MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Autor: Daniela López-Aparicio Lara Director: Juan Sánchez Chatar Madrid Mayo 2013

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9 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Autor: Daniela López-Aparicio Lara Director: Juan Sánchez Chatar Madrid Mayo 2013

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11 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Autor: López-Aparicio Lara, Daniela. Director: Sánchez Chatar, Juan. Entidad Colaboradora: IPS SPAIN. RESUMEN DEL PROYECTO Introducción. La climatización requiere elevados consumos de energía, representando una gran parte del consumo energético final de un edificio. Por ello, a la hora de diseñar una instalación, para disminuir el gasto energético y el impacto ambiental es fundamental desarrollar un sistema eficiente energéticamente, a la vez que un sistema de calidad proporcionando las condiciones de confort adecuadas. El presente proyecto fin de carrera se elabora a partir de la instalación de climatización prevista para un edificio de oficinas en Mechelen, Bélgica. El objeto principal del proyecto es, a partir de la instalación prevista, proponer una instalación alternativa de mayor eficiencia energética. Para la realización de este proyecto se va a situar el edificio en Madrid, por lo que la instalación diseñada se adapta a la normativa en España. Metodología. El diseño de la instalación de climatización está condicionado por las cargas térmicas del edificio. El cálculo de cargas, así como el diseño de la instalación de climatización, se realiza con el programa CYPECAD MEP. En primer lugar, se elabora el diseño del edificio mediante la descripción de sus elementos constructivos en CYPE. 3

12 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Figura 1 Imagen 3D del diseño del edificio en CYPE Una realizado el diseño del edificio, que cuenta con unos 5000 m², se realiza la verificación de la exigencia de Limitación de Demanda Energética del Código Técnico de la Edificación (CTE-HE1) mediante la aplicación informática LIDER. Se obtienen valores inferiores a la demanda de referencia, por lo que se cumple tanto la demanda de refrigeración como la de calefacción como se muestra en la tabla a continuación. Resultados Calefacción Refrigeración % de la demanda de Referencia 85,3% 99,1% Proporción relativa calefacción refrigeración 75,1% 24,9% Tabla 1 Resultados CTE-HE1 LIDER Los datos de partida del cálculo de cargas térmicas están compuestos, además de por las características constructivas, por las condiciones exteriores de cálculo y los usos de los distintos recintos. Para cada recinto se definen las condiciones de temperatura y humedad, la ocupación, la iluminación y la ventilación. Puesto que es un edificio de oficinas, se aplica una calidad buena del aire interior, IDA 2, de acuerdo al Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios. Dado que el proyecto se desarrolla a partir de la instalación de climatización prevista en Bélgica, se elabora un estudio de esta instalación. El estudio incluye la descripción del sistema, las características de los equipos, las características energéticas de la instalación y finalmente el análisis del consumo de la instalación. La instalación prevista es un sistema aire-agua a dos tubos, provisto de seis unidades de tratamiento de aire, dos calderas de gas y dos chillers de un coeficiente de eficiencia frigorífica EER de 2.88 de clase de eficiencia energética C. El consumo de gas natural, calculado a partir del consumo de ambas calderas teniendo en cuenta el horario de funcionamiento y la carga parcial, es de m³/año aproximadamente. El consumo eléctrico final, que viene principalmente de las unidades de tratamiento de aire y de los chillers, es de kw. Equipos Unidades de Tratamiento de Aire Chillers Total: Consumo Eléctrico 54.7 kw kw kw Tabla 2 Consumo eléctrico de la instalación prevista A partir de los resultados de las cargas térmicas y del estudio de la instalación prevista, se desarrolla un sistema de climatización eficiente. En primer lugar, se ha actuado sobre los elementos constructivos del edificio para reducir la demanda de energía, y con ello mejorado la eficiencia global de la climatización. Dado que el edificio tiene una gran parte de la fachada compuesta por ventanas, principalmente la facha orientada hacia el sur, se ha decidido disminuir la ganancia solar del edificio utilizando unas ventanas de 4

13 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS doble vidrio de control solar y baja emisividad térmica, reduciendo así la demanda de energía de refrigeración. Una vez realizada la mejora en los elementos constructivos, se diseña la instalación de climatización eficiente en CYPE. Se propone un sistema a cuatro tubos, que puede funcionar tanto a modo de calefacción como refrigeración al mismo tiempo, proporcionando la flexibilidad necesaria a un edificio con muchos usos distintos, ya que este edificio incluye cantina, cocina, laboratorios, vestuarios y sala de conferencias además de oficinas. Las seis unidades de tratamiento de aire se dimensionan a partir de la ventilación necesaria que se ha calculado en el cálculo de cargas. En las unidades de tratamiento de aire se incorporan recuperadores de calor, que aprovechan las características térmicas del aire de extracción para el aire de impulsión. En las unidades de tratamiento de aire que suministran zonas donde no se puede recircular el aire de extracción dadas las características de los locales, como la cocina, los vestuarios y los laboratorios, se incorporan recuperadores sin mezcla de aire entre la extracción y la impulsión, mediante intercambiadores de calor de placas. La instalación propuesta cuenta con un total de 73 fancoils, para los que se ha calculado su potencia frigorífica y calorífica necesaria a partir de los resultados del cálculo de cargas. A su vez, para el cálculo de la potencia necesaria de las calderas y los chillers, se tienen en cuenta las potencias caloríficas y frigoríficas, respectivamente, de la suma de los fancoils y de las unidades de tratamiento de aire. Se obtiene un total de potencia mínima necesaria de kw de calefacción y kw de refrigeración, distribuido en dos unidades de generación de cada tipo, ya que se mantiene la configuración prevista de dos unidades de calderas y de chillers puesto que permite el fraccionamiento de la potencia. Las calderas propuestas son de biomasa de pellets ya que tienen un rendimiento similar al de las calderas de gas utilizando una fuente de energía renovable. Asimismo, se incorporan bombas con variador de frecuencia, que ajustan su velocidad a las condiciones reales de funcionamiento por lo que reducen su consumo. Resultados. A la hora de realizar un diseño de una instalación de climatización adaptada a otro país se deben tener en cuenta las características de ese país que afecten al diseño, concretamente la normativa a aplicar, así como el clima, que condiciona las necesidades térmicas del edificio. En este caso, las diferencias del clima entre Bélgica y España, concretamente entre Mechelen y Madrid, que tienen una diferencia de temperatura media mensual entre 3 C en algunos meses de invierno y 8 C en verano más en Madrid, suponen unas necesidades térmicas de calefacción mayores en Bélgica y de refrigeración mayores en Madrid. Asimismo, se ha observado que en Bélgica se ha utilizado una calidad de aire IDA 3 para la ventilación del edificio porque no se requiere una IDA 2, como especifica el RITE en España para edificios de oficinas. 5

14 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Se obtiene la calificación energética del edificio con la instalación de climatización diseñada mediante el programa Calener de eficiencia energética de edificios, obteniéndose una clase C de eficiencia global del edificio y los siguientes resultados: Clase de Eficiencia Energética Demanda Calefacción C Demanda Refrigeración D Emisiones calefacción B Emisiones refrigeración B Tabla 3 Resultados calificación energética Posteriormente, se decide optimizar la instalación diseñada mediante el cambio de la eficiencia de los equipos de generación de frío, aumentándolo de una clase C de 2.88, como el previsto en Bélgica, a una clase A. Con esta instalación, se vuelve a realizar una calificación energética con Calener. Se obtiene un aumento de clase B de emisiones de de refrigeración como se muestra en la tabla anterior, a una clase A. Este cambio mejora la eficiencia global de la instalación pasando de obtener unas emisiones totales de 93.3 kg /m² en el primer caso a 91.4 kg /m² en el segundo, aproximándose más a la obtención de una clase B, como se muestra a continuación. 6 Figura 2 Mejora de la calificación energética global El aumento de la calificación energética del edificio supone una disminución de consumo de energía final, de consumo de energía primaria y de emisiones de totales como se muestra a continuación. Resultados Por metro cuadrado Anual Calener 1 Calener 2 Calener 1 Calener 2 Consumo energía final (kwh) Consumo energía primaria (kwh) Emisiones (kg Tabla 4 Disminución en el consumo total de energía y emisiones Además del diseño de una primera propuesta de instalación de climatización, así como la mejora de la calificación energética del edificio mediante la mejora de la eficiencia de la generación de refrigeración, se realiza un estudio posterior de posibles mejoras

15 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS adicionales, contemplando las posibilidades del aprovechamiento de energía solar, el enfriamiento evaporativo y el enfriamiento gratuito. Finalmente, a la instalación propuesta, además de los chillers con EER óptimo, se incorpora al sistema una instalación de captadores solares para la generación de calefacción. Asimismo, a las unidades de tratamiento de aire se añaden recuperadores de calor que incluyen dispositivos by-pass para poder o recircular parte del aire de extracción, aprovechando la recuperación de calor, o no recircular el aire e impulsar aire del exterior, aprovechando el enfriamiento gratuito por aire exterior free cooling. Conclusiones. En el presente proyecto se han abordado las cuatro principales formas de llevar a cabo la mejora de eficiencia energética de la climatización de un edificio. En primer lugar, la utilización de equipos eficientes, mediante la incorporación de unos chillers de una eficiencia frigorífica óptima así como la utilización de bombas con variador de frecuencia. Por otro lado, se actúa sobre la reducción de la demanda de energía del edificio, mediante la disminución de la ganancia solar. En tercer lugar, se ha utilizado la recuperación de energía residual y el enfriamiento gratuito en las unidades de tratamiento de aire. Finalmente, se incorporan fuentes de energía renovable, de biomasa y de energía solar, en el sistema de generación de calor. Las mejoras de la eficiencia energética llevadas a cabo suponen una reducción del consumo de energía final para proporcionar la calidad del aire y las condiciones térmicas adecuadas que debe proporcionar un sistema de climatización en un edificio de oficinas. Concretamente, se ha visto que sólo con la mejora de la eficiencia de la generación de refrigeración, además de aumentar la clase de emisiones de de refrigeración de una clase B a una clase A, aumenta la calificación global del edificio, disminuyendo el consumo de energía final de MWh/año a MWh/año. La calificación energética obtenida global en la primera propuesta es de una clase C, muy próxima a una clase B, a la que se ha acercado más mediante la mejora de eficiencia de la generación de refrigeración. Con el fin de obtener una clase B, además de las mejoras adicionales incorporadas en la propuesta final, que incluyen el aprovechamiento de la energía solar y el enfriamiento gratuito por aire exterior, se propone, dados los resultados expuestos en la tabla 3, la disminución de la demanda de energía térmica. Asimismo, para desarrollos futuros de la mejora de la eficiencia energética de edificios, se podría actuar sobre la iluminación y el consumo de agua caliente sanitaria, ya que, aunque no forman parte de la climatización, condicionan la calificación energética global de un edificio. 7

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17 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS IMPROVEMENT OF THE HVAC ENERGY EFFICIENCY OF AN OFFICE BUILDING Author: López-Aparicio Lara, Daniela. Director: Sánchez Chatar, Juan. Collaborating Entity: IPS SPAIN. PROJECT SUMMARY Introduction. Heating, ventilation and air conditioning, HVAC, requires high energy consumption, accounting for a large part of the final energy consumption in a building. Therefore, when designing an HVAC system, in order to reduce its energy consumption and its impact on the environment, it is critical to develop an energy-saving system, as well as a quality system while providing the necessary thermal comfort conditions. This project is developed based on the HVAC design planned for an office building situated in Mechelen, Belgium. The main purpose of the project is to propose a more energy efficient alternative design. For its development, the building is going to be located in Madrid. Hence, the system will be designed conforming to the standards and regulations in Spain. Methodology. The design of an HVAC system is determined by the building s thermal loads. The calculation of the thermal loads and the HVAC design are both performed with the CYPECAD MEP program. First, the building design is carried out by the definition of its construction elements in CYPE. Figure 1 3D Image of the building design in CYPE 9

18 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Once the layout of the building, which has an area of 5000 m², has been carried out, the verification of the requirement of the Energy Demand Limitation of the Spanish technical building code (CTE-HE1) is performed by the LIDER software application. The energy demand values obtained are inferior to the reference demand; therefore both the cooling and heating demands are satisfied, as the table below shows. 10 Results Heating Cooling % of the Reference demand 85,3% 99,1% Heating cooling proportion 75,1% 24,9% Table 1 CTE-HE1 LIDER Results The starting data to calculate the thermal loads consist of the construction elements, the external conditions and the uses of the different premises. For each premise, the temperature and humidity conditions, occupancy, lighting and ventilation are defined. Since it is an office building, an indoor air quality of IDA 2 is applied, according to RITE, the Spanish Building Thermal Installations Regulation. Given that the project is developed based on the HVAC design for Belgium, an energy study is made of this system. The study includes a description of the system, the characteristics of the equipment, the energy characteristics of the system and finally an analysis of its energy consumption. The facility is an air-water two-pipes fancoil system, with six air handling units, two gas boilers and two chillers with an energy efficiency ratio EER of 2.88, classed C in energy efficiency. The natural gas consumption, calculated from the consumption of both boilers taking into account the operation hours and partial load, sums up to m³/year. Final electricity consumption, which comes from the chillers and air-handling units, is kw. Equipos Power Consumption Unidades de Tratamiento de Aire 54.7 kw Chillers kw Total: kw Table 2 Power Consumption of the Belgium HVAC Based on the thermal loads and the HVAC system study results, an efficient HVAC is developed. On the first hand, in order to reduce the energy demand, changed have been applied to the construction elements of the building, and thereby improved the HVAC overall efficiency. Since most of the building s main façade is made up of windows, especially the south-facing façade, it has been decided to reduce the solar gain of the building using double glazing windows with solar control and low thermal emissivity, thus reducing the cooling energy demand. Once the improvement on the building features have been carried out, the alternative efficient HVAC is designed on CYPE. A four-pipe system is proposed, which can generate both heating and cooling at the same time, providing the necessary flexibility for a building with many different uses, as this building includes canteen, kitchen,

19 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS laboratories, locker rooms, a conference room and offices. The capacity of the six air handling units is determined according to the ventilation needed for each one, which has been provided in the thermal loads calculation. The air handling units are designed with heat recovery systems, which exploit the thermal characteristics of the exhaust air to provide it to the supply air. The three air handling units that supply air to premises for which the exhaust air cannot be recirculated given the nature of the premises, which include the kitchen, the locker rooms and the laboratories, include heat recovery systems without mixing the exhaust and the supply air, using plate heat exchangers. The proposed HVAC in this project is made up of 73 fan coil units, for which their cooling and heating capacity have been determined with the thermal loads calculation. At the same time, the required boiler and chiller power is calculated by taking into account the cooling and heating capacity of the fan coils units and the air handling units. This gives a total heating power of kw and cooling power of kw, divided into two generation units of each type, since the two-boiler and two-chiller planned configuration is maintained as it allows power distribution that improves energy efficiency. The proposed boilers use biomass pellets, since, using a renewable energy source, their performance is similar to gas boilers. The proposed design also includes variable frequency pumps, which adjust their speed to the real operating conditions, thereby reducing consumption. Results. When designing an HVAC system adapted to another country, the characteristics of that country that affect the design should be taken into account, specifically the country regulations that apply to HVAC, as well as the climate, which determines the thermal needs of the building. In this case, the climate differences between Belgium and Spain, specifically between Mechelen and Madrid, which have a monthly average temperature difference between 3 C more in Madrid during winter months to 8 C in summer, involve greater thermal heating needs in Belgium and greater cooling needs in Madrid. It has also been observed that an indoor air quality of IDA 3 has been established for this building in Belgium because an IDA 2 quality is not required, as specified in Spanish RITE for office buildings. The building s energy rating of the proposed design of the HVAC system is calculated with Calener, obtaining a class C overall efficiency of the building, as well as the following results: Energy Rating Class Heating demand C Cooling demand D Heating emissions B Cooling emissions B Table 3 Energy rating results 11

20 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Subsequently, it was decided to optimize the HVAC design by changing the energy efficiency ratio of the cooling equipment, increasing its previous class C of 2.88 up to class A. With this new design, the building energy rating was performed again. An increase is obtained from a B of the cooling emissions, as shown in the table above, to a class A. This proposed change improves the overall efficiency of the system, from 93.3 kg /m² in the first case to 91.4 kg /m² in the second case, approximating a B class result, as shown below. 12 Figure 2 Overall energy rating improvement Increasing the overall energy rating of a building involves a decrease in the final energy consumption, the primary energy consumption and in the total emissions. Results Per Square Meter Per year Calener 1 Calener 2 Calener 1 Calener 2 Final energy consumption (kwh) Primary energy consumption (kwh) Emissions (kg Table 4 Decrease in total energy consumption and in emissions In addition to the HVAC design of a first alternative, as well as the building s energy rating improvement by the increase in the cooling generation system s EER, a study of further possible improvements is done, looking at the possibilities provided by the use of solar energy, evaporative cooling and free cooling. Finally, the proposed HVAC design, as well as the efficient chillers, incorporates the installation of solar panels to the heating system by heating water. Also, the heating recovery systems of the air handling units include by-pass devices in order to be able to either recirculate the exhaust air, using heat recovery, or to take the outdoor air and therefore exploiting the advantages of free cooling. Conclusion. In this project, the four main ways of carrying out the energy efficiency improvement of the HVAC of a building have been addressed. First, the use of efficient equipment, by introducing chillers with an optimal cooling efficiency ratio, as well as the use of variable frequency pumps. Furthermore, acting upon the reduction of the

21 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS building s energy demand by decreasing the solar gain. Thirdly, residual energy recovery and free cooling air have been incorporated to the air handling units. Finally, renewable energy sources have been incorporated, more specifically biomass and solar energy, in the heat generation system. The undertaken energy efficiency improvements involve a decrease in the final energy consumed to create the suitable indoor air quality and thermal comfort that an HVAC system in an office building must provide. Specifically, it has been seen that only with the efficiency improvement of the cooling generation equipment, as well as increasing the cooling emissions from class B to class A, the overall rating of the building is increased, reducing energy consumption from MWh/year to MWh/year. The overall energy rating obtained in the first proposed HVAC is a class, C very close to obtaining a class B, which has come even closer by the improvement of the chiller efficiency. Besides additional improvements incorporated into the final proposal, which include the use of solar energy and free cooling, in order to obtain a class B energy rating, given the results shows in table 3 a decrease in thermal energy demand in proposed. In addition, for future developments of energy efficiency improvements of buildings, the lighting and sanitary hot water consumption should be taken in consideration, because, although they are not part of the HVAC, they determine the overall building energy rating. 13

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23 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Índice 1. Introducción Motivación del Proyecto Antecedentes Objetivos Cálculo de Cargas Descripción del edificio Condiciones para el cálculo de cargas Diseño en CYPE Condiciones Exteriores de Cálculo Características Constructivas Verificación de la Demanda de Eficiencia Energética Definición de Recintos Resultado del Cálculo de Cargas Térmicas Estudio de la Instalación de Climatización Prevista Descripción de la Instalación Condiciones específicas de los laboratorios Características de los Equipos Características energéticas de la instalación Análisis de consumo Diseño de la Instalación de Climatización Descripción de la instalación Sistema de Aire Unidades de Tratamiento de Aire Conductos de aire Difusores y Rejillas de Retorno Sistema de Agua Fancoils Calderas y Chillers Tuberías Cálculo de la Instalación Cumplimiento de la Normativa

24 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 5. Calificación Energética Introducción a Calener Resultados Análisis de Resultados y Mejoras Diferencias Bélgica - España Diferencias Climáticas Diferencias en Normativa Aplicada Análisis de las Mejoras Mejoras Realizadas Mejora de la calificación energética Posibles Mejoras Adicionales Aprovechamiento de la energía solar Enfriamiento gratuito Enfriamiento evaporativo Conclusiones Bibliografía Anexos

25 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Índice de Figuras Figura 1 Distribución del consumo de energía final del sector edificios servicios Figura 2 Imagen forjado en contacto con el exterior Figura 3 Imagen 3D del diseño del edificio en CYPE Figura 4 Resultado cumplimiento LIDER Figura 5 Selección de valores de condiciones de temperatura y humedad Figura 6 Ejemplo de condiciones de temperatura y humedad Figura 7 Ejemplo de ocupación Figura 8 Selección de valor de iluminación Figura 9 Ejemplo de iluminación Figura 10 Ejemplo de ventilación Figura 11 Selección de valor para cargas adicionales Figura 12 Ejemplo de otras cargas Figura 13 Conjuntos de recintos planta baja Figura 14 Conjunto de recintos planta primera Figura 15 Caldera de gas de la instalación prevista Figura 16 Chiller de la instalación prevista Figura 17 Unidades de tratamiento de aire previstas Figura 18 Fancoil de la instalación prevista Figura 19 Conducto de aire de lana mineral seleccionado Figura 20 Ejemplo de las comprobaciones realizadas en conductos Figura 21 Imagen del difusor seleccionado Figura 22 Ejemplo selección características del difusor Figura 23 - Imagen del fancoil seleccionado Figura 24 Ejemplo de las comprobaciones en tuberías Figura 25 Clases de eficiencia energética Figura 26 Resultados calificación energética Calener Figura 27 Situación geográfica de Mechelen Figura 28 Gráfica de comparación de las temperaturas Madrid-Mechelen Figura 29 Ventanas de control solar y baja emisividad térmica Figura 30 Local con instalación prevista fancoil a dos tubos y radiador Figura 31 Local con instalación propuesta fancoil a cuatro tubos Figura 32 Recuperador de calor Figura 33 Resultado de la segunda calificación energética Figura 34 Esquema captadores solares Figura 35 Enfriamiento gratuito por aire exterior Figura 36 Enfriamiento evaporativo en el diagrama psicométrico

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27 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Índice de Tablas Tabla 1 - Consumo energía final sector servicios por tipos de edificios Tabla 2 - Capacidades de locales del edificio Tabla 3 Superficies y distribución de los locales de la planta baja Tabla 4 Superficies y distribución de la planta primera Tabla 5 Resumen de superficies del edificio Tabla 6 Condiciones climáticas Tabla 7 Resultados calefacción y refrigeración LIDER Tabla 8 Ejemplo detallado cargas de refrigeración Tabla 9 Ejemplo detallado cargas de calefacción Tabla 10 Resumen cargas de refrigeración Tabla 11 Resumen cargas de calefacción Tabla 12 Caudales de las unidades de tratamiento de aire previstas Tabla 13 Características de las calderas Tabla 14 Características de los chillers Tabla 15 Clasificación energética de los equipos de refrigeración Tabla 16 Consumo de las unidades de tratamiento de aire Tabla 17 Consumo eléctrico total de la instalación prevista Tabla 18 Características de las unidades de tratamiento de aire seleccionadas Tabla 19 Comparación parámetros para el cálculo de cargas Madrid-Mechelen Tabla 20 Clasificación calidad del aire interior Tabla 21 Comparación entre la refrigeración de las dos calificaciones energéticas Tabla 22 Comparación de los consumos de energía y emisiones

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29 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 1. Introducción 1.1 Motivación del Proyecto Desarrollar tecnologías y sistemas que ahorren energía es imprescindible para un desarrollo sostenible. La climatización requiere elevados consumos de energía, por lo que su reducción es un criterio básico en el diseño. Cuanto mayor sea el consumo de energía necesario para obtener unas condiciones de confort en un edificio, menor eficiencia energética tendrá el sistema de climatización y mayor será su impacto ambiental. El objetivo de la climatización es proporcionar un confort térmico manteniendo una buena calidad del aire interior. Asimismo, la selección y diseño de una buena instalación de climatización tiene en cuenta otros objetivos: los ingenieros se encuentran con el reto de diseñar un sistema de un coste competitivo a la vez que proporcionar un sistema de calidad y una reducción de consumo de energía en comparación con sistemas tradicionales. El presente proyecto fin de carrera se elabora a partir de la instalación de climatización prevista para un proyecto de construcción de un edificio de oficinas en Mechelen, Bélgica. La instalación diseñada dispone de un presupuesto limitado. Por ello, con este proyecto se tiene la oportunidad y el reto de, sin tener este límite de presupuesto, poder desarrollar una alternativa de sistema de climatización. Se busca conseguir una mayor eficiencia energética en una instalación de alto rendimiento para reducir el gasto energético y disminuir así el impacto ambiental. 1.2 Antecedentes La eficiencia energética tiene como objetivo disminuir el consumo de energía para obtener los mismos productos o servicios. Se da una mayor eficiencia energética cuando se obtienen más productos o servicios con una cantidad de energía consumida, o cuando se consume una menor cantidad de energía para obtener los mismos productos. Aumentar la eficiencia energética se traduce en ahorro de energía y de costes, así como la reducción de emisiones de, promoviendo el desarrollo sostenible. El 25 de octubre de 2012, la Unión Europea adoptó la Directiva de Eficiencia Energética. Esta directiva establece un marco común de medidas para el fomento de la eficiencia energética, con el fin de asegurar el cumplimiento de los objetivos establecidos por la Comisión Europea de la Energía para el año 2020: mejorar la eficiencia energética en un 20%, reducir en un 20% el consumo de energía primaria anual y recortar las emisiones de en otro 20%. Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el 47% de la energía final consumida en el año 2009 fue destinada a la utilización de calefacción, refrigeración e iluminación. El gas, el petróleo y el carbón representaron más de dos tercios de los combustibles utilizados en cumplir con esta demanda. Por ello, la AIE destaca la importancia de examinar las 21

30 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) oportunidades existentes para aplicar medidas de eficiencia energética y utilizar fuentes de energía renovable. Actualmente, el 40% del consumo de energía primaria se emplea en edificios. Concretamente, en edificios del sector servicios se observa que un 26.2% pertenece a consumo para refrigeración y un 31.1% a consumo para calefacción. Esto supone un total de 57.3% del consumo de energía en edificios de servicios destinado a climatización. Figura 1 - Distribución del consumo energía de final sector del edificios servicios Fuente: IDEA (2010) Asimismo, se tiene que son los edificios de oficinas los que tienen el mayor peso en el consumo de energía del sector terciario. Sector Servicios ktep Oficinas 50% Comercio 30% Sanidad 7% Hostelería y Restauración 8% Educación 5% Tabla 1 - Consumo energía final sector servicios por tipos de edificios Fuente: IDEA Mejorar la eficiencia energética de la climatización, especialmente en edificios de oficinas dada la alta proporción de energía final destinada al consumo de este tipo de edificios, es de vital importancia para el cumplimiento de los objetivos de la Comisión Europea de la Energía. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevas tecnologías para el ahorro energético, como la 22

31 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS disminución de la demanda de energía de los edificios, la mejora del ajuste de las necesidades, la sustitución de fuentes de energía convencionales por energías renovables, la mejora de la eficiencia de los equipos y la recuperación de la energía residual. 1.3 Objetivos El presente proyecto cuenta con cinco objetivos principales, esenciales para poder llevar a cabo el cumplimiento del objetivo final: la mejora de la eficiencia energética de la climatización de un edificio de oficinas. - Cálculo de cargas térmicas. El diseño de la instalación de climatización está condicionado por las cargas térmicas del edificio. El cálculo de cargas se realiza con el programa CYPECAD MEP. Incluye la descripción del edificio y de los elementos constructivos, así como la verificación de la exigencia de Limitación de Demanda Energética (CTE-HE1) con el programa LIDER. - Realizar un estudio de la instalación de climatización prevista. Se desarrolla un estudio energético de la instalación prevista en Bélgica, sobre la cual posteriormente se realizará la mejora. El estudio incluye la descripción del sistema, las características de los equipos, las características energéticas de la instalación así como el análisis del consumo de la instalación. - Proporcionar un sistema de climatización alternativo. El diseño de la instalación de climatización se lleva a cabo con el programa CYPECAD MEP. El objetivo es diseñar una instalación de climatización de mayor eficiencia energética que la prevista. Asimismo, se estudian posibles mejoras adicionales a la instalación diseñada, proporcionando una propuesta final. - Análisis de la mejora de la eficiencia energética. Se analiza la mejora de la eficiencia energética de la instalación y sus ventajas respecto al sistema previsto. El proyecto incluye la elaboración de dos calificaciones energéticas de la instalación diseñada, utilizando el programa Calener, para poder apreciar alguno de los cambios contenidos en la instalación propuesta. - Adaptar la instalación a la norma vigente en España. Dado que el edificio se construye en Bélgica, la instalación de climatización prevista está adaptada a Bélgica y no a España. Para la realización de este proyecto se va a situar en Madrid y justificar el cumplimiento de la normativa Española. Por lo tanto, un aspecto fundamental de este proyecto es entender las diferencias del desarrollo de un sistema de climatización entre Bélgica y España. 23

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33 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 2. Cálculo de Cargas 2.1 Descripción del edificio Se trata de un edificio de oficinas situado en Mechelen, Bélgica. Para la realización de este proyecto se sitúa el edificio en Madrid y por lo tanto se utiliza el cumplimiento de la normativa Española. El edificio consta dos plantas; la cubierta queda reservada únicamente a la ubicación de los equipos de climatización. La planta del edificio es rectangular, con la fachada principal del edificio, en la que se encuentra la entrada principal, orientada al sur. Para este proyecto el edificio estará emplazado en Madrid con la misma orientación que la prevista en Mechelen. Es el edificio principal en una fábrica que se utilizará para las funciones secundarias a la producción, por lo que además de oficinas contiene cantina y cocina, vestuarios, oficinas, departamento de cuidados médicos, laboratorios y una sala de conferencias. El edificio está distribuido de la siguiente forma: - Planta baja: Sala de recepción, cocina, cantina, almacenes, laboratorios, vestuarios, departamento médico, oficinas y salas de reuniones. - Primera planta: Oficinas, salas de reuniones, salones y sala de conferencias. Las capacidades totales de algunos tipos de locales son las siguientes: Local Capacidad Número de Personas Cantina 252 Sala de Conferencias 232 Oficinas 180 Salas de Reuniones 190 Tabla 2 Capacidades de locales del edificio El edificio está construido sobre una superficie total de m². La superficie total construida en planta baja y primera planta es de m². A continuación se muestra una tabla con la distribución del edificio indicando los distintos locales y sus respectivas superficies para ambas plantas. 25

34 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Planta Baja Zona Nombre Área (m²) Pasillo Principal H0 Corridor Cocina K01 Service K02 Hot Kitchen K03 Goods Receiving K04a Fridge 7.56 K04b Fridge 5.76 K05 Freezer 5.76 K06 Food Storage 9.31 K07 Non-food Storage 9.10 K08 ColdKitchen K09 Waste Storage 7.16 K010 Beverage K011 BeverageFridge 4.41 K012 Office 9.94 K013 Dishwashing small K014 Dishwashing big K015 Corridor K016 Corridor Cantina C01 Canteen C02 Vending C03 SAS 5.06 Aseos WC01 Foreroom 4.73 WC02a Male WC WC02b Female WC WC03 Handicapped 4.76 Almacenes S01 Maintenance Shop S02a Storage S02b Spare Cleaning Materials S02c Visitors Safety Equipment Cuartos Técnicos S02d Uniforms Storage S03 Cleaning Storage T01 TechnicalRoom T02a Data Room 4.96 T02b Electrical Room 6.65 T03a MV Room T03b LVBD Manpower MP01 Training Room MP02 Huddle Room 7.06 MP03 Storage 6.33 MP04 Manpower WC04 Foreroom

35 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS WC05 Male 2.36 WC06 Handicapped/Female 3.82 Salas Médicas MD01 Waiting Room MD010 Corridor MD02 Archive 6.64 MD03 Mother & Baby 8.32 MD04 Huddle Room 9.79 MD05 EHBO MD06 Nurse MD07a Changing 4.00 MD08 WC 4.00 MD09 Doctor Laboratorios LB01 Quality Lab LB02 Archive LB03 Micro Lab LB04 GMP 8.46 LB05 Office LB06 Meeting Room LB07 Seasoning 9.89 LB08 Technical Room LB09 Chemical Waste 9.95 LB010 Corridor LB011 Ageing Room 9.90 LB012 Sensory Lab LB013 Make& Pack Lab LB014 Raw/Ready Products Lab LB015 Corridor LB016a Sample Storage LB016b Raw Storage Vestuarios L01a Male Lockers L02b Female Lockers L02a Male Showers L02b Female Showers L02c Drying Room 7.37 L03 Valuables 3.18 Salas de Reuniones R01 Meeting Room R02 Training Room R03 Meeting Room Otros R01 Reception V0 Stair O-0 Sodexo Office Superficie Útil Total Planta Baja Tabla 3 Superficies y distribución de los locales de la planta baja 27

36 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 28 Planta Primera Zona Nombre Área (m²) Pasillo Principal H1 Corridors Sala Fotocopias CC11a Copy Corner CC11b Copy Corner CC11c Copy Corner CC11d Copy Corner Salas de M11a Meeting Room 8.33 Reuniones M11b Meeting Room 9.49 M11c Meeting Room 9.49 M11d Meeting Room M11e Meeting Room M11f Meeting Room M12a Meeting Room M12b Meeting Room M12c Meeting Room M12d Meeting Room M12e Meeting Room M12f Meeting Room M13a Meeting Room M13b Meeting Room M13c Meeting Room M13d Meeting Room M14a Meeting Room M14b Meeting Room M15 Townhall Escaleras V11 Stair V12 Stair Oficinas O11a Engineering O11b Open Office O11c Open Office O12 HR O13 Archive O14 Plant Manager O15 Meeting Room 9.34 Salones SA11 Social Area SA12a Coffee Corner SA12b Coffee Corner Cuartos Técnicos T11 Audio-Video T12 Electrical Almacenes S11 Cleaning Storage 7.84 S12a Storage S12b Storage S12c Storage Aseos WC11 Foreroom 4.96

37 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS WC12a Male WC WC12b Female WC WC13 Handicapped 5.20 Superficie Útil Total Primera Planta Superficie Útil Total del Edificio Tabla 4 Superficies y distribución de la planta primera Se tiene una superficie útil de m² en la planta baja y de m² en la primera planta, sumando una superficie útil total del edificio de m². - Tabla resumen de superficies agrupadas por zonas: Planta Baja Primera Planta Zona Área (m²) Zona Área (m²) Pasillo Principal Pasillo Principal Cocina Salas Fotocopias Cantina Salas de Reuniones Servicios Escaleras Almacenes Oficinas Cuartos Técnicos Salones Manpower Cuarto Técnico Salas Médicas Almacenes Laboratorios Servicios Vestuarios Salas de Reuniones Otros Total Planta Baja Total Primera Planta Superficie Útil Total Tabla 5 Resumen de superficies del edificio Para ver la distribución en planta del edificio, ver: Anexo 4: Plano de la planta baja del edificio Anexo 5: Plano de la planta primera del edificio 29

38 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 2.2 Condiciones para el cálculo de cargas Diseño en CYPE En este proyecto se emplea el programa CYPE para desarrollar el sistema de climatización. El programa CYPECAD MEP de instalaciones de edificios permite desarrollar completamente una instalación de climatización, desde el diseño del edificio, el cálculo de cargas térmicas y del caudal de aire de ventilación necesario, hasta la selección de equipos así como el cálculo y dimensionamiento de los conductos de aire y tuberías de agua, todo ello comprobando la justificación del cumplimiento de la normativa. En primer lugar, se establecen los datos generales de la obra y el tipo de edificio, información necesaria de los datos de partida para el cálculo de cargas. Posteriormente se realiza el diseño del edificio, incluyendo la distribución en planta y la definición de las características constructivas. Una vez definido el edificio y comprobadas las exigencias de la envolvente, se procede al cálculo de cargas térmicas Condiciones Exteriores de Cálculo Los parámetros generales de la obra y las condiciones climáticas, de acuerdo al lugar de emplazamiento del edificio, componen las condiciones exteriores de cálculo que forman parte de los datos de partida para el cálculo de cargas térmicas. Estos datos son utilizados por el programa CYPE para realizar el cálculo de cargas. Las condiciones exteriores de cálculo corresponden a la norme UNE :2001. Dado que el edificio se sitúa en Madrid para el desarrollo de este proyecto, a continuación la tabla de las condiciones exteriores de cálculo de CYPE para esta localidad: 30 Localización Madrid Latitud 40.3 grados Longitud 3.68 grados Altitud sobre el nivel del mar 655 m Percentil para verano 5.0 % Temperatura seca verano C Temperatura húmeda verano C Oscilación media diaria 15.8 C Oscilación media anual 39.7 C Percentil para invierno 97.5 % Temperatura seca en invierno C Humedad relativa en invierno 90 % Velocidad del viento 4.4 m/s Temperatura del terreno 5.00 C

39 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Temperatura mínima histórica C Porcentaje de mayoración por la orientación N 20 % Porcentaje de mayoración por la orientación S 0 % Porcentaje de mayoración por la orientación E 10 % Porcentaje de mayoración por la orientación O 10 % Suplemento de intermitencia para calefacción 5 % Porcentaje de cargas debido a la propia 3 % instalación Porcentaje de mayoración de cargas (Invierno) 0 % Porcentaje de mayoración de cargas (Verano) 0 % Temperatura del agua fría de red: Abril Mayo Junio y Septiembre Julio Agosto Octubre Diciembre, Enero y Febrero Marzo y Noviembre Tabla 6 Condiciones climáticas 12 C 14 C 17 C 20 C 19 C 12 C 8 C 10 C - Calidad del aire exterior De acuerdo al Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, IT , se establece la calidad del aire exterior como una ODA 3 (aire con altas concentraciones de contaminantes gaseosos). Las clases de filtración del aire exterior de ventilación a emplear se harán de acuerdo a la calidad del aire exterior y de la calidad del aire interior requerida, cumpliendo con la normativa Características Constructivas Para realizar un cálculo de cargas térmicas en CYPE, en primer lugar se diseña el edificio. A partir la distribución en planta en los planos originales del edificio, se dibuja el diseño en del edificio en CYPE. La definición del edificio incluye la configuración en alzado del edificio, el trazado en planta de la distribución y la introducción de todos los elementos constructivos del edificio. La definición de los elementos constructivos forma una parte fundamental del cálculo de cargas térmicas puesto que estas características determinan la demanda térmica del edificio. Esto incluye definir las características de los muros, las particiones interiores, los forjados, los huecos y la cubierta. 31

40 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) - Solera Listado de capas: 1 - Hormigón armado 24 cm 2 - Film de polietileno 0.02 cm 3 - Poliestireno extruido 8 cm 4 - Hormigón de limpieza 10 cm Espesor total: cm Limitación de demanda energética: U = 0.13 W/m² K Se termina el pavimento con resina epoxi, solado de baldosas cerámicas de gres o con pavimento vinílico, dependiendo del tipo de recinto. - Fachada La fachada está formada por un panel sándwich, siendo el único tipo de fachada previsto. Listado de capas: 1 - Espuma de polietileno 8 cm 2 - Cámara de aire 2.7 cm 3 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm Espesor total: 12 cm Limitación de demanda energética: 32

41 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Forjado entreplanta Listado de capas: 1 - Pavimento vinílico homogéneo 0.2 cm 2 - Base de mortero autonivelante de cemento 5 cm 3 - Lámina de espuma de polietileno de alta densidad 0.5 cm 4 - Mortero autonivelante de cemento 0.2 cm 5 - XPS Expandido con dióxido de carbono CO3 [ W/[mK]] 2 cm 6 - Losa maciza 32 cm 32 cm Espesor total: 39.9 cm Limitación de demanda energética: U refrigeración = 0.99 W/(m² K), U calefacción = 0.87 W/m² K. Igual que en la solera, se puede terminar en resina epoxi, gres o pavimento vinílico según el local. Para el caso del forjado en contacto con el exterior, donde sobresale la primera planta sobre la entrada del edificio, la entreplanta está a la intemperie y se aumenta el aislamiento: Listado de capas: 1 - Pavimento vinílico homogéneo 0.2 cm 2 - Base de mortero autonivelante de cemento 5 cm 3 - Lámina de espuma de polietileno de alta densidad 0.5 cm 4 - Mortero autonivelante de cemento 0.2 cm 5 - XPS Expandido con dióxido de carbono CO3 [ W/[mK]] 5 cm 6 - Losa maciza 32 cm 32 cm 7 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 2 cm Espesor total: 44.9 cm Limitación de demanda energética: U refrigeración = 0.42 W/m² K, U calefacción = 0.41 W/m² K. 33

42 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Imagen de CYPE de la localización de la zona del forjado en contacto con el exterior: Figura 2 Imagen forjado en contacto con el exterior - Particiones interiores Hay varios tipos de particiones interiores previstas. - Tabique de yeso laminado de 10 cm: Listado de capas: 1 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 2 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 7 cm 3 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm Espesor total: 10 cm Limitación de demanda energética: U = 0.38 W/m² K. 34

43 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Tabique de yeso laminado de 20 cm: Listado de capas: 1 - Pintura plástica Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 3 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 4 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 7 cm 5 - Separación 1 cm 6 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 7 cm 7 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 8 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 9 - Pintura plástica --- Espesor total: 20 cm Limitación de demanda energética: U = 0.20 W/m² K. - Bloque de hormigón de 14.5 cm: Listado de capas: 1 - Pintura plástica Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 3 - MW Lana mineral [0.04 W/[mK]] 3 cm 4 - BH convencional espesor 100 mm 10 cm 5 - Pintura plástica --- Espesor total: 14.5 cm Limitación de demanda energética: U = 0.83 W/m² K 35

44 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) - Bloque de hormigón de 19.5 cm: Listado de capas: 1 - Pintura plástica Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 3 - MW Lana mineral [0.04 W/[mK]] 3 cm 4 - BH convencional espesor 150 mm 15 cm 5 - Pintura plástica --- Espesor total: 19.5 cm Limitación de demanda energética: U = 0.81 W/m² K. - Trasdosados de placas de yeso: Listado de capas: 1 - Pintura plástica Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 3 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 4 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 4.8 cm 5 - Enlucido de yeso 1000 < d < cm 6-1/2 pie de ladrillo hueco doble 11 cm 7 - Enlucido de yeso 1000 < d < cm 8 - MW Lana mineral [0.031 W/[mK]] 4.8 cm 9 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 10 - Placa de yeso laminado [PYL] 750 < d < cm 11 - Pintura plástica --- Espesor total: 29 cm Limitación de demanda energética: U = 0.26 W/m² K- - Huecos en Fachada Las puertas de entrada al edificio previstas son de acero, y se diseñan en CYPE con una transmitancia térmica de. Las ventanas, que ocupan la mayor parte de la altura de la planta, son de doble acristalamiento, con un espesor del vidrio interior de 4 mm, una cámara de aire de 6 mm y un espesor del vidrio exterior de 6 mm. Las ventanas seleccionadas son de control solar y de baja emisividad térmica, siendo el vidrio interior LOW.S y el exterior Solar.Lite Azul del grupo Unión Vidriera. La transmitancia térmica de la ventana es de, y el factor solar F =

45 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Huecos verticales interiores Las puertas previstas en el interior del edificio son de madera de una hoja y de dos hojas, con valores de transmitancia térmica, y, respectivamente. Figura 3 - Imagen 3D del diseño del edificio en CYPE - Cubierta La cubierta prevista es plana. Listado de capas: 1 - EPS Poliestireno Expandido [ W/[mK]] 14 cm 2 - Mortero de áridos ligeros [vermiculita perlita] 8 cm 3 - Losa maciza 33 cm 33 cm Espesor total: 55 cm Limitación de demanda energética: U refrigeración = 0.19 W/m² K, U calefacción = 0.19 W/m² K. - Falso Techo Se prevé un falso techo registrable de placas de escayola en las dos plantas del edificio, con lana mineral y de un espesor total de 20 cm. Finalmente, una vez terminada la introducción de los elementos constructivos, se comprueba que el edificio diseñado cumple el estudio térmico de CYPE. 37

46 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 2.3 Verificación de la Demanda de Eficiencia Energética El programa LIDER se utiliza para cumplir con la verificación de la exigencia de Limitación de Demanda Energética establecida en el Documento Básico de la Habitabilidad y Energía del Código Técnico de Edificación (CTE-HE1). El objetivo del Documento Básico de Ahorro de Energía es establecer procedimientos para cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía, que buscan conseguir un uso racional de la energía en edificios, tanto reduciendo su consumo como utilizar fuentes de energía renovable. Concretamente, la Exigencia básica HE 1 de Limitación de Demanda Energética establece que: Los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos en los mismos. Una vez definido el edificio completo en CYPE, incluyendo todos los elementos constructivos, se exporta a LIDER para verificar el cumplimiento de su envolvente antes de poder proceder a diseñar la instalación de climatización. El cálculo en esta aplicación informática establece la demanda anual de la envolvente y su cumplimiento respecto a la demanda de referencia del Código Técnico. Para que cumpla la verificación, deberá cumplir tanto la demanda de refrigeración como la de calefacción respecto a las demandas de referencia. 38

47 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Se obtienen los siguientes resultados tras el cálculo en LIDER: Figura 4 Resultado cumplimiento LIDER Resultados Calefacción Refrigeración % de la demanda de Referencia 85.3% 99.1% Proporción relativa calefacción refrigeración 75.1% 24.9% Tabla 7 Resultados calefacción y refrigeración LIDER Cumplen tanto calefacción, con un valor de 85.3% sobre la demanda de referencia, como refrigeración con un valor de 99.1% de la demanda de referencia. Por lo tanto, al cumplir las dos demandas, la de refrigeración y la de calefacción, la envolvente del edificio cumple con la verificación HE1. Existen múltiples factores que afectan al resultado de la demanda. La demanda de calefacción es afectada principalmente por el nivel de aislamiento de la envolvente. Por otro lado, la demanda de refrigeración se reduce actuando sobre las ganancias solares. En este caso, además de utilizar vidrios para las ventanas de baja emisividad térmica, se escogen de control solar, que reduce el factor solar g de los vidrios a Los vidrios de baja emisividad tienen una capacidad de aislamiento térmico reforzado, reduciendo su coeficiente de transmitancia térmica de 3.0 en un vidrio normal a 2.5 en un vidrio de baja emisividad térmica. 39

48 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 2.4 Definición de Recintos Una vez realizada la definición el edificio y la introducción de todos los datos de los elementos constructivos que lo componen, así como la verificación el cumplimiento de la exigencia de eficiencia energética, se elabora la definición de los usos de los recintos. Está información determina las necesidades térmicas específicas de cada recinto. Los datos a incorporar para cada recinto son las condiciones interiores, la ocupación, la iluminación, la ventilación y otras cargas específicas. Algunos de estos datos incorporan utilizando los valores estándar de la biblioteca según sea el tipo de local y su actividad, o se puede introducir directamente su valor si éste se conoce. - Condiciones: Incluye la temperatura máxima de confort en verano, la temperatura mínima de confort en invierno y la humedad relativa. Ejemplo de introducción de las condiciones interiores para el recinto Office HR, en este caso los valores se seleccionan de la biblioteca: Figura 5 Selección de valores de condiciones de temperatura y humedad 40

49 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Figura 6 Ejemplo de condiciones de temperatura y humedad - Ocupación: Número de personas por recinto o por superficie y tipo de actividad. Para el recinto Office HR, se introduce directamente la capacidad total en el local así como su tipo de actividad. Figura 7 Ejemplo de ocupación - Iluminación: Potencia y tipo de iluminación en el local. 41

50 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Para el recinto Office HR, se introduce el valor de la iluminación estándar para oficinas de la biblioteca. Figura 8 Selección de valor de iluminación Figura 9 Ejemplo de iluminación - Ventilación: Para varios locales específicos, como los laboratorios, se establece directamente la ventilación necesaria en el local, bien por persona, unidad de superficie o por recinto. Para los demás locales la necesidad de ventilación la establece CYPE a partir de los demás parámetros y según la normativa vigente. De acuerdo al RITE, se establece para el edificio la calidad de aire IDA 2( aire de buena calidad) por tratarse de un edificio de oficinas. En locales para uso de oficina el caudal de ventilación necesario es de 45 m³/h persona. Asimismo, en la pestaña de ventilación existe la posibilidad de seleccionar la opción de retorno de aire según si esté prevista extracción de aire en el local. 42

51 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Figura 10 Ejemplo de ventilación - Otras cargas: Además de los datos mencionados, se añaden calores de cargas adicionales de acuerdo al tipo de uso del local, pudiendo seleccionar la potencia por superficie estándar de la biblioteca. Figura 11 Selección de valor para cargas adicionales Figura 12 Ejemplo de otras cargas 43

52 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) - Asignación de conjuntos de recintos: Se asignan conjuntos de recintos agrupando estancias que vayan a climatizarse con la misma instalación. En este caso la instalación de climatización es centralizada para todo el edificio, pero se definen seis conjuntos principales, de acuerdo a las seis unidades de tratamiento de aire previstas: Oficinas, Cantina, Cocina, Sala de Conferencias, Laboratorios y Vestuarios. Los aseos se dejan en un conjunto denominado Aseos ya que tienen su propia extracción de ventilación y no forman parte de este proyecto. Esta asignación en el cálculo de cargas permite obtener los resultados de ventilación totales para cada conjunto, correspondiendo con las unidades de tratamiento de aire y por lo tanto facilitando la realización de su dimensionamiento posterior. A continuación se muestran un extracto de CYPE de la asignación de recintos de la planta baja y de la primera planta. Todos los recintos pertenecientes a un conjunto se muestran en un mismo color. Los locales no climatizados ni ventilados no pertenecen a ningún conjunto y por lo tanto se muestran en gris. Conjuntos de recintos de la planta baja: Figura 13 Conjuntos de recintos planta baja 44

53 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Conjunto de recintos de la primera planta: Figura 14 Conjunto de recintos planta primera 2.5 Resultado del Cálculo de Cargas Térmicas El cálculo de cargas térmicas es necesario para cualquier cálculo de instalaciones de climatización. Las cargas térmicas indican la potencia térmica que el edificio intercambia con el exterior y son las que se deben compensar con la calefacción y refrigeración para mantener las condiciones de confort. Existen dos tipos de cargas, por un lado las de refrigeración, que son las cargas de verano, y por otro las de calefacción que corresponden a las de invierno. Las cargas térmicas se deben a varios fenómenos de intercambio de calor con el exterior así como las cargas producidas en el interior: - Transmisión: La conducción de calor a través de los elementos constructivos debido a la diferencia de temperatura. En invierno será del interior al exterior, y el verano del exterior hacia el interior. 45

54 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) - Infiltración: Consiste en la aportación de aire desde el exterior para las cargas de refrigeración, y las pérdidas hacia el exterior para las cargas de calefacción. - Radiación solar: El flujo de calor que entra en el edificio a través de las superficies acristaladas. La radiación solar condiciona significantemente las cargas térmicas de verano. - Equipos e iluminación: La aportación calorífica producida por los equipos y la iluminación. - Ocupación: Las cargas internas producidas por la presencia de personas, que incluyen una componente sensible y otra latente, y son función del tipo de actividad de las personas. Los fenómenos de transmisión, infiltración y radiación solar están condicionados por los elementos los constructivos del edificio, mientras que las cargas internas, que son producidas por la ocupación, equipos e iluminación, se especifican en la definición de los recintos. Las siguientes tablas representan el cálculo detallado de cargas de refrigeración y de calefacción para la sala Office HR. Se observa cómo los distintos fenómenos mencionados, de transmisión de calor con el exterior y de cargas internas determinadas previamente en la definición de recintos, afectan al cálculo de cargas térmicas. 46

55 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Ejemplo de cálculo de cargas de refrigeración para el recinto Office HR. CARGA MÁXIMA (RECINTO AISLADO) Recinto Conjunto de recintos O12 HR (Office HR) UTA Offices Condiciones de proyecto Internas Externas Temperatura interior = 24.0 C Temperatura exterior = 32.9 C Humedad relativa interior = 50.0 % Temperatura húmeda = 20.4 C Cargas de refrigeración a las 18h (16 hora solar) del día 1 de Julio Cubiertas Tipo Superficie (m²) U (W/(m² K)) Peso (kg/m²) Color Teq. ( C) C. LATENTE C. SENSIBLE Tejado Intermedio Cerramientos interiores Tipo Superficie (m²) U (W/(m² K)) Peso (kg/m²) Teq. ( C) Pared interior Pared interior Forjado Hueco interior Ocupantes Actividad Nº personas C.lat/per C.sen/per Total estructural Sentado o en reposo Iluminación Tipo Potencia Coef. iluminación Fluorescente con reactancia Instalaciones y otras cargas Cargas interiores Cargas interiores totales Cargas debidas a la propia instalación 3.0 % FACTOR CALOR SENSIBLE : 0.89 Cargas internas totales Ventilación Caudal de ventilación total (m³/h) Potencia térmica interna total Cargas de ventilación Potencia térmica de ventilación total Potencia térmica POTENCIA TÉRMICA POR SUPERFICIE 48.2 m² 68.8 W/m² POTENCIA TÉRMICA TOTAL : W Tabla 8 Ejemplo detallado cargas de refrigeración 47

56 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) - Ejemplo de cálculo de cargas de calefacción para el recinto Office HR. CARGA MÁXIMA (RECINTO AISLADO) Recinto Conjunto de recintos O12 HR (Office HR) UTA Offices Condiciones de proyecto Internas Externas Temperatura interior = 21.0 C Temperatura exterior = -3.7 C Humedad relativa interior = 50.0 % Humedad relativa exterior = 90.0 % Cargas térmicas de calefacción Cubiertas Tipo Superficie (m²) U (W/(m² K)) Peso (kg/m²) Color C. SENSIBLE Tejado Intermedio Cerramientos interiores Tipo Superficie (m²) U (W/(m² K)) Peso (kg/m²) Pared interior Pared interior Forjado Hueco interior Total estructural Cargas interiores totales Cargas debidas a la intermitencia de uso 5.0 % Cargas internas totales Ventilación Caudal de ventilación total (m³/h) Potencia térmica de ventilación total POTENCIA TÉRMICA POR SUPERFICIE 48.2 m² 57.6 W/m² POTENCIA TÉRMICA TOTAL : W Tabla 9 Ejemplo detallado cargas de calefacción - Resumen de los resultados de las cargas de refrigeración 48 Conjunto Refrigeración Potencia por superficie (W/m²) Potencia total UTA 1 Oficinas UTA 2 Cantina UTA 3 Cocina UTA 4 Sala de Conferencias UTA 5 Laboratorios UTA 6 Vestuarios Tabla 10 Resumen cargas de refrigeración

57 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Resumen de los resultados de las cargas de calefacción Conjunto Calefacción Potencia por superficie (W/m²) Potencia total UTA 1 Oficinas UTA 2 Cantina UTA 3 Cocina UTA 4 Sala de Conferencias UTA 5 Laboratorios UTA 6 Vestuarios Tabla 11 Resumen cargas de calefacción Las potencias totales mostradas en las dos tablas resumen corresponden a la suma de las cargas internas totales y las cargas totales de ventilación. Las cargas térmicas que se deben compensar con la instalación de calefacción y refrigeración corresponden a la columna de carga interna total en las tablas completas del cálculo de cargas. Para los resultados completos de las cargas térmicas por recintos, así como los caudales necesarios de ventilación por local, ver: Anexo 1, apartado de la Justificación del Cumplimiento del Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios. 49

58 50 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

59 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 3. Estudio de la Instalación de Climatización Prevista 3.1 Descripción de la Instalación El proyecto de construcción del edificio en Mechelen, Bélgica, comprende una instalación de climatización. Esta instalación forma parte de este proyecto para su estudio y mejora en términos de eficiencia energética. La instalación de climatización prevista es un sistema completo puesto que incluye tanto climatización de invierno como de verano, y centralizado. Con esta instalación se ha buscado cubrir las necesidades térmicas y de ventilación de un edificio de oficinas con un presupuesto limitado. Los sistemas de climatización se pueden clasificar en sistemas todo aire, sistemas agua-aire, sistemas todo agua o sistemas con refrigerante, dependiendo del tipo de fluido caloportador empleado para llevar la energía térmica a los locales. En este caso, se emplea un sistema aguaaire, en el que por un lado se lleva aire tratado en climatizadores a los locales que proporciona la ventilación necesaria pero sin capacidad suficiente para transportar toda la energía térmica necesaria. Por ello, se complementa con aparatos terminales ventiloconvectores, denominados fancoils, que se alimentan con agua, situados en los locales. Es el sistema más completo ya que permite una regulación óptima de los parámetros de cada local teniendo en cuenta sus necesidades específicas. En un sistema aire-agua de calefacción y refrigeración, una parte principal la componen los generadores de frío y calor. En este caso, se han previsto calderas como equipos de generación de calor, y máquinas frigoríficas enfriadoras de agua, denominadas chillers, como equipos de generación de frío. El agua caliente y fría se distribuye desde estos equipos a los fancoils en los locales a través de tuberías, proporcionando las necesidades térmicas del local. La instalación prevista es un sistema aire-agua de dos tuberías. Los sistemas de dos tuberías están compuestos por una única tubería de ida y una única de retorno en cada unidad terminal. Esto implica que en sistemas de climatización para tanto invierno como verano, sólo uno de los dos sistemas, o el de calefacción o el de refrigeración, puede funcionar al mismo tiempo. Se trata del tipo de sistema aire-agua más económico. Asimismo, además del sistema a dos tubos, se prevé un circuito de agua caliente para la utilización de radiadores. Estos radiadores, suministradas con su propia red de tuberías, están previstos para algunos locales de la zona, concretamente para O-0 Sodexo Office, MD06 Nurse, MD05 EHB y MD03 Mother & Baby. El sistema dispone de unidades de tratamiento de aire (UTA), climatizadores que reciben aire exterior y agua. La UTA proporciona la ventilación al edificio impulsando aire exterior tratado hacia el interior de los locales mediante los conductos de aire. El aire será distribuido a 20 C en verano, y como mucho a 24 C en verano. En este caso, el sistema está formado por seis unidades de tratamiento de aire distribuidas de la siguiente manera: 51

60 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) UTA 1 Oficinas UTA 2 Cantina UTA 3 Cocina UTA 4 Sala de Conferencias UTA 5 Laboratorios UTA 6 Vestuarios Se ha dividido el edificio en seis grandes zonas, según las características de las necesidades de ventilación de cada local, independizando los conductos de aire para cada zona. La primera unidad de tratamiento de aire proporciona la circulación de aire necesaria para todas las oficinas y salas de reuniones de la planta de arriba, así como las de la planta de abajo, recepción y la zona médica. La UTA 2 impulsa y extrae el aire de la cantina exclusivamente. La UTA 3 para la cocina, además de extraer el aire necesario de la cocina, impulsa aire al área K01 Service, en el que se sirve la comida, así como a los almacenes de alimentos. La sala de conferencias, situada en la planta de arriba, tiene su propia unidad de tratamiento de aire UTA 4. Los laboratorios, así como las oficinas y los almacenes situados en la zona de laboratorio, son suministrados por la UTA 5. Además, los laboratorios tendrán campanas de aire independientes debido a sus necesidades específicas de extracción. Finalmente, los vestuarios serán ventilados mediante la UTA Condiciones específicas de los laboratorios Una peculiaridad de este edificio respecto a otros edificios de oficinas es la existencia de laboratorios. Como se muestra en la tabla 5, existen m² de zona de laboratorios formados por 17 locales. De estos 17 locales, son 5 los que son laboratorios específicamente: LB01 Quality Lab, LB012 Sensory Lab, LB03 Micro Lab, LB013 Make & Pack Lab y LB014 Raw/Ready Products Lab, ya que el resto lo componen oficinas y almacenes de uso complementario a los laboratorios. A la hora de desarrollar un sistema de climatización, se debe de tener en cuenta las necesidades específicas de los laboratorios puesto que normalmente en ellos se trata productos tóxicos. En este tipo de local, además del control y ajuste de las necesidades térmicas, se requiere una renovación de aire mayor que en locales de oficinas que permita la evacuación de las partículas contaminantes. Por ello, los laboratorios requieren una calidad de aire interior IDA 1, que corresponde a aire de óptima calidad, según lo indicado en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, instrucción Exigencia de Calidad del Aire Interior. Para cumplir estos requisitos, por un lado se independiza la ventilación de esta zona del resto del edificio, siendo suministrada con su propia unidad de tratamiento de aire y los conductos correspondientes. De esta forma, todo el aire de extracción de estos locales será transportado al exterior directamente sin mezclarse con el aire de impulsión de otros locales. Por lo tanto, la 52

61 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS unidad de extracción de aire a instalar para los laboratorios realizará una impulsión de aire compuesta por un 100% de aire exterior. A la hora de desarrollar el sistema de climatización, para determinar los caudales de ventilación de los laboratorios se toman los valores ya especificados para ellos en lugar de calcularlos en el CYPE como en los demás locales. En consecuencia, los caudales de ventilación de estos locales serán iguales para el proyecto previsto en Bélgica y para este proyecto. De esta forma, los caudales de ventilación específicos en estos locales serán los siguientes: - LB01 Quality Lab: 6900 m³/h. - LB012 Sensory Lab: 750 m³/h. - LB03 Micro Lab: 1500 m³/h. - LB013 Make & Pack Lab: 750 m³/h. - LB014 Raw/Ready Products Lab: 400 m³/h. Asimismo, en los laboratorios se exige que las corrientes de aire se produzcan siempre en el sentido adecuado: de zonas menos contaminadas a las más contaminadas. Por ello se han previsto campanas de extracción independiente en todas las zonas concretas donde se manipula productos tóxicos. Se han previsto seis extracciones independientes, una de ellas en LB014 Rawy/Ready Products Lab con un caudal de 1080 m³/h. El resto, seis unidades, están previstas en LB01 Quality Lab, con los siguientes caudales: cuatro unidades de 1080 m³/h, una de 1250 m³/h y una de 75 m³/h. 3.2 Características de los Equipos - Equipos de producción de calor Se han previsto dos calderas de la marca Remeha, de la gama Gas 310 Pro, modelo 500. La potencia útil de cada una es de 461 kw. Se trata de una caldera de condensación de pie que utiliza gas natural como combustible, con una temperatura de impulsión de 80 C y un salto térmico de 20 C. El cuerpo de la caldera está formado por elementos de aluminio fundido. Tiene una modulación de carga entre 20% y 100%, y esta característica junto con el hecho de que se instalen dos unidades permite regular la capacidad de producción de calor según las necesidades, utilizando una o las dos calderas, a plena carga o a carga parcial. Las calderas se sitúan en la planta baja en una sala habilitada para ello, T01 Technical Room. Después de obtener agua de la red y calentarla, la impulsa a los distintos fancoils de los locales de las dos plantas, y por otro lado directamente a las unidades de tratamiento de aire. 53

62 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Figura 15 Caldera de gas de la instalación prevista Fuente: Remeha - Equipos de producción de frío Como con las calderas, se han previsto dos unidades de refrigeración de agua con una capacidad frigorífica de 256 kw. La marca de los chillers es Blue Box, modelo TETRIS/LN El refrigerante utilizado es R410A, y tiene cuatro compresores tipo scroll y dos circuitos frigoríficos. Los dos chillers se localizan en la cubierta en una plataforma en el centro. Son suministrados con agua de la red, con una temperatura de agua de entrada el evaporador de 12 C y posterior a su enfriamiento, saliendo a 6 C, lo impulsan por un lado a los fancoils de los locales y por otro a las unidades de tratamiento de aire. Figura 16 Chiller de la instalación prevista Fuente: Blue Box 54

63 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS - Unidades de tratamiento de aire Las seis unidades de tratamiento de aire seleccionadas en la instalación prevista son de la marca BerlinerLuft Klimatechnik, de la serie EuroCond. Los modelos de cada una, junto con las capacidades de caudal de aire de impulsión y de extracción son las siguientes: Unidad de Tratamiento de aire Modelo Caudal Impulsión (m³/h) Caudal Extracción (m³/h) UTA 1 EC UTA 2 EC UTA 3 EC UTA 4 EC UTA 5 EC UTA 6 EC Tabla 12 Caudales de las unidades de tratamiento de aire previstas Los paneles están formados por paneles sándwich dobles de acero galvanizado y el perfil es de aluminio. Están situadas en la plataforma en la cubierta, a la que acceden los conductos de aire de los locales. Figura 17 Unidades de tratamiento de aire previstas Fuente: BerlinerLuft - Unidades Fancoils Los fancoils son de la marca ATC (Air Trade Center), de dos modelos:, según su localización, el modelo J.03 UTC/UTV y modelo CSV4S. Se trata de fancoils de techo de dos tuberías, de alta presión, tanto para proporcionar frío como para calor. Hay un total de 75 fancoils previstos, con potencias comprendidas entre 250 W y 3825 W de capacidad. El modelo UTC/UTV es de distribución con conductos y está previsto para los vestuarios. El modelo CSV4S es de descarga directa y está previsto para el resto del edificio: 55

64 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Figura 18 Fancoil de la instalación prevista Fuente: ATC 3.3 Características energéticas de la instalación - Calderas Las dos unidades previstas tienen las siguientes características: Modelo Remeha Gas 310 Eco Pro 500 Potencia Útil 461 kw Potencia Nominal 469 kw Rendimiento 98.3 % Consumo de energía eléctrica 543 VA Consumo de gas natural 49.6 m3/h Tabla 13 Características de las calderas El índice COP (Coeficiente de Rendimiento) expresa el rendimiento energético mediante la relación entre la energía útil y la energía consumida en equipos de producción de calor. Al tratarse de una caldera de condensación, de consumo de gas natural, la potencia útil (461 kw) es mucho mayor que el consumo eléctrico (543 VA). Este tipo de calderas consume muy 56

65 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS poca energía eléctrica ya que la mayor parte de energía que consume viene de la potencia calorífica del gas natural. En la potencia absorbida, por lo tanto, se ha de tener en cuenta el consumo de gas. Como muestra la tabla, el rendimiento de esta caldera es de 98.3%. Este dato es proporcionado por el fabricante, y corresponde al siguiente ratio: El rendimiento de las calderas de condensación suele aproximarse a 98% medido sobre el poder calorífico superior, frente a un 70-80% de las calderas convencionales, por lo que resulta superior en términos de eficiencia energética. - Chillers Están previstas dos unidades de las siguientes características: Modelo Blue Box Tetris/LN-27.4 Potencia Útil 256 kw Potencia Máxima Consumida 88.8 kw Tabla 14 Características de los chillers El índice EER (Coeficiente de Eficacia Frigorífica) representa la eficiencia energética de producción de frío. Por lo tanto, si calculamos el EER para este modelo de chiller, tenemos: Las clases de eficiencia energética de los equipos de producción de frío según su EER se clasifican de la forma mostrada en la siguiente tabla. 57

66 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Clase de Eficiencia Energética A B C D E F G EER Tabla 15 Clasificación energética de los equipos de refrigeración Por lo tanto, este chiller corresponde a una clase C por tener un EER de Potencia suministrada total La potencia total suministrada por este sistema de climatización será la suma de las potencias útiles proporcionada por las calderas y los chillers. 3.4 Análisis de consumo Los tipos de energía utilizadas en este sistema de climatización son electricidad y gas natural. El consumo total de la instalación será la suma de los consumos de todos los equipos: las unidades de tratamiento de aire, las calderas y los chillers. El consumo de los fancoils se desprecia ya que la potencia eléctrica consumida es muy pequeña, dado que su capacidad frigorífica y calorífica viene de las calderas y los chillers. El consumo de las bombas de circulación también se desprecia dado que su consumo eléctrico es significativamente menor comparado que el de los chillers y las unidades de tratamiento de aire. - Consumo eléctrico de las unidades de tratamiento de aire La potencia de cada unidad de tratamiento de aire es la compuesta por la suma de los consumos de los dos ventiladores. 58

67 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Unidades de Tratamiento de Aire Consumo de Potencia Eléctrica (kw) UTA 1 Oficinas 13 UTA 2 Cantina 9.5 UTA 3 Cocina 9.5 UTA 4 Sala de Conferencias 7 UTA 5 Laboratorios 9.7 UTA 6 Vestuarios 6 Consumo Total UTA 54.7 Tabla 16 Consumo de las unidades de tratamiento de aire - Consumo eléctrico de los chillers A partir de los datos de la tabla número 14, el consumo total de los chillers será la suma del consumo eléctrico de las dos unidades: - Consumo de las calderas Las calderas de condensación consumen tanto gas natural como electricidad, siendo este último valor muy bajo como ya se ha visto, por lo que se desprecia su consumo eléctrico. A partir de los datos en la tabla número 13, tenemos que las calderas consumen cada una 49.6 m³/h. Para obtener un consumo anual aproximado, debemos tener en cuenta las horas anuales de funcionamiento del sistema de calefacción, incluyendo el funcionamiento a carga parcial de las calderas. Utilizando un criterio conservador, se toma el valor de 1800 h/año de funcionamiento que suele ser utilizado como valor convencional de calefacción en Madrid. Este valor es equivalente a 180 días de funcionamiento al año, 10 horas al día a plena completa. El consumo anual de gas natural sería entonces: - Consumo eléctrico total El consumo eléctrico total del sistema es el obtenido en la suma de las unidades de tratamiento de aire y en los chillers, ya que se ha despreciado el consumo de los fancoils y el consumo principal de las calderas es el gas natural. 59

68 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Equipos Consumo Eléctrico Unidades de Tratamiento de Aire 54.7 kw Chillers kw Consumo Total kw Tabla 17 Consumo eléctrico total de la instalación prevista - Balance energético global Se ha obtenido que la potencia total suministrada por el sistema de climatización es de 1434 kw en el apartado 3.3, consumiendo una potencia eléctrica total de kw, además de m³/anuales de gas natural. 60

69 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 4. Diseño de la Instalación de Climatización 4.1 Descripción de la instalación Mediante el programa CYPECAD MEP se realiza el diseño de la instalación de climatización. Tras el estudio de la climatización prevista en el Capítulo 3, se busca desarrollar un sistema alternativo de mayor eficiencia energética. La climatización de un edificio puede ser unitaria o centralizada. La unitaria es menos eficiente ya que los aparatos pequeños tienen menores rendimientos que los grandes, y en caso de que haya varios la suma de todos ellos consumen más energía que uno solo. En este caso, ya que es un edificio grande, se desarrolla un sistema de climatización centralizado. Se realiza un sistema aire-agua, como el previsto, dado que es el más completo. El sistema de fancoils permite independizar salas y despachos, aspecto clave en un edificio de oficinas. Mientas que el sistema de climatización previsto en Bélgica es un sistema a dos tubos, el sistema de climatización propuesto es de cuatro. Este sistema tiene tuberías de ida y de retorno para tanto frío como para calor, permitiendo suplir las necesidades térmicas cuando se den al mismo tiempo necesidades de calefacción y de refrigeración en el edificio. Dado que es un edificio grande con muchos usos distintos, se pueden dar necesidades de refrigeración en unas salas, como en la sala de conferencias, a la vez que se den necesidades de calefacción otras, como en despachos individuales. Proporciona un mayor confort que el sistema previsto en Bélgica, ya que el sistema de regulación en cada zona permite accionar el sistema de calefacción o el de refrigeración. El sistema propuesto contiene dos calderas y dos chillers, como en la instalación ya prevista. La implementación de este sistema supone una mayor eficiencia energética que la utilización de una única caldera y un único chiller porque permite el fraccionamiento de la potencia. Con dos unidades de un equipo generador, si la potencia requerida es menor que la nominal de una de ellas, es posible utilizar únicamente una de las unidades, permitiendo dejar la otra apagada. El fraccionamiento de la potencia de los equipos adapta la producción de energía térmica a la del sistema, consiguiendo en cada instante un régimen de potencia más cercano al rendimiento máximo. De acuerdo a la instrucción técnica Fraccionamiento de la potencia del RITE, si la potencia térmica a instalar es mayor que 400 kw, se instalan dos o más generadores para el caso de centrales de calor equipadas con generadores de combustible líquido o gaseoso. 61

70 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 4.2 Sistema de Aire Unidades de Tratamiento de Aire Se mantiene la utilización de seis unidades de tratamiento de aire como en la instalación prevista, una para cada conjunto de recintos, correspondiendo con los realizados en el apartado 2.4 Definición de recintos. De esta forma, cada unidad de tratamiento de aire realiza la ventilación de los locales situados en las siguientes zonas, correspondiendo con los nombres de las zonas descritas en las tablas 3 y 4 en 2.1 Descripción del edificio: - UTA 1 Oficinas: En la planta baja: almacenes, cuartos técnicos, Manpower, salas médicas y la recepción. - En la primera planta: salas de reuniones, salas de fotocopias, oficinas, salones y almacenes. - UTA 2 Cantina: Únicamente la cantina en la planta baja. - UTA 3 Cocina: La zona de cocinas en la planta baja, incluyendo los almacenes de alimentos. - UTA 4 Sala de Conferencias: Únicamente la sala de conferencias en la primera planta. - UTA 5 Laboratorios: La zona de laboratorios entera, incluyendo los almacenes y oficinas. - UTA 6 Vestuarios: La zona de vestuarios entera. Se dimensionan los caudales de impulsión y de extracción de las unidades de tratamiento de aire a partir de los resultados de ventilación necesaria obtenidos en el cálculo de cargas térmicas. 62

71 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Tabla con las características de las seis unidades de tratamiento de aire diseñadas: Unidad de Tratamiento de Aire Caudal Impulsión (m³/h) Caudal Extracción (m³/h) Potencia Frigorífica (kw) Potencia Calorífica (kw) Potencia Nominal (kw) UTA 1 - Oficinas UTA 2 - Cantina UTA 3 - Cocina UTA 4 Sala de Conferencias UTA 5 - Laboratorios UTA 6 - Vestuarios Potencias Totales: Tabla 18 Características de las unidades de tratamiento de aire seleccionadas Las unidades de tratamiento de aire propuestas llevan todas recuperadores de calor. En los casos de las UTA 1, 2 y 4 los recuperadores son de mezcla entre el aire de extracción y el de impulsión. En el caso de las UTA previstas en la cocina, laboratorios y vestuarios no son de mezcla puesto que las características de estos locales exigen que el 100% del aire impulsado sea aire exterior. - Cumplimiento de la instrucción técnica Filtración del aire exterior mínimo de ventilación del RITE Se cumple con las clases de filtración expuestas en el RITE de acuerdo a la calidad del aire interior, IDA 2, y a la calidad del aire exterior, ODA 3, empleando por lo tanto filtros del tipo F6/F8 en las unidades de tratamiento de aire Conductos de aire Las unidades de tratamiento de aire impulsan y extraen el aire de ventilación de los locales a través de conductos. A cada unidad de tratamiento de aire se conectan dos conductos de aire: uno de impulsión y otro de extracción. Los conductos de aire de impulsión propuestos son de lana mineral, ya que de esta forma queda aislado el conducto manteniendo la temperatura del aire a impulsar. En los lugares donde los conductos son visibles, son instalan de chapa galvanizada. Son todos de sección rectangular, menos lo últimos tramos de los conductos que de pequeña sección, puesto que suministran un caudal de ventilación bajo, como es en los últimos tramos de los conductos que solamente conectan con un difusor, que son circulares. 63

72 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Figura 19 Conducto de aire de lana mineral seleccionado Los conductos de aire se instalan en el falso techo, teniendo en cuenta que se dispone de un espacio de 80 cm aproximadamente. El dimensionado de las secciones de los conductos depende del caudal necesario. El caudal que transcurre por un conducto está condicionado por la sección del conducto y por la velocidad del aire. Las secciones de los conductos se diseñan cumpliendo con los siguientes requisitos: - La velocidad máxima en los conductos horizontales es de 3 m/s en los conductos situados sobre locales habitables dado que con valores superiores a éste el nivel sonoro es demasiado alto. La velocidad máxima en los conductos situados en zonas de paso puede llegar a unos 5 m/s. - La sección será la mínima necesaria para que cumpla con la velocidad máxima así como con el caudal necesario. El cálculo de la instalación realizado por CYPE comprueba que se cumple en todos los tramos de conductos una velocidad mínima de 0.25 m/s y una velocidad máxima de 2.5 m/s en tramos con difusores o rejillas. 64

73 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Ejemplo de las comprobaciones realizadas por el cálculo de CYPE en un tramo de conducto de aire: Figura 20 Ejemplo de las comprobaciones realizadas en conductos Difusores y Rejillas de Retorno La impulsión de aire a los locales desde los conductos de aire se realiza mediante difusores. En cada local se instala un número de difusores necesario con las características necesarias para que se cumpla con el caudal de ventilación establecido en el local. El tipo de difusor seleccionado es el difusor rotacional con deflectores fijos y placa frontal circular. Figura 21 Imagen del difusor seleccionado Los difusores de diseñan de tal forma que impulsen el caudal de aire necesario. Según este valor, se escoge uno de un tamaño que cumpla con la potencia sonora máxima y la pérdida de carga máxima, junto con un diámetro de acuerdo al diámetro del conducto al que está conectado. 65

74 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Figura 22 Ejemplo selección características del difusor En lo conductos de aire de extracción se instalan rejillas de retorno. Se diseñan seleccionando el caudal de aire de ventilación a extraer del local. Cuando el caudal de ventilación necesario en un local es mayor a 500 m³/h, se instala más de un difusor y rejilla, de caudal menor o igual a 500 m³/h cada uno, para realizar una mejor distribución del aire en el local. 4.3 Sistema de Agua Fancoils Se instalan un total de 73 unidades de fancoils. Los fancoils seleccionados son de cuatro tubos, de techo y con descarga directa. Todas las unidades tienen tanto capacidad frigorífica como calorífica. La potencia frigorífica de cada fancoil se selecciona a partir las cargas térmicas de refrigeración del local, y la potencia calorífica a partir de las cargas térmicas de calefacción del local. En locales grandes, se instalan varios fancoils para realizar una mejor distribución de temperaturas en el local. 66

75 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Figura 23 - Imagen del fancoil seleccionado Calderas y Chillers - Cálculo de Potencias Las calderas suministran agua caliente por un lado a los fancoils y por otro a las baterías de agua caliente de las unidades de tratamiento de aire, de la misma forma que los chillers con el agua fría. Por lo tanto, la determinación de las potencias de caldera necesarias corresponde a la suma de las potencias caloríficas de todos los fancoils junto con la suma de las potencias caloríficas de las unidades de tratamiento de aire. - La suma de las potencias caloríficas de los 73 fancoils es de 75.4 kw. - De la tabla en el apartado Unidades de tratamiento de aire, se obtiene que la suma de las potencias caloríficas de las seis unidades es de kw. Por lo tanto, la potencia necesaria a suministrar por las calderas será: Teniendo en cuenta que se instalan dos calderas, la potencia mínima de cada una deberá ser: De la misma manera, las potencias necesarias de los chillers se determinan mediante la suma de las potencias frigoríficas totales de todos los fancoils y las unidades de tratamiento de aire. - La suma de las potencias frigoríficas de los 73 fancoils es de kw. - De la tabla en el apartado Unidades de tratamiento de aire, se obtiene que la suma de las potencias frigoríficas de las seis unidades es de kw. Por lo tanto, la potencia necesaria a suministrar por los chillers será: 67

76 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Teniendo en cuenta que se instalan dos chillers, la potencia mínima de cada uno deberá ser: - Calderas Se propone instalar calderas de biomasa, que utilizan combustible vegetal normalmente procedente de residuos para producir calor. Tienen rendimientos parecidos a las calderas de gas, en torno a un rendimiento de 100%, pero supone una gran ventaja puesto que utiliza una fuente de energía renovable y contamina en menor medida al medio ambiente que una caldera de gas convencional como la que está en el diseño previsto en Bélgica. Además, supone un coste mucho menor puesto que se elimina el consumo de gas natural, que como se ha visto en el apartado 3.4 Análisis de Consumos estaba previsto en m³. Los dos tipos habituales de calderas de biomasa son de pellets o astillas. Se selecciona un modelo de pellets proporcionado por CYPE de la marca Gilles. Se trata del modelo industrial de refrigeración por aire, para las dos unidades a instalar, concretamente el modelo de 450 kw ya que se ha visto que la potencia de cada una ha de ser igual o superior a kw para asegurarla generación de la potencia necesaria. Se observa que la potencia de las calderas propuestas, de 450 kw cada una, es algo menor que las previstas en Bélgica, con valor de 461 kw cada una. Esto se debe a que las cargas térmicas de invierno son menores en Madrid, y por lo tanto la necesidad de potencia calorífica es menor. - Chillers Se seleccionan dos chillers de 300 kw de potencia cada uno, superior al valor de kw de potencia de refrigeración necesaria para asegurar la generación mínima de potencia. En una primera versión del sistema de climatización propuesto, se seleccionan los chillers manteniendo un EER = 2.88 que, como se ha visto en 3.3 Características energéticas de la instalación, se trata de una clase C de eficiencia energética. Se observa que los chillers a instalar, de 300 kw, son de mayor potencia que los previstos en Bélgica, que son de 256 kw cada uno. Esta diferencia se debe a que las cargas térmicas de verano son superiores en Madrid, y por ello la necesidad de potencia de refrigeración es mayor. 68

77 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Tuberías Por ser un sistema a cuatro tubos, cada fancoil tendrá cuatro conexiones: impulsión de agua fría, retorno de agua fría, impulsión de agua caliente y retorno de agua caliente. Las tuberías de agua caliente parten de la sala de calderas, saliendo una tubería directa hacia las unidades de tratamiento de aire en la cubierta para alimentar a las baterías, y otra a distribuir a los fancoils de las dos plantas. Las tuberías de agua fría nacen de los chillers, alimentando por un lado a las baterías de agua fría de las unidades de tratamiento de aire y por otro bajando a distribuir a los fancoils. Las tuberías de esta instalación tienen unos diámetros comprendidos entre 16 mm y 100 mm, conforme al caudal de agua que transporten. Las tuberías suelen ser de acero, cobre o materiales plásticos. En este caso, las tuberías instaladas en el interior del edificio son de polietileno reticulado con barrera de oxígeno y aislamiento mediante coquilla flexible de espuma elastomérica, que permiten unos diámetros de 16 mm a 90 mm. Los tramos de tubería situados en la cubierta están expuestos al exterior y por lo tanto deben estar acondicionadas para ello. Las tuberías con mayor caudal, como las que bajan de los chillers, son de cobre, que permite unos diámetros de hasta 108 mm, o de acero negro que admite hasta 6. El cálculo de la instalación realizado por CYPE comprueba que se cumple en todos los tramos de tuberías que velocidad instalada es menor a 2 m/s y una pérdida de carga instalada menor a 367 Pa/m. El cálculo obtiene el caudal, pérdida de presión total y el flujo de calor lineal en cada tramo de tubería, como se muestra en el siguiente ejemplo de uno de los tramos: Figura 24 Ejemplo de las comprobaciones en tuberías Asimismo, las bombas de seleccionadas para la circulación del agua el son de regulación de frecuencia, ya que permiten adaptar su velocidad a las necesidades del circuito, consumiendo menos potencia cuando las condiciones lo permitan. 69

78 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) 4.4 Cálculo de la Instalación Una vez diseñada toda la instalación e introducidos y conectados todos los equipos, se realiza el cálculo de la instalación y la verificación de todas las comprobaciones necesarias, tanto del sistema de aire como de agua. Para los cálculos obtenidos de la instalación, ver: Anexo 1: Justificación del cumplimiento del Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios. Para ver los planos finales con la distribución de la climatización diseñada, ver: Anexo 6: Plano de la climatización de la planta baja Anexo 7: Plano de la climatización de la planta primera Anexo 8: Plano de la distribución de equipos en cubierta La ventilación de los aeos se hace con extracciones independientes y no están incluidas en este proyecto, por lo que no se muestran en los planos. 4.5 Cumplimiento de la Normativa Esta instalación de climatización se lleva a cabo cumpliendo con la siguiente normativa: - Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), Real Decreto 1027/ Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), Real Decreto 1826/2009 por el que se modifica el RITE aprobado por Real Decreto 1027/ Código Técnico de la Edificación, Real Decreto 314/2006 con sus Documentos Básicos. - Normas UNE de aplicación. 70

79 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 5. Calificación Energética 5.1 Introducción a Calener La Calificación Energética de los Edificios es una exigencia derivada de la Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo. Asimismo, tras el reciente Real Decreto 235/2013 por el que se aprueba el procedimiento para la certificación de eficiencia energética de edificios, tanto de nueva construcción como existentes, la puesta a disposición del certificado de eficiencia energética será exigible para los contratos de venta o arrendamiento. El certificado energético mide la eficiencia energética de un edificio teniendo en cuenta el consumo de energía que se estima necesario para satisfacer la demanda de energía. Incluye la energía consumida en calefacción, refrigeración, ventilación, producción de agua caliente sanitaria (ACS) e iluminación. La obtención de la calificación energética del edificio se realiza en este caso mediante el programa Calener, uno de los programas informáticos reconocidos para la calificación energética promovido por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, a través de la IDEA (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). Se emplea la versión Calener-VYP por tratarse de un edificio terciario de tamaño mediano. A partir de las características geométricas y constructivas del edificio y de la instalación de climatización, la herramienta Calener permite determinar el nivel de eficiencia energética de edificios. Asigna a cada edificio una Clase Energética de eficiencia que varía desde la A, para los edificios más eficientes, hasta la G para los menos eficientes, según sea la comparación entre el consumo del edificio objeto con el de referencia. Figura 25 Clases de eficiencia energética Fuente: Grupo Boxx 71

80 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) El consumo de energía está establecido respecto al consumo el edificio de referencia, siendo las clases A, B, C y D menores al 100% de éste, y las clases E, F y G representan valores superiores a los de referencia y por lo tanto de menor eficiencia energética. 5.2 Resultados Los resultados de la calificación energética de Calener muestran la demanda energética de calefacción y refrigeración en y, así como las emisiones de en y para calefacción, refrigeración, ACS e iluminación. A cada uno de estos valores le corresponde una clase, y teniendo en cuenta los resultados totales obtieneuna calificación global. Tras la exportación del edificio y de la instalación de climatización desde CYPE a Calener, se realiza el cálculo de la calificación energética, obteniéndose los siguientes resultados: Figura 26 Resultados calificación energética Calener En este proyecto no se han tenido en cuenta ni la iluminación ni el ACS. Por lo tanto, los resultados relevantes son la demanda y las emisiones de de calefacción y refrigeración. La demanda de calefacción y de refrigeración es función de la envolvente del edificio, así como del clima y de la ubicación. Esta parte del certificado de eficiencia energética corresponde a la exportación a LIDER. La instalación de climatización es tenida en cuenta en los resultados de las emisiones de. 72

81 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS La demanda de energía para calefacción prevista es de obteniendo una clase C, y la de refrigeración de obteniendo la clase D. Por otro lado, se obtiene una clase B para las emisiones de tanto de calefacción como de refrigeración, con unas emisiones previstas de y 36438,3, respectivamente. Por lo tanto, se obtienen resultados de eficiencia energética satisfactorios puesto que se exponen valores menores a los de referencia. El resultado global de la calificación es una C. Este resultado tiene en cuenta la clase obtenida en ACS, una A por no haber tenido en cuenta ningún consumo de ACS y que mejora la calificación global, y la clase D obtenida en iluminación que, en cambio, empeora la calificación global. Por lo tanto, no se considera que los resultados de ACS y de iluminación afecten en gran medida a la calificación global puesto que si se hubiese tenido en cuenta el consumo de ACS el resultado global empeoraría, pero si se hubiese actuado sobre la iluminación el resultado global podría mejorar. Para ver el resumen del resultado de la calificación energética realizada con Calener, ver: Anexo 2: Resultados de la primera calificación energética 73

82 74 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

83 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 6. Análisis de Resultados y Mejoras 6.1 Diferencias Bélgica - España Uno de los objetivos de este proyecto es desarrollar una instalación alternativa a la prevista en Bélgica adaptándola a la norma vigente en España, y por lo tanto un punto esencial a tratar es las diferencias encontradas entre estos dos países. La instalación de climatización diseñada en este proyecto es distinta a la prevista en Bélgica principalmente debido a que, sin un límite de presupuesto como es el caso del proyecto en Bélgica, se ha buscado desarrollar un sistema eficiente. No obstante, se encuentran diferencias significativas a la hora de realizar un proyecto de climatización en Bélgica o en España. La principal trata de la diferencia de necesidades térmicas debido al clima. Asimismo, se estudia la normativa aplicada en Bélgica ya que se aplican criterios dispares Diferencias Climáticas Mechelen tiene unas condiciones climáticas muy diferentes a las de Madrid debido a su situación geográfica. Estas diferencias climáticas crean unas necesidades térmicas distintas, y por lo tanto las cargas térmicas del edificio situado en Mechelen son distintas a las cargas térmicas calculadas en este proyecto. Este hecho condiciona la potencia de los fancoils a instalar para satisfacer las necesidades térmicas. Figura 27 Situación geográfica de Mechelen 75

84 Temperatura ( C) UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Como ya visto en Condiciones exteriores de cálculo, las condiciones climáticas forman parte de los datos de partida para el cálculo de cargas. A continuación se muestran las diferencias entre Mechelen y Madrid de algunos de los parámetros climáticos que condicionan el cálculo de cargas. Parámetros generales Madrid Mechelen Latitud 40.3º 51.03º Longitud 3.68º 4.47º Altitud 633 m 8m Temperatura seca verano Temperatura seca invierno Temperatura húmeda verano Humedad relativa verano 90% 91.20% Tabla 19 Comparación parámetros para el cálculo de cargas Madrid-Mechelen La diferencia climática más significativa es la temperatura. Como se muestra en la gráfica a continuación, la media de temperaturas es más alta en Madrid continuamente, habiendo una diferencia de entre 3 C en algunos meses de invierno hasta una diferencia de 8 C en el mes de Agosto. Esto supone una potencia de calefacción mayor en Mechelen, así como una potencia de refrigeración mayor en Madrid durante los meses de verano. Por ello, los fancoils previstos en el proyecto en Bélgica son de distinta potencia, tanto frigorífica como de calefacción, que los calculados en este proyecto. 30 Temperatura Media Mensual Mechelen Madrid Mes Figura 28 Gráfica de comparación de las temperaturas Madrid-Mechelen 76

85 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Diferencias en Normativa Aplicada La segunda diferencia principal entre los proyectos de Bélgica y España se encuentra en el sistema de ventilación. Los criterios de ventilación utilizados para el proyecto de Bélgica son distintos puesto que para los mismos locales establece unos caudales de aire de ventilación de distinto valor. La normativa aplicada en España para instalaciones de climatización está recogida en el RITE - Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios. Según la instrucción técnica IT Exigencia de calidad del aire interior, existen distintas cuatro categorías para el nivel de calidad del aire interior: IDA 1, IDA 2, IDA 3 e IDA 4. El RITE establece el nivel de calidad de aire que debe haber en cada local según el tipo de uso: IT Categorías de calidad del aire interior en función del uso de los edificios IDA 1 (aire de óptima calidad): hospitales, clínicas, laboratorios y guarderías. IDA 2 (aire de buena calidad): oficinas, residencias (locales comunes de hoteles y similares, residencias de ancianos y de estudiantes), salas de lectura, museos, salas de tribunales, aulas de enseñanza y asimilables y piscinas. IDA 3 (aire de calidad media): edificios comerciales, cines, teatros, salones de actos, habitaciones de hoteles y similares, restaurantes, cafeterías, bares, salas de fiestas, gimnasios, locales para el deporte (salvo piscinas) y salas de ordenadores. IDA 4 (aire de calidad baja) Por lo tanto, aplicando el RITE, en este proyecto se utiliza aire de buena calidad, IDA 2, por tratarse de un edificio de oficinas. De acuerdo al RITE, los edificios deben disponer de un sistema de ventilación para aportar suficiente aire exterior evitando la formación de elevadas concentraciones contaminantes. Cada nivel de calidad de aire implica una cantidad mínima de aire exterior de ventilación necesaria. Los valores medios del caudal de aire de renovación necesario según la calidad de aire establecida son los siguientes: Categoría m³/h por persona ppm (*) m³/(h m²) IDA No aplicable IDA IDA IDA (*) Concentración de (en partes por millón en volumen) por encima de la concentración en el aire exterior. Tabla 20 Clasificación calidad del aire interior 77

86 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Además del caudal de aire exterior por persona, se pueden utilizar los métodos de concentración máxima de o el caudal de aire por unidad de superficie, mostrados en la tabla. Se observa que para una calidad de aire IDA 2 el valor medio de caudal de aire exterior de ventilación es de 45 m³/h por persona. En el proyecto en Bélgica, por otra parte, los caudales de aire de ventilación previstos son de 30 m³/h por persona, concretamente en las salas de reuniones y oficinas, por lo que no corresponde con la calidad de aire interior establecida en este proyecto. Para el sistema de ventilación en Bélgica utilizan NBN EN (2007): Ventilación en edificios no residenciales. NBN es la organización nacional responsable de la creación y publicación de los estándares en Bélgica. NBN EN corresponde con UNE-EN en España, en la que también se encuentra la clasificación de los cuatro niveles de calidades de aire interior. La clasificación de IDA en UNE-EN es a su vez utilizada por el RITE para la asignación del nivel de calidad de aire según el tipo de local, como se ha visto en IT Se concluye que la clasificación de los cuatro niveles de calidad de aire interior IDA, y sus valores, están normalizadas a nivel Europeo en el estándar EN En este estándar se clasifican los niveles de calidad de aire interior, pero no se asigna uno a cada tipo de local. Por lo tanto, la diferencia se encuentra en que el RITE se utiliza para los proyectos de climatización en España para asignar a cada tipo de local un nivel de calidad de aire concreto, siendo en este caso necesaria una IDA 2 por tratarse de un edificio de oficinas, mientras que en el proyecto en Bélgica se ha previsto un caudal de ventilación de 30 m³/h, correspondiendo con una IDA 3en la norma Europea común, para disminuir costes. Establecer un caudal de aire de ventilación menor reduce la inversión ya que las UTA serán de menor capacidad, y por lo tanto de menor coste, así como los conductos de aire podrán ser de un tamaño menor. 6.2 Análisis de las Mejoras Mejoras Realizadas Existen dos ámbitos principales en los que se actúa para mejorarla eficiencia energética de un edificio. El primero es en la envolvente y se lleva a cabo en la fase de diseño del edificio. Las características de los elementos constructivos del edificio condicionan las cargas térmicas y por lo tanto las necesidades de demanda de energía del edificio. El segundo es la actuación sobre la instalación de climatización, que condiciona la eficiencia de la forma en la que se suple esa demanda de energía de calefacción y de refrigeración. - Actuaciones sobre la envolvente La reducción de la demanda de calefacción se realiza mediante la limitación de las pérdidas, principalmente introduciendo aislamientos correctos para reducir la transmisión a través de los cerramientos. Por otro lado, la reducción de la demanda de refrigeración se lleva a cabo limitando las ganancias del edificio. 78

87 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS El cambio principal de la envolvente respecto al diseño original en este caso se realiza limitando las ganancias de verano. Dado que es un edificio con gran parte de la fachada acristalada, es de alta importancia tener en cuenta las características de los vidrios. En este caso el edificio está instalado en Madrid, por lo que las ganancias de verano son muy elevadas, especialmente comparadas con las del diseño original en Bélgica. Además, se tiene que la fachada principal del edificio, en la que se encuentran la mayoría de las ventanas, tiene orientación sur. Por ello, para las ventanas se han seleccionado vidrios de control solar, que mediante un factor solar bajo reducen la ganancia solar y con ello la demanda de energía de calefacción. Asimismo, el vidrio de factor solar se ha combinado con un vidrio de baja emisividad térmica, reduciendo por lo tanto la demanda de energía de calefacción además de la de refrigeración. Las características del vidrio son las siguientes: - Transmitancia térmica, según UNE-EN 673 U = 2.5 W/m²K. - Factor solar, según UNE-EN 410 g = 23% - Transmisión luminosa, según UNE-EN 410: 17% Siendo el coeficiente de transmitancia térmica la capacidad de aislamiento térmico, con un valor de 2.5 W/m²K, inferior al valor de un vidrio estándar de 3.3 W/m²K. El factor solar representa la proporción de cantidad de calor que entra atraviesa el vidrio al interior, teniendo un valor en este caso de g = 23%, muy inferior al valor de un vidrio estándar de 77%. Figura 29 Ventanas de control solar y baja emisividad térmica Fuente: Grupo Unión Vidriera - Sistema a cuatro tubos El sistema de climatización propuesto es un sistema a cuatro tubos dado que es un sistema que aporta mucha mayor flexibilidad que el de dos tubos. La flexibilidad de tener siempre disponible tanto la calefacción como la refrigeración, así como la posibilidad de utilizar los dos 79

88 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) al mismo tiempo en distintos recintos, es condición necesaria en un edificio grande con tantos usos distintos. A pesar de ser un sistema más costoso que un sistema a dos tubos por requerir dos circuitos en vez de uno, y por lo tanto el doble de bombas y tuberías, permite prescindir del circuito previsto de radiadores. La falta de flexibilidad del sistema a dos tubos obligaba a tener que añadir un circuito de calefacción independiente, en locales donde se preveía una mayor necesidad de calefacción, empeorando la eficiencia global de la instalación. Se muestra un ejemplo de la instalación prevista en uno de locales con radiador: Figura 30 Local con instalación prevista fancoil a dos tubos y radiador Esta configuración se sustituye por un único fancoil a cuatro tubos, permitiendo así utilizar la calefacción cuando sea necesario a pesar de que en otros locales se pueda requerir refrigeración al mismo tiempo. Si además de tener un sistema aire-agua, se instala un circuito con radiadores, éste empeora la eficiencia energética de la instalación total, mientras que en un sistema a cuatro tubos no son necesarios. 80

89 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS Figura 31 Local con instalación propuesta fancoil a cuatro tubos - Aislamiento de los conductos de aire Dado que las unidades de tratamiento de aire se impulsan a una temperatura determinada, y aportando una parte de las necesidades térmicas del edificio, el aislamiento de los conductos permite mantener las condiciones de temperatura del aire de impulsión. Por ello, se ha actuado sobre los aislamientos de los conductos de impulsión de aire. Los previstos eran de chapa galvanizada recubiertos con aislamiento, y sin recubrir en los locales donde están visibles. En este proyecto se proponen conductos de impulsión de lana mineral ya que disponen de una mayor resistencia térmica, pudiendo obtener valores de conductividad térmica del orden de W/mK. - Recuperadores de calor El sistema de climatización propuesto incluye recuperadores de calor en las seis unidades de tratamiento de aire. De acuerdo al RITE se requiere la recuperación de la energía del aire expulsado en los sistemas en los que el caudal de aire expulsado al exterior sea superior a 1800 m³/h. La función de los recuperadores de calores aprovechar las propiedades térmicas del aire de extracción a la vez que se realiza la renovación de aire necesaria intercambiando los flujos de aire de extracción y de impulsión. Este mecanismo mejora la eficiencia energética del sistema gracias a la recuperación de calor o frío del edificio, conservando la energía utilizada previamente para climatizar. Un recuperador de calor consta de un intercambiador de calor por el que circulan a contracorriente el aire de extracción y el de impulsión, cediéndose el calor del aire más caliente al más frío. La eficiencia del recuperador de calor depende de las características del intercambiador de calor además de las condiciones de temperatura y humedad del aire 81

90 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) interior y exterior. La eficiencia será mayor cuando mayor diferencia haya de temperaturas entre el aire interior y exterior. El tipo más habitual es el recuperador con mezcla de aire. Al realizar la extracción del aire del interior del edificio, que está climatizado, y la sustitución por aire limpio impulsado del exterior, que está en condiciones ambiente, se mezclan estas dos corrientes de aire. Este tipo de recuperador de aire se instala en las unidades de tratamiento de aire que ventilan las zonas en las que existe la posibilidad, dadas las condiciones de estos locales, de reutilizar parte del aire de extracción para volver a impulsarlo. Figura 32 Recuperador de calor Fuente: Airtecnics Asimismo, hay recuperadores de aire sin mezcla. Dado que en la cocina, los vestuarios y los laboratorios no se puede recircular el aire de extracción, dadas las características del aire interior de estos locales, los recuperadores de calor en estas unidades no mezclan las dos corrientes de aire. En este caso el recuperador de calor consta de un intercambiador de calor por el que circulan por un lado el aire de extracción y por el otro el de impulsión, cediéndose el calor del aire más caliente al más frío a través de las placas que forman la separación de corrientes en el intercambiador Bombas con variador de frecuencia Se propone la utilización de bombas con variador de frecuencia. En un sistema de climatización agua-aire, las bombas efectúan la circulación del agua en los circuitos de refrigeración y calefacción, necesitando consumir energía eléctrica para ello. Las bombas con variador de frecuencia ajustan su punto de trabajo a las condiciones reales de funcionamiento mediante la variación de velocidad de giro del motor. Las condiciones de la instalación

91 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS cambian a menudo, y mediante este sistema las bombas se adaptan a los cambios, reduciendo y aumentando la velocidad cuando la instalación lo requiera. Supone un aumento de la eficiencia energética ya que dadas unas condiciones en las que no se requiera que la bomba trabaje a plena carga, con el variador de frecuencia la bomba reduce su velocidad y su consumo será menor. Concretamente, una reducción de la velocidad a la mitad supone una reducción de la potencia a la octava parte. - Caldera de biomasa La instalación propuesta contiene calderas de biomasa en lugar de calderas de gas. La principal diferencia consiste en que utiliza una fuente de energía renovable y por lo tanto contribuye al desarrollo sostenible. La biomasa es la materia orgánica, de origen vegetal o animal y los materiales que proceden de su transformación natural o artificial. Incluye, específicamente, los residuos provenientes de la agricultura o subproductos de la industria de la transformación de la madera. El combustible de la caldera de biomasa seleccionada es de pellets. Los pellets son procesados de la madera mediante el prensado de serrín, y normalmente es combustible reaprovechado procedente de residuos. Es un tipo de biomasa muy condensada y uniforme, y por lo tanto más eficiente que otros tipos y de buena calidad. Asimismo, una caldera de biomasa contamina en menor medida al medio ambiente que una caldera de gas convencional. El balance neto de emisiones de de las calderas de biomasa resulta nulo puesto que se considera que la cantidad de emisión de durante su combustión ha sido previamente absorbida por la planta durante su vida. Además, supone un coste mucho menor que emplear combustible gas. Debido a la evolución que ha tenido este tipo de calderas en los últimos años, la producción de calor de las calderas de pellets es tan eficiente como el de las caldereras de condensación. Si a esto se le añade el menor impacto ambiental de las emisiones y el hecho de que utilice una fuente de energía renovable, es la mejor opción para equipo de generación de calor en una instalación de climatización Mejora de la calificación energética En busca de optimizar la instalación propuesta en el Capítulo 4, se propone la utilización de chillers con un coeficiente de eficacia frigorífica EER superior. Los chillers de la instalación prevista en Bélgica tienen un valor de EER de 2.88, siendo un equipo de clase C de eficiencia energética. En la primera versión de la propuesta se han mantenido los chillers del mismo EER por ya ser de un nivel de eficiencia relativamente bueno y para poder apreciar la comparación de la calificación energética realizada, con una nueva calificación al optimizar al máximo la eficiencia de la generación de refrigeración. El objetivo es utilización de chillers de clase A de eficiencia energética. Se selecciona un chiller del modelo WHB SE ST de la marca McQuay, refrigerado por agua. Se escogen las dos unidades 83

92 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) a instalar de capacidad frigorífica de 310 kw, ya que la siguiente capacidad frigorífica menor proporcionada por el fabricante es de 285 kw y es demasiado justo para asegurar la generación de la potencia frigorífica necesaria de kw calculada. El consumo de energía eléctrica es de 77 kw, y por lo tanto tiene un EER = Como se ve en la tabla 15 de clasificación de clases de eficiencia frigorífica en el capítulo 3, un valor de 4.03 se trata de una eficiencia muy alta, mayor al valor de 3.20 a partir del cual se considera clase A. Con un rendimiento de la generación de refrigeración de la clase A, y manteniendo lo demás constante, se realiza un segundo cálculo de la calificación energética en Calener, obteniendo los siguientes resultados: Figura 33 Resultado de la segunda calificación energética Al mejorar el valor de las emisiones de de refrigeración, la calificación global mejora de un valor de 93.3 a 91.4 del indicador kg, aproximándose más a la certificación de clase B. Se realiza una comparación entre los resultados de refrigeración de las dos calificaciones energéticas realizadas, siendo Calener 1 el realizado en el capítulo 4 y Calener 2 el realizado en este apartado: Comparación Refrigeración Clase kwh/m² kwh/año Emisiones Calener 1 B refrigeración Calener 2 A Tabla 21 Comparación entre la refrigeración de las dos calificaciones energéticas 84

93 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS La clase de las emisiones de de refrigeración aumenta de la clase B a la clase A, ya que se han reducido las emisiones de 5,3 kg /m² a 3,4 kg /m². Por lo tanto, se mejora la certificación energética global del edificio. Además de mejorar las emisiones de globales del edificio, se observa la mejora de los resultados de consumo de energía final y consumo de energía primaria al cambiar la eficiencia de generación de frío: Comparación consumo energía Por metro cuadrado Anual Calener 1 Calener 2 Calener 1 Calener 2 Consumo energía final (kwh) Consumo energía primaria (kwh) Emisiones (kg Tabla 22 Comparación de los consumos de energía y emisiones Para ver el resumen del resultado de esta calificación energética realizada con Calener, ver: Anexo 3: Resultados de la segunda Calificación Energética 85

94 86 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

95 MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA CLIMATIZACIÓN DE UN EDIFICIO DE OFICINAS 7. Posibles Mejoras Adicionales En este capítulo se exponen algunas de las técnicas adicionales de ahorro energético en instalaciones de climatización y se evalúan su incorporación en la propuesta de la instalación de climatización. 7.1 Aprovechamiento de la energía solar El aprovechamiento de la energía solar se basa en acoplar mecanismos de apoyo en la aportación de calor. Se añade una instalación de energía solar en el sistema de generación de calor de la calefacción del edificio, mejorando la eficiencia energética del sistema global. Se trata la utilización de una forma de energía renovable mediante el aprovechamiento de la energía de radiación solar incidente sobre captadores, que a su vez calientan un fluido que circula por su interior. A través de un intercambiador de calor, la energía térmica de este fluido se transmite al agua que se almacena en un depósito acumulador. Esquema de un captador solar utilizado para agua caliente sanitaria: Figura 34 Esquema captadores solares Fuente: IDAE Normalmente, la temperatura que se alcanza con este sistema es de 60ºC, y suele aportar un ahorro energético aproximado del 15% comparado con sistemas de radiadores. Se encuentran en el mercado captadores que alcanzan las temperaturas de quemadores convencionales, aunque de mayor coste económico, y pueden aportar hasta el 70% de la energía necesaria para la calefacción aunque actualmente sólo se aplica como sistema auxiliar de producción de calor, dado que es la forma más rentable de usarla. La inversión en la instalación de energía solar se compensa con el ahorro de combustible. 87