PLAN PARA LA REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DEL PARQUE DE VIVIENDAS ESPAÑOL EN 10 AÑOS

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL PLAN PARA LA REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DEL PARQUE DE VIVIENDAS ESPAÑOL EN 10 AÑOS Autor: Borja Gómez Moreno Director: Carolina Fondo Roca Madrid Mayo 2012

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7 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL PLAN PARA LA REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DEL PARQUE DE VIVIENDAS ESPAÑOL EN 10 AÑOS Autor: Borja Gómez Moreno Director: Carolina Fondo Roca Madrid Mayo 2012

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9 Resumen El consumo de energía es uno de los problemas que afronta España actualmente. La dependencia energética es del 80% y por tanto es necesario un uso eficiente de la energía. Sin embargo, el consumo energético aumentó de manera considerable en el periodo , en particular el sector residencial, que representa el 17% del global y creció un 25%. Esto contrasta con algunos países de la Unión Europea donde se han implementado medidas para frenar el aumento del gasto de forma efectiva. Existen dos razones fundamentales que explican el caso español: Edad media de las viviendas. Ritmo de rehabilitación insuficiente. En primer lugar la mayor parte de los edificios de viviendas fueron construidos en las décadas de los 70 y los 80, cuando la regulación acerca de la eficiencia energética era muy laxa. Por otra parte, pese a existir planes aprobados que buscan fomentar la rehabilitación de los edificios de viviendas (p.ej. Plan de Acción ), los objetivos que se proponen no se están cumpliendo. Con el ritmo actual de rehabilitación serían necesarios 106 años para llevar a cabo la actualización total del parque residencial. Con el objetivo de contribuir a la mejora de la situación actual, el proyecto propone un plan de rehabilitación centrado en los edificios con sistemas comunes de calefacción. Los objetivos que pretende conseguir el plan propuesto son los siguientes: Reducción del consumo energético en el sector residencial español. - Para ello se han propuesto una serie de medidas centradas en las áreas de mayor consumo y mayor impacto potencial, es decir, las que afecten a calefacción y ACS. - Para evitar los escasos resultados de éxito de otros planes (p.ej. Plan de Acción ), las medidas propuestas son fácilmente realizables, medibles y verificables. Garantía de éxito en la consecución del plan proponiendo una financiación con fondos privados. - Para que el plan propuesto sea viable, la implantación debe estar en manos privadas. Por tanto se propone un modelo de tipo ESE que involucre a empresas energéticas en el éxito del plan. I

10 Para la ejecución del proyecto, en primer lugar se ha estudiado el estado del arte de la eficiencia energética doméstica. De este modo se han seleccionado las medidas que mejor se adaptan al primer objetivo del plan: que actúen sobre el gasto en calefacción y ACS y que sean fácilmente realizables. Tras este primer estudio se han identificado y analizado tres grupos principales de medidas que cumplen con los requerimientos especificados: Medidas encaminadas a la reducción del consumo. - Calderas de baja temperatura. - Máquinas de micro-cogeneración. Medidas encaminadas a la reducción de la demanda. - Sustitución de ventanas. Medidas encaminadas a una mejor gestión de la demanda. - Válvulas de corte termostáticas. - Contadores individuales. Para la evaluación de las medidas se ha analizado el consumo global de un edificio tipo y el impacto experimentado con una de las actuaciones. Además se ha considerado la implantación conjunta de algunas de ellas para obtener la combinación óptima. El procedimiento seguido para la selección de las medidas consiste en un análisis económico en el que se han calculado los ratios de rentabilidad habitualmente empleados por la industria. Esto ha permitido la comparación de manera unívoca de los proyectos para escoger los óptimos. Una vez seleccionadas las medidas óptimas se ha estudiado su implantación mediante modelos de contrato de empresas de servicios energéticos (ESE). Para ello se han analizado y comparado los diferentes modelos contractuales que existen hasta la fecha, escogiendo los que mejor se adaptan al tipo de medidas propuestas en el proyecto. Los modelos tipo ESE seleccionados corresponden con los modelos de contrato de prestaciones energéticas (EPC) siguientes: II

11 Ahorros garantizados. Ahorros compartidos. - Fijos - Crecientes Se ha analizado para cada uno de los modelos seleccionados la rentabilidad del proyecto para la ESE. Se ha considerado que la inversión inicial es realizada en su totalidad por la ESE, aumentando de este modo el atractivo de la propuesta para los usuarios. Por último, se han escogido los modelos de contrato con máximo VAN para garantizar el éxito del plan. El último paso del proyecto ha sido la evaluación del impacto potencial que tendrá el plan bajo tres tipos de escenarios. Para ello se ha realizado un análisis de sensibilidad según tres tasas diferentes de penetración de las medidas. Este análisis desprende las siguientes conclusiones. Por un lado se considera que la implantación del plan reducirá el consumo energético del segmento del parque de viviendas afectado por las medidas (hogares con sistemas comunes de calefacción) en un 10%. Además se estima que se generará un volumen de negocio superior a 300M, lo que supone una excelente oportunidad para el desarrollo de empresas de servicios energéticos, particularmente pequeñas y medianas empresas reconvertidas desde el sector de la construcción. Por lo tanto, tal y como se describe y cuantifica en la memoria, la implantación del Plan que se presenta tendrá un impacto a tres niveles: Para el usuario: la reducción del consumo energético doméstico que se traduce en una reducción de su factura energética. Para el mercado de las ESEs: el plan supone una oportunidad de desarrollo de las ESEs con nuevos modelos de negocio. Para el Estado: el éxito del plan conllevará una reducción del consumo energético y la activación económica del sector inmobiliario. III

12 Abstract Energy consumption is one of the problems that Spain currently faces. Energy dependency rises up to 80% and hence it becomes necessary to start using energy efficiently. However, energy consumption has been growing during the period, particularly in the residential sector, accounting for 17% of the global energy consumption and having increased 25% in the considered period. This contrasts with other European countries where measures to stop the increase on consumption have been undertaken with success. Two main reasons explain current Spanish situation: Average households age. Insufficient retrofitting rate. First of all, most of the residential buildings were constructed during the 70 s and 80 s, time at which energy efficiency regulation was lax. On the other hand, in spite of the publication of plans that seek to foster residential building retrofitting (i.e. Plan de Acción ) the objectives they set are not being achieved. With the current renovation rates, 106 years would be necessary to complete the refurbishing of Spanish households. With the purpose of contributing to improve the current situation, this project presents a renovation plan focused on buildings with central heating systems. The objectives aimed by the plan are listed below: Spanish residential sector energy consumption reduction. - In order to achieve it, a collection of measures aimed at the areas with highest consumption and biggest impact potential (heating and hot water) has been proposed. - To avoid the lack of success obtained with other plans (i.e. Plan de Acción ) the measures proposed are easy to carry out, quantifiable and verifiable. Plan s success is guaranteed by proposing financing through private funding. - To assure plan s feasibility, implementation must be done by privately owned companies. Hence, an ESCO business model which involves energy companies for the plan s success is proposed. IV

13 For the project s execution the first step has been a state of art analysis of domestic energy efficiency. Measures that best adapt to the plan s first objective, which is acting on heating and hot water consumption, have been chosen during this phase. After this first approach, three main measure packs have been analyzed. These correspond to: Measures that aim at energy consumption reduction. - Low temperature boilers. - Micro compound heat and power machines. Measures that aim at energy demand reduction. - Windows substitution. Measures designed to make a better energy management. - Thermostatic flow cutting valves. - Individual domestic hot water meters. With the intention of evaluating the measures proposed, a sample building s energy consumption and the impact experienced with each of the measures were analyzed. In addition, a combination of the measures has also been considered in an attempt to obtain the optimal solution. The process followed for the selection of the measures consists of an economic analysis of the different actions, using the most common profitability indicators employed in the industry. This allows for the univocal comparison between all the projects and the selection of the optimal ones. Once the optimal actions were selected, their implementation under ESCOs business models has been studied. To do so, the different ESCO contract models that exist until today have been analyzed and compared. The ones that best fitted with the type of actions proposed in this project were selected. The ESCO models selected correspond to the ones listed below: Guaranteed savings. Shared savings. - Fixed. - Growing. V

14 Project profitability has been analyzed from the ESCOs point of view for each of the contracts models selected. It has been considered that the initial investment is fully assumed by the ESCO, thus increasing the offer s attractiveness for the end-users. The next point of this phase has been choosing the contract models with the highest NPV, guaranteeing the plan s success. Finally, the last step of the project has been the potential plan s impact evaluation under three different scenarios. A sensibility analysis with three different penetration ratios has been developed for each of the measures. From the sensibility analysis emerge the following conclusions. First, the plan s implementation will reduce by 10% energy consumption in the residential segment targeted by the proposed measures. On top of that, the plan will generate an investment volume of over M 300. This represents a great opportunity for the development of ESCOmodel based companies, particularly small and medium sized companies shifted from construction sector. Thus, as described and quantified in the memoir, the presented plan s implementation will have an impact at three levels: For end-users: a reduction in domestic energy consumption that also translates into a reduction of their energy bill. For the ESCO market: the plan represents an opportunity for business development. For the State: plan s success will contribute to a reduction in energy consumption and economic stimulation of the real state sector. VI

15 Índice de Figuras Ilustración 1: Plan metodológico del proyecto... 7 Ilustración 2: Comparación de la regulación sobre los requisitos de eficiencia energética 11 Ilustración 3: Esquema del edificio base Ilustración 4: Resumen de las medidas seleccionadas Ilustración 5: Esquema de transmisión de calor en superficies de intercambio de simple y doble pared Ilustración 6: Tecnología THERMOSTREAM aplicada a calderas de fundición para quemadores presurizados Ilustración 7: Comparativa de la conexión hidráulica de una caldera Ilustración 8: Esquema de un MCIA para micro-cogeneración Ilustración 9: Esquema de una microturbina Ilustración 10: Transmitancia de ventanas con vidrio doble en función del espesor de la cámara Ilustración 11: Transmitancia de ventanas con vidrio doble provistas de una capa de óxido metálico en función del espesor de la cámara Ilustración 12: Termostatos de corte en radiador Ilustración 13: Distribución con montantes por radiador Ilustración 14: Instalación con distribución horizontal Ilustración 15: Modelos ESE y pre-ese comparados Ilustración 16: Principales características de los modelos comparados Ilustración 17: Comparativa desde el punto de vista del negocio de los modelos ESE y pre- ESE analizados Ilustración 18: Comparativa tipo de proveedor, de cliente y de tecnología idóneos de los modelos ESE y pre-ese analizados VII

16 Índice de Gráficos Gráfico 1: Evolución del consumo energético español por sectores... 1 Gráfico 2: Distribución de hogares con calefacción colectiva según el periodo de construcción... 2 Gráfico 3: Evolución del consumo energético doméstico español... 9 Gráfico 4: Evolución del consumo energético doméstico en Europa Gráfico 5: Evolución del consumo doméstico desglosado según su uso Gráfico 6: Demanda térmica mensual para un edificio de 24 viviendas según la zona climática Gráfico 7: Comparación de la demanda térmica para un edificio de 24 viviendas con la actuación sobre las ventanas Gráfico 8: Proyección del precio del gasóleo Gráfico 9: Proyección del precio medio del pool Gráfico 10: Curvas de demanda del edificio de 10 viviendas Gráfico 11: Curvas de demanda del edificio de 10 viviendas con actuación sobre ventanas Gráfico 12: Curvas de demanda del edificio de 24 viviendas Gráfico 13: Curvas de demanda del edificio de 24 viviendas con actuación sobre ventanas Gráfico 14: Curvas de demanda del edificio de 24 viviendas Gráfico 15: Curvas de demanda del edificio de 24 viviendas con actuación sobre ventanas VIII

17 Índice de Tablas Tabla 1: Datos estadísticos del parque de viviendas empleados Tabla 2: Datos del edificio base Tabla 3: Ciudades seleccionadas para las simulaciones sobre el edificio base Tabla 4: Número mínimo de persona por vivienda para el cálculo de la demanda de ACS Tabla 5: Temperatura media de red considerada para el cálculo de la demanda de ACS 19 Tabla 6: Potencias y precios de las calderas seleccionadas Tabla 7: Datos de las máquinas de micro-cogeneración consideradas Tabla 8: Transmitancia térmica máxima de cerramientos de la envolvente térmica U en W/m2K Tabla 9: Transmitancia térmica de los marcos según la norma UNE-EN ISO Tabla 10: Transmitancia térmica del hueco (W/m 2 K) Tabla 11: Costes de los cerramientos exteriores Tabla 12: Resumen de las medidas estudiadas en el proyecto Tabla 13: Recomendaciones del IDAE consideradas en el proyecto para el dimensionamiento de las calderas Tabla 14: Tarifas de gas natural consideradas en el proyecto Tabla 15: Resumen de las medidas seleccionadas para el análisis de implantación Tabla 16: Opciones de posibles reparto de los ahorros Tabla 17: Ventajas en la contratación de una ESE Tabla 18: Características de los contratos con ahorros compartidos considerados Tabla 19: Características de los contratos con ahorros garantizados considerados Tabla 20: Modelos de contratación ESE seleccionados para cada medida Tabla 21: Contratos ESE descartados tras el cálculo de VAN Tabla 22: Número de hogares en función de la cantidad de viviendas en el edificio por zona climática Tabla 23: Combustible empleado por los hogares con sistemas comunes de calefacción 93 IX

18 Tabla 24: Número de hogares susceptibles de implementar las medidas propuestas en el proyecto Tabla 25: Número de hogares susceptibles de implementar las medidas propuestas en el proyecto Tabla 26: Tiempos y personal necesarios para la implantación de las medidas Tabla 27: Resultados de cada escenario Tabla 28: Demandas energéticas del edifico de 10 viviendas Tabla 29: Demandas energéticas del edifico de 10 viviendas con actuación sobre las ventanas Tabla 30: Demandas energéticas del edifico de 24 viviendas Tabla 31: Demandas energéticas del edifico de 24 viviendas con actuación sobre las ventanas Tabla 32: Demandas energéticas del edifico de 50 viviendas Tabla 33: Demandas energéticas del edifico de 50 viviendas con actuación sobre las ventanas Tabla 34: Resultados del análisis de las medidas Tabla 35: Resultados del análisis de los modelos de contrato ESE para la implantación de las medidas X

19 Índice de Ecuaciones Ecuación 1: Cálculo de la demanda de ACS Ecuación 2: Cálculo de la diferencia de temperaturas Ecuación 3: Cálculo de la temperatura de red (Zona A) Ecuación 4: Demanda de ACS mensual por metro cuadrado Ecuación 5: Demanda del edificio Ecuación 6: Demanda mensual total del edificio Ecuación 7: Dimensionamiento de la caldera Ecuación 8: Energía térmica producida por la máquina de micro-cogeneración Ecuación 9: Coste del gas natural Ecuación 10: Coste del gasóleo Ecuación 11: Cálculo del ahorro de la micro-cogeneración Ecuación 12: Cálculo de los ahorros para la medida de cambio de ventanas Ecuación 13: Cálculo de la demanda asociada a la aplicación de medidas de gestión de la demanda Ecuación 14: Periodo de retorno de la inversión Ecuación 15: Valor Actual Neto de una inversión Ecuación 16: Tasa Interna de Retorno de una inversión Ecuación 17: Tasa de descuento Ecuación 18: Estimación del numero viviendas potenciales para la adopción de las medidas Ecuación 19: Tiempo total necesario para actuaciones conjuntas Ecuación 20: Estimación número de empleados necesarios para llevar a cabo la implementación de las medidas Ecuación 21: Tiempo total necesario para implantar la medida XI

20 Índice General Resumen... I Abstract... IV Índice de Figuras... VII Índice de Gráficos... VIII Índice de Tablas... IX Índice de Ecuaciones... XI Índice General... XII 1 Introducción Motivación del proyecto Objetivos Metodología El consumo doméstico Evolución del consumo Desglose del consumo Edificio base y curvas de demanda Edificio base para las simulaciones y edificios considerados Datos estadísticos Edificio base y extrapolación Curvas de demanda Demanda de calefacción Demanda de ACS Gráficos de demanda térmica Medidas propuestas Medidas encaminadas a la reducción del consumo Calderas convencionales o estándar Calderas de baja temperatura XII

21 Funcionamiento de los tubos de humos de pared múltiple Caderas de baja temperatura de fundición gris especial Calderas Buderus Máquina de micro-cogeneración Definición de micro-cogeneración Micromotores de combustión Microturbinas de gas Máquinas de micro-cogeneración consideradas en el proyecto Medida para la reducción de la demanda (sustitución de ventanas) Criterios de selección del vidrio Marcos de ventanas Carpintería y vidrio seleccionados para el proyecto Instalación de sistemas de gestión de la demanda Válvulas termostáticas Sistemas de contabilización individual Evaporímetros Contadores a la entrada de la vivienda Resumen de las medidas estudiadas Estudio de los ahorros Dimensionamiento de las calderas Cálculo de los ahorros Cálculo de los ahorros para las medidas de reducción del consumo Cálculo del gasto económico Cálculo de los ahorros económicos Cálculo de los ahorros para las medidas de reducción de la demanda Cálculo de los ahorros para las medidas de gestión de la demanda Ahorros asociados a la combinación de medidas Precio de la energía y evolución XIII

22 5.3.1 Precio del gas natural Precio del Gasóleo Precio del pool Paquete de medidas elegido Evaluación de la medida Medidas seleccionadas Plan de implantación Modalidades de contratación de una ESE Garantía y reparto de los ahorros Financiación y duración del contrato Tipos de contrato más empleados Contrato de prestaciones energéticas (EPC) Modelo 4Ps Contrato de prestaciones de ahorros energéticos Ventajas en la contratación de una ESE Comparación de los modelos de contratación ESE Comparación desde el punto de vista de la gestión del negocio Conclusiones de la comparativa de los modelos ESE y pre-ese analizados Modelo de contrato seleccionado para el proyecto Modelos de contratación considerados en el proyecto Criterios para la selección del modelo óptimo para cada medida Modelos seleccionados Resultados esperados con la implementación del plan Número potencial de hogares y edificios susceptibles de adoptar las medidas Tiempo empleado para la ejecución de las medidas y recursos humanos necesarios Potencial de generación de empleo XIV

23 6.3.4 Volumen de inversión generado y ahorros energéticos totales Resultados obtenidos para cada escenario Conclusiones Análisis del estado del arte de las tecnologías de eficiencia energética Análisis de los ahorros energéticos y económicos Determinación del modelo de contrato ESE óptimo para la implantación de las medidas seleccionadas Evaluación de los resultados globales posibles bajo tres escenarios de implantación Bibliografía Anexos Demanda energética de los edificios considerados en el proyecto Edificio de 10 viviendas Edificio de 24 viviendas Edificio de 50 viviendas Resultados completos del análisis de las medidas Resultados de la evaluación de los tres modelos de negocio de las empresas de servicios energéticos XV

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25 1 Introducción Arrastrado por el desarrollo económico que experimentó España hasta el año 2007, el consumo energético del país aumentó un 11% entre el 2000 y el En los últimos años y como consecuencia de la crisis financiera de 2008, tanto el desarrollo económico como el consumo energético del país se han frenado. En particular, el gasto energético doméstico aumentó un 25% en el periodo considerado, a pesar de un ligero descenso a partir de 2008 debido a la crisis. Si se compara el crecimiento del sector residencial frente a los demás, se observa que el gasto de energía de los hogares españoles, con una tasa de crecimiento compuesto del 2,5% anual en el periodo (Gráfico 1), es el segundo sector de mayor incremento por detrás de los servicios. La principal causa del aumento del consumo en los hogares ha sido el aumento de la tasa de bienes de equipo. Desde de la década de los 90 hasta hace poco el consumo energético de los hogares ha evolucionado por encima del crecimiento de la población a una tasa incluso 5 veces superior (Fuente: IDAE Guía práctica energía 3ed.) Gráfico 1: Evolución del consumo energético español por sectores TACC* Total 1,2% Agricultura -0,1% Servicios 3,5% Hogares 2,5% TWh 600 Industria -0,7% Transporte 1,6% Nota: *Tasa anual de crecimiento compuesto En 2009 el consumo energético en los hogares representó el 16,7% del consumo total en España, siendo el tercer sector en cuanto a gasto energético solo por detrás de la industria y el transporte. 1

26 Este crecimiento del consumo energético supone además un potencial aumento de la dependencia energética de España, que según datos de la Comisión Europea está en torno al 80%, dato muy superior a la media Europea cifrada en un 53%. 1.1 Motivación del proyecto El consumo del sector residencial supone un elevado gasto tanto para las familias españolas como para el Estado. Las altas tasas de consumo se deben principalmente a la edad del parque residencial español, construido en gran parte durante las décadas de los 70 y 80. En dicho momento las restricciones en el consumo energético y las especificaciones técnicas eran muy laxas, lo que actualmente se traduce en un parque de viviendas antiguo e ineficiente energéticamente. Gráfico 2: Distribución de hogares con calefacción colectiva según el periodo de construcción Nº de viviendas % del total 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

27 Si bien ya existen planes publicados en España que promueven la rehabilitación energética del parque de edificios, esta reforma energética no se está llevando a cabo. Por ejemplo, el Plan de Acción propone un ritmo de rehabilitación de los edificios del 3,3%. Sin embargo, el ritmo real en estos años ha sido del 0,2%, cifra muy inferior a la esperada inicialmente. Con los ritmos actuales de rehabilitación serían necesarios 106 años para llevar a cabo una remodelación completa del parque residencial español. Las principales causas por las que no se está cumpliendo este objetivo son la dificultad de realización de las medidas (p.ej. actuaciones sobre la envolvente térmica de los edificios) y la crisis actual del sector inmobiliario. Por otra parte, el estancamiento de obra nueva, debido a la crisis inmobiliaria en la que nos encontramos, ha liberado una fuerza de trabajo especializada en el sector. La elaboración de un plan de rehabilitación no solo permitirá reducir el consumo y mejorar la eficiencia energética de los hogares si no también impulsar de nuevo al sector de la construcción. Por tanto, la implantación de un Plan para la rehabilitación energética del parque de viviendas español en 10 años que proponga medidas fáciles y rápidas de efectuar contribuirá tanto a la reducción del consumo energético nacional (y de la dependencia energética) como a incentivar el empleo y la economía. 3

28 1.2 Objetivos El principal objetivo del proyecto es el diseño de un plan de acción para conseguir la rehabilitación energética del parque inmobiliario español en menos de 10 años. También se pretende que el plan no suponga un coste añadido para la Administración. Por ello se va a proponer una implementación a partir de fondos privados de empresas de servicios energéticos. Los objetivos del plan de acción se enumeran a continuación: Reducción del consumo energético en el sector residencial español - Para ello se propondrán una serie de medidas que se centrarán en las áreas de mayor consumo y mayor impacto potencial, es decir, las que afecten a calefacción y ACS. - Las medidas propuestas deben ser fácilmente realizables, medibles y verificables. Garantía de éxito en la consecución del plan proponiendo una financiación con fondos privados. - Se considera que una implantación de un modelo tipo ESE facilitará el éxito del plan. Se busca un impacto a tres niveles: Para el usuario: la reducción del consumo energético doméstico se traducirá en una reducción de su factura energética. Para el mercado de las ESEs: el plan supondrá una oportunidad de desarrollo de las ESEs con nuevos modelos de negocio. Para el estado: el éxito del plan conllevará una reducción de la dependencia energética del exterior y creación de nuevos puestos de trabajo. 4

29 1.3 Metodología Para realizar el proyecto se ha seguido una metodología lineal que consta de las siguientes fases principales. En primer lugar se han analizado las características más representativas del parque de viviendas español para poder crear un edificio base sobre el que realizar simulaciones. Para ello se ha realizado un muestreo del parque inmobiliario utilizando los datos oficiales del Instituto Nacional de Estadística (INE) más recientes: los correspondientes al Censo de Población y Vivienda Dentro de la extensa base de datos disponible se han tomado los siguientes: Número de hogares con calefacción colectiva por municipio. Año de construcción agregado por decenios de los hogares con calefacción colectiva. Datos básicos para la creación de un edificio tipo sobre el que realizar simulaciones para obtener las curvas de carga térmica. - Número medio de viviendas por edificio. - Número de plantas sobre rasante. - Superficie media de las viviendas con sistemas comunes de calefacción. - Número medio de habitaciones por vivienda con calefacción colectiva (no incluyendo los cuartos de baño, vestíbulos, pasillos y terrazas abiertas e incluyendo la cocina y las terrazas cerradas). - Ocupación media de los hogares (personas que componen un hogar o vivienda). El siguiente paso ha sido el análisis del gasto energético doméstico. Se han obtenido las curvas de demanda térmica mensuales para un edificio base distinguiendo por zona climática, mediante la simulación con la herramienta informática CYPE. A continuación se ha identificado el potencial de mejora que se obtendría aplicando las medidas de ahorro seleccionadas. Tras esta primera parte del proyecto, se ha llevado a cabo el estudio económico. Este ha consistido en la valoración del potencial económico de las medidas identificadas. Para la cuantificación del ahorro económico se ha tomado el ahorro energético teniendo en cuenta estimaciones de la evolución del precio de la energía. 5

30 Una vez obtenidos los ahorros correspondientes a efectuar las medidas propuestas por separado, se ha evaluado el efecto de la combinación de algunas de ellas teniendo en cuenta los posibles solapes de los ahorros individuales. Tras este proceso se ha seleccionado el paquete de actuaciones más atractivo. Finalmente, se han analizado los diferentes modelos de negocio ESE para la implantación del paquete de medidas elegido cuantificando el beneficio que supondrá para: El usuario. Las Empresas de Servicios Energéticos. El Estado. A continuación se presenta un sencillo esquema del plan metodológico: 6

31 Ilustración 1: Plan metodológico del proyecto Muestreo del parque de viviendas Análisis del gasto energético Valoración de medidas Estudio económico Implantación Recogida de datos estadísticos del parque de viviendas español - Identificación de edificios de viviendas con sistemas de calefacción común - Distinción por zonas climáticas - Recapitulación de datos para la creación de un edificio tipo sobre el que simular Estudio del consumo en las viviendas - Creación de edificio base en programa de simulación (CYPE) - Obtención de curvas de demanda de calefacción mediante simulación de edificio base (en Energy +) - Obtención de la demanda de ACS - Distinción por zonas climáticas Ahorros energéticos y económicos - Comparación de las medidas por separado (sustitución de calderas, equipos de mcg, cambio de ventanas, válvulas de corte termostáticas y sistemas de contabilización individual del consumo) - Comparación de la aplicación conjunta de medidas Valoración del potencial económico global de las medidas identificadas Cuantificación de los periodos de retorno de las inversiones Análisis de los modelos de negocio ESE para la implantación de las medidas Análisis del beneficio para el usuario, ESE y Estado 7

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33 2 El consumo doméstico 2.1 Evolución del consumo Como se ha expuesto en la introducción, el consumo residencial español ha aumentado en los últimos diez años, en gran medida debido al incremento de la tasa de bienes de equipo y a la búsqueda de un mayor confort en nuestros hogares. El Gráfico 3 muestra la evolución del consumo energético en el sector residencial, observándose un incremento de un 25% en la última década (en torno a 35 TWh). Gráfico 3: Evolución del consumo energético doméstico español Δ (00-09) Total 25% TWh Existen numerosas razones que justifican este aumento en el uso de energía. Además del ya mencionado incremento del uso de bienes de equipo destaca la falta de regulación que obligue a presentar un certificado energético de la vivienda en el momento de su compraventa o alquiler. 9

34 La Directiva Europea 2002/31/CE relativa a la eficiencia energética de los edificios especifica que los Estados miembros deben fijar una metodología de cálculo para evaluar la eficiencia energética de todos los tipos de edificios. Además se han de establecer unas normas mínimas de eficiencia energética para edificios nuevos y los grandes edificios existentes que sean objeto de una modificación importante. Otro de los temas abordados por la Directiva es que los Estados han de garantizar la certificación energética de los edificios y realizar el control periodo de las calderas. A raíz de la mencionada Directiva, España elaboró el Real Decreto 47/2007 por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción. Por tanto, falta por trasponer al derecho español la segunda parte del la Directiva referente a los edificios existentes. Existe al respecto un borrador de Real Decreto (previsto para enero de 2009); sin embargo este RD está estancado y en consecuencia no se ha efectuado de manera masiva la certificación de edificios existentes. En el año 2010 la Comisión Europea publicó una nueva Directiva (2010/31/UE) relativa a la eficiencia energética de los edificios que modifica y aclara algunos puntos de la Directiva 2002/31/CE. En ella se especifica lo siguiente: Los Estados miembros velarán por que se expida un certificado de eficiencia energética para los edificios o unidades de estos que se construyan, vendan o alquilen a un nuevo arrendatario Sin embargo, visto lo sucedido con la transposición de la anterior Directiva, las perspectivas para la adopción en la regulación española de las exigencias de la Directiva 2010/31/UE no son muy alentadoras. A continuación se presenta un cuadro comparativo de la situación normativa en España, Dinamarca, Alemania y Reino Unido. 10

35 Ilustración 2: Comparación de la regulación sobre los requisitos de eficiencia energética Reforma de edificios Sistemas de calefacción Certificación España Dinamarca Alemania Reino Unido Se deben llevar a cabo actuaciones que limiten la demanda energética cuando se reformen edificios con superficie útil superior a 1.000m 2 y se renueve más del 25% del total de sus cerramientos Las reformas acometidas deben cumplir la legislación vigente para nuevas construcciones Para viviendas en alquiler el propietario puede transferir 11% del coste neto de la rehabilitación a los arrendatarios Se deben llevar a cabo actuaciones que limiten la perdida o ganancia de calor cuando se proceda a la extensión o reforma de edificios de más de m 2 siempre que sea económicamente rentable Planes renove de calderas Obligación de revisión anual de calderas de gas y emisión del certificado correspondiente (excepto en el País Vasco donde es bianual) Inspección de la instalación de gas natural cada 5 años Revisión anual de los equipos de gasóleo Auditorias energéticas de las instalaciones ineficientes Inspecciones periódicas anuales bianuales o trianuales dependiendo de la tecnología Obligación de instalar calderas de condensación Contabilización individual del consumo Sistemas de corte para cuando no se necesita aporte calorífico Obligación de obtener un certificado para edificios de nueva construcción o edificios existentes que sufran reformas Retraso de 2 años en la publicación de un RD para la certificación de edificios existentes en el momento de su venta o alquiler Acta de calificación Energética de Edificios, de obligado cumplimiento para edificios nuevos y existentes de menos de 1.500m 2, antes de la venta o alquiler Obligación de obtener un certificado para la venta o alquiler de viviendas desde 2009 Obligación de obtener un certificado al construir, vender o alquilar un edificio o una parte de él (i.e. vivienda) Por otra parte, comparando la evolución del consumo doméstico de los países de la Unión Europea (Gráfico 4) se observa que España presenta el mayor incremento porcentual de la última década. Por el contrario, Reino Unido, Suecia, o Francia han reducido sus consumos energéticos domésticos, adelantándose a las diferentes directivas europeas. También cabe resaltar que nuestro país presenta un incremento en el gasto energético residencial mucho mayor que otros países con climas similares como son Portugal e Italia (14% y 2% respectivamente). Gráfico 4: Evolución del consumo energético doméstico en Europa Δ (00-09) Total 0,5% Portugal 14,3% Dinamarca 8,0% Suecia -4,7% Holanda -1,1% España 25,3% Italia 2,0% Francia -1,4% TWh Reino Unido Alemania -6,4% 0,9% Resto EU-27 2,2%

36 2.2 Desglose del consumo Si se analiza en detalle la tipología del consumo doméstico, desglosando el gasto en el sector residencial por cada tipo de elemento (calefacción, agua caliente sanitaria (ACS), cocina, iluminación y aire acondicionado), se observa que la partida de consumos térmicos, correspondiente a calefacción y ACS, es la que mayor cantidad de energía consume con un 71% del total (Gráfico 5). Gráfico 5: Evolución del consumo doméstico desglosado según su uso 100% 90% 80% Aire Acondicionado Iluminación Cocina Electrodomésticos 70% 60% ACS 50% 40% 30% 71% 20% Calefacción 10% 0% A la vista de los datos anteriores, el plan de rehabilitación que se presenta deberá proponer actuaciones que impacten en la demanda térmica de los edificios. 12

37 3 Edificio base y curvas de demanda 3.1 Edificio base para las simulaciones y edificios considerados Datos estadísticos Para la creación de un edificio sobre el que poder realizar diferentes simulaciones y obtener las curvas de demanda térmica según las distintas zonas climáticas, ha sido necesario obtener información estadística referente al parque de viviendas español. Como se ha anunciado en la metodología del proyecto, los datos empleados son los correspondientes al Censo de población y vivienda A continuación se expone en una tabla resumen los datos estadísticos empleados. Tabla 1: Datos estadísticos del parque de viviendas empleados Número de hogares en España Número de hogares con calefacción colectiva Número medio de hogares por edificio con calefacción colectiva Número de plantas sobre rasante 7 Superficie media de los hogares con calefacción colectiva (m 2 ) 96 Número de habitaciones por hogar 5 Ocupación media del hogar (personas) 2,93 Además de los datos numéricos de la tabla y con la finalidad de dividir el territorio nacional por zona climática según la severidad invernal, se han obtenido: El número de viviendas con sistemas de calefacción colectiva desglosado por municipio. La zona climática de cada municipio. La temperatura de media de red mensual de las capitales de provincia. 13

38 De esta forma se han podido ponderar las temperaturas de red por zona climática para calcular la demanda de ACS como se explica en el apartado Edificio base y extrapolación Una vez obtenidos los datos estadísticos, se ha creado en CYPE un edificio que representa el edificio de viviendas medio en España. Seguidamente se presentan un esquema del inmueble y una tabla resumen con sus características. Ilustración 3: Esquema del edificio base Tabla 2: Datos del edificio base Número de viviendas 24 Número de plantas 6 (+1 planta de entrada) Superficie por vivienda 100m 2 Número de habitaciones por vivienda 5 (incluyendo cocina y salón) Número de radiadores por vivienda 9 Número de ventanas 120x x

39 Debido a que el parque residencial español no cuenta con una única tipología de edificio sino una gran variedad en cuanto a tamaño se refiere, para obtener resultados más ajustados en el proyecto se han considerado, además del edificio base, edificios con 10 viviendas y con 50 viviendas. 3.2 Curvas de demanda Demanda de calefacción Con la finalidad de obtener las curvas de demanda térmica sobre las que estudiar los efectos de las medidas que se han propuesto, se ha seguido el proceso siguiente: Selección de cinco ciudades representativas de cada una de las zonas climáticas según su severidad invernal (Tabla 3). Simulación sobre el edificio base exportándolo al programa Energy+. Obtención de las demandas térmicas de calefacción del edificio base por metro cuadrado (kwh/m 2 ) en función de cada mes del año 1. Extrapolación de las demandas del edificio base a inmuebles con distinto número de viviendas pero que conserven la misma superficie por hogar (100m 2 ). En el anexo 9.1 se exponen los resultados obtenidos tras la simulación. Tabla 3: Ciudades seleccionadas para las simulaciones sobre el edificio base Zona A Zona B Zona C Zona D Zona E Localidad Málaga Alicante Granada Madrid León 1 Se ha considerado que esta demanda es extrapolable a toda la zona climática. 15

40 En el caso de tener en cuenta la sustitución de ventanas, la demanda térmica del edificio se vería reducida. Por lo tanto se han efectuado también simulaciones para conocer la nueva demanda térmica del edificio base con la instalación de nuevas ventanas. El procedimiento ha sido análogo al que se acaba de describir, obteniendo las curvas de demanda térmica del edificio base en ciudades representativas para después extrapolarlas al resto de la zona climática así como a edificios con distinto número de viviendas. En este caso solo se ha evaluado el efecto para las zonas D y E por ser las más severas en invierno y donde se pueden conseguir mayores ahorros Demanda de ACS Para el cálculo de la demanda de ACS se ha empleado la Ecuación 1. Ecuación 1: Cálculo de la demanda de ACS h l T p cal g cal h 1 1 g l 1 Donde las distintas variables corresponden a: D: Demanda térmica en kwh. V: Volumen de ACS en litros. T: Diferencia de temperatura entre la temperatura de referencia y la temperatura de la red en Kelvin. Ecuación 2: Cálculo de la diferencia de temperaturas T T referencia T red Cp: Calor específico del agua en kcal g -1 K -1 (Cp=1 kcal g -1 K -1 ). : ensidad del agua en g.l -1 ( 1000 g.l -1 ). A la hora de realizar los cálculos se han tomado los valores unitarios propuestos por el CTE HE4 para viviendas multifamiliares: Temperatura de referencia: 60 ºC. Demanda diaria por persona a la temperatura de referencia: 22 litros. Según el CTE, los valores anteriores se han calculado a partir de la tabla 1 de la norma UNE 94002:

41 Además, el código propone la tabla siguiente para estimar el número mínimo de personas por vivienda: Tabla 4: Número mínimo de persona por vivienda para el cálculo de la demanda de ACS Número de dormitorios Más de 7 Número de Personas 1, Nº de dormitorios De la Tabla 2 se sabe que el número de habitaciones por vivienda son 5 incluyendo el salón y cocina. Por tanto en este punto se han tomado 4 personas por vivienda. Para la estimación de la temperatura de red se ha realizado lo siguiente: Obtención de los datos de la temperatura media mensual del agua de la red de distribución de las capitales de provincia. Cálculo de la temperatura media por mes en función de la zona climática. - Cálculo de la temperatura media por zona climática teniendo en cuenta las 12 diferentes zonas propuestas por el CTE. - Ponderación de la temperatura de la red para las 5 zonas consideradas en el proyecto teniendo en cuenta el número de viviendas con sistemas comunes de calefacción en cada una de las 12 zonas propuestas por el CTE. 17

42 La Ecuación 3 muestra el cálculo para la zona A, siendo aplicable la misma metodología para el resto de zonas. Ecuación 3: Cálculo de la temperatura de red (Zona A) Siendo: T red T red 3 3 T red 3 T red A : Temperatura media de red de la zona A T red 3 : Temperatura media de red de las capitales de provincia en zona A3. T red : Temperatura media de red de las capitales de provincia en zona A4. 3: Número de viviendas con sistemas de calefacción colectiva en zona A3. : Número de viviendas con sistemas de calefacción colectiva en zona A4. En la Tabla 5 se presentan las temperaturas medias de red por zona climática consideras para los cálculos y los resultados de temperatura media de red obtenidos y empleados para el cálculo de la demanda de ACS. 18

43 Tabla 5: Temperatura media de red considerada para el cálculo de la demanda de ACS Zona climática Número de viviendas Temperatura de red media (ºC) Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sept. Oct. Nov. Dic. A ,71 13,39 15,22 16,63 18,74 21,86 23,56 23,82 22,04 19,38 15,84 13,41 Zona A A ,94 13,47 15,52 17,11 20,00 24,22 25,99 26,84 24,21 20,70 16,02 13,79 Media ,74 13,40 15,25 16,68 18,88 22,12 23,82 24,15 22,28 19,52 15,86 13,45 B ,25 11,10 13,20 15,14 17,29 20,46 22,01 21,94 19,92 17,24 13,35 10,65 Zona B B ,98 12,33 15,22 16,84 20,11 24,83 26,65 27,02 24,08 19,90 14,34 11,78 Media ,53 11,58 13,98 15,80 18,38 22,15 23,80 23,90 21,53 18,27 13,74 11,09 C ,06 8,75 10,72 12,23 13,73 15,34 16,40 16,09 14,88 13,39 10,72 8,19 C ,36 9,22 12,02 13,40 17,06 21,36 23,25 23,90 20,63 16,97 11,41 8,61 Zona C C ,20 9,00 12,11 13,80 17,73 23,49 25,40 25,12 21,19 16,53 10,29 7,70 C ,12 9,94 13,14 14,39 18,32 24,25 26,31 26,36 22,47 17,22 11,18 8,58 Media ,06 8,98 11,35 12,82 15,22 18,17 19,58 19,52 17,38 14,80 10,88 8,27 D ,36 6,30 8,41 10,03 11,51 13,16 14,21 13,69 12,38 10,76 8,14 5,46 Zona D D ,76 6,25 9,45 10,74 14,48 19,45 20,98 21,22 17,59 13,24 7,47 4,92 D ,71 7,43 10,97 12,67 16,88 22,55 24,40 24,52 20,27 15,12 8,61 5,74 Media ,49 7,06 10,33 11,94 15,68 20,64 22,32 22,37 18,65 14,16 8,34 5,55 Zona E E ,48 4,91 8,09 9,04 13,08 18,39 19,99 20,50 16,76 11,89 6,13 3,95 Media ,48 4,91 8,09 9,04 13,08 18,39 19,99 20,50 16,76 11,89 6,13 3,95 19

44 Con los datos obtenidos se puede efectuar el cálculo de la Ecuación 1 y conseguir la demanda energética de ACS por vivienda. Para poder extrapolar los datos y combinarlos con la demanda de calefacción obtenida mediante el Energy+, se necesita la demanda de ACS por metro cuadrado y mes. Con tal fin se ha multiplicado la demanda diaria por vivienda por el número de días en el mes de cálculo y se ha dividido por los metros cuadrados de las viviendas. Este paso se puede ver en la Ecuación 4 Siendo: Ecuación 4: Demanda de ACS mensual por metro cuadrado n S : Demanda de ACS por metro cuadrado y mes en kwh/m2 mes. D: Demanda de ACS diaria por vivienda en kwh/día obtenida a partir de la Ecuación 1. n: Número de días del mes. S: Superficie de la vivienda en m 2 (en este caso S=100 m 2 ) Gráficos de demanda térmica Sumando la demanda de calefacción y la correspondiente al ACS, se he obtenido la demanda global del edificio base por metro cuadrado. Con este dato se ha podido extrapolar a los otros dos edificios considerados. Ecuación 5: Demanda del edificio edif. calef. S A continuación se presentan las curvas de demanda térmica consideradas 2 para el edificio base del proyecto. 2 En el anexo 9.1se pueden ver los gráficos correspondientes a cada uno de los edificios. 20

45 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Plan para la rehabilitación energética del parque de viviendas español en 10 años Gráfico 6: Demanda térmica mensual para un edificio de 24 viviendas según la zona climática Zona E Zona D Zona C kwh/m Zona B Zona A 0 Del mismo modo, sumando la demanda térmica obtenida con Energy+ para las viviendas con cambio de ventanas y la obtenida mediante el cálculo de la demanda de ACS, se han trazado las curvas de demanda con la actuación sobre las ventanas. Dichas curvas se ven en el gráfico a continuación, en el que se pueden comparar con la demanda base (sin ningún tipo de actuación) Gráfico 7: Comparación de la demanda térmica para un edificio de 24 viviendas con la actuación sobre las ventanas Zona E sin cambio Zona E con cambio Zona D sin cambio Zona D con cambio kwh/m

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47 4 Medidas propuestas Las medidas propuestas en este proyecto se centran en la búsqueda de una reducción del consumo térmico doméstico. Las medidas pueden estructurarse en 3 grandes grupos: Reducción del consumo energético mediante la sustitución de equipos ineficientes. Reducción de la demanda mediante mejoras en los cerramientos y/o en las fachadas. Gestión efectiva de la demanda. La primera opción se basa en mejorar la eficiencia de los equipos de generación de calor. De esta forma, manteniendo la demanda constante, se reduce el consumo gracias al mayor rendimiento de los equipos nuevos. La segunda posibilidad es actuar sobre la demanda reduciendo su cuantía. Para ello existen dos vías principales. La primera es actuar sobre las fachadas y cubiertas mejorando los aislamientos. Esta medida es la que seguramente presente mayor reducción de demanda, sin embargo se ha descartado a consecuencia de la gran inversión inicial necesaria. Para mejorar la envolvente del edificio son necesarias grandes cantidades de tiempo y dinero lo que supone una implantación compleja y periodos de retorno muy largos. Por otro lado, para reducir la demanda térmica, también es posible mejorar los cerramientos exteriores de las casas (las ventanas). Aunque esta medida supone también un gran desembolso de capital inicial el tiempo para llevarla a cabo es considerablemente menor que para la mejora de la envolvente. Por tanto, en el presente estudio se ha tenido en cuenta exclusivamente la mejora de las ventanas. Por último, la tercera actuación plausible para disminuir el gasto energético en las viviendas es conseguir una gestión eficiente de la demanda. Para ello se proponen dos opciones: Instalación de válvulas de corte termostáticas. Instalación de sistemas de contabilización individual del consumo. 23

48 Las válvulas de corte termostáticas permiten limitar el tiempo de uso de calefacción mediante termostatos de corte. Sin embargo esta medida no supone ningún ahorro económico en comunidades con sistemas comunes de calefacción si no se fragmenta el pago del consumo de calefacción, con la instalación de contadores. Esto se debe al hecho de que en las comunidades de vecinos el pago de calefacción se hace dividiendo el consumo total de la caldera entre todos los vecinos, sin tener en cuenta el consumo individual de cada vivienda. Entonces, como la instalación de válvulas termostáticas de corte requiere el compromiso de los vecinos para situar la temperatura de corte en valores razonables, si estos no ven un posible ahorro por hacerlo es probable que la medida aislada no suponga ningún ahorro. Por tanto, además de los termostatos se hace necesaria la instalación de sistemas que midan el calor requerido por cada vivienda para poder dividir el gasto. A continuación se expone un esquema con las distintas medidas propuestas. Para cada una de ellas se presentará su estado del arte en los apartados correspondientes. 24

49 Ilustración 4: Resumen de las medidas seleccionadas 4.1 Reducción del consumo (sustitución de equipos) 4.2 Reducción de la demanda (sustitución de ventanas) 4.3 Gestión de la demanda (instalación de válvulas termostáticas y contadores) Calderas estándar Calderas de baja temperatura Microcogeneración Selección del vidrio Marcos de ventanas Ventanas seleccionadas para el proyecto Válvulas termostáticas Contadores individuales Tubos de humos de pared múltiple Fundición gris especial Calderas Buderus Definición Micromotores de combustión Microturbinas de gas Evaporímetros Contadores a la entrada Máquinas consideras en el proyecto 25

50 4.1 Medidas encaminadas a la reducción del consumo Se han propuesto medidas que conlleven una mejora en la eficiencia de los equipos térmicos de las viviendas. Asimismo se ha intentado que las medidas no supongan una molestia para los habitantes de las viviendas: es decir, que impliquen el menor tiempo y obra posibles. La sustitución de las calderas comunes antiguas por unas nuevas de baja temperatura cumplen con estos requerimientos puesto que permiten la operación eficiente con radiadores, evitando así tener que actuar sobre la instalación en la vivienda para instalar suelo radiante. En los siguientes sub-apartados se describen primero las características de las calderas estándar para después explicar el funcionamiento de las calderas de baja temperatura Calderas convencionales o estándar La descripción se corresponde con la definición siguiente: aldera cuya temperatura media de funcionamiento puede limitarse a partir de su diseño. Las características constructivas de este tipo de calderas (tubos de humos de simple pared, fundición negra tradicional) las obligan a trabajar siempre a temperaturas constantes elevadas: Temperaturas de retorno bajas podrían provocar condensaciones dentro de la caldera, lo que provocaría la corrosión en las superficies de intercambio en un corto espacio de tiempo. La temperatura mínima de retorno para esta tecnología suele ser de 55 o 60ºC, y en cualquier caso ha de encontrarse por encima del punto de rocío del combustible utilizado (en el caso del gas natural es de 57ºC) Calderas de baja temperatura A raíz de la crisis del petróleo en los años 70 surgió la necesidad de diseñar calderas que redujesen el consumo de combustible. Para ello se buscó reducir las pérdidas por mantenimiento de la temperatura por encima del nivel de seguridad para evitar la condensación. Se desarrollaron superficies de intercambio capaces de trabajar con temperaturas inferiores a las del punto de rocío de los humos de la combustión para evitar la condensación en el interior de la caldera lo que resulta perjudicial para la misma. 26

51 Como resultado de este desarrollo, en 1979 se presentaron las primeras calderas capaces de adaptar su temperatura de funcionamiento sin presentar problemas por condensación. Para ello se emplea una técnica que consiste en implementar superficies de intercambio de pared múltiple o de fundición gris especial. Inicialmente se denominó a este tipo de calderas de bajo consumo (hoy en día se las conoce como calderas de baja temperatura) consiguiendo ya entonces ahorros energéticos del 11% respecto a calderas estándar. En el siguiente apartado se explica el funcionamiento de los tubos de humos de pared múltiple, una de las tecnologías empleadas en este tipo de calderas Funcionamiento de los tubos de humos de pared múltiple De acuerdo con las leyes de transmisión de calor, en la transmisión desde los gases de combustión a la superficie calefactora y de esta al agua se opone una cierta resistencia. El coeficiente de transmisión térmica (coeficiente k) resulta de la suma de resistencias parciales de cada uno de los componentes que intervienen. Dichas resistencias dependen del coeficiente de transmisión térmica y de los distintos materiales a través de los cuales se transmite el calor. Las temperaturas de las superficies calefactoras dependen del flujo de transmisión térmica y de las diferentes inercias térmicas. Si la pared de las superficies calefactoras es simple (como en el caso de las calderas convencionales) la temperatura superficial en el lado de contacto con los humos viene determinada por la temperatura del agua de la caldera mucho más baja que la de los gases procedentes de la combustión. Debido a esta razón, el vapor de agua contenido en los humos puede dar lugar a condensaciones sobre las paredes de los tubos si la temperatura es inferior a la del punto de rocío. Por el contrario, si se disponen múltiples paredes para la transmisión térmica, se establece una resistencia a dicha transmisión. Mediante el diseño adecuado, se puede optimizar la resistencia térmica de manera que, aun cuando la temperatura del agua de la caldera sea inferior a la de rocío de los humos, en el lado de contacto la temperatura sea superior evitando por tanto la condensación. Seguidamente se puede ver un pequeño esquema que clarifica la explicación anterior. 27

52 Ilustración 5: Esquema de transmisión de calor en superficies de intercambio de simple y doble pared Además, se ha de tener en cuenta que la temperatura de los gases resultantes de la combustión que recorren los tubos de humos disminuye a medida que se acercan a la caja de humos. Esto supone un mayor peligro de que se alcance la temperatura crítica en el tramo final de los tubos, suponiendo una condensación ácida en el lado de los humos. Las zonas más expuestas son aquellas recorridas por humos no muy calientes y que transfieren poco calor al agua de la caldera. En dichas zonas se ha de reducir la transmisión térmica a fin de que la temperatura superficial este siempre por encima del punto de rocío de los productos de la combustión. Para ello, en las superficies calefactoras de pared múltiple el paso de calor se dosifica de manera que se evite la condensación en todo momento. Una de las soluciones empleadas para la dosificación del paso de calor es el uso de dos tubos de acero concéntricos embutidos el uno en otro. Mediante el proceso de prensado del tubo exterior sobre el interior, se obtienen puntos de transmisión térmica máxima dejando a los lados cámaras de aire cerradas que actúan como barreras térmicas. Variando la distancia de los puntos de prensado se dosifica el paso de calor de manera que se evita que se alcance el punto de rocío y, por tanto, que se formen condensaciones ácidas. Asimismo se dota al tubo interior de aletas longitudinales con el objetivo de favorecer el intercambio térmico al aumentar la superficie efectiva de transmisión. 28

53 Con el empleo de superficies calefactoras de pared múltiple se consigue: Reducir las pérdidas por humos hasta valores inferiores al 7%. Disminuir las perdidas por radiación y convección hasta valores inferiores al 0,5%. Eliminar las perdidas por disposición de servicio, al no mantener constantemente una temperatura de agua de caldera superior a la de demanda. Como consecuencia, se obtienen rendimientos estacionales que pueden alcanzar el 96%, consiguiendo ahorros energéticos frente a calderas estándar de entre un 15 y un 20%. Existe otra solución posible para evitar la condensación. Dicha opción se basa en el empleo de fundición gris especial en los elementos constructivos de la caldera. A continuación se explican brevemente las características de dichas calderas Caderas de baja temperatura de fundición gris especial Para las calderas de baja temperatura de fundición, la técnica empleada no es la de doble superficie calefactora por motivos económicos y de complejidad. Este tipo de calderas han de cumplir dos requisitos fundamentales. El primero, que se refiere al diseño, es que las superficies de intercambio han de estar diseñadas de tal manera que la superficie en contacto con los humos ha de ser mayor que la superficie de intercambio en contacto con el agua. Esta relación de diseño permite a la caldera obtener temperaturas de contacto en la superficie de intercambio en lado de humos superiores a la temperatura del agua evitando así la condensación ácida. 29

54 Las calderas de baja temperatura deben trabajar de acuerdo a los parámetros establecidos para los distintos tipos de instalaciones y que, en el caso de instalaciones tradicionales con emisores (radiadores), será a temperatura variable en función de las necesidades reales de la instalación como consecuencia de la temperatura exterior. Este tipo de funcionamiento acarrea constantes cambios de temperatura en el cuerpo de la caldera, especialmente si también presta servicio de ACS, lo que provoca tensiones a causa de las dilataciones generadas. Si las calderas están fabricadas en acero esto no supone un problema, puesto que los materiales empleados para su fabricación absorben estas dilataciones evitando por tanto las tensiones. Por el contrario, la fundición negra tradicional no permite dilataciones bruscas debido a su carácter frágil, por lo que se crearían grietas y fisuras en la estructura que no se pueden reparar mediante la soldadura. El segundo requisito que han de cumplir las caderas de fundición es el cumplimiento de las características de la aleación, para evitar así los problemas derivados de las tensiones que provocan los cambios de temperatura en las calderas. Para ello de debe eliminar el fósforo contenido en la fundición tradicional sustituyéndolo por grafito en lámina, que aporta a la fundición su característico color gris además de una alta elasticidad y, por ende, flexibilidad ante los cambios de temperatura en el cuerpo de la caldera Calderas Buderus Para simular el impacto que tendría la sustitución de caldera, en el presente proyecto se han escogido las calderas de la marca comercial Buderus. Las calderas de baja temperatura de Buderus funcionan tanto con gasóleo como con gas, lo que permite el cambio de caldera sin necesidad que el consumidor cambie de combustible. Esto es de gran utilidad en zonas rurales donde la infraestructura para llevar el gas a las casas puede no existir. Además, emplean una tecnología propia (THERMOSTREAM) que evita la condensación permitiendo un mayor ahorro de combustible y la disminución en la emisión de gases. En la Ilustración 6 se puede ver el esquema de la mencionada tecnología para calderas de fundición para quemadores presurizados. 30

55 Ilustración 6: Tecnología THERMOSTREAM aplicada a calderas de fundición para quemadores presurizados El sistema THERMOSTREAM consiste en precalentar dentro de la caldera el agua de retorno de la instalación mezclándola, con el agua caliente de salida, antes de que vuelva a ponerse en contacto con las superficies de calefacción. Por otra parte, se mantiene una circulación del agua dentro de la caldera, creándose dicha circulación por efecto termosifón, sin que sean necesarios ni un caudal mínimo de circulación por caldera ni una determinada temperatura mínima de retorno. De esta manera, con el sistema de precalentamiento del agua de retorno se consigue minimizar el choque térmico de la caldera. Otro de los beneficios que proporciona el sistema THERMOSTREAM es la simplificación de la conexión hidráulica de la caldera, como se puede observar en la Ilustración 7. Ilustración 7: Comparativa de la conexión hidráulica de una caldera 31

56 Además de las características ya mencionadas las calderas seleccionadas tienen las siguientes características: Caldera de fundición por elementos. 3 pasos de humos rodeando el hogar. Rendimiento 96%. No hay temperatura mínima de retorno. No hay bomba de recirculación (no hay caudal mínimo). Hogar refrigerado por agua. Bajas emisiones contaminantes. Fuerte aislamiento térmico. Las condiciones de operación facilitadas por el fabricante son las siguientes: Presión máxima de servicio: 6bar. Temperatura de salida: - Mínima 50ºC. - Máxima 120ºC (seguridad). Dentro de la gama de calderas que ofrece Buderus, se han seleccionado para la simulación las que se presentan en la Tabla 6. 32

57 Tabla 6: Potencias y precios de las calderas seleccionadas 3 Logano G125 BE Logano GE 315 Logano GE 515 Tipo Potencia útil [kw] Potencia nominal [kw] 29,9 36,3 92,1-113,5 113,5-151,4 151,0-183,4 183,1-215,1 215,2-247,9 215,6-259,7 257, ,6-377,1 374,6-429,6 Precio [ ] Coste de instalación (cadera + mano de obra) [ ] Coste de Operación y Mantenimiento [ /kw año] ,47 4,47 4,47 3 Datos obtenidos del catálogo Buderus 2011 y del generador de precios de CYPE 33

58 4.1.3 Máquina de micro-cogeneración Continuando con el primer grupo de medidas se ha evaluado también la instalación de máquinas de micro-cogeneración. Pese a presentar menores rendimientos térmicos que las calderas de baja temperatura permitirían a las comunidades de vecinos vender la electricidad generada para cubrir parte de los gastos de combustible. A día de hoy todavía no se ha publicado un Real Decreto que regule el autoconsumo mediante la fórmula de balance neto. Asimismo, el Real Decreto 1/2012 suspende los incentivos económicos para nuevas instalaciones de cogeneración. Por tanto en este proyecto se ha considerado que se vende el 100% de la electricidad generada a precio de mercado. En el apartado se expone la hipótesis considerada para el precio de venta de la electricidad de manera detallada Definición de micro-cogeneración Aunque no existe una definición consensuada sobre qué potencias comprende el término micro-cogeneración, en este proyecto entenderemos que engloba instalaciones de hasta 50kW. Esta tecnología se basa en la producción combinada de energía eléctrica y térmica en edificios utilizando el calor que se produce al convertir la energía de un combustible en electricidad para calentar agua. La micro-cogeneración se ha implantado con éxito en instalaciones del sector terciario empleando microturbinas de gas o micromotores de combustión. Los sistemas de microcogeneración para la satisfacción de las necesidades de ACS y calefacción presentan ventajas frente a los sistemas convencionales de calderas y de energía solar: No dependen de factores climatológicos. Ocupan un espacio menor que las instalaciones solares. Además, como ya se ha mencionado antes, se generan dos tipos de energía con el empleo de una única fuente de energía primaria lo que supone un ahorro energético considerable, así como un ahorro en emisiones de CO 2 y de otros gases de efecto invernadero. 34

59 Micromotores de combustión Los motores de combustión interna tienen diversas aplicaciones en nuestra sociedad. La principal diferencia de estos motores con los de vehículos es el rango de trabajo o condiciones de diseño. Estos motores están diseñados para trabajar durante periodos largos a la máxima eficiencia: se persigue por tanto un régimen que maximice el rendimiento eléctrico. Se busca después que el calor producido durante la combustión sea empleado para calentar agua. El calor disipado a través de los circuitos de agua para refrigeración y de los gases de escape es recuperado para dar esa energía en forma de agua caliente empleada para climatización. Ilustración 8: Esquema de un MCIA para micro-cogeneración Microturbinas de gas Las microturbinas de gas se basan en las turbinas de gas convencionales pero simplificando los elementos mecánicos. La diferencia principal reside en el empleo de un ciclo de regeneración para mejorar el rendimiento eléctrico y la ausencia de una reductora para conectar el eje al alternador. Las microturbinas generan electricidad en corriente alterna a frecuencia variable que es convertida a corriente continua y después, mediante un inversor, se convierte a corriente alterna trifásica de frecuencia estable y de baja tensión. Los gases de escape que salen a una temperatura de 300ºC permiten la recuperación térmica para la producción de ACS y calefacción. 35

60 Ilustración 9: Esquema de una microturbina Comparando ambas tecnologías y para una misma potencia eléctrica unitaria, la microturbina tiene un rendimiento eléctrico menor que el micromotor, pero este déficit de rendimiento eléctrico es compensado en el rendimiento global gracias a la recuperación de energía térmica. Por otra parte, son de destacar las siguientes características de las microturbinas que hacen que su fiabilidad sea superior y sus costes de mantenimiento inferiores. No son necesarios aceites lubricantes. No son necesarios sistemas auxiliares de arranque. No son necesarios sistemas auxiliares de refrigeración. Solo es necesaria una única parte móvil Máquinas de micro-cogeneración consideradas en el proyecto En el presente proyecto se han considerado las cuatro máquinas de cogeneración que se presentan en la Tabla 7. Puesto que la producción de energía térmica de dichas máquinas no se puede ajustar de manera exacta a la demanda de los edificios, se ha analizado la implantación de la micro-cogeneración asistida por las calderas de baja temperatura anteriormente descritas. Además de los rendimientos térmico y eléctrico del dispositivo se ha tomado un 10% de pérdidas adicionales en la energía térmica para tener en cuenta posibles pérdidas de calor en el circuito desde la generación hasta el consumo. 36

61 Tabla 7: Datos de las máquinas de micro-cogeneración consideradas Tipo Whispergen MCIA de 4 cilindros con ciclo Stirling Dachs MCIA mono cilíndrico Capstone C30 Microturbina Capstone C65 Microturbina Combustible Gasóleo Gasóleo Gas Gas Potencia térmica [kwth] Potencia eléctrica [kwe] Consumo de combustible [kw] Potencia térmica del quemador secundario [kwth] Rendimiento térmico [%] Rendimiento eléctrico [%] Rendimiento global [%] Perdidas térmicas en el circuito [%] 7,0 12,5 65,0 120,0 1,0 5,5 30,0 65,0 9,1 20,5 115,0 224,0 7,0 0,0 0,0 0,0 77% 61% 57% 54% 11% 27% 26% 29% 88% 88% 83% 83% 10% 10% 10% 10% Inversión [ ] Coste de Operación y Mantenimiento [c /kwe] 200 /año Medida para la reducción de la demanda (sustitución de ventanas) Como se ha adelantado en la introducción de esta sección, otra medida considerada en el proyecto ha sido la sustitución de las ventanas. Actualmente muchos de los hogares españoles cuentan con ventanas de vidrio simple y marcos que dejan escapar gran parte del calor producido, lo que supone un derroche de energía para poder mantener las condiciones de confort en el interior de las viviendas. 37

62 Actuando sobre las fugas de calor por cerramientos deficientes, se conseguiría retener el calor dentro de los hogares y se necesitaría una menor potencia calorífica para llegar a las condiciones de confort. Para ello es necesario sustituir tanto los marcos como los vidrios de las ventanas actuales por unos que presenten menores transmitancias térmicas. Según la norma UNE EN ISO :2002 la transmitancia térmica (U) es la cantidad de energía (calor) que atraviesa por unidad de tiempo una unidad de superficie de un elemento constructivo de caras planas y paralelas cuando entre dichas caras hay un gradiente térmico unidad. Se expresa en unidades de [W/m 2 K] y según la definición anterior cuanto menor sea la transmitancia mejor es el aislamiento. Al cambiar un vidrio simple por uno doble con una cámara de aire intermedia entre los dos cristales, se consigue que el calor se transmita peor entre el interior y el exterior (se reduce la transmitancia). Por tanto el calor producido queda en el interior de la habitación. En el Código Técnico de la Edificación se enumeran las exigencias con respecto a la transmitancia de las ventanas según la zona climática (Tabla 8). Tabla 8: Transmitancia térmica máxima de cerramientos de la envolvente térmica U en W/m2K Cerramientos y particiones interiores Vidrios y marcos Zona A Zona B Zona C Zona D Zona E 5,70 5,70 4,40 3,50 3,10 38

63 4.2.1 Criterios de selección del vidrio La elección de un vidrio adecuado supone la reducción de la demanda energética y, por consiguiente, un ahorro. La elección correcta de un vidrio requiere evaluar previamente una serie de características que se presentan a continuación. Color y aspecto. Transmisión de la luz (en viviendas generalmente se requiere un nivel alto de transmisión de luz natural). Grado de transparencia (tranparente, translucido u opaco). Transmisión del calor solar. Aislamiento térmico. Aislamiento acústico. En este proyecto se ha buscado mejorar la aislación térmica; es decir, la resistencia que presenta el vidrio al paso de calor. La transmisión de calor a través del vidrio se produce tanto por convección como por conducción. En realidad, el grosor del vidrio influye poco en el valor de la transmitancia siendo la colocación de cámaras de aire lo que supone una mejora sustancial en los valores de transmitancia. A modo de ejemplo, la transmitancia de un vidrio simple de grosor entre 4 y 10mm de espesor es del orden de 5,4W/m 2 K. Mientras que si se emplea un doble vidrio separado por una cámara de aire de entre 6 y 12mm de espesor el valor de la transmitancia se reduce hasta 2,9W/m 2 K (46% menos). La siguiente ilustración muestra los valores de transmitancia para diferentes espesores de cámara. Ilustración 10: Transmitancia de ventanas con vidrio doble en función del espesor de la cámara 39

64 Si además de colocar un vidrio doble separado con una cámara se coloca en la parte de la cámara una lámina de óxidos metálicos se proporciona al vidrio una mayor capacidad de aislamiento térmico. La Ilustración 11 muestra la mejora en la transmitancia de los acristalamientos anteriores con la colocación de una fina capa de óxido metálico. Ilustración 11: Transmitancia de ventanas con vidrio doble provistas de una capa de óxido metálico en función del espesor de la cámara Marcos de ventanas El marco representa entre el 25 y el 35% de la superficie del hueco de la ventana, siendo sus principales características desde el punto de vista térmico la transmitancia y la absortividad. Estas dos propiedades influyen en la transmitancia total de la ventana en función de la fracción de superficie ocupada por el marco. Los marcos se suelen clasificar en función del material que los compone, distinguiéndose los siguientes tipos: Marco metálico (con o sin ruptura de puente térmico) Marco de madera Marco de PVC La transmitancia térmica de los distintos marcos según el material está publicada en la norma UNE-EN ISO A continuación se presentan dichos valores en la Tabla 9. 40

65 Tabla 9: Transmitancia térmica de los marcos según la norma UNE-EN ISO Material del perfil Transmitancia térmica U (W/m 2 K) Metálico 5,7 Metálico con RPT (4mm< d < 12mm) 4 Metálico con RPT (d 12mm) 3,2 Madera dura ( =700kg/m 3 y 60mm de espesor) 2,2 Madera blanda ( =500kg/m 3 y 60mm de espesor) 2 Perfiles huecos de PVC (2 cámaras) 2,2 Perfiles huecos de PVC (3 cámaras) 1,8 Por lo tanto para conseguir una buena reducción de la demanda se debe combinar la mejora en el vidrio y en el marco. En la Tabla 10 se han recogido los datos de mejora en función de la combinación de diferentes vidrios con los distintos tipos de marcos. Tabla 10: Transmitancia térmica del hueco (W/m 2 K) Vidrio (70%) Monolítico 4mm (U=5,7 W/m 2 K) (U=3,3 W/m 2 K) (U=2,9 W/m 2 K) bajo emisivo (U=2,5 W/m 2 K) bajo emisivo (U=2,5 W/m 2 K) Metálico (U=5,7 W/m 2 K) Material del perfil (30%) Metálico RPT (U=4 W/m 2 K) Madera (U=2,5 W/m 2 K) PVC (U=1,8 W/m 2 K) 5,7 5,2 4,7 4,5 4 3,5 3,0 2,8 3,7 3,2 2,7 2,5 3,5 3,0 2,5 2,3 2,9 2,4 1,9 1,7 41

66 4.2.3 Carpintería y vidrio seleccionados para el proyecto Para la simulación realizada en el presente proyecto se ha seleccionado: Doble acristalamiento con una capa de aluminio y los espesores 8/12/8, que presenta una transmitancia de 1,6 W/m 2 K. Marco de aluminio con ruptura de puente térmico. Con la selección anterior la transmitancia total de los huecos queda en 2,3W/m 2 K. Los costes asociados a la sustitución de las ventanas han sido tomados del generador de precios del CYPE y se presentan en la Tabla 11. Tabla 11: Costes de los cerramientos exteriores Marco de aluminio de 120x120 [ ] 386 Marco de aluminio de 120x60 [ ] 291 Vidrio doble de 8mm con cámara de 12mm [ /m 2 ] Instalación de sistemas de gestión de la demanda Tal y como se ha expuesto anteriormente, las medidas para reducir el gasto energético en los hogares españoles pueden ir encaminadas a reducir la demanda o a mejorar la eficiencia de los equipos pero también se puede reducir la factura mejorando el uso que se hace de la calefacción. En este apartado se describen las principales medidas de gestión del consumo: Instalación de válvulas termostáticas en los radiadores Instalación de sistemas de contabilización individual del consumo Válvulas termostáticas Debido a la configuración de las instalaciones de calefacción común, la temperatura en cada una de las viviendas y de las habitaciones que la componen no es uniforme. Esto sucede especialmente en las instalaciones más antiguas (donde los tubos de calefacción son verticales) para las cuales la temperatura en las estancias difiere mucho en función de la planta en la que se encuentre la vivienda. Esto tiene como consecuencia la necesidad de consumir más energía de la necesaria para llegar a las condiciones de confort en las estancias más frías, sobrecalentando las demás. 42

67 Con la sustitución de las llaves de corte antiguas de los radiadores por válvulas termostáticas se consigue que la temperatura en la estancia se mantenga al nivel deseado evitando así temperaturas excesivas en algunas zonas y demasiado bajas en otras. Al colocar termostatos en cada radiador lo que conseguimos es reducir la temperatura de las habitaciones más calientes (aquellas donde la temperatura es excesiva para conseguir las condiciones de confort). Simplemente con esa leve disminución de la temperatura, se logra reducir la temperatura de impulsión de la caldera para abastecer a las zonas frías, consiguiéndose ahorros del 10% en el consumo global (según la empresa de auditorías energéticas especializada en eficiencia energética, Creara Consultores). Además, el ahorro se consigue de manera pasiva para el usuario puesto que la simple calibración correcta del aparato permite olvidarse de su regulación posterior. En la Ilustración 12 se pueden ver dos tipos de termostato. Ilustración 12: Termostatos de corte en radiador En el presente proyecto, para las medidas que impliquen sistemas de control de la temperatura en los radiadores se ha tomado un precio de 0 por válvula termostática instalada por radiador Sistemas de contabilización individual La instalación de termostatos en los radiadores de las viviendas permite sin duda reducir el consumo global del edificio. Sin embargo, si esta reducción del consumo se divide por igual entre todos los vecinos del edificio, el ahorro individual estará distorsionado. Por tanto, además de colocar las válvulas termostáticas se propone la instalación de sistemas que contabilicen el gasto individual de cada vivienda. De esta manera, cada vecino pagará por lo que consuma y por lo tanto tomará mayor conciencia de su consumo evitando el derroche energético (por ejemplo en periodos vacacionales). Según Creara Consultores con la implantación de esta medida se obtienen ahorros del 20%. 43

68 Los sistemas para el control individual del consumo se comercializan generalmente como un servicio de alquiler a cambio de una cuota mensual. A continuación se exponen las dos tecnologías consideradas para la medida individual del consumo: Evaporímetros. Contadores individuales. En las simulaciones realizadas en este proyecto se ha considerado el mismo precio de alquiler para los dos tipos de sistemas, siendo dicho coste para el usuario de al mes por vivienda. Además, como se ha propuesto la instalación conjunta de válvulas de corte termostáticas y de sistemas de contabilización individual, se ha tenido en cuenta el posible efecto solape de los ahorros. Por esta razón, para la simulación de las medidas se ha estimado un ahorro conjunto del 28% Evaporímetros Hasta 1981 no fue obligatorio en España que la instalación de calefacción en edificios con sistemas centralizados tuviese una llave de corte a la entrada de los hogares. Eso daba lugar a distribuciones con montante por radiador. En este caso si se quiere conocer el gasto individual de cada vivienda, es necesario medir la energía emitida por cada radiador. Para ello se emplean dispositivos denominados evaporímetros, que miden la cantidad de energía por el principio de evaporación. Ilustración 13: Distribución con montantes por radiador 44

69 El principio de funcionamiento de los evaporímetros se basa en calentar un líquido específico contenido en un tubo de medición. La cantidad de líquido evaporada sirve para determinar el gasto energético de manera indirecta. Además, muchos de estos sistemas vienen provistos de sistemas de transmisión por radio con los que la medida del consumo se puede realizar desde fuera de la vivienda Contadores a la entrada de la vivienda Tras 1981 se obligó a que cada vivienda disponga de llaves de corte a la entrada de la misma. Sin embargo, en un primer momento la regulación no obligaba a instalar contadores a la vez que las llaves. Por esta razón la mayor parte de las instalaciones realizadas entre 1981 y 1998 no disponen de sistemas de contabilización de energía térmica. Por otra parte la presencia de las llaves de corte permite la instalación de sistemas de medición en el exterior de la vivienda de manera sencilla. Los sistemas de contabilización de la energía térmica se componen de un contador de caudal que registra la cantidad de agua que pasa desde la instalación general a la de la vivienda y de dos sondas de temperatura que miden la diferencia entre las temperaturas del agua de entrada y de salida, determinando así el consumo energético. En este caso el control de la temperatura de la vivienda se lleva a cabo mediante un termostato de ambiente, que puede ser combinado con las válvulas termostáticas en los radiadores. Seguidamente se muestra una ilustración esquemática del sistema. Ilustración 14: Instalación con distribución horizontal 45