Instalaciones Objeto de Estudio. Centralización Energética Respecto a Generación Individualizada

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En Catalunya, al plantear la instalación de calefacción y ACS para un edificio residencial, por lo general se eligen sistemas individualizados por vivienda. Casi siempre se opta por gas o de electricidad para dichos servicios, ello implica el empleo de calderas mixtas de gas y radiadores convencionales para agua caliente o de termos y radiadores eléctricos respectivamente.

Contenido

Recursos para climatización de las viviendas

En cambio, el servicio de refrigeración pocas veces se halla integrado en las promociones residenciales, salvo en inmuebles de alto standing. Sólo los edificios de reciente construcción cuentan, por imperativo legal, con espacios o patios de servicios para alojar los equipos climatizadores y/o los circuitos de fluido frigorífico hasta cubierta. En cualquier caso, el usuario de una vivienda se ve obligado muchas veces a resolver por su cuenta la refrigeración ambiental, encontrando diversas limitaciones arquitectónicas del edificio.

Esta situación ha conducido al empleo generalizado de unidades climatizadoras autónomas split a expansión directa, individuales para cada vivienda, traducido hasta años recientes en la implantación de los módulos compresor/condensador de dichas unidades en ventanas y balcones.

Tal práctica frecuente en nuestras ciudades, muestra fachadas de edificios con una variada panoplia de modelos y tamaños de equipos de refrigeración, a menudo en condiciones problemáticas de ventilación, con mediocres soluciones de eficiencia energética y de un aspecto estético poco deseable.

Aunque en los edificios residenciales de Catalunya impera la instalación de los referidos sistemas individuales, las más recientes promociones residenciales tienden a la centralización de servicios, aunque limitada a la calefacción y ACS , éste último, por imposición legal.

Centralización de instalaciones

Las ventajas de la centralización de instalaciones de calefacción son más evidentes cuando el edificio residencial está destinado al alquiler, y no a la venta. No obstante, en ambos casos la centralización de servicios mejora la eficiencia energética al optimizarse los regímenes estacionarios de los equipos térmicos correspondientes.

Además, la centralización de los equipos generadores básicos destinados a dichos servicios, simplifica el mantenimiento y facilita la mejora energética. Sin embargo, eleva costes pues genera una servidumbre energética y económica que ha de resolverse ab initio, si se pretende culminar con éxito dicho proyecto.

Este documento proyecta luz sobre los costes de ejecución y explotación de ambas soluciones; así se pretende dilucidar si conviene centralizar también dichos servicios en las promociones de pisos para venta.

El estudio se focaliza en la comparación entre:

  • Un sistema convencional individualizado

Compuesto por caldera mixta a gas y unidad refrigeradora split en cada vivienda , más una batería de paneles solares para servicio básico de ACS al conjunto de viviendas de cada módulo de edificio, y

  • Un sistema centralizado, con planta térmica única para el conjunto de viviendas

Compuesta por 2 calderas de condensación a gas, y por 3 plantas frigoríficas generadoras de agua fría, dimensionadas para el consumo global de los servicios de calefacción, ACS y refrigeración de los inmuebles analizados, e incorporando una batería de paneles térmicos solares dimensionada para la totalidad de la promoción.

Las cifras de rendimientos y costes son aproximadas, no siendo objeto de este estudio realizar análisis del funcionamiento de cada uno de los sistemas .

Instalación Individual por Vivienda

En las instalaciones individuales, la producción de calor se compone de una caldera de gas del tipo mixto modulante para la producción de calefacción y ACS, con radiadores como unidades terminales, y apoyada por un sistema de energía solar térmica dimensionado para cubrir parte de la energía necesaria para la producción de ACS (según estipulado por el Decret d’Ecoeficiència).

Con estos datos se selecciona el mismo tamaño de caldera para todas las viviendas, con una potencia útil de hasta 24 kW para ACS, y de 6 a 20 kW modulantes para calefacción.

Las unidades terminales son radiadores de fundición de aluminio, distribuidos a razón de 7 unidades en cada vivienda H1 y H2 , y de 5 unidades en viviendas H3, según la siguiente distribución de potencias, tomando como referencia, en primera aproximación, los locales / viviendas de Planta Baja, de máxima carga de calefacción:

Viviendas H1 / H2 : 5.008 w / 63 m2 a calentar ≈ 80 w /m2 s. total.
Viviendas H 3 : 3.857 w / 42,7 m2 a calentar ≈ 90 w/m2. “

El equipo solar térmico considerado en el estudio es de la tipología con :

- Campo de captación y local técnico comunitarios, y

- Acumulación de precalentamiento solar individual por vivienda.

Dispondrá de un sistema para gestión de la entrega de energía a los acumuladores solares, formado por válvulas para regulación de caudal y válvulas motorizadas controladas desde un Data Center.

Cada uno de los 6 núcleos de escaleras contará con el correspondiente circuito de agua caliente generada por el campo de paneles solares de cada edificio, y el local técnico central de ACS se encontrará en la respectiva cubierta, cercano a dichos paneles.

Desde dicho local central , el ACS se distribuirá mediante un circuito de tubos ramificados por los patinejos de servicios, registrables desde cada rellano de planta. Desde estos registros se podrá acceder a las válvulas de regulación y de corte de las viviendas correspondientes y a los contadores de energía, o a sus registros, en caso de una futura incorporación al sistema de tales instrumentos.

Todos los elementos de gestión de energia del sistema de captación térmica solar que necesitan mantenimiento y revisión periódica, quedan fuera de las viviendas, accesibles para el mantenimiento (a excepción de los acumuladores de ACS). Cada vivienda aloja sólo el acumulador de precalentamiento solar, para suministro en serie de agua precalentada a la correspondiente caldera modulante por temperatura.

Figura 8 Esquema tipo de la instalación individual por vivienda

Según cálculos, cada escalera registrará un consumo de 1.540 litros de ACS por día, lo que corresponde a 895 kWh diarios, el 70% de los cuales tendrá que aportarlos el sistema de energía solar térmica (en media anual), según parámetros del Decret d’Ecoeficiència.

La estimación del campo de captación se ha realizado según el método de Curvas F, para orientación Sur e inclinaciones de 50º respecto a la horizontal, resultando un total, por núcleo de escalera, de 16 captadores de 2m2 de superficie útil cada uno , y un rendimiento según la expresión η=0.8-4 (tºm - tºa/I). Dicho rendimiento puede considerarse un estándar de captador plano con absorbedor selectivo. Las pérdidas por recirculación del sistema solar se han estimado en un 15% de la totalidad de la energía absorbida por el sistema de captación.

La relación de m2 de captación por vivienda es superior a los 2m2, valor muy elevado debido al alto porcentaje a cubrir por normativa, dado el gran volumen de ACS que mueve la promoción en su conjunto (9.240 litros/día). ( Nótese que, si se legalizase la promoción núcleo a núcleo, solo se precisaría cubrir el 50% de la demanda de cada escalera, lo que se lograría con tan solo 11 captadores, es decir, con 1,46m2 útiles de captación por vivienda, que equivale a un 45% menos de superficie de captación que la exigida anteriormente para cubrir el 70% de la demanda. Esto se debe a que cuanto menor es el porcentaje a cubrir, mayor es el rendimiento por m2 del sistema de captación solar) .

Los depósitos acumuladores de precalentamiento solar deben cumplir una relación con la superficie de captación, para poder acumular toda la energía que los captadores generan. También han de mantener una coherencia con el volumen de ACS que se prevé consumirá cada vivienda, y con el periodo de uso respecto de la producción solar (hasta 24h/día, en el caso de primeras residencias). Así, se instalarán interacumuladores de 150 litros en las viviendas de 3 habitaciones (consumo estimado de ACS 112 litros/día), y de 100 litros en las de 2 habitaciones (consumo estimado de ACS 84 litros/día).

Luego, El volumen total de acumulación alcanza los 2.000 litros por núcleo de escalera, con 62.5 litros de acumulación solar por cada m2 útil de captador instalado. Dichos depósitos se ubican en las cocinas, bajo las calderas, en el espacio de columna de un armario de 60x60cm. Por lo tanto, el servicio individual de ACS y calefacción ocupa toda una columna de la cocina ( 0.36m2 de superficie útil de la vivienda).

Para refrigeración ambiental en verano, se considera una unidad climatizadora individual split (1x1 inverter), con módulo exterior remoto condensado por aire y con el módulo interior horizontal alojado sobre cielorraso provisto de conductos de distribución de aire a todos los ambientes.

Instalaciones Centralizadas

En el sistema centralizado, la generación de agua caliente está a cargo de dos calderas de condensación de baja temperatura, con potencia unitaria de 200 kW ( para cubrir cada una el 70% de la totalidad de la demanda). El local técnico alojará, además, los acumuladores inerciales, bombas de circulación, paneles de maniobra y control , y demás elementos necesarios para el adecuado funcionamiento, control y gestión de la planta térmica.

Al igual que en el sistema individual, la producción de ACS requiere de un conjunto de captadores térmicos solares, conjunto que, si bien deberá cubrir las mismas cifras de demanda que en el sistema individualizado, será único para las seis escaleras de los dos bloques de edificios, entregando toda su energía a un solo grupo de acumuladores de ACS emplazados en el referido local técnico central.

El sistema centralizado de ACS evita pérdidas energéticas causadas por la recirculación. El trazado del circuito primario, sin embargo, aumenta sensiblemente con respecto a éste último diseño, dado que el fluido caloportador ha de transportarse desde las cubiertas de los edificios en las que se encuentran los colectores solares, hasta el local técnico central.

Donde el sistema centralizado ofrece una mejora energética es en el grado de aprovechamiento de la energía solar: Al no estar la acumulación distribuida entre los 90 depósitos correspondientes a otras tantas viviendas de la promoción, puede aprovecharse más eficientemente la energía solar captada , lo que permite la implementación de mejoras en el rendimiento global del sistema centralizado , tales como la estratificación térmica en los interacumuladores de ACS , y las que conlleva la gestión y mantenimiento del conjunto.

Como complemento al sistema centralizado de agua caliente para calefacción y ACS, se centraliza también la generación de agua fría, para servicio de refrigeración a la totalidad de viviendas de los dos edificios.

Para ello se provee una planta frigorífica enfriadora de agua, desdoblada en 3 unidades condensadas por aire, alojadas en local del área técnica central contiguo al de las calderas de agua caliente, desde cuyo punto el agua fría se distribuirá a uno y otro edificio en circuito a 2 tubos, paralelo al de agua caliente.

La figura 9 muestra un esquema tipo de generación y distribución de ambos fluidos desde la referida central generadora de servicios térmicos, hasta los 6 montantes de distribución de agua caliente y fría a las viviendas.

El agua fría generada a 7ºC alimentará las unidades climatizadoras de cada vivienda, equipos que pueden asimilarse a los previstos anteriormente en la solución individualizada, pero seleccionando el modelo diseñado para alimentación hidrónica , en lugar de gas a expansión directa.

La carga máxima de refrigeración de ambos edificios, en condiciones extremas de verano, se cifra en 295 kW, una vez aplicado un coeficiente global de utilización y simultaneidad de las 90 viviendas. Para cubrir dicha carga, se desdobla la planta frigorífica en tres unidades de funcionamiento en secuencia, cada una dimensionada para 150 KW de refrigeración, enfriando agua a 7/12ºC, con aire de condensación a 35ºC, por lo que bastan sólo dos para atender la carga máxima, manteniéndose la tercera unidad en reserva para asegurar el servicio en caso de paro de cualquiera de las otras dos, posición que irán adoptando periódicamente en turno cíclico.

Se selecciona el modelo provisto de ventiladores centrífugos para el alojamiento de dichas unidades en el interior del local técnico, y se les incorpora condensador auxiliar gas/agua, para generación adicional de agua caliente destinada a ACS, durante el proceso de refrigeración, y como medida de apoyo o substitución de las calderas para tal servicio, en verano.

La distribución del agua caliente y fría hasta cada vivienda requiere un diseño que garantice, tanto el confort como la gestión individualizada de los respectivos consumos energéticos, a fin de que los costos sean absorbidos por cada usuario en forma equitativa, en función del uso real de ambos fluidos en cada vivienda.

Figura 9. Esquema básico del sistema central de calor y frío

El circuito de agua caliente desde la central térmica será el mismo, con independencia que dicha agua la generen calderas a gas o se adopten otras opciones, (p.ej: calderas de biomasa o equipos de cogeneración a gas).

En cualquier caso, dicho circuito operará con temperaturas de agua moderadas para reducir las pérdidas de calor de la red hidráulica, aún contando con el adecuado aislamiento térmico de las tuberías. Por otra parte, el caudal circulante de agua caliente será variable, en función de la demanda global efectiva de agua caliente que se registre en cada momento, previendo grupos de bombeo doble con velocidad de giro modulada por variadores electrónicos de frecuencia, controlados en función de la presión hidráulica en colector principal.

Figura 10. Distribución sistema centralizado por vivienda. Fuente LEAKO

Los anillos de distribución van por el patinejo de instalaciones registrable en los rellanos de cada planta. En cada registro se ubican las subestaciones energéticas, encargadas de ceder y gestionar el calor y el frío a cada vivienda, mediante un sistema de intercambiadores, válvulas proporcionales y sistemas de comunicación, que permiten al usuario, mediante su propia centralita/termostato interior en vivienda, regular las temperaturas de climatización y ACS, y estar informado de sus consumos energéticos.

La producción de ACS se realiza de manera instantánea, mediante intercambiador térmico en la subestación de cada vivienda.

Las unidades terminales calefactoras se dimensionan en función de la temperatura límite a la que se suministra el agua en el circuito general.

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