Nuevos Desarrollos de Producto para Conseguir Edificios Cero

Energía.

Servando Álvarez Domínguez UNIVERSIDAD DE SEVILLA,

Escuela Técnica Superior de Ingenieros.

Índice

• Oportunidades Legislativas • Oportunidades Tecnológicas • Conclusiones finales

Transposición en España de las directivas de eficiencia energética

en edificios 2002/91/CE y 2010/ 31/EU

Ejemplo de Hoja de ruta

Endurecimiento progresivo de la reglamentación sobre calidad térmica de los edificios de nueva planta (establecimiento de

consumos máximos permitidos -requisitos mínimos-)

Promoción de edificios de nueva planta cuyo consumo de energía sea netamente inferior al que se deriva de la aplicación estricta de

la reglamentación.

Directiva 2010/ 31/EU

Artículo 9: Edificios de consumo de energía casi nulo (NZEB)

Artículo 9 apartado 1

Los Estados miembros se asegurarán de que: • a) como muy tarde el 31 de diciembre de 2020,

todos los edificios nuevos sean al menos edificios de energía casi nula

• b)después del 31 de diciembre de 2018, los

organismos públicos que ocupen y posean un edificio nuevo garantizarán que el edificio es un edificio de energía casi nula

Artículo 9 2010/ 31/EU : Edificios de energía casi nula .- Apartado 2

Además, los Estados miembros, siguiendo el ejemplo encabezado por el sector público, formularán políticas y adoptarán medidas tales como el establecimiento de objetivos, para estimular la transformación de edificios que se reforman en edificios de consumo de energía casi nulo, e informarán de ello a la Comisión en sus planes nacionales, a los que se refiere el apartado 1.

Artículo 9 2010/ 31/EU : Edificios de energía casi nula.- Apartado 5

• La Comisión publicará, el 31 de diciembre de 2012 a más

tardar y cada tres años después de esa fecha, un informe sobre los avances efectuados por los Estados miembros a la hora de aumentar el número de edificios de consumo de energía casi nulo. Sobre la base de ese informe, la Comisión elaborará un plan de acción y, si fuera necesario, propondrá medidas para aumentar el número de este tipo de edificios y fomentará las mejores prácticas en materia de transformación rentable de edificios existentes en edificios de consumo de energía casi nulo.

Cascada de Indicatores en NZEB prEN ISO/DIS 5200-1

¿Cómo se obtienen los NZEB?

– Reducción de la demanda: • Buen diseño arquitectónico del edificio, • Alta calidad constructiva de la envuelta • Inclusión en el mismo de fachadas y cubiertas inteligentes que utilicen

fuentes y sumideros medioambientales.

– Aumento del rendimiento • Instalaciones y equipos de alto rendimiento medio estacional. • Equipos y sistemas innovadores apoyados por energías renovables.

– Optimización de la operación: • Gestión de la demanda. • Concienciación y participación del usuario • Gestión óptima instalaciones multigeneración

Evaluación de alternativas energéticas sobre un edificio (ejemplo: coste durante ciclo de vida vs. demanda de

calefacción)

Edificio

REQUISITO MÍNIMO VIGENTE

CTE-HE

Nivel de rentabilidad óptima (cost-optimal)

Nivel de rentabilidad óptima

Edificio

REQUISITO MÍNIMO VIGENTE

CTE-HE

Tecnologías NO competitivas

Tecnologías competitivas a corto plazo

Tecnologías competitivas en el momento actual

Reduction in primary energy consumption

Redu

ctio

n in

LCC

100%

100%

Starting point Optimum LCC

Minimum energy consumptio Pareto in the initial situation Pareto implementing a “new” technology

Evaluación de una nueva tecnología (sin extra coste)

Reduction in primary energy consumption

Redu

ctio

n in

LCC

100%

100%

Starting point Optimum LCC

Minimum energy consumptio Pareto in the initial situation Pareto implementing a “new” technology

Evaluación de una nueva tecnología (extra coste tolerable que la hace competitiva)

Índice

• Oportunidades Legislativas • Oportunidades Tecnológicas • Conclusiones finales

Oportunidades Tecnológicas

• Reducción de la demanda • Equipos y sistemas innovadores apoyados por

energías renovables. • Optimización de la operación

Estrategia invierno en rehabilitación

Reducir pérdidas Aumentar ganancias

Descripción Transmisión infiltración / ventilación Aumentar área sur equivalente

Aumentar factor de utilización

Ubicación

Diseño

Compacidad

Superficie acristalada

Orientación y distribución de la superficie acristalada

Elementos convencionales Mejora aislamiento opacos

Mejora calidad ventanas

Estanqueidad

Inercia

Elementos y estrategias especiales

Estrategia de verano en rehabilitación

Reducir ganancias Aumentar perdidas

Descripción Transmisión Solares Aumentar renovaciones aire exterior durante noche

Aumentar factor de utilización

Ubicación

Diseño superficie acristalada

Orientación y distribución de la superficie acristalada

Elementos convencionales

Mejora aislamiento cubierta

Control solar

Ventilación nocturna

Inercia

Elementos y estrategias especiales

Ejemplo I: Potencial de ventilación y estanqueidad en zonas climáticas

A,B y C

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

Life

Cic

le C

ost 3

0 ye

ars (

€/m

2 )

Energy Consumption(kWh/m2)

1 ACH

MED Region Results for zone C

Climatic Zones

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

Life

Cic

le C

ost 3

0 ye

ars (

€/m

2 )

Energy Consumption(kWh/m2)

1 ACH 0.6 ACH

MED Region Results for zone C

Climatic Zones

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

Life

Cic

le C

ost 3

0 ye

ars (

€/m

2 )

Energy Consumption(kWh/m2)

1 ACH 0.6 ACH 0.2 ACH

MED Region Results for zone C

Climatic Zones

We have assessed a set of energy efficiency

measures with 5 levels of air ventilation and

infiltration (0.2 to 1 ACH) the difference between the optimums will give us an

idea of the maximum acceptable price in order to consider the reduction

of ACH a cost-optimal measure

Climatic Dependence of the acceptable extra-cost of the Ventilation and Airtightness measures

Alternativas para conseguir la reducción de las ACH

• Estanqueidad

Ventilación controlada por demanda • Doble flujo

Ventilation and Infiltration Rates depending on the technology and the airtightness

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

Influence of the ventilation technology and the control system

Influence of the airtightness

Caso base

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

How to get a global ventilation and infiltration rate of 0.8 ACH (option I)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

n50 = 2.2 implies no infiltration Global vent+inf rate = 0.8 ACH

Improvement of the airtightness

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

Ventilation rate = 0.6 ACH Global vent+inf rate = 0.8 ACH

DCV

How to get a global ventilation and infiltration rate of 0.8 ACH (option II)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

n50 = 6.0 Global vent+inf rate = 0.6 ACH

Constant Ventilation + Heat Recovery

How to get a global ventilation and infiltration rate of 0.6 ACH

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

Reinforced n50 = 1.4 Global vent+inf rate = 0.4 ACH

Constant Ventilation + Heat Recovery

How to get a global ventilation and infiltration rate of 0.4 ACH

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Vent

ilatio

n +

Infil

trat

ion

Rate

(ACH

)

Ventilation Rate (ACH)

0.6 ACH @50Pa

1.4 ACH @50Pa

2.2 ACH @50Pa

3.0 ACH @50Pa

3.8 ACH @50Pa

4.6 ACH @50Pa

6.0 ACH @50Pa

Constant ventilation rate: 0.8 ACH Global airtightness of the building: n50=6.0

Reinforced n50 = 0.6 Global vent+inf rate = 0.2 ACH

DCV+ Heat Recovery

How to get a global ventilation and infiltration rate of 0.2 ACH

Ejemplo II: Elementos especiales de la envuelta

Elementos especiales de la envuelta (uso de la inercia). Proyecto SINHOR

Fachada Activa (configuración invierno)

Exterior

Interior

Hoja acristalada Hoja exterior de hormigón

Hoja interior de hormigón

Cámara exterior (galería acristalada)

Cámara interior Ventiladores

Fachada Activa (invierno)

Calor Calor

Se utiliza la hoja interior como acumulador de calor. El calor se toma de la radiación solar y el cristal evita que se pierda

al exterior.

Temperaturas medias interior, muro sur y exterior

0

1

2

3

4

5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

28/12 12:00 29/12 00:00 29/12 12:00 30/12 00:00 30/12 12:00 31/12 00:00 31/12 12:00 01/01 00:00 01/01 12:00 02/01 00:00 02/01 12:00

Tair_ext (ºC) Media_sup_int T_media_interior oper_vent_fachada (control)

Fachada térmicamente activa (configuración verano)

Exterior

Interior

Hoja exterior de hormigón Hoja interior de hormigón

Cámara interior Ventiladores

Fachada Térmicamente activa

Frio Frio

Calor

Se utiliza la hoja interior como acumulador de frío. Este frío es cargado en la noche y utilizado en el día.

Fachada activa: Modo verano con nebulizadores

Frio

Boquillas nebulizadoras

Agua pulverizada

Frio

Calor

Compuerta cerrada

Rejilla antirretorno

Compuerta abierta

Montaje experimental

Boquillas

Diferencia entre temperaturas medias diarias del interior y del exterior

Sin fachada ventilada

Fachada ventilada activa

∆T

Fachada ventilada activa con evaporativo

CONTEXTO

NZED NET ZERO ENERGY DISTRICT

Plaza de Oriente, barrio Parque Alcosa, Sevilla,

Sevilla.

48

SITUACIÓN INICIAL DE LA DEMANDA DE ENERGÍA

Bloques rectangulares de 4 plantas

Bloques rectangulares de 8 plantas

Bloques en H de 4 plantas

INTRODUCCIÓN DE LOS EDIFICIOS DEL DISTRITO EN HULC

49

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

CCV

[€]

Demanda total de climatización [kWh]

Evaluación de alternativas; Catálogo base

INFLUENCIA DE INCLUIR UNA SOLUCIÓN INNOVADORA DE FACHADA

51

INCLUSIÓN DEL ELEMENTO EN UN EDIFICIO REAL: BLOQUE EN H (Plaza de Oriente, 5)

Elemento en SE

Ancho (m) 3.9

Alto (m) 2.67

Número plantas 4

Número muros 2

Área total SE (m2) 83.304

Elemento en SO

Ancho (m) 2.55

Alto (m) 2.67

Número plantas 4

Número muros 2

Área total SO (m2) 54.468

ÁREA TOTAL (m2) 137.772

INFLUENCIA DE INCLUIR UNA SOLUCIÓN INNOVADORA DE FACHADA

52

INCLUSIÓN DEL ELEMENTO EN UN EDIFICIO REAL: BLOQUE EN H (Plaza de Oriente, 5)

ALTERNATIVAS A ESTUDIAR:

1. Vidrio simple y aislamiento bajo: caso E1. 2. Vidrio simple y aislamiento medio: caso E2. 3. Vidrio simple y aislamiento alto: caso E3. 4. Vidrio doble y aislamiento bajo: caso E4. 5. Vidrio doble y aislamiento medio: caso E5. 6. Vidrio doble y aislamiento alto: caso E6.

53

Evaluación de alternativas; Catálogo ampliado

54

Evaluación de alternativas; Catálogo ampliado

55

Extra coste tolerable que la hace competitiva

Oportunidades Tecnológicas

• Reducción de la demanda • Equipos y sistemas innovadores apoyados por

energías renovables. • Optimización de la operación

Ejemplo de sistema innovador: Refrigeración solar por absorción Escuela de Ingenieros de Sevilla

Almacenamiento térmico

Agua sobrecalentada 13 bar/ 180º C

Agua sobrecalentada 13 bar / 165º C

Máquina absorción de doble efecto

Intercambiador

Circuito primario

Circuito secundario

Circuito de Agua refrigeración

Agua fría

Captador solar

Fresnel

gas natural

Sistema de control

- Río Guadalquivir -

• Engineering School (main building).- 35000 m2

Funcionamiento Refrigeración Solar

Captadores solares Fresnel

59

Parabolic Trough

Tanque de acumulación PCM Hidroquinona. Tpcm: 170ºC

275 kWh

Absorption Chiller

The plant has one single absorption chiller. As this is a pilot plant, it is not intended to cover the total cooling needs of the ESI building.

PILOT SOLAR COOLING PLANT

2. SEVILLE PILOT PLANT CONCEPTUAL DESIGN

• Absorption Chiller type: Two stage, lithium bromide absorption media. • Operation is initially supported by NG firing until 145oC optimum temperature is

reached • Refrigeration power: 174kW which, using the conversion factor 1

RT(refrigeration ton) = 3.5168525 kW, it is equivalent to 49.4760 RT • COP =1.34

62

The use of the solar fraction concept to assess the climatic applicability of solar cooling

Multigeneración a nivel de distrito

Oportunidades Tecnológicas

• Reducción de la demanda • Equipos y sistemas innovadores apoyados por

energías renovables. • Optimización de la operación

• Gestión de la demanda. • Concienciación y participación del usuario • Gestión óptima instalaciones multigeneración

Gestión de la demanda (concepto)

• Adaptar la demanda de energía a las necesidades reales de los diferentes espacios (iluminación, ventilación, temperatura).

• Utilización de la inercia estructural del edifico

como buffer que permite reducir la demanda energética del edificio y/o reducir el consumo energético y/o reducir el coste económico asociado.

Gestión de la demanda (elementos)

• Tradicionales: – Operación de equipos (on-off o modulantes). – Consignas de equipos.

• Otros: – Ventilación nocturna. – Operación de la ventilación sanitaria. – Elementos de control solar. – Reducciones o aumentos de la transmitancia de

huecos.

Índice

• Oportunidades Legislativas • Oportunidades Tecnológicas • Consideraciones finales

Argumentos para obtener edificios de alta eficiencia energética

• Demanda por parte de los consumidores • Edificios corporativos de entidades que tienen actividades

relacionadas con las energías renovables, la eficiencia energética, la sostenibilidad, etc.

• Edificios construidos por Constructores, inmobiliarias, promotores, estudios etc que abogan por la sostenibilidad como uno de sus elementos de imagen de marca

• El sector público cuyos edificios tienen que ser ejemplares en este sentido

• Edificios financiados con capital público. • Edificios que quieren acogerse a políticas de subvención en

eficiencia energética

• Por obligación todos los edificios nuevos a partir de 2018 (edificios públicos) o 2020 (resto)

• El mismo objetivo de consumo energético casi nulo se puede alcanzar de muchas maneras que difieren en la inversión inicial.

• No se obliga a utilizar ninguna tecnología en particular. • La solución óptima en cada caso depende del tipo de

edificio, del uso del mismo y del clima en el que está situado.

• Lo mejor no es casi nunca lo más complejo. • La eficiencia energética suele estar vinculada a la utilización

de fuentes y sumideros medioambientales

Consideraciones finales

Nuevos Desarrollos de Producto para Conseguir Edificios Cero

Energía.

Servando Álvarez Domínguez UNIVERSIDAD DE SEVILLA,

Escuela Técnica Superior de Ingenieros.