ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE VIABILIDAD DE LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN SOLAR A UN EDIFICIO DE USO RESIDENCIAL Y A UN CENTRO MULTIUSOS EN MURCIA Autor: Sáez Ródenas, Elena Director: Montilla Cobo, Rafael T. Entidad Colaboradores: ICAI- Universidad Pontificia Comillas RESUMEN PROYECTO En el presente proyecto fin de carrera se ha analizado desde un punto de vista técnico y también económico la viabilidad de instalar un sistema combinado de máquina de absorción y energía solar para la producción de frío en los meses estivales en una vivienda unifamiliar y en un centro multiusos, ambos situados en la Región de Murcia, haciendo una comparativa de los resultados obtenidos en ambos casos. Se propone también la utilización de la instalación solar térmica para la climatización de los edificios durante los meses de invierno mediante un sistema de suelo radiante y para la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) durante todo el año. La vivienda unifamiliar consta de tres plantas con cubierta plana invertida, y el centro multiusos se distribuye en dos plantas con cubierta plana invertida y un patio interior. En primer lugar se han calculado las necesidades térmicas de refrigeración y calefacción de los dos edificios, para la selección de los componentes de las instalaciones según estas necesidades. La instalación de refrigeración solar está compuesta por unos captadores de energía solar térmica, concretamente del tipo tubo de vacío por la mayor temperatura que son capaces de proporcionar al agua que suministran a una máquina de absorción para producir agua fría mediante una combinación de procesos internos de condensación, evaporación y absorción que finalmente proporciona el efecto refrigerativo buscado. En el caso de que los captadores no calienten lo suficiente el agua destinada a alimentar la máquina de absorción, se dispone de una caldera de biomasa de apoyo conectada en serie para proporcionar el calor restante. Para el resto de usos, la
caldera proporciona el salto de temperatura adecuado para el sistema de ACS y para la calefacción por suelo radiante en caso de no ser suficiente con el generado en el sistema de captación solar. Además el sistema de apoyo también fomenta la reducción de emisiones por tratarse, como se ha comentado anteriormente, de una caldera de biomasa. El agua fría producida por la máquina de absorción será la que se utilice para la climatización de los edificios mediante fancoils. Además de los elementos mencionados anteriormente, la instalación debe disponer de una torre de refrigeración para disipar el calor excedente del condensador y del absorbedor de la máquina de absorción. Con el fin de saber cuáles son los beneficios reales de una instalación de refrigeración solar, se ha realizado un estudio comparativo de las instalaciones solares proyectadas con instalaciones de climatización convencional por compresión reversible, dimensionadas de acuerdo a las necesidades energéticas de los dos edificios objeto de este proyecto. Tras un análisis económico, en el que se ha considerado el sobrecoste inicial de la instalación de energía solar térmica, pero también el ahorro energético continuo que ésta proporciona, se ha llegado a la conclusión de que la refrigeración solar por sí sola en las condiciones actuales no resulta amortizable en un número razonable de años o durante la vida útil de la misma debido a la elevada inversión inicial que supone 262.500 en el caso de la vivienda unifamiliar y de 675.959 en el caso del centro multiusos. Además se han tenido en cuenta las subvenciones que proporciona la Región de Murcia para todo tipo de instalaciones que incorporen el uso de las energías renovables, lo que reduce el coste de la inversión inicial en un 20% en el caso de la vivienda unifamiliar y en un 14% en el del centro multiusos. No obstante, en el análisis se han definido tres escenarios: neutro, optimista y pesimista en los que evaluar la conveniencia de este tipo de instalaciones en función de la evolución de las principales variables que influyen en el proceso. Así pues, las condiciones establecidas para cada escenario han sido:
Escenario neutro: incremento del precio de la biomasa de acuerdo al IPC (2,5%); evolución del coste de la electricidad similar a la de los últimos años (3,5%). Escenario pesimista: incremento del precio de la biomasa superior: 4,5% y variación del precio de la electricidad inferior a la considerada en el escenario neutro (2,5%). Escenario optimista: evolución del precio de la biomasa de acuerdo al IPC y gran aumento del coste de la electricidad debido fundamentalmente al continuo cierre de las centrales nucleares y al déficit tarifario actual (12,24%) Así pues, los resultados obtenidos para la instalación en la vivienda unifamiliar, muestran tanto para el escenario neutro como para el pesimista un VAN negativo a lo largo de los 25 años del estudio, sin embargo en el escenario optimista la instalación empieza a amortizarse a partir del año 18. Para el caso del centro multiusos sucede lo mismo, se obtiene un VAN negativo tanto para el escenario neutro como para el pesimista, pero en el caso del escenario optimista, la instalación se empieza a amortizar más tarde que en la vivienda, a partir del año 21, ya que se trata de una mayor inversión. Por lo tanto para ambos edificios, en los escenarios neutro y pesimista, la instalación no es viable. Esto es debido al alto coste de la instalación, sobre todo en lo que respecta a sistema de captación de la energía. Lo más adecuado, sería que la instalación se amortizase en los 10 primeros años, ya que normalmente las instalaciones de este tipo pueden llegar a dar problemas a la hora del mantenimiento a partir de los primeros 20 años de funcionamiento. Adicionalmente, se ha considerado la opción de sustituir el sistema de apoyo por biomasa por una conexión a una instalación de district heating para reducir costes. Desgraciadamente, además de la escasez y falta de promoción de este tipo de instalaciones en España, se ha calculado que el coste de la energía térmica obtenida con una caldera de biomasa sería inferior al del correspondiente al sistema de calefacción de distrito. Aunque esta instalación no resulte viable económicamente por sí sola hoy en día, se ha optado por analizarlo en este proyecto porque supone una innovación tecnológica y fomenta el uso de las energías renovables, lo que se traduce en una reducción de las emisiones contaminantes.
TECHNICAL AND FINANCIAL FEASIBILITY CASE STUDY/ANALYSIS OF SOLAR COOLING SYSTEMS APPLICATION TO A RESIDENTIAL BUILDING AND A MULTIPURPOSE CENTER IN MURCIA Author: Sáez Ródenas, Elena Director: Montilla Cobo, Rafael T. Assisting entity: ICAI- Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT This senior capstone project analyzes from a technical and financial perspective the feasibility of installing a system combining an absorption machine and a solar energy plant for refrigerating purposes during the summer months in a single-family residential dwelling and in a multipurpose building, both located in the Region of Murcia, comparing the results obtained in both cases. It also proposes the use of the solar thermal system to heat the buildings during the winter months through radiant floors and to produce Domestic Hot Water (DHW) throughout the year. The single-family residence has three floors with flat roof and the layout of the multipurpose building has two floors with flat roof and a courtyard. First, we have calculated the cooling and heating requirements of both buildings in order to select the system components according to such needs. The solar cooling system is comprised of solar thermal collectors, more specifically of vacuum tube type since they allow higher temperatures in the water delivered to an absorption machine in order to produce cold water through a combination of internal processes of condensation, evaporation, and absorption finally leading to the desired cooling effect. If the collectors do not warm up the water used to feed the absorption machine enough, there is a backup biomass boiler available with a series connection to provide the remaining heat. Additionally, the boiler provides the appropriate thermal rise for the DHW system and the radiant floor heating in case the rise generated by the solar collection system is insufficient. The backup system also reduces emissions since, as mentioned
earlier, it is a biomass boiler. Cold water produced by the absorption machine will be used for temperature control in the buildings through fan coils. Besides the previously mentioned elements, the system must have a cooling tower to dissipate the excess heat from the absorption machine s condenser and absorber. In order to determine the real benefits of a solar cooling system, I have conducted a comparative study of the planned solar system against conventional temperature control systems using reversible compression, sized according to the energy demands of both buildings in this project. After an economic analysis, which has taken into account the initial extra costs of the solar thermal energy system but also the continuous energy savings provided, I have concluded that solar cooling on its own, under the current conditions, does not pay for itself within a reasonable number of years or throughout its working life due to the costly initial investment of 262,500 for the single-family dwelling and 675,959 for the multipurpose building. I have also taken into account the subsidies that the Region of Murcia provides for systems incorporating the use of renewable energies, which decreases the initial investment by 20% for the single-family dwelling and by 14% for the multipurpose center. Nonetheless, this analysis has defined three scenarios: neutral, optimistic, and pessimistic, to help evaluate the advisability of this type of system based on how the main variables involved in the process evolve. Therefore, the following conditions have been identified for each scenario: Neutral scenario: price increase in biomass according to the Consumer Price Index (CPI) (2.5%); change in electricity costs similar to that of previous years (3.5%). Pessimistic scenario: higher price increase in biomass: 4.5% and smaller electricity price change than in the neutral scenario (2.5%). Optimistic scenario: change in biomass price based on the CPI and large increase in electricity costs due mainly to continuous closings of nuclear power plants and the current rate deficit (12.24%).
The results obtained for the single-family dwelling show both for the neutral and pessimistic scenarios a negative Net Present Value (NPV) throughout the 25 years considered in the study; however, in the optimistic scenario the system starts to pay for itself from year 18. In the case of the multipurpose building the same results are observed, obtaining a negative NPV both for the neutral and pessimistic scenarios, although the system in the optimistic scenario starts to pay off later than the family dwelling, from year 21 on, because it is a larger investment. Therefore, for both buildings, the system is not feasible in the neutral and pessimistic scenarios. The reason is its high cost, particularly regarding the energy collection system. It would be best for the system to pay for itself in the first 10 years, given that generally these types of systems could have problems related to maintenance after the first 20 years of operation. In addition, I have considered the option of replacing the backup biomass system with a connection to a district heating system to reduce costs. Unfortunately, besides the shortage and lack of promotion of this type of system in Spain, I have calculated that thermal energy costs from a biomass boiler would be lower than those corresponding to the district heating system. Although this system is not economically feasible on its own nowadays, I have chosen to analyze it in this project because it represents a technological innovation and promotes the use of renewable energies, which translates into a decrease in polluting emissions.