Monitorización de edificios eficientes: análisis del comportamiento energético en condiciones reales de uso

Transcripción

1 Monitorización de edificios eficientes: Mª del Rosario Heras Celemín Dra. en Físicas e Investigadora Científica Jefa de la Unidad de I+D sobre Eficiencia Energética en Edificación. CIEMAT Reunión Monitoring Day Organiza: CIC Consulting COAM Madrid, 11 - Junio

2 CIEMAT Monitorización de edificios eficientes: Es el Centro español de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas. Lleva a cabo I + D + i en prácticamente todas las Fuentes Energéticas: combustión de carbón, energía nuclear de fisión, energía solar, energía eólica, biomasa y biocombustibles, arquitectura bioclimática, producción y utilización de hidrógeno (pilas de combustible), fusión termonuclear, etc. El CIEMAT también realiza I + D + i en Medioambiente, tanto radiológico como convencional, Tecnología e Investigación básica Recursos humanos: personas Presupuesto (2013): 98,3 M Ingreso por actividades de I+D (2013): 44,21 M Organismo Público de Investigación Reunion Monitoring Day. COAM. Madrid,

3 Vista General del CIEMAT en Madrid Edificio 70

4 Vista General del CIEMAT en Madrid Edificio 70

5 % de actividad I B I T Investigación Básica Investigación Tecnológica Perfil del CIEMAT Monitorización de edificios eficientes: DT Desarrollo Tecnológico 20 E Ensayos y Deostración 10 S Servicios 0 IB IT DT E S

6 Reunion Monitoring Day. COAM. Madrid,

7 Monitorización de edificios eficientes: Unidad de investigación sobre Eficiencia Energética en Edificación (UiE3). Áreas de actuación Disminución de la demanda. Sistemas pasivos. Orientación, accesibilidad solar, ventilación, iluminación natural, etc. Diseño y elección de materiales adecuados. Envolvente, cerramientos, huecos, vidrio. Análisis energético en fase de diseño. Modelizado y simulación Integración de energías renovables en el edificio y con los sistemas convencionales Solar térmica para climatización y ACS Sistemas de refrigeración solar Solar fotovoltaica Eficiencia energética en entornos urbanos. Smart Cities Sistemas y redes de poligeneración District Heating & Cooling Minicogeneración distribuida Sistemas de generación basados en energías renovables Iluminación de bajo consumo Evaluación experimental en condiciones de Uso. Monitorización Evaluación experimental de edificios Evaluación experimental de componentes de edificación Evaluación experimental de sistemas de generación y redes de distribución Reunion Monitoring Day. COAM. Madrid,

8 El edificio como máquina energética EFECTOS: Intercambio de energía a través de la piel o sistema termodinámico *captar *almacenar *evacuar la energía procedente del sol en función de las condiciones meteorológicas externas (o evitar que incida) Fenómenos de transferencia de calor: * CONDUCCIÓN * CONVECCIÓN * RADIACIÓN de Fenómenos de transferencia masa: * CALOR LATENTE (dif. de temp.) * CONVECCIÓN (dif. de humedad)

9 PROCESO CONVENCIONAL DE CONSTRUCCION DE EDIFICIOS

10 PROCESO DE CONSTRUCCION PARA EDIFICIOS EFICIENTES ENERGETICAMENTE

11 INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA DE SISTEMAS SOLARES ACTIVOS àutilización de la energía solar en aplicaciones térmicas de calentamiento de fluidos y de producción de electricidad, sistemas solares térmicos activos y fotovoltaicos integrados en la edificación. Estos sistemas deben estar integrados en los edificios desde los primeros pasos del diseño el desarrollo y difusión de la energía solar activa en los países industrializados pasa por su integración en edificios. SISTEMAS TÉRMICOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

12 Eficiencia energética del diseño en fase de proyecto y rehabilitación Modelizado y Simulación Dinámica OBJETIVO: Mejorar el diseño convencional optimizando las estrategias bioclimáticas y los sistemas de energía solar Simulación del edificio Modelizado de técnicas pasivas Simulación de sistemas activos Análisis del edificio completo Integrando todas las estrategias Dependiendo del nivel de complejidad y de la manera de resolver el sistema de ecuaciones, se utilizan los programas de simulación de tres tipos: Métodos Estáticos. Métodos de Correlación. Métodos Dinámicos.

13 Evaluación experimental en condiciones reales de uso. Monitorización Evaluación del edificio en condiciones reales de uso Modelos teóricos usados como punto de partida Campaña de medidas Instalación de sensores Almacenamiento de datos Análisis de los resultados obtenidos Variables de análisis: Consumo/Ahorro energético Confort térmico interior Calidad de aire interior Idoneidad de los cerramientos Determinación de parámetros constructivos Puesta en obra

14 Eficiencia Energética: Evaluación de Edificios Objetivo: Conseguir edificios mejores desde el punto de vista energético manteniendo condiciones de confort térmico en el interior. Directo: Teórico Simulación Inverso: Empírico Monitorización

15 Entorno Análisis Teórico: Simulación MÉTODOS Componentes Leyes de transferencia de calor: conducción, convección, radiación.

16 Evaluación de Edificios Análisis Empírico: Monitorización Objetivo: Analizar, a través de medidas experimentales, las técnicas bioclimáticas empleadas en el diseño y construcción de edificios para conocer: * el ahorro energético producido * el confort térmico alcanzado Determinar las características térmicas asociadas a características constructivas

17 EQUIPOS PARA MONITORIZACIÓN

18 OBJETIVOS: MONITORIZACIÓN Conocer la demanda del edificio en condiciones reales de uso (monitorización y control). Estudio comparativo con edificios de referencia Conocer cuanta energía se ha ahorrado Validar y mejorar las simulaciones teóricas de los edificios.

19 Evaluación Energética Experimental Evaluación del edificio en condiciones reales de uso, así como de los sistemas especiales (Monitorización). Modelos teóricos usados como punto de partida. Se realiza una campaña de medidas con un proyecto previo con las premisas: que se quiere medir y para qué esas medidas. Instalación de sensores. Almacenamiento datos. Análisis de los resultados obtenidos según objetivo previsto. Salidas del experimento: Confort térmico interior. Análisis energético. Determinación de los parámetros constructivos y energéticos: Métodos estáticos. Métodos dinámicos.

20 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN Análisis de los datos experimentales * Comportamiento del edificio serie de variables de entrada que producen unas salidas (función de las entradas). Entradas = datos climáticos y potencia de calefacción Salida = temperatura interior * Las variables de entrada son medidas, pero el sistema estará afectado por una serie de perturbaciones incontroladas (señales no medidas) y por variables realmente no controlables (por ejemplo: errores de medida en los sensores). * En cuanto a los datos experimentales:. Obtener series temporales largas (cuanto sean posibles),. Depurar los datos (eliminando los erróneos y rellenando los huecos)

21 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN Análisis de los datos experimentales (2) 1.- MODELOS ESTÁTICOS Basados en el comportamiento medio del sistema (edificio) = eliminan la parte dinámica de los fenómenos térmicos. No proporcionan un conocimiento exhaustivo ni de las características del edificio, ni de su funcionamiento pero permiten extraer información fiable del comportamiento del sistema. Hipótesis asumidas: * Promedio de las variables, en una semana la inercia térmica tiende a cero, comparado frente al resto de los términos. * El comportamiento de los ocupantes del edificio son constantes en periodos semanales. A partir de la medida de las temperaturas interior y exterior, el consumo en energía auxiliar y la radiación solar, se puede obtener el coeficiente global de pérdidas efectivo (UA) y la apertura solar efectiva (As) características del edificio que nos permiten dar una estimación de: Calidad constructiva y calidad de diseño pasivo en cuanto al aprovechamiento de energía solar

22 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN Análisis de los datos experimentales (3) 2.- MODELOS DINÁMICOS Son: Más completos y Más complejos Con ellos se puede analizar el edificio con más profundidad pero se necesitan muchos más datos y conocer mejor el comportamiento experimental del edificio. * El conocer la información dinámica del sistema es crucial en condiciones de verano en la mayoría de los casos los edificios, en esta época del año, funcionan en evolución libre y se obtienen una serie de características del edificio de gran utilidad, que sirven para calificar el edificio desde el punto de vista de eficiencia energética por aprovechamiento solar.

23 EDIFICIOS EVALUADOS (Monitorizados) POR EL CIEMAT Nombre Tipo de edificio (desde 1986) 1. Los Molinos Escuela. CEMA 2. Alpera Viviendas- bloque 3. Pedrajas de S. Esteban Viviendas- bloque 4. S. Martín de Valdeiglesia. Vivienda arquitectura popular 5. Aguilar de Campoó Viviendas- bloque 6. Torquemada Viviendas adosadas 7. Guillena Escuela EGB 8. Almería Escuela EGB 9. Pozoblanco Viviendas adosadas 10. S. Pedro de Alcántara Viviendas- bloque 11. Mendillorri Viviendas- bloque 12. Cantimpalos Viviendas adosadas 13. Almería Edificio Universidad 14. Zaragoza Viviendas- bloques 15. Madrid Viviendas- bloques 16. Valladolid Edificio ENVITE Edificios ARFRISOL Oficinas

24 AHORRO DE ENERGÍA EN LOS EDIFICIOS EFICIENTES Resultados energéticos de monitorizaciones llevadas a cabo por el CIEMAT desde 1986 * Considerando los niveles de confort térmico: Verano: 24 a 26 ºC Invierno: 20 a 22 ºC Ahorros de energía en las diferentes climatologías: * Para calefacción = de 60 % hasta el 100 % * En periodo de refrigeración = valores térmicos dentro de niveles de confort. Algunos Edificios con energía cero o Autosuficientes energéticamente

25 I+D: Algunos aspectos físicos que necesitan investigación * Sistemas solares pasivos: - Calefacción y refrigeración natural (muros Trombe para climas cálidos, chimeneas solares, fachadas ventiladas, torres de refrigeración, materiales de cambio de fase, intercambio de calor con el terreno, acondicionamiento de espacios abiertos, planeamiento urbanístico, etc.). * Sistemas solares activos: - Térmicos: ACS, calefacción y refrigeración frío solar. - Fotovoltaicos: Producir electricidad. * Acoplamiento y Control de las instalaciones: - Solares, biomasa y convencionales * Planeamiento urbanístico - Espacios urbanos: ancho de calles, espacios abiertos - Rehabilitación energética de edificios existentes

26 UTILIDAD DE LA MONITORIZACIÓN Es útil desde diversos puntos de vista: * Desde el punto de vista científico, sirve para dos funciones básicas: desarrollo y/o mejora de algoritmos de simulación de fenómenos térmicos en el edificio validación de códigos de simulación a través de la comparación de los resultados teóricos con los datos experimentales.

27 UTILIDAD DE LA MONITORIZACIÓN Desde el punto de vista técnico para desarrollar metodologías que permitan: caracterización de edificios desde el punto de vista energético. Realizar auditorias energéticas (exigir responsabilidades) desarrollo de sistemas de control automático (optimización de la respuesta térmica de la integración de sistemas solares pasivos y activos) diagnosis de malfunciones de los edificios (fin realizar rehabilitaciones energéticamente eficaces). Cada objetivo requieren esfuerzos diferentes, algunas en fase de investigación y en otras hay herramientas útiles.

28 Gestión y control de la energía Gestión integral (BMS): De los sistemas pasivos De los sistemas activos Del confort interior Gestión energética del edificio

29 Actuaciones en distritos urbanos Proyectos de Distrito y Edificios Interactivos: Integrar y gestionar las fuentes de energía locales y renovables Apoyar la rehabilitación energética de edificios y barrios interactivos de energía positiva. Generación descentralizada y Demanda integrada: Sistemas de poligeneración a escala de barrio Fuentes de generación limpias y eficientes Integración de la planta con el entorno Monitorización inteligente y sostenible: Uso de las TICs para gestionar los flujos de energía y control, con previsiones de los patrones de demanda basados en pronósticos. Optimización de la operación basada en datos reales. Proyecto Envite Edificio Fundación Lince. Valladolid C. Invest. CIEMAT - Arq. ALIA

30 Sistemas de generación Producción de calor con sistemas convencionales con sistemas eficientes Utilización de sistemas de climatización convencionales de alta eficiencia, integrados en el sistema de control junto a los basados en EERR y sistemas pasivos Climatización renovable Uso de sistemas basados en energías renovables para climatización. Priorización de Energía solar, biomasa, geotermia, minieólica, etc. Refrigeración con maquinas de absorción. frio solar Sistemas de refrigeración mediante E.S. (absorción de simple y doble efecto), adsorción, TNAs, etc.

31 Sistemas de gestión integral bidireccional Integración del edificio y del ciudadano en la gobernanza Transporte Edificios Alumbrado Gobernanza Generación distribuida Otros servicios Control

32 Evaluación energética experimental de componentes constructivos Ensayo y Caracterización de Componentes y Técnicas de Acondicionamiento desde 1986, a partir de PASSYS, PASCOOL, PASLINK, etc., se realizó el diseño del LECE en la PSA (Recintos de Ensayo y otras instalaciones experimentales) siendo el único laboratorio en España de estas características. Actividades: - Medidas en componentes constructivos - Gestión y documentación de datos experimentales. - Análisis del comportamiento energético. - Modelado empírico de sistemas pasivos (Modelos de caja Gris). Caracterización energética: determinar parámetros de materiales de construcción para diseño óptimo energéticamente y determinación del comportamiento energético de los edificios, existen pocos datos al respecto. Parámetros son: UA: Coeficiente de pérdidas térmicas por unidad de área. ga: Factor de ganancia solar total de calor por área. Pc: Permeabilidad al aire del componente. CI: Capacidad de calorífica interna del componente. Reunion Monitoring Day. COAM. Madrid,

33 Laboratorio de Ensayos Energéticos para Componentes de la Edificación (LECE-PSA) LECE C-DdI ARFRISOL

34 Edifícios protótipos demostradores (C-DdI s Arfrisol) SP 2 SP 3 UAlm ED 70- CIEMAT SP 4 SP 5 PSA Fund. Barredo SP 6 CEDER

35 PLAN NACIONAL DE I+D MICINN PROYECTO SINGULAR ESTRATÉGICO SOBRE ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA y FRIO SOLAR (PSE-ARFRISOL) Mayo Octubre 2012 Presupuesto: 48 M (50% MICINN + 4CCAA)

36 OBJETIVOS: PSE - ARFRISOL Adecuación de la arquitectura bioclimática y de la energía solar en el acondicionamiento térmico de edificios de oficinas, para calefacción y refrigeración (frío solar). Reducción del consumo de energía convencional entorno 80 y 90%. Cambio de mentalidad de la sociedad.

37 Objetivo del PSE-ARFRISOL Demostrar que es posible reducir el consumo energético de un edificio: 50% - 60% con el diseño bioclimático 30% - 40% con los dispositivos solares activos 10% - 20% utilización de EE RR (biomasa, etc.) EDIFICIOS de ENERGÍA CERO? * Sin consumo de combustibles fósiles * Sin emisiones de CO 2

38 PARTICIPANTES Monitorización de edificios eficientes: 5 grandes Empresas Constructoras españolas: ACCIONA, DRAGADOS, SEIS, FCC y OHL 5 Empresas Tecnológicas de energía solar ATERSA, CLIMATEWELL, 9REN (antigua GAMESA), ISOFOTON y UNISOLAR Grupos de Investigación de: Universidades (Almería y Oviedo) y OPI - CIEMAT Propietarios de los edificios: Universidad Almería CIEMAT: Madrid, PSA, CEDER Fundación Barredo (Asturias) ARFRISOL: 14 participantes Avalado por la Plataforma Tecnológica Española de Construcción, PTEC, dentro de la Línea Estratégica Construcción Sostenible Coordinador

39 ARFRISOL : Control del comportamiento Sistema de control

40 SP9 - DIFUSION Monitorización de edificios eficientes: Dada la diferencia de actividades existen tres grupos de trabajo: 1.- Profesional, esta formado por el personal técnico del Consorcio. Guías de diseño para arquitectos, ingenieros, científicos, 2.- Docente, esta formado por el personal de las Univ. Oviedo y Almería, y esta incluido el personal docente de la RSEF. Realización de Unidades Didácticas para Enseñanza Infantil, Primaria, Secundaria y Bachillerato. 3.- Difusión, integrado por los profesionales de Difusión, Marketing e Imagen de las diferentes empresas. Campaña de difusión: Página web del proyecto Artículos en revistas especializadas y generales Asistencia a congresos, ferias y workshops

41 Monitorización de edificios eficientes:

42 PSE - ARFRISOL: Libro - Resumen con resultados Mini-guías de edificios y Libro con resultados finales (2013) en: documentación científica/ enlaces de interés

43 EMVS: Regen-Link Mejora de las condiciones térmicas interiores en viviendas a rehabilitar y de obra nueva en San Cristóbal (Usera, Madrid). Evaluación energética en condiciones reales de uso de 8 viviendas de 4 bloques: 2 rehabilitados y 2 de obra nueva. Estado: Rehabilitados: Antes rehabilitación: Realizada monitorización. Obra nueva: Realizada monitorización.

44 PROYECTOS DE I+D en EE: - PSE-ARFRISOL - DEPOLIGEN - PRENDE - SMARTZA - OMEGA-CM - SubE3Ren - Greenmar - etc.

45 DEPOLIGEN INNPACTO ( ) Participantes: Univ. Salam., Cartif, Iberdrola, IdeasTX, Intramac, Tecopysa y CIEMAT. Objetivo Reducción de la demanda energética de áreas extensas y suministro energético mediante sistemas de poligeneración locales. Objetivos concretos: Eficiencia energética en edificios de "emisión cero" mediante la mejora de la demanda energética, la poligeneración y la gestión integral de la energía

46 DEPOLIGEN INNPACTO ( ) Actividades: Investigación y desarrollo de tecnologías que permitan conseguir edificios, distritos, y barrios residenciales o del sector terciario de emisión cero mediante: Nuevos sistemas de reducción de la demanda energética en edificios, Nuevos sistemas de poli generación que integren sistemas de alta eficiencia y bajo impacto (geotermia, gas, hidrógeno) con energías renovables (solar fotovoltaica y térmica, minieólica y biomasa) Nuevos sistemas de gestión integral de la demanda. Una metodología de análisis e implantación técnico e industrial extrapolable a cualquier lugar

47 Proyecto INNPACTO Smart City Zamora SmartZa ( ) -Análisis técnico-económico y de viabilidad de - La reducción de la demanda energética de los edificios (considerando las técnicas de rehabilitación energética), - El uso de sistemas de poligeneración distribuida de energía (integración de instalaciones de energías renovables y convencionales) aplicadas a las redes de distrito de calor y frío, y los sistemas de acumulación de energía integrados en estas redes - La gestión integral de las mismas (busines inteligent ), control y empleo de las TICS apropiadas para conseguir distritos, barrios residenciales o del sector terciario de emisión cero. -Desarrollo y aplicación de estas técnicas (de aquellas más adecuadas al caso de estudio) a un barrio demostrador en la ciudad participante (Zamora).

48 Proyecto PRENDE-INNPACTO ( ) Plataforma de Rehabilitación Energética de Distritos Urbanos Eficientes Objetivos: Propiciar condiciones adecuadas para conseguir barrios más eficientes desde el punto de vista de rehabilitación energética. Favorecer la utilización de los recursos naturales renovables para el acondicionamiento de los edificios que conforman el barrio, mediante el uso de técnicas naturales de acondicionamiento, considerando el emplazamiento, las tipologías edificatorias, los componentes y las técnicas constructivas existentes. Pretende prender la mecha de la rehabilitación energética, trasladando a los ciudadanos la necesidad y beneficios de mejorar la eficiencia energética de su barrio y en concreto de su vivienda, mediante la rehabilitación.

49 Proyecto PRENDE Estrategias de dinamización = Mejorar estrategias de comunicación Monitorización de edificios eficientes:

50 Servicio PRENDE El servicio PRENDE se articula a través de la Plataforma TuCasaEs+: Recoge información de interés para el ciudadano (Normativas, ayudas, etc.) Es soporte para el simulador de comportamiento energético (en desarrollo) Funciona como amplificador de las estrategias de dinamización.

51 Programa OMEGA-CM TITULO: Medidas de calidad y no intrusivas para la evaluación y optimización energética de edificios existentes con elementos constructivos avanzados. Programa de Actividades I+D de la CM. Tecnologías 2013 ( ) PARTICIPANTES: CIEMAT: Unidad de Eficiencia Energética en la Edificación (UiE3)-Coordinador Grupo de Materiales Policristalinos Fotovoltaicos (GMPF) Grupo Integración Fotovoltaica en la Edificación (IFVE) URJC: Grupo Signal Processing for Applications in Network Science (SPANS) Laboratorios de: CIEMAT: 1.- Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos, 2.- Energía Solar Fotovoltaica, 3.- Instalaciones de Experimentales UiE3 URJC: Comunicaciones Móviles de Banda Ancha UNIÓN EUROPEA Fondos Estructurales

52 Programa OMEGA-CM TITULO: Medidas de calidad y no intrusivas para la evaluación y optimización energética de edificios existentes con elementos constructivos avanzados. OBJETIVOS TECNICOS: 1: Desarrollo de sistema de medida no intrusivo para la evaluación y optimización energética de edificios existentes que integren elementos constructivos avanzados en su envolvente. 2: Definición de requisitos metrológicos en función de los objetivos de la monitorización. 3: Desarrollo de una red de sensores inalámbricos auto-organizada de gran escala para la calificación energética de edificios. 4: Desarrollo y validación de un marco de reconstrucción distribuida en WSN, escalable y resistente a fallos para evaluar la eficiencia energética en edificios. 5: Revisión y caracterización de las ventanas inteligentes. 6: Integración de las ventanas inteligentes, en un sistema de medida fiable para monitorización de la eficiencia energética, mediante sensores autónomos.

53 ENERGÍA ES Y SERÁ IMPRESCINDIBLE PARA DESARROLLO DE NUESTRA SOCIEDAD Crisis económica Oportunidad para un cambio de modelo Hacia un desarrollo sostenible: Necesidad de un cambio social: cultura de la eficiencia en el consumo (buen uso de la tecnología) Oportunidad para las tecnologías eficientes (EERR y EE) Políticas transversales: educación, formación e innovación

54 CONCLUSIÓN Las ciudades (incluyendo la edificación) del futuro tienen que necesitar menos energía, para lo cual hay que realizar: I, DT y Demostración = I+D+i+E Desarrollar e incentivar el mercado. Concienciar al usuario. Implicar al ciudadano

55 GRACIAS POR LA ATENCIÓN UiE3-CIEMAT