TECNOLOGIA SOLAR GEOTERMICA CON BARRERA TERMICA COMO AISLAMIENTO ACTIVO Página 1 de 11
En el sector de la edificación, las razones del derroche energético son básicamente tres: 1. Existen límites físicos reales a la eficiencia de algunas transformaciones termodinámicas. 2. Existen factores culturales importantes que inciden en el gasto energético. 3. Existen factores tecnológicos y de diseño, que hacen que nuestras construcciones sean ineficientes en energía. Esto último implica que la forma en que se desarrolla la arquitectura en general, adolece de un pensamiento energético integral relativo al uso eficiente de la energía y la sostenibilidad a largo plazo de los modos de construir y utilizar esas edificaciones. En el límite, es posible suponer que hay que practicar una arquitectura inteligente en energía, que haga buen uso de la oferta no convencional de los recursos existentes. Este tipo de construcción se denomina de energía Cero y básicamente se definen como aquellas construcciones que consumen muy poca energía, presentando un balance de energía global inferior a 15 kwh / m 2 año según definición del Instituto Fraunhofer alemán. Una construcción de consumo cero, es también un emisor cero de contaminantes, y su impacto en el medio es mínimo. La experiencia de miles de construcciones indica que no tiene por qué ser más cara que lo usual y su nivel de confort es superior al de una construcción convencional. La perspectiva de la presente propuesta se basa en cubrir el salto desde la gestión racional de la energía desde unos principios físicos fundamentales a su aplicación integrada dentro del proceso constructivo. Así se atiende a la energía solar térmica recibida durante el día en el edificio, su transporte y almacenamiento en el subsuelo y su dosificación hacia el interior de la vivienda según los criterios de confort establecidos. La importancia de la climatización basada en el intercambio térmico con el subsuelo esta cobrando una especial importancia en los últimos años de forma que las características del terreno apuntan a nuevos criterios de diseño y crecimiento urbano en el inmediato futuro [Parriaux, 2004] junto a los métodos de extracción de calor en cada caso [Rybach 1978]. Página 2 de 11
El empleo de la corteza terrestre como almacén de la energía captada en el exterior es un procedimiento de enorme capacidad, coste muy bajo y elevada eficiencia como demuestran los numerosos trabajos publicados al efecto tanto para calefacción como para refrigeración [Öztürk, 2004][Rosen,1999], [Yumrutas,2005]. Este intercambio de energía puede realizarse mediante un fluido, usualmente el agua que, por su densidad y calor especifico, es capaz de mayor capacidad de transporte o por el aire que se incorpora directamente a la ventilación del interior [Pfafferott, 2003]. La utilización de la cubierta del edificio como superficie capaz de captura de la energía solar tiene así mismo una larga trayectoria. Por ello se lleva a cabo en la presente propuesta un esquema integrado de construcción y gestión de energía que contribuya a la reducción de costes de edificación en unión de los elementos de gestión térmica en los elementos constructivos para lograr una drástica disminución del consumo de energía en el uso posterior de la construcción. La propuesta consiste básicamente en la integración de la gestión de energía dentro de los elementos constructivos capaces de captar la energía solar en la cubierta, almacenarla en el subsuelo y transportarla a una barrera térmica que actúa como aislamiento activo, dosificando su incorporación al interior de la vivienda para maximizar el confort con el menor consumo de energía. Página 3 de 11
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA SOLAR - GEOTERMICO En cuanto a su funcionamiento hay que comentar los siguientes puntos: Absorbedor solar del tejado: Mediante las tuberías de absorción hechas de tubos de PP y situadas debajo de la cubierta, se utiliza la totalidad de la energía de radiación solar, complementando con paneles solares térmicos. El terreno a dos metros de profundidad tiene una temperatura constante entre 12 y 16º C. Necesitamos crear un depósito de almacenamiento que tenga una temperatura superior a 18º C para calentar y otro con una temperatura inferior a 12 º C para enfriar ya que queremos utilizarlo para crear una barrera térmica en fachadas y cubierta, Página 4 de 11
para ello los circuitos del tejado convergen a través de un colector que está conectado por el avance y el retorno con el distribuidor de los circuitos del acumulador de materia sólida tanto para almacenar calor o frío. Tan pronto como la temperatura del absorbedor sobrepase en 2 grados Kelvin la temperatura del acumulador situado más al exterior se activará una bomba de circulación que impulsará el agua al terreno para realizar una transmisión térmica. Por la alimentación según áreas de temperatura establecidas, ( + 35 º C, 25/34 º C,18 /24 º C )y a través de los distribuidores de válvula termostática que dirigen de forma selectiva, se garantiza que incluso el poco calor del sol del invierno, o la ganancia adicional de energía solar de las superficies del tejado que no estén orientadas exclusivamente hacia el sur se aprovechen en el depósito de acumulación. Según las temperaturas del agua que se consigan en el absorbedor del tejado, se abren o se cierran las válvulas termostáticas y de manera selectiva se alimentan los respectivos circuitos de alimentación. La placa de base de la cimentación de hormigón armado y el terreno debajo acumulan el calor solar o el frío con el cual han sido alimentados. Se dispone de agua caliente sanitaria desde los paneles solares cuando hay sol y desde la bomba geotérmica cuando no hay sol. Ganancia geotérmica.- La construcción como elemento de recogida de calor geotérmico cuyo transporte se realiza mediante un pequeño sistema de bombeo en distintos circuitos que adquieren energía de la cubierta, la difunden en el suelo para su almacenamiento, la distribuyen sobre los muros estableciendo una barrera térmica entre la vivienda y el entorno. Durante los primeros meses se alimenta la barrera térmica desde los paneles solares cuando hay sol y desde la bomba geotérmica cuando no hay sol. En el momento en que se ha conseguido que los depósitos de almacenamiento tengan la temperatura deseada se alimenta la barrera térmica por free cooling,con el pequeño consumo energético de la bomba que impulsa el agua. Un segundo sistema utilizado para ventilación acondiciona el aire de entrada a la vivienda a la temperatura idónea haciendo pasar el aire exterior por los tubos coaxiales enterrados en la Página 5 de 11
zona de calor o frío,según la época del año y recuperando mediante tubos de acero concéntricos el calor residual del aire interior expulsado en su renovación con una eficacia superior al 90%. Otra opción es instalar una unidad de tratamiento de aire. La geotermia natural existente es recogida por la construcción plenamente aislada, de manera que, incluso con alimentación cero de energía solar en las áreas de acumulación del núcleo, se producen temperaturas de + 19 º C y más (dependiendo del tamaño de la construcción, de la calidad del suelo, etc.). Hasta que no existe esta geotermia natural se hace uso de la bomba geotérmica. Es preciso hacer constar que la temperatura de la superficie terrestre es una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente, que no precisa transporte, a prueba de crisis y precios de mercado, económica y casi infinita, cuyo uso puede ser de inapreciable valor en climas como el de España donde el equilibrio térmico estacional exige un aporte neto casi nulo. A través del sistema de climatización y compensación de las paredes exteriores se utiliza esta geotermia para la compensación de pérdidas de calor de transmisión a través de la pared exterior creando una barrera térmica que permite conseguir una temperatura constante con muy bajo coste energético. Para ello las fachadas se construyen con un panel sándwich poliestireno/mortero/poliestireno. Dentro del mortero se aloja un mallazo de hierro que lleva atado serpenteando un tubo de polipropileno por el que circulará agua para crear la barrera térmica a la temperatura deseada según la época del año. Adicionalmente podrá aumentarse el efecto de elemento de recogida de la construcción, si se prevé un faldón de aislamiento alrededor de la solera y la tierra debajo, hasta una profundidad de 2 metros. Lo que no encarece la obra al tener previstas dos plantas debajo de la cota cero. Página 6 de 11
FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DEL ACUMULADOR TÉRMICO DEL SUBSUELO Este sistema de regulación de temperatura de las paredes cumple con las tareas siguientes: A. La climatización en los meses de verano mediante la evacuación de energía solar excedente. B. La compensación de pérdidas de calor de transmisión durante los meses de invierno mediante una regulación de la temperatura con energía solar acumulada y geotermia así como la formación de una barrera de temperatura. Página 7 de 11
C. Evitar problemas de punto de rocío y mantener seco y proteger contra la condensación las zonas de humedad ascendente o las zonas de partes constructivas que estén en contacto con la tierra. En edificios con un aislamiento óptimo, donde la ganancia adicional de energía interior juega un papel decisivo, el sistema de barrera térmica se transforma en un sistema de climatización de muy bajo consumo energético. Página 8 de 11
La reducción de la pérdida de calor por transmisión aumenta la sensación de confort y crea un clima ambiental sano. La temperatura de superficie de la pared interior es idéntica a la temperatura del aire en la habitación o se sitúa unos grados por encima o por debajo según la temperatura deseada. En verano se refrigeran las paredes, transportando el exceso de calor de los muros al circuito periférico alrededor del acumulador de materia maciza. En invierno se lleva calor procedente del acumulador de materia maciza a las paredes exteriores alimentándoles prioritariamente de los acumuladores centrales y periféricos (BARRERA DE TEMPERATURA) Así pues EL SISTEMA ESTÁ BASADO en: 1. Paredes construidas con poliestireno y hormigón armado, de acuerdo a los datos que aporte al proyecto el calculista de estructuras, con un aislamiento perfecto y que llevan incluidas todas las instalaciones de tuberías integradas en las paredes (barrera térmica, cables eléctricos, agua y saneamiento. 2. Energía solar disponible que se puede obtener mediante el absorbedor del tejado. Energía acumulable que se utiliza en el acumulador de materia sólida para la calefacción o para la compensación de pérdidas de calor de transmisión de las paredes exteriores. Es muy importante el aprovechamiento de la energía geotérmica de la corteza terrestre. 3. Hay muchas experiencias sobre la utilización de la geotermia con bomba geotérmica cuando es necesaria y de la acumulación a largo plazo de la energía solar o del frío.. 4. Las ganancias adicionales de energía interior que se producen durante el funcionamiento de aparatos eléctricos así como por la emisión de calor de los usuarios. Está prevista la eliminación del exceso de calor producido. 5. Creación de una barrera térmica en las fachadas. 6. Tubo de aspiración dirigido por termostato situado en el exterior para la ventilación invierno / verano por canal subterráneo, equipado con filtros y, en caso de necesidad, con tamiz antipolen, dirigirá la corriente del aire entrante a través de dos circuitos recuperadores de calor ( instalación de contracorriente), o instalación de unidad de tratamiento de aire. Página 9 de 11
7. El perfecto funcionamiento del edificio está regulado por un sistema de control que mueve el agua desde la zona de captación en cubierta o desde la producción generada por la bomba geotérmica cuando no hay sol a la barrera térmica o al depósito de almacenamiento y desde el momento que el depósito de almacenamiento alcanza la temperatura requerida,desde el depósito de almacenamiento a la barrera térmica. Todo el calor producido en la cubierta que no se utiliza para agua caliente sanitaria se almacena en el depósito de almacenamiento. La interacción de estos elementos en un sistema de construcción y de energía hace posible una construcción económica, favorecedora del medio ambiente y favorable en energía primaria. Es decisivo en el coste de un edificio y de sus instalaciones, los costes de energía primaria, así como los gastos corrientes de energía. Desde nuestro punto de vista existe aquí el punto de partida más importante, no debe considerarse gasto adicional por la obra gris ni por las instalaciones sino una bajada de los costes de explotación y de mantenimiento con un máximo ahorro de energía simultáneo mediante la utilización de energías del medio ambiente y construcciones con aislamiento óptimo ya que hay que diferenciar entre gasto e inversión, considerando gasto lo que no se amortiza e inversión la cantidad gastada en una mejor construcción o climatización que se amortiza en un breve plazo de tiempo y a partir de que se amortiza los costes de explotación y mantenimiento se reducen casi a cero en comparación con una construcción y climatización convencionales. Hay que considerar que el coste de la energía irá aumentando cada año. Esta construcción, al no consumir energía,no contamina. En la actualidad se utiliza una elevada proporción de todas las materias primas energéticas (petróleo, gas y carbón) quemadas exclusivamente para calefacción y climatización, un lujo, si tenemos en cuenta que ya existen a nuestra disposición una serie de alternativas útiles, como la que proponemos,desde el punto de vista de la política medioambiental. Página 10 de 11
ANALISIS CONSUMO EXPLOTACION Desde el punto de vista económico es muy importante estudiar el consumo de explotación del edificio que proponemos. Sevilla es zona climática B-4 El valor U (w /m2k) para cumplir CTE es : Fachadas Cubiertas Superficies en contacto con superficies calefactadas 0,82 0,45 0,82 Según IDAE en el documento Estrategia de Ahorro y Eficiencia energética en España 2004-2012 Consumo energía final ( kwh/m2/año ) en Edificio Oficinas Calefacción Refrigeración Ventilación+Bombas Total térmico 28,9 94,8 33,2 156,9 Considerando acondicionados 7720 m2 de los 9.000 m2 de superficie útil, que supone acondicionar el 85,77 % de la superficie útil En nuestra propuesta el valor U global es 0,24 W/m2K El consumo energético es menor de 15 kwh / m2 / año Se acondiciona el 100% de la superficie útil Tenemos una superficie construida de 25.790,97 m2 Consumo considerando datos IDAE ( siempre se consume más de la media) 25.790,97 m2 x 156,9 kwh/m2 x 0,14726 / kwh = 595.902,77 Año 1 Considerando el mismo consumo y un incremento en el coste de la energía del 3% anual El año 10 habría un gasto de 824.868,74 / año Con nuestra tecnología el consumo máximo será : 25.790,97 m2 x 15 kwh/m2/año x 0,14726 / kwh = 56.969,67 Año 1 Lo que supone un ahorro superior a 500.000 el año 1 y 700.000 el año 10 Página 11 de 11