Edificio de energía cero: definiciones e interacción con las redes energéticas

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1 Edificio de energía cero: definiciones e interacción con las redes energéticas J. Salom 1, E. Cubí 1 y I. Sartori 2 1 IREC Institut de Recerca en Energia de Catalunya, Barcelona, España 2 SINTEF Building and Infrastructure, Oslo, Noruega Correspondencia: Institut de Recerca en Energia de Catalunya, IREC Jardins de les Dones de Negre 1, 08930, Sant Adrià de Besòs, (Barcelona), España jsalom@irec.cat Resumen: La comunicación que presenta los principales resultados derivados de la tarea colaborativa internacional Towards Net Zero Solar Energy Buildings de la Agencia Internacional de la Energía en la que los autores principales participan como únicos representantes españoles. En el marco de este proyecto internacional se ha elaborado un marco armonizado y consistente a nivel internacional para la elaboración de las definiciones de edificios de energía cero conectados a las redes energéticas (Net ZEB). La comunicación resume las principales características de este marco definitorio, los principios básicos del balance energético y los resultados de aplicar varias métricas e hipótesis en un caso de referencia de edificio de bajo consumo energético. Área temática: Planes, Políticas, Medidas, Financiación y Requisitos para EECN Palabras clave: definición, redes energéticas, balance energético, sistema de ponderación 1. INTRODUCCIÓN Conceptualmente, un edificio de balance energético cero (Net ZEB, Net Zero Energy Building en inglés) es un edificio con un alto nivel de eficiencia energética, donde la ya reducida cantidad de energía requerida debería proceder de fuentes renovables, de manera que su balance energético sea cero. Cabe destacar que el concepto de Net ZEB es más general que el de los edificios autosuficientes y aislados que son capaces de generar toda la energía que consumen. Se entiende que los Net ZEB están conectados a las redes de suministro energético (red eléctrica o de gas, redes de distrito de calefacción y o refrigeración, etc.) de las que "importan" (compran) energía y a las que podrían "exportar" toda o parte de la energía que genera el edificio. Esta definición conceptual es ampliamente aceptada, pero es demasiado genérica para ser útil en la aplicación práctica y, hasta ahora, ha sido interpretada de manera muy diferente en función de los lugares. Los detalles de la definición de Net ZEB o edificios de consumo de energía casi nula se traducirán en requerimientos normativos para los edificios del futuro y para renovar los actuales. Estos requerimientos influirán no sólo en las soluciones técnicas propias de los edificios, sino también en los sistemas de generación de energía renovable a utilizar y en las redes energéticas en las que los edificios estén conectados. 1

2 La definición de Net ZEB se debería elaborar desde un punto de vista global para asegurar que los edificios de balance energético cero contribuyan al objetivo general de reducción de consumos energéticos y de emisiones de CO 2 con el mínimo coste económico y ambiental. Los resultados que se presentan aquí son parcialmente fruto del trabajo realizado en este ámbito en el marco de la IEA Task40 / Annex 52(2008). 2. TERMINOLOGÍA Y BALANCE El esquema de la Figura 1 muestra la terminología más relevante en relación al uso de energía en los edificios y a la interacción de los mismos con las redes energéticas. renovables en el sitio demanda generación energía suministrada energía exportada redes energéticas electricidad redes de distrito gas natural biomasa otroscombustibles límites del sistema de edificio/s Sistema de ponderación [kwh, CO 2, etc.] demanda ponderada generación ponderada balance Net ZEB Figura 1. Esquema de la interacción de los edificios y las redes energéticas mostrando la terminología relevante. La condición que debe satisfacer un edificio de energía cero es que la generación de origen renovable de energía ponderada exceda la demanda ponderada en un período de tiempo determinado, normalmente un año. El criterio de ponderación depende de la métrica usada en la definición, como se expone en el apartado 3. El balance de energía puede determinarse bien realizando un balance de entre la energía suministrada y exportada o bien realizado un balance entre la demanda energética y la generación. La primera puede llamarse un balance de importación /exportación y el segundo un balance de demanda/generación. Según la definición, el balance de Net ZEB puede calcularse con la ecuación: Balance Net ZEB: generación ponderada demanda ponderada 0 El balance de un Net ZEB se puede representar gráficamente como en la figura 2, poniendo la demanda ponderada en el eje x y la generación ponderada en el eje y. 2

3 Figura 2. Representación gráfica del concepto de balance energético en un edificio de consumo de energía nulo conectado a las redes energéticas, Net ZEB. El edificio de referencia puede representar el comportamiento de un edificio según los requerimientos de los códigos nacionales o la situación de un edificio existente previa a su rehabilitación. Partiendo de esta situación, el camino hacia Net ZEB se representa en el balance con dos acciones 1. La reducción de la demanda energética (eje x) mediante medidas de eficiencia energética 2. La generación de energía (térmica o eléctrica) mediante fuentes energéticas que permitan obtener suficientes créditos (eje y) para equilibrar el balance 3. MARCO PARA LA DEFINICIÓN DE Net ZEB El balance que se expresa en la ecuación es el concepto clave de la definición de Net ZEB. En el momento de traducir esta estrategia conceptual en una definición concreta y unos requerimientos normativos aparecen toda una serie de aspectos prácticos que es preciso definir de forma explícita. SARTORI, I. et al. (2012) exponen de forma extensa una lista de cinco criterios y sub-criterios, para la definición sistemática de Net ZEB: 1. Delimitación del sistema edificio Límites físicos, que pueden ser un único edificio o un grupo de edificios que en su conjunto cumplen con la definición, pero que no tienen porque cumplir de forma individual Límites en el balance, referente a los usos energéticos que se incluyen en el balance. En la etapa de uso del edificio los usos típicos son calefacción, refrigeración, ventilación, ACS, iluminación y otros consumos (equipos, electrodomésticos, etc.). También podrían considerarse otros consumos tal como la recarga de vehículos eléctricos o considerar el consumo energético en el ciclo de vida del edificio incluyendo en el balance la energía embebida en los materiales de construcción y las instalaciones Condiciones de contorno, entendidas como aquellas condiciones que influyen en el rendimiento energético del edificio (tipología e intensidad del uso, condiciones de 3

4 confort requeridas, clima) y que deben explicitarse para poder comparar de forma coherente diferentes edificios o el comportamiento diseñado con el comportamiento real de un mismo edificio. 2. Sistema de ponderación Métrica. El balance energético puede realizarse en base a distintas métricas, incluyendo energía final, energía primaria, y emisiones de CO2. Como los factores de conversión de las métricas son distintos según la fuente energética, la métrica escogida puede tener una gran influencia en las condiciones de diseño del edificio y sus sistemas renovables Simetría. Los diferentes vectores energéticos pueden ponderarse simétricamente, utilizando los mismos factores de ponderación para tanto la energía exportada como la importada, o asimétricamente, utilizando factores diferentes Dependencia temporal. Debido a la complejidad asociada a las redes energéticas es habitual considerar factores de conversión medios para cierto período de tiempo. Otras posibilidades serían considerar una variación en el tiempo de estos factores asociados a los cambios en las infraestructuras energéticas (por ejemplo, cambios en el mix de generación eléctrica) o variaciones horarias de los factores de conversión. 3. Balance energético Período temporal del balance, refiriéndose al período de tiempo considerado en el cálculo del balance, que comúnmente se acepta que sea un año Tipo de balance, refiriéndose a que flujos energéticos se utilizan para realizar el balance. Para ello, puede influir si el balance se realiza en fase de diseño o con datos reales monitorizados de funcionamiento del edificio Eficiencia energética, refiriéndose a los requisitos mínimos que todo Net ZEB debería cumplir, que pueden explicitarse tanto de forma prescriptiva como prestacional Generación renovable, refiriéndose a que forma y tipo de generación de energía renovable se considera en el balance energético y si existe una priorización o jerarquía en la consideración de las diferentes formas de energía renovable, incluyendo la compra de energía certificada verde. 4. Características temporales Acoplamiento de la demanda, refiriéndose al acoplamiento entre la generación de energía renovable en el sitio y la demanda energética y el nivel de autoconsumo Interacción con las redes energéticas, refiriéndose a la interacción del edificio con las redes energéticas en el proceso de exportación/importación de energía. En SALOM et al. (2011) se describen con detalle como caracterizar los edificios con indicadores LMGI (Load Match and Grid Interaction). 5. Medida y verificación. Se refiere a establecer protocolos de medida para verificar el funcionamiento real de un edificio y el ajuste a la categoría de edificio Net ZEB. 4. CASOS Y RESULTADOS En la presente sección se exponen los resultados de aplicar opciones diferentes en algunos de los criterios explicitados en el segundo apartado: límites en el balance y la métrica y su simetría en el sistema de ponderación. Los resultados se aplican sobre el caso de referencia del edificio CIRCE en Zaragoza, el cual se proyectó con el objetivo de ser un edificio de Cero Emisiones de Ciclo de Vida. Los datos utilizados en la presente comunicación y que se presentan de forma resumida en la Tabla I corresponden a datos de diseño en ZABALZA, I. (2011). En la tabla II, se describen de forma resumida las diferencias entre el caso de referencia y los casos de estudio 4

5 y la figura 3 muestra los resultados del balance energético utilizando dos métricas diferentes (energía primaria y emisiones de CO 2 ) para los diferentes casos de estudio. Tabla I. Demandas energéticas por usos y generación de energía renovable en el caso de referencia Demanda energética Electricidad (kw h, el / m 2 y) Gas Natural (kw h, ter / m 2 y) Calefacción ACS 0.04 Refrigeración 0.78 Iluminación Equipos auxiliares 6.14 Ventilación 4.64 Generación energía renovable Electricidad (kw h, el / m 2 y) Energia térmica (kw h, ter / m 2 y) Fotovoltaica 4.18 Energia eólica 7.73 Solar térmica 2.12 Tabla II. Casos de estudio: descripción y factores de conversión Descripción del caso Factores de conversión I Caso de referencia SARTORI et al., CALENER II Consumo de equipamiento: 20 kw h, el /m2 y SARTORI et al., CALENER III Factores de conversión: IDAE SARTORI et al., IDAE IV Escenario de futuro SARTORI et al., GRAABAK y FEILBERG 1.8 para EP; 525 gco 2, equiv /kw h el V Asimetria de factores Factores para EP: 2.4 (importada); 2.8 (exportada). Propuesta en Alemania VI Factores políticos, Suiza (EnDK 2009) SARTORI et al., Suiza VII Biomasa, pellets para calefacción SARTORI et al., CALENER VIII Biomasa, pellets para calefacción SARTORI et al., Suiza (sólo biomasa) IX Red de distrito calefacción. SARTORI et al., Dinamarca X Red de distrito calefacción y refrigeración Red de Districlima, Barcelona. No disponible el factor de conversión para emisiones 5

6 Energía Primaria (kw h, EP / m2 y) Emisiones (kg CO2, equiv. / m2 y) I II III IV V VI VII VIII IX X Figura 3. Balance energético para los casos de referencia en energía primaria y en emisiones de CO CONCLUSIONES Los resultados permiten observar la importante sensibilidad en el balance energético derivada de la utilización de diferentes factores de conversión, incluso para una misma fuente energética de hasta un 23%, respecto al caso de referencia. También se puede observar la importante influencia de incluir o no el consumo eléctrico derivado de equipamiento en el balance energético, prácticamente doblando el valor del balance en el ejemplo analizado. Por tanto, se puede concluir que la concreción en la definición de algunos de los criterios puede tener un efecto importante en el balance y en la toma de decisiones a nivel de diseño. 6. AGRADECIMIENTOS El trabajo presentado en este trabajo se ha desarrollado en gran medida en el contexto de la IEA, en el marco de la tarea conjunta de los programas Solar Heating and Cooling (SHC) Task40 and Energy Conservation in Buildings and Community Systems (ECBCS) Annex52: Towards Net Zero Energy Solar Buildings. Expresar el agradecimiento de los autores a Ignacio Zabala de CIRCE los datos de diseño utilizados en la presente comunicación. 7. REFERENCIAS IEA TASK 40/ANNEX 52 (2008), Towards Net Zero Energy Solar Buildings, IEA SHC Task 40 and ECBCS Annex 52, accessed 23/03/2012. GRAABAK, I. Y FEILBERG, N. (2011) CO2 emissions in different scenarios of electricity generation in Europe, SINTEF Energy Research, report TR A7058, Trondheim, Norway SALOM, J., WIDÉN, J., CANDANEDO, J., SARTORI, I., VOSS, K., MARSZAL A. (2011): Understanding Net Zero Energy Buildings: Evaluation of Load Matching and Grid Interaction Indicators, Proceedings of Building Simulation 2011 Conference, pp , Sydney SARTORI, I., NAPOLITANO, A., VOSS, K. (2012): Net zero energy buildings: A consistent definition framework, Energy & Buildings, ZABALZA, I. (2011), Datos de diseño del edificio CIRCE, Comunicación personal 6

7 Por la presente, y como autor del trabajo mencionado arriba, cedo a Grupo Tecma Red una licencia no-exclusiva irrevocable para imprimir, reproducir, distribuir, transmitir o comunicar de cualquier manera dicho trabajo, incluyendo el derecho de hacer modificaciones de formato. Además, afirmo que esta cesión no lesiona los derechos de terceros. 7