Promoción de Eficiencia Energética y Uso de Energía Solar en Vivienda del Ecuador

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1 Promoción de Eficiencia Energética y Uso de Energía Solar en Vivienda del Ecuador John Martin Evans 1,*, Silvia de Schiller 1 1 Prometeo Sr., adscripto al Instituto de Investigación y Posgrado, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador. * Autor corresponsal: evansjmartin@gmail.com RESUMEN Ecuador depende de energía no renovable en un 98 % y, por lo tanto, requiere una transformación de la matriz energética para lograr un desarrollo más sustentable. Este trabajo presenta un análisis de la demanda de energía en el sector residencial, que corresponde al 19 % de la demanda total de energía del país. La gran variación climática del Ecuador es un factor relevante en la demanda para acondicionamiento térmico y agua caliente, dos de los rubros de mayor importancia en la matriz energética del sector vivienda. Si bien, en términos absolutos, la demanda es baja comparada con otros países de la región, la misma puede aumentar significativamente en el futuro ante la necesidad de mejorar las condiciones de habitabilidad en importantes proporciones de la población, respondiendo a la política del Buen Vivir. En este marco, el trabajo analiza cuatro aspectos específicos de la demanda para evaluar el potencial de energía solar que permita reducir la demanda de energía convencional: 1. radiación solar para aumentar la temperatura interior en vivienda de la sierra, 2. sistemas solares pasivos para vivienda en localidades con alturas superiores a 3000 m sobre el nivel del mar, 3. protección solar en ventanas y techos en zonas de la costa, las Islas Galápagos y Amazonía, y 4. uso de colectores solares para agua caliente en vivienda en distintas regiones del país. En base a mediciones en vivienda y simulaciones, se proponen medidas para lograr una reducción de la demanda de energía fósil y mejorar las condiciones de habitabilidad y se indican medidas para promover el uso de colectores solares en distintas regiones bioclimáticas del Ecuador a fin de contribuir a la transformación energética, en el marco de la producción de hábitat sustentable. PALABRAS CLAVE Energía solar, diseño bioclimático, matriz energética, aislación térmica, colectores solares. INTRODUCCIÓN Durante la última década, las reservas probadas de petróleo en Ecuador experimentaron una declinación sostenida (El comercio, 2012), mientras la demanda de energía muestra un aumento continuado. Aproximadamente el 19 % de esa demanda corresponde a edificios del sector residencial, con 4 % adicional para edificios del sector comercial, industrial y público, principalmente para su acondicionamiento térmico, lumínico, calentamiento de agua y cocción. Si bien el crecimiento anual de la economía del Ecuador alcanzó 4,7 % en la última década, el sector eléctrico aumentó más, con un incremento de 7,5 %. De la demanda total de energía eléctrica, sector de rápido crecimiento, el 35 % corresponde a vivienda. Page 1 of 8

2 Vale notar que una importante proporción de la demanda corresponde a gas importado en la forma de GLP, recurso con altos subsidios y limitada oferta en el Ecuador. La matriz energética muestra muy alta dependencia en energía no renovable, alcanzando el 98 % (SNI, 2013) y, aproximadamente, una tercera parte de los recursos de hidrocarburos son productos refinados importados, mientras el 56 % de las exportaciones del Ecuador son hidrocarburos. Con este cuadro de demanda y oferta, es necesario identificar medidas para reducir la dependencia en recursos fósiles y transformar la matriz energética del país. En ese marco, la hipótesis de trabajo considera que un mejor diseño de vivienda en relación al manejo del recurso solar, captación y protección, permitirá lograr una reducción significativa en la demanda de energía del sector vivienda y proporcionar mejores condiciones de habitabilidad. Se postula una ventaja adicional a mediano y largo plazo debido a la incorporación de recursos de diseño en acondicionamiento natural para mejorar los niveles de habitabilidad con menor demanda de equipos de acondicionamiento artificial en edificios en el futuro. El trabajo enfatiza la importancia de mejorar la habitabilidad, importante beneficio social, como resultado complementario de la incorporación de recursos de diseño bioclimático e instalaciones solares para calentamiento de agua. Las medidas identificadas para modificar la matriz energética y lograr mayor eficiencia son: Captación controlada de sol por ganancia directa en viviendas de localidades de la sierra con alturas entre 1700 m y 3000 m sobre el nivel del mar, sin demanda de calefacción en vivienda con diseño bioclimático adecuado. Sistemas solares pasivos en vivienda de localidades a una altura mayor a 3000 m sobre el nivel del mar, con eventual demanda de calefacción convencional en días con limitada radiación solar, si bien el número de vivienda en estas zonas altas es limitado. Protección solar y aislación térmica de techos en localidades costeras, Islas Galápagos y Amazonía a fin de evitar el aumento de la temperatura interior, junto al movimiento de aire con ventilación cruzada y, eventualmente, ventiladores para lograr refrescamiento natural. Colectores solares para calentamiento de agua, con un aporte importante de calor para reducir la demanda de energía convencional en distintas regiones del Ecuador, tanto en zonas cálidas como templadas y frías. Tamaño adecuado de ventanas y colores claros en muros, techos y pisos para asegurar buena iluminación natural en horas diurnas. CONTEXTO AMBIENTAL Y CLIMATICO Las condiciones climáticas de las distintas regiones del Ecuador presenta importantes variaciones según la altura sobre el nivel del mar. La Figura 1 indica la relación entre la temperatura media anual y la altura (INAMI, 2010) con una curva característica que disminuye con la altura. Sobre los 3000 m de altura, se inicia una demanda de calefacción que puede satisfacerse inicialmente con captación de energía solar y ganancias internas. En alturas que oscilan entre los 1700 y 3000 m aproximadamente se requiere ingreso limitado de sol, control de la amplitud térmica interior y cierta protección solar, especialmente en zonas más bajas. En localidades a altura inferior a 1700 m, se requiere implementar medidas de refrescamiento, especialmente ventilación cruzada, complementada por protección solar en ventanas, y techos reflejantes y bien aislados. Page 2 of 8

3 Otra variable importante para lograr confort térmico radica en la optimización de la amplitud térmica, diferencia entre la temperatura máxima y mínima de cada día o el promedio de los valores mensuales y anuales. Temperatura media anual P.Ayora Bellavista PNG y = -7E-07x 2-0,0021x + 25,274 R² = 0, Altura sobre nivel del mar, metros Figura 1. Variación de temperatura media anual de las estaciones meteorológicas del INAMHI según la altura sobre el nivel del mar (INAMHI, 2010 y años anteriores). Los valores de radiación solar, caracterizados por la variable Kt, trasparencia de la atmosfera, o la intensidad de radiación solar sobre plano horizontal en la superficie terrestre, expresada como una proporción de la radiación sobre un plano horizontal en la capa superior de la atmósfera. Tabla 1. Transparencia de la atmósfera, Kt, según mes en 14 localidades del Ecuador. Mes Medio Nueva Rocafuerte 0,50 0,48 0,47 0,42 0,44 0,42 0,43 0,45 0,49 0,49 0,50 0,53 0,47 Orellana 0,50 0,45 0,46 0,42 0,44 0,42 0,43 0,45 0,48 0,48 0,50 0,53 0,46 Tena 0,50 0,45 0,37 0,45 0,45 0,45 0,44 0,45 0,49 0,50 0,51 0,52 0,47 Puyo 0,43 0,42 0,41 0,42 0,46 0,40 0,41 0,45 0,49 0,48 0,50 0,48 0,45 Quito 0,51 0,49 0,47 0,47 0,48 0,51 0,53 0,54 0,53 0,51 0,54 0,53 0,51 Imbabura 0,51 0,50 0,49 0,47 0,48 0,49 0,53 0,50 0,51 0,51 0,53 0,54 0,51 Ambato 0,49 0,44 0,44 0,41 0,42 0,43 0,45 0,43 0,45 0,47 0,51 0,53 0,46 Riobamba 0,45 0,44 0,41 0,40 0,38 0,51 0,44 0,41 0,44 0,45 0,50 0,52 0,45 Cuenca 0,46 0,42 0,41 0,38 0,40 0,39 0,38 0,43 0,43 0,45 0,51 0,50 0,43 Loja 0,45 0,42 0,41 0,40 0,41 0,46 0,45 0,48 0,47 0,48 0,51 0,51 0,45 Guayaquil 0,38 0,40 0,44 0,42 0,45 0,43 0,44 0,50 0,48 0,45 0,51 0,50 0,45 Manta 0,42 0,43 0,47 0,46 0,47 0,43 0,45 0,49 0,48 0,45 0,51 0,50 0,46 Caypas 0,40 0,41 0,44 0,42 0,41 0,41 0,43 0,49 0,48 0,45 0,51 0,50 0,45 En un día soleado, se puede alcanzar un valor de Kt de 0,7 a nivel del mar y hasta 0,75 a gran altura. Sin embargo, en el Ecuador, los valores promedio mensuales de Kt se encuentran entre Page 3 of 8

4 0,39 y 0,52, incluyendo el efecto de días nublados y la alta humedad relativa típicas de zonas ecuatoriales, Tabla 1. Con los valores de Kt se estima la intensidad de radiación solar sobre superficies verticales e inclinadas con la suma de la radiación directa, difusa y reflejada. Estos valores fueron calculados utilizando el Atlas de Radiación Solar (CONELEC, 2008), el cual indica la intensidad promedio diaria en Wh/m2/día, y verificados con estimaciones basadas en las horas de sol publicado por INAMHI (2010). Con software propio se obtiene el flujo promedio mensual en W/m2 y el valor de Kt. Si bien los valores de Kt son moderados, debido a la nubosidad y alta humedad relativa característica de zonas ecuatoriales, tienen la ventaja de mostrar valores relativamente parejos en distintos meses del año, aptos para su aprovechamiento en aplicaciones térmicas. Según CONELEC (2010), el actual aporte de energía solar es solamente del 0,0002 % del total nacional, pero esta cifra no incluye el uso de colectores solares térmicos para agua caliente, ni secado solar de productos agrícolas. DEMANDA DE ENERGÍA EN VIVIENDA Se cuenta con limitados datos sobre la matriz de demanda en el sector residencial, y los valores promedio no permiten identificar las grandes diferencias entre regiones climáticas y sectores socio-económicos. La Tabla 2 presenta un cuadro de los principales factores que determinan la demanda actual y la potencial demanda futura. Tabla 2. Evaluación cualitativa de tendencias de demanda en el sector vivienda en Ecuador. Clima cálido-húmedo: Vivienda del sector con limitados recursos económicos Existente Futura Sin refrigeración artificial Limitada penetración de equipos Split Sin instalación de agua caliente Crecimiento de duchas eléctricas Limitados electro-domésticos, heladeras, etc. Crecimiento de cocinas y otras artefactos eléctricas Clima cálido-húmedo: Vivienda del sector con mayor poder adquisitivo Existente Futura Con refrigeración artificial, sin saturación Crecimiento del uso de equipos Split Con instalación de agua caliente eléctrica Crecimiento del volumen de agua y saturación Mayor tenencia de electro-domésticos Crecimiento del número de electro-domésticos Clima de sierra, templado a templado frío: Vivienda del sector con limitados recursos económicos Existente Futura Sin acondicionamiento térmico (calefacción) Posible necesidad y crecimiento en zonas altas Limitada saturación de calentadores de agua Crecimiento de demanda de duchas eléctricas Electro-domésticos: heladeras, TV, etc. Crecimiento del número de artefactos y potencia Clima de sierra, templado a templado frío: Vivienda del sector con mayor poder adquisitivo Existente Futura Muy limitada demanda de calefacción o Posible aumento por tendencias constructivas y refrigeración vidrio Importante demanda para agua caliente Crecimiento en demanda, artefactos y expectativas Electro-domésticos: importante demanda Crecimiento en número de artefactos y potencia En el marco de este análisis, el crecimiento de la demanda de agua caliente es un factor constante en los principales sectores geográficos y socio-económicos del país, consistente con el objetivo nacional del Buen Vivir. La energía para esta demanda proviene parcialmente de LPG, en especial en los sectores de mayor poder adquisitivo que utiliza el 14,5 % del LPG para este fin. A pesar del importante subsidio, los sectores de menores recursos no utiliza LPG para calentar Page 4 of 8

5 Temperatura C agua. La principal fuente de energía para este fin proviene de electricidad, dado que el 95 % de los hogares tienen acceso a energía eléctrica, y en zonas rurales el porcentaje es del 80 %. Además, las duchas y calentadores eléctricos con resistencia son de muy bajo costo, comparado con calentadores con LPG. El informe de CEDA (2010) indica que entre las tecnologías solares, las más competitivas en precios respecto a fuentes tradicionales de energía son los sistemas solares térmicos para calefacción o calentamiento de agua. Por lo tanto, se analiza el aporte potencial de estas instalaciones solares en vivienda en distintas regiones del Ecuador. MÉTODO Simulaciones con el Programa e-temp (Evans, 2006) indica la demanda energética de acondicionamiento en distintas regiones bioclimáticas del Ecuador y la influencia combinada del comportamiento térmico de elementos constructivos (techos, muros y ventanas) y del diseño arquitectónico (forma, orientación, agrupamiento). Las mediciones de temperatura interior en vivienda permiten evaluar la precisión de las simulaciones e identificar los problemas a resolver. Dos ejemplos demuestran la aplicación de la simulación comparada con mediciones de temperatura interior, según se muestra a continuación. Caso 1. En el caso de un departamento sin ocupantes en la Ciudad de Quito, el promedio de las temperaturas horarias interiores, registradas durante una semana, se encuentra en la zona de confort con 22,3 C de promedio y 3 grados de amplitud, mientras la temperatura exterior varía entre 14,9 y 20,3, con 17,3 C de promedio y 5,6 grados de amplitud. El aumento de temperatura es resultado del ingreso de radiación solar por la mañana en ventanas con orientación favorable al Este, mientras la reducción de la amplitud térmica es consecuencia de la masa térmica que controla la amplitud interior. Las mediciones demuestran el potencial de lograr temperaturas confortables con el diseño edilicio a través de la captación controlada de radiación solar, reducidas renovaciones de aire dentro de los límites para asegurar buena calidad de aire interior, y materiales de construcción con masa térmica. 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 Temperatura exterior simulada Temperatura interior simulada Temperatura exterior medida 16,0 Temperatura interior medida 14, Horas Figura 2. Temperatura interior y exterior de una vivienda sin ocupantes con favorables orientación al este en Quito, valores medidas y simulados. Page 5 of 8

6 Temperatura bulbo seco C Caso 2. En Puerto Ayora, Santa Cruz, Islas Galápagos, se realizaron mediciones en una vivienda sin aire acondicionamiento, con ventilación natural y protección solar Horas Exterior Interior del techo En el techo Dormitorio Estar Figura 3. Mediciones en una vivienda en Galápagos, sin acondicionamiento artificial: condiciones confortables con leve brisa, pero el ingreso de calor a través del techo aumenta radiación desde el cielorraso, el estrés térmico y la demanda potencial de refrigeración. En el uso racional de energía en el sector vivienda, la demanda de acondicionamiento térmico presenta dos variaciones regionales importantes: En climas cálidos, la protección solar y los techos aislados y de color claro, permiten reducir o evitar el uso de refrigeración, especialmente en el futuro cuando aumenten las expectativas. En climas templados y fríos de altura, las tendencias de la construcción más liviana y mayor superficie vidriada, aumenta la variación de temperatura interior y el potencial de sobrecalentamiento diurno y frío nocturno. Las mediciones confirman el beneficio de las siguientes medidas: ingreso controlado de sol del Este y Oeste, limitada superficie vidriada e incorporación de capacidad térmica para controlar la amplitud térmica. COLECTORES SOLARES Para evaluar la demanda de energía en calentamiento de agua y la proporción de dicha demanda correspondiente a energía solar, se aplica una planilla electrónica con base de datos de temperaturas mensuales y radiación solar mensual en distintas ciudades del Ecuador. El comportamiento de colectores solares fue estimado con una planilla electrónica especialmente confeccionada para las condiciones del Ecuador. La planilla utiliza datos de la intensidad mensual de la radiación solar, Tabla 1, y la temperatura media mensual (INAMHI, 2010) para establecer la fracción solar, la proporción de la demanda total de energía para calentar agua que se puede satisfacer con energía solar. La demanda neta de energía surge de la cantidad de agua a calentar y la diferencia entre la temperatura del agua de red y la temperatura de diseño de agua caliente. Con la eficiencia de energía auxiliar convencional, se estima la demanda bruta de energía en kwh/año. Finalmente, con la fracción solar se estima el ahorro de energía eléctrica Page 6 of 8

7 debido al uso de energía solar y la energía eléctrica necesaria para lograr la temperatura de diseño en periodos cuando la energía solar es insuficiente. Tabla 3. Comportamiento de colectores solares y ahorro energético en localidades del Ecuador. Localidad Altura sobre Fracción Demanda Demanda Ahorro con Energía nivel del mar solar Neta Calor Bruta solar eléctrica metros % kwh/año kwh/año kwh/año kwh/año Puerto Ayora Guayaquil Manta Caypas Nueva Rocafuerte Orellana Tena Puyo Loja Cuenca Riobamba Quito La Tabla 3 presenta el comportamiento de colectores solares planos en distintas localidades del Ecuador. En todos los casos, se considera una instalación solar para una familia de 4 personas, con una demanda de 40 litros de agua caliente por día por persona, a una temperatura de diseño de 46 C. El colector plano tiene una superficie de 3 m 2 con vidrio simple y superficie selectiva, con circuito abierto sin intercambiador de calor; instalación de fácil fabricación en el país. El calentamiento auxiliar en periodos sin sol, suficiente para lograr la temperatura de diseño, depende de una resistencia eléctrica en el tanque de acumulación con capacidad de 160 litros, aislado térmicamente. En zonas cálidas como las Islas Galápagos, la costa y Amazonía, hasta 500 m de altura sobre el nivel del mar, la fracción solar supera el 90 %. Se considera que el calentamiento auxiliar no es necesario en la mayoría de las viviendas, dada la alta temperatura del aire exterior que permite aceptar temperaturas del agua levemente inferior a la temperatura de diseño de 46 C. En instalaciones donde se requiere gran calidad de servicio, tales como hoteles y viviendas para sectores de altos ingresos, si bien se puede utilizar una resistencia eléctrica, la demanda de energía auxiliar es muy baja, como indica la última columna de la Tabla 3. En zonas de altura intermedia, la fracción solar se encuentra entre 85 a 90 %. En zonas de mayor altura de la sierra, la fracción solar de las localidades analizadas se encuentra entre 68 y 75 %, logrando un rendimiento muy favorable, pero se requiere calentamiento auxiliar. El ahorro de energía eléctrica se encuentra entre 1100 y 1200 kwh anuales en zonas cálidas hasta 500 m sobre nivel del mar. En zonas templadas a alturas entre 500 y 1500 m, el ahorro de energía eléctrica varía entre 1200 y 1300 kwh anuales. Finalmente, en las ciudades de la sierra, el ahorro de energía convencional es mayor, alcanzando entre 1300 y 1400 kwh anuales. Page 7 of 8

8 CONCLUSIONES El estudio realizado demuestra la factibilidad de reducir la demanda de energía y mejorar la calidad de vida de los habitantes de las viviendas. A tal fin, las principales medidas detectadas para lograr este objetivo son: Aislación térmica de techos, uso de colores claros y protección solar de ventanas en viviendas en climas cálidos de la región insular, de la costa y de Amazonía. En climas de altura de los valles centrales, la reducción de la demanda de energía es menor, pero las condiciones de habitabilidad mejoran significativamente con la implementación de medidas de aislación térmica en techos y optimizando la orientación, mientras que en zonas de mayor altura, sobre 3500 m, la reducción de la demanda es muy significativa. El estudio del aporte de colectores solares demuestra altas proporciones de sustitución de energía convencional, llegando a un aporte de energía solar que satisface casi el 100 % de la demanda en regiones cálidas. Aunque el porcentaje es menor en climas fríos, la sustitución de energía solar es mayor, debido a la menor temperatura de agua suministrada y mayor demanda de energía para calentarla. RECONOCIMIENTO Los autores reconocen la valiosa iniciativa del Proyecto Prometeo de la SENESCyT, Ecuador, a través del cual se ha realizado este estudio en el marco de las investigaciones correspondientes a las respectivas matrices de vinculación, radicadas en la sede del Instituto de Investigación y Posgrado, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, Universidad Central del Ecuador. REFERENCIAS CEDA (2010) Hacia una matriz energética diversificada en Ecuador, Centro Ecuatoriano de Derecho Ambiental, Quito. CONELEC (2008) Atlas Solar del Ecuador con fines de Generación Eléctrica, CONELEC, Quito. CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad) (2010). Estadística del Sector Eléctrico Ecuatoriano. Período Quito. CD-ROM. CPV (2010) Censo de Población y Vivienda 2010, Censo de Población y Vivienda, Quito. El comercio (2102) Reservas de Petróleo (Fuente Dirección de Hidrocarburos, Petroecuador), (16/07/2012). Evans, J. M. (2006) Simulación de temperaturas internas en el proceso proyectual: e-temp.xls, un nuevo enfoque para evaluar comportamiento térmico, AVERMA, Salta. INAMHI (2010) Anuario Meteorológico, Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología, Quito. Muñoz, J. P. (2013). Análisis de la matriz energética ecuatoriana, SNI (2013) Indicadores del Plan Nacional del Buen Vivir, Sector Estratégico: Electricidad e Hidrocarburos, También en Page 8 of 8