipo como: Otros valores pueden tomarse de la “Eurovent Certification Company”: 2.6.2 Generadores de calor En el caso de sistemas de generación de calor, en la “Guía Técnica IDAE 6 Contabilización de consumos”, en su apartado “3. Ratios”, se indica un procedimiento general para el cálculo del rendimiento estacional anual, así como del corregido, como sigue. Además, se detallan otros dos métodos, uno indirecto, en función de diversos parámetros de la caldera, y otro para el cálculo del rendimiento estacional medio diferenciando entre periodos de funcionamiento, parada y arranque. A. Rendimiento estacional anual (REA) Se determina mediante la expresión siguiente: Donde: Eu: energía térmica útil enviada al edificio, durante un año, expresada en kWh Es: es la energía suministrada a la central térmica por cada uno de los tipos de energía utilizados (gas, gasóleo, electricidad, carbón, biomasa…) durante el mismo periodo de tiempo, expresada en kWh B. Rendimiento estacional anual corregido (REAc) Sólo puede medirse en aquellas instalaciones que cuenten con contadores de energía térmica en todos sus subsistemas (no puede aplicarse en sistemas con aire como fluido caloportador). Se define como: Donde: Ke: coeficiente de emisiones, que depende del tipo de energía suministrada y el combustible (valores característicos en las tablas siguientes) 65 Tabla 6: Coeficiente de emisiones, para energía suministrada térmica Tabla 7: Coeficiente de emisiones, para energía suministrada eléctrica De forma que en las instalaciones que consuman más de un tipo de energía suministrada, debe aplicarse la siguiente expresión: ∑ ∑( ) Eu: energía térmica útil enviada al edificio, durante un año, medida por los contadores de energía térmica de la instalación y expresada en kWh Es: energía suministrada a la central térmica por cada uno de los tipos de energía utilizados (gas, gasóleo, electricidad, carbón, biomasa…) durante el mismo periodo de tiempo, expresada en kWh C. Método indirecto Por otro lado, en la “Guía Técnica IDAE 5 Procedimientos de inspección periódica de eficiencia energética para calderas”, en su apartado “5.3. Rendimiento estacional”, se hace referencia a dos métodos diferentes para el cálculo de éste, uno directo, para instalaciones equipadas con dispositivos para la contabilización de consumos, que corresponde al anteriormente mencionado, y otro indirecto, que se detalla a continuación. El rendimiento estacional se determina mediante la expresión: [( 66 ) ] Capítulo 2. Inventario energético de edificios : Rendimiento estacional de la caldera (%) : Rendimiento instantáneo de combustión (%) : Potencia nominal de la caldera (kW), calculada como: Donde: : Consumo horario de combustible, medido por su contador : Poder calorífico inferior del combustible * Si no existiera contador, se toma la potencia nominal del catálogo del fabricante. : Potencia media real de producción (kW) * En las calderas de más de 70 kW: : Energía consumida por la caldera durante el periodo analizado, calculada en base al PCI del combustible (kWh) : Número de horas de funcionamiento durante el periodo analizado en las que la caldera ha estado caliente en disposición de servicio, aunque no se produzca combustión * En las calderas de menos de 70 kW: : Superficie útil calefactada : Coeficiente de operación Tabla 8: Coeficiente de operación según potencia nominal 67 D. RENDIMIENTO ESTACIONAL MEDIO Otro método que puede emplearse se encuentra en la “Guía Técnica IDAE 11 Diseño de centrales de calor eficientes”, en su apartado “5.4. Rendimiento medio estacional”, que distingue entre tres situaciones diferenciadas: funcionamiento, paradas y arranques, utilizando la expresión siguiente: ( ) ( ) ( ) Donde: : es la potencia nominal de la caldera : son las pérdidas en funcionamiento por entalpía de humos, inquemados, y radiación-convección a través de la envolvente de la caldera : son las pérdidas en paradas, por radiación-convección a través de la envolvente de la caldera y ventilación interna, debido al tiro de aire que se induce a través del circuito de humos : son las pérdidas en arranques, por radiación-convección a través de la envolvente de la caldera y por ciclos de barrido antes del arranque : son las horas de funcionamiento, parada, y arranque respectivamente. 68 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.7 INSPECCIONES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA La única referencia que se encuentra en la normativa española acerca de inspecciones de eficiencia energética de instalaciones de climatización se encuentra en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, en su Instrucción Técnica 4, Inspección. En dicha instrucción técnica se especifica muy brevemente que dichas inspecciones comprenderán: Análisis y evaluación del rendimiento. Revisión del registro oficial de operaciones de mantenimiento (establecidas en RITE IT. 3 Mantenimiento y uso); cumplimiento y adecuación del “Manual de Uso y Mantenimiento” a la instalación existente. Además, se determina cuándo se hace obligatoria la inspección para cada tipo de instalación y cuál debe ser su periodicidad, como sigue: 2.7.1 Inspección de los generadores de calor Debe llevarse a cabo cuando la potencia térmica nominal instalada sea superior a 20 kW. En el caso de instalaciones puestas en servicio con fecha posterior a la entrada en vigor del RITE, es decir, posteriores al 29 de febrero de 2008, la periodicidad de inspecciones queda fijada en la siguiente tabla: Tabla 9: Periodicidad de las inspecciones de generadores de calor En el caso de instalaciones existentes anteriores a la entrada en vigor del RITE, la primera inspección se hará de acuerdo al calendario que establezca el órgano competente de la Comunidad Autónoma (en función de la potencia, el tipo de combustible y la antigüedad de la instalación). 2.7.2 Inspección de los generadores de frio Será obligatoria cuando la potencia térmica nominal instalada sea superior a 12 kW. Su frecuencia se establecerá de acuerdo con el calendario que implante el órgano competente de la Comunidad Autónoma en cuestión (generalmente en función de la potencia, diferenciando si es mayor o menor a 70 kW; y de la antigüedad de la instalación). 69 2.7.3 Inspección de la instalación térmica completa Debe llevarse a cabo cuando la potencia térmica nominal instalada sea superior a 20 kW en calefacción y a 12 kW en refrigeración, en instalaciones con más de 15 años de antigüedad (contados a partir de la fecha de emisión del primer certificado de la instalación). Se realizará cada 15 años, y la primera de ellas se hará coincidir con la primera inspección del generador de calor o frio, una vez que la instalación haya superado los 15 años de antigüedad. Comprenderá la inspección de todo el sistema, en relación a las exigencias de eficiencia energética establecidas en la IT.1del RITE; así como la elaboración de un dictamen con modificaciones sobre la instalación que mejoren su eficiencia energética, por ejemplo, que contemplen la incorporación de sistemas de energía solar. 70 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.8 PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIÓN Dada la falta de información adicional en la normativa respecto a la Instrucción Técnica 4, Inspección se hace necesaria la consulta de literatura adicional, sobre todo en relación a los procedimientos a seguir durante la inspección de los diferentes elementos de una instalación, los equipos de medida necesarios, los valores admisibles de los parámetros que deban calcularse, y un largo etcétera. A continuación, se recogen de forma breve algunos puntos clave que deben considerarse, según se trate de calderas, instalaciones completas de generación de calor o equipos de producción de frío, así como unas condiciones estándar para la realización de ensayos. 2.8.1 De la eficiencia energética de una caldera En este caso, en la “Guía Técnica IDAE 5 Sobre procedimientos de inspección periódica de eficiencia energética para calderas”, puede encontrarse información acerca de las condiciones para la toma de medidas durante la inspección de una caldera, así como ciertos requisitos de los equipos de medida, e intervalos admisibles de los niveles de emisiones y los valores del rendimiento: A. Condiciones de tomas de medidas Algunas de las pautas principales a seguir para la toma de medidas son las siguientes: Controles y mediciones se iniciarán transcurridos al menos 5 minutos de la puesta en marcha de la caldera. Las mediciones en los gases de combustión se realizarán con la caldera funcionando a máxima potencia. La temperatura del agua de impulsión debe tener un valor medio de 70 , o, en su defecto, no será inferior en 10 a la máxima prevista de funcionamiento. Si la caldera posee un recuperador de calor, se tomarán las medidas después de éste. Todas las pautas detalladas para la correcta toma de medidas pueden consultarse en la mencionada referencia, en su apartado “4. Procedimientos de Inspección de la eficiencia energética de una caldera”. B. Equipos de medida Algunos requisitos para los equipos de medida son los siguientes: Incertidumbre menor a 10 %. Información mínima que debe obtenerse: CO2: % en volumen, O2: % en volumen, CO: partes por millón ppm, exceso de aire: %, rendimiento de la combustión: %, temperatura de humos y ambiente Método directo: si hay calorímetros en el circuito de agua. 71 C. Intervalos de los valores admisibles de los niveles de emisión Estos valores se presentan tabulados, referidos a composición seca de los gases, en función del tipo de combustible empleado y la potencia nominal: Tabla 10: Intervalos admisibles de emisiones para calderas alimentadas con GN o GLP Tabla 11: Intervalos admisibles de emisiones para calderas alimentadas con combustibles líquidos Tabla 12: Intervalos admisibles de emisiones para calderas alimentadas con combustibles sólidos 72 Capítulo 2. Inventario energético de edificios D. Rendimiento energético de la caldera El rendimiento mínimo exigido para calderas se impone en función del tipo de combustible y de la antigüedad de la instalación, como sigue: Las calderas de agua caliente alimentadas por combustibles líquidos y gaseosos instaladas después del 31 de diciembre de 1997, deben poseer como mínimo, a potencia nominal, un valor de rendimiento no inferior en 2 unidades al determinado en la puesta en servicio, que a su vez no debe ser inferior en 5 unidades al establecido por la siguiente expresión: ( ) ( ) Donde los coeficientes toman los siguientes valores, en función del tipo de caldera: Tabla 13: Coeficientes a y b en función del tipo de caldera Siendo Tm: temperatura media del agua * Valores de rendimientos mínimos exigibles según potencia en puesta en servicio: Tabla 14: Rendimientos mínimos exigibles según potencia puesta en servicio El rendimiento mínimo de las calderas alimentadas por combustibles líquidos y gaseosos instaladas antes del 31 de diciembre de 1997, y por combustibles sólidos en cualquier fecha, será el indicado en su placa o en su documentación técnica. Caso de no existir, el rendimiento será el resultante de ajustar los valores de los componentes de la combustión a los valores indicados en las tablas del apartado de intervalos admisibles de los niveles de emisión. 73 2.8.2 De instalaciones de generación de calor equipadas con calderas de más de 15 años de antigüedad En este caso, en la referencia se fijan, entre otras cosas, valores máximos de consumo de combustible para calefacción y para preparación de agua caliente sanitaria, y ciertas condiciones generales que deben cumplir las calderas: A. Consumo de combustible en calefacción El ratio de consumo anual de combustible por superficie calefactada debe ser inferior a los valores de la tabla: Tabla 15: Consumo máximo de combustible anual por superficie calefactada en función de la zona climática Definiéndose este ratio como: Donde: : es la energía nominal consumida durante el periodo analizado, calculada en base al PCI del combustible (kWh). Se calcula en función de los consumos de combustible, por medio de los registros históricos de consumo facilitados por las empresas suministradoras de energía junto con las facturas energéticas. : es la superficie útil calefactada (m2) Se considerarán como superficies calefactadas las cocinas, aseos y pasillos, aunque no dispongan de emisores de calor. : Periodo analizado (años) B. Consumo de combustible en la preparación de ACS No debe superar los siguientes valores, en función del tipo de demanda del edificio en cuestión: 74 Capítulo 2. Inventario energético de edificios Tabla 16: Consumo máximo de combustible anual para la preparación de ACS según el tipo de demanda En el uso residencial vivienda, el cálculo del número de personas por vivienda debe hacerse utilizando los siguientes valores como mínimos: Tabla 17: Número de personas por vivienda según número de dormitorios C. Calderas Deben utilizar el combustible para el que fueron diseñadas. Las calderas de combustibles líquidos y gaseosos con potencia nominal mayor de 35 kW deben disponer en su conducto de humos de un dispositivo de corte de funcionamiento del quemador cuando la temperatura de humos exceda la máxima indicada por el fabricante, en ningún caso mayor a 240 . El rendimiento estacional de una caldera no podrá ser inferior al 60 %. 75 2.8.3 De los equipos de refrigeración En este caso, en la “Guía Técnica IDAE 2 Sobre procedimientos para la determinación del rendimiento energético de plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire” se fijan, entre otras cosas, diversos condicionantes para la toma de datos, así como el instrumental requerido: A. Condicionantes para la toma de datos Las mediciones y tomas de datos para la determinación de rendimientos instantáneos de máquinas frigoríficas deberían efectuarse con las instalaciones trabajando en condiciones de plena carga, o próximas a ella, para poder comparar los resultados con los recogidos en los catálogos de los fabricantes. Unos requisitos mínimos a tener en cuenta serían los siguientes: No deben efectuarse tomas de datos en condiciones transitorias de funcionamiento, sino en condiciones de trabajo suficientemente estables. Antes de proceder a la toma de datos, la planta debería funcionar al menos 10 minutos. Para la toma de datos en máquinas que se encuentren funcionando en condiciones de carga parcial deberán tenerse en cuenta las consideraciones que establece al respecto la norma UNE 86609:1985. “Maquinaria Frigorífica de compresión mecánica. Fraccionamiento de potencia.” Estos y otros requisitos pueden consultarse en detalle en la citada referencia, en sus apartados: - 4. Procedimientos de medición y obtención de datos en equipos de refrigeración de agua. - 5. Procedimientos de medición y obtención de datos en equipos de refrigeración de aire. Además, para llevar a la práctica la toma de datos, los técnicos deberán atenerse a las especificaciones de las normas UNE 100010-2 y 100010-3: 1989. “Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado. Parte 2: Mediciones y Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado. Parte 3: Ajuste y equilibrado.” Por último, para la medición de temperaturas deben tenerse en consideración las recomendaciones de la norma ASHRAE 41.1-86 (ASHRAE Standard 41.1-86) “Measurements Guide – Section on Temperature Measurements”, 1986. B. Instrumental requerido Debe disponerse como mínimo, de los instrumentos de medición contratados que relaciona la norma UNE 100010-1:1989 “Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado. Parte 1: Instrumentación”. 76 Capítulo 2. Inventario energético de edificios 2.8.4 Condiciones del estado estacionario y duración del ensayo Para que los resultados de un ensayo puedan considerarse representativos del funcionamiento normal de un equipo o sistema deben cumplirse las condiciones de estado estacionario en dicho equipo o sistema, de forma que las mediciones realizadas no estén sujetas a variaciones instantáneas de las condiciones del ensayo o a modos de operación fuera de lo normal. Se supone que existen las condiciones del estado estacionario cuando todos los cambios y fluctuaciones periódicas permanecen dentro de las condiciones de estado estacionario. Por ejemplo, en la referencia norma UNE-EN 1397:1999 “Intercambiadores de calor. Ventiloconvectores (fan coils) de agua. Procedimientos de ensayo para determinar su rendimiento.”, se dice que los siguientes parámetros deben mantenerse dentro del intervalo especificado durante, al menos, una hora: Tabla 18: Condiciones para el estado estacionario Además, se asume que el ensayo debe realizarse en su totalidad en las condiciones del estado estacionario, y durar al menos 30 minutos. Y, durante éste, se deben tomar un mínimo de 5 series o conjuntos de medidas a intervalos de tiempo regulares. 77
