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HACIA EDIFICIOS DE CONSUMO ENERGÉTICO CERO:
Control dinámico del flujo de energía en la envolvente del edificio
D.Guinea domingo@iai.csic.es
Consejo Superior de Investigaciones Científicas Ctra. de Campo Real Km.0,2 Arganda 28500 Madrid
RESUMEN
En la edificación, existen diversos factores 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 vivir en esas edificaciones.
Se precisa una arquitectura más razonable en el uso de la energía, orientada a la recuperación de las emisiones residuales del propio edificio, de la actividad de sus habitantes y de las máquinas y sistemas que alberga. Esto podría reducir notablemente el consumo de energía eléctrica o química hoy día necesaria, pudiéndose incluso plantear circuitos de energía, agua y residuos casi cerrados en un esquema de autosuficiencia que necesariamente hemos de exigir al ecosistema global en el planeta Tierra.
INTRODUCCIÓN
El consumo creciente de los combustibles fósiles, la disminución en las reservas de petróleo, la contaminación progresiva del aire o el agua y el cambio climático originado por la actividad humana son hechos ignorados por mucho tiempo o discutidos hasta el presente. La gravedad de la situación actual se proyecta en el futuro según la evolución previsible de un entorno condicionado por numerosas variables, muchas de ellas condicionadas al comportamiento del ser humano. El rápido incremento de la población, el encarecimiento de los combustibles, la contaminación atmosférica y sus diversas consecuencias sobre el ozono, el dióxido de carbono y el metano, el calentamiento global de la tierra, perturbaciones en el régimen de precipitaciones, disminución de los glaciares, etc., son amenazas diversas e interrelacionadas que es preciso conocer y paliar.
Las soluciones han de tener viabilidad científico técnica pero también han de poder ser soportadas económicamente en nuestro medio económico y político. Así, la disponibilidad de agua y energía para la humanidad en el inmediato futuro están ligadas a las posibilidades de captura, transformación y reutilización que la investigación y el desarrollo tecnológico puedan ofrecer. No obstante, ambos bienes han sido tan imprescindibles como desigualmente distribuidos sobre la población que, en muchas ocasiones, ha considerado casi gratuitos y prácticamente inagotables. Por ello, el cambio necesario en las costumbres y modos de uso de estos bienes, esenciales para la vida, condicionan en buena parte la viabilidad de las posibles alternativas técnicamente viables.
La ciencia inicialmente y la opinión pública después han comenzado a exigir soluciones con creciente urgencia a las entidades con capacidad de decisión política o económica que han de plantear las metas, determinar los programas y establecer los recursos necesarios para proporcionar al ser humano el agua y la energía necesarios para sus sustento, pero también para mantener o mejorar la calidad de vida. La contaminación de la atmósfera y el agua, el agotamiento de los combustibles fósiles y de otros recursos minerales, el incremento de la población, la exigencia de mayor consumo, el crecimiento en la producción y beneficio económico son factores de carácter global que han de abordarse mediante decisiones locales, como paliativos parciales a problemas que pueden ser muy agudos en un determinado ámbito. La energía necesaria para una vivienda puede dividirse en dos capítulos básicos: la dedicada a aplicaciones térmicas, especialmente calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración, frente
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al resto de las aplicaciones con base de energía eléctrica como la iluminación, electrodomésticos, comunicaciones, etc. En nuestro país se estima que aproximadamente el 70% de la energía de aplicación residencial corresponde al primer tipo de consumo térmico mientras que solo el 30% requiere consumo eléctrico en cualquiera de sus aplicaciones.
El empleo de energía eléctrica para calefacción en una estufa eléctrica solo puede ser superado en cuanto a ineficiencia por el hecho de ventilar el aposento con la ventana abierta sobre ese mismo radiador. Ahora bien, la conversión del calor solar en electricidad a través de una central de concentración o por desarrollo natural de biocombustibles mediante la función clorofílica de las plantas verdes, son también procesos tan factibles como poco eficientes en cuanto a la relación entre energía conseguida frente a la recibida.
Los procesos de transformación, acumulación y transporte presentan frecuentemente pérdidas notables que contribuyen en forma sustancial a incrementar la ineficiencia en el uso de la energía. Éstas son consideraciones, tan sencillas como infrecuentes, que han de regir el diseño razonable de cualquier sistema energético, de forma particular en el sector residencial:
La generación y uso de la energía han de encontrarse lo más próximas posible, tanto en la distancia como en el momento o en el número de transformaciones a realizar de la primera a la segunda.
Los procesos de transformación han de acompañar en lo posible a la degradación entrópica de la energía, procurando en cada paso la reutilización mediante reinserción en el sistema de las energías residuales.
EL SOL: FUENTE DE ENERGÍA INAGOTABLE
En el territorio de la Península Ibérica se recibe directamente del sol más de tres mil veces más de la energía que se precisa.
Con una tecnología adecuada de captura, transformación y almacenamiento la radiación recibida en las cubiertas de los edificios u otras superficies de carácter artificial se podría satisfacer nuestro consumo residencial, de transporte e industria. Es bien conocida la
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posibilidad de capturar el calor del sol para utilizarlo en la calefacción y agua caliente sanitaria o la generación eléctrica mediante células fotovoltaicas. Ahora bien, recibimos abundantemente energía solar en verano y durante el día mientras que necesitamos calefacción e iluminación artificial en invierno y de noche.
ENERGIA SOLAR CON ACUMULACIÓN GEOTÉRMICA
Tras dos siglos de despilfarro de los recursos energéticos acumulados por la naturaleza como combustibles fósiles, es preciso un drástico cambio hacia un uso equilibrado de la energía por el hombre. El almacenamiento y gestión adecuada de una energía abundante y barata, como es la solar, junto al desarrollo de métodos de coste razonable para su implantación en la construcción, son herramientas necesarias y accesibles a corto plazo. Así, la acumulación geotérmica y en materiales de cambio de fase, la generación y almacenamiento de hidrógeno y el empleo de elementos de conversión electroquímica directa como las pilas de combustible, el control de permeabilidad térmica en los cerramientos, la captura fotovoltaica con elementos poliméricos o recubrimientos de capa fina, etc. son técnicas a emplear de forma conjunta para acceder a un nuevo concepto de la energía en el sector residencial.
La temperatura del terreno a poca profundidad o “temperatura de bodega” se aproxima a la temperatura promedio del aire en la zona a lo largo del año. Según datos obtenidos en nuestro laboratorio de Arganda, próximo a Madrid, es de unos 15ºC algo inferior por tanto a la temperatura de confort para una vivienda. La conductividad térmica relativamente baja del terreno unida a la gran masa afectada aportan una enorme inercia con ligeras variaciones en su temperatura a lo largo del año.
En los últimos años se ha generalizado el uso de la estabilidad en la temperatura superficial del terreno como intercambiador primario en una bomba de calor con el consiguiente incremento de la eficiencia termodinámica para calefacción durante el invierno y la posibilidad de refrigeración directa durante el verano. La figura muestra la variación del coeficiente de operación o rendimiento de una bomba de calor ideal en función de la temperatura del intercambiador primario, con secundario a la temperatura de confort de 22ºC en el interior de la vivienda. Ello supone un incremento notable de la eficiencia energética del sistema frente al uso directo de la energía eléctrica para calefacción por efecto Joule en un radiador; aunque también en comparación con el uso del aire ambiente como intercambiador primario en los sistemas convencionales de climatización.
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Si el calor extraído del subsuelo durante el invierno fuese equivalente al aportado verano existiría estabilidad térmica en la acumulación. En nuestro clima esto no se produce tal como muestra la figura siguiente donde el calor extraído anualmente es claramente superior al introducido en el terreno.
El balance neto del intercambiador es claramente negativo ya que se extrae más calor del que se inyecta lo que supone un enfriamiento progresivo del entorno próximo al intercambiador primario de la bomba. Si no existe un fenómeno que compense estas pérdidas, tal como una corriente subterránea en el nivel freático, se produce una deriva acumulativa de la temperatura en inviernos consecutivos hacia temperaturas más bajas en el subsuelo. Este hecho aumenta el salto térmico de la bomba en calefacción y, por tanto, disminuye su rendimiento.
El ingeniero luxemburgués E.Krecke aporta dos interesantes ideas integradas en su propuesta ISOMAX. La primera consiste en la generación de una superficie de temperatura controlada (barrera térmica®) entre dos capas aislantes sobre la envolvente del edificio. Ello permite en forma eficaz el control del flujo de calor a través de muros y cubiertas utilizando en forma eficaz la temperatura del subsuelo que no puede ser utilizada directamente para calefacción en el interior del edificio. Así, la gran cantidad de calor acumulada en nuestro clima como
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“temperatura de bodega” es empleada en forma sencilla y eficiente para controlar las perdidas por transmisión en la envolvente de la construcción.
La segunda idea consiste en la captura directa bajo cubierta de la energía solar y su almacenamiento selectivo en zonas determinadas del subsuelo. Esta técnica prescinde en la captura de los paneles solares térmicos convencionales que son sustituidos por un simple tubo que circula directamente bajo la teja, pizarra o cualquier otro elemento utilizado como capa superior en la cubierta.
La acumulación selectiva de la energía solar recibida se realiza en este caso directamente en el suelo sin el empleo de los depósitos de agua aislados habituales. La capacidad de acumulación vendrá dada por el calor específico y la masa del material utilizado como tanque. Si bien la densidad de suelo es variable y usualmente algo inferior a la del agua, la densidad del terreno es superior por lo que la densidad de energía por unidad de volumen es de orden parecido. Con esta técnica se evita por completo la necesidad de construcción y mantenimiento de tanques líquidos, quedando reducido el “geotanque” al volumen próximo a los tubos enterrados bajo o en las proximidades del edificio.
Si bien la densidad de acumulación de calor en relación al volumen no se ve afectada en forma notable por la naturaleza del material que constituye el terreno, ni incluso del agua, la conductividad térmica si varía en gran medida de unos materiales a otros. Ambos hechos favorecen el esquema planteado en cuanto a acumulación directa en el subsuelo y compartimentación según diferentes temperaturas, adecuadas a la refrigeración, calefacción o agua caliente necesarias al edificio.
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La fotografía muestra los tres tanques mencionados en un edificio prototipo ISOMAX en el IAI-CSIC de estructura concéntrica, separados entre sí por láminas aislantes cuyo grueso de algunos centímetros es equivalente a la separación de varios metros de terreno entre el almacenamiento de las distintas temperaturas.
El tubo conformado por lámina metálica corrugada que aparece en primer plano es de estructura coaxial por cuyo interior se expulsa el aire a renovar del interior del edificio. La entrada de aire exterior entre las superficies de ambos cilindros recupera en buena parte el calor, o el frío, del aire expulsado mientras que el contacto exterior con la zona caliente, fría, del subsuelo aporta la temperatura para calefacción, o refrigeración, de la construcción.
Así, un sencillo sistema de control evita la degradación entrópica de la energía recibida del sol hacia la temperatura promedio del subsuelo, orientando el flujo del fluido portador en función de la temperatura alcanzada hacia su acumulación en el tanque correspondiente.
CONCLUSIONES
Los procesos de transformación, acumulación y transporte presentan frecuentemente pérdidas notables que contribuyen en forma sustancial a incrementar la ineficiencia en el uso de la energía. Dos consideraciones, tan sencillas como infrecuentes, han de regir el diseño de cualquier sistema energético, de forma particular en el sector residencial:
La generación y uso de la energía han de encontrarse lo más próximas posible, tanto en la distancia como en el momento o en el número de transformaciones a realizar de la primera a la segunda.
Los procesos de transformación han de acompañar en lo posible a la degradación entrópica de la energía, procurando en cada paso la reutilización mediante reinserción en el sistema de las energías residuales. En resumen basta con plantear que:
• Disponemos de energía suficiente • Existe tecnología para su uso • A un coste razonable
• Sin pérdida de la calidad de vida
AGRADECIMIENTOS
En el intento de mejorar la eficiencia energética de nuestros esquemas construcción y uso de la energía se colabora estrechamente en diversos proyectos con la Fundación Europea TSW para desarrollo de la construcción solar, la empresa Geosolmax, el grupo TISE de la ETSA-UPM, el ITECC del CSIC, a las empresas CAMAC, Dragados y Drace y otros muchos centros de investigación y empresas de dentro y fuera de nuestro país a los que agradecemos su trabajo, entusiasmo, ideas y ayuda. En particular al proyecto INVISO de carácter singular y estratégico del MEC que subvenciona una parte del trabajo y a EXPO Zaragoza que ha creído y financiado la continuación de este desarrollo con el prototipo de vivienda para su plaza temática OIKOS.
REFERENCIAS
• Miller, G.Tyler “Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions”, Brooks/Cole Pub Co, September 14th ed. (2006) ISBN-10: 0495015989
• Hubbert, M.K., “Man’s Conquest of Energy: Its Ecological and Human Consequences”, in The Environmental and Ecological Forum 1971-1972. Washington D.C., U.S. Atomic Energy Commission Publication TID-25858, 1972.
• IDAE, Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable, 2ª edición, 2007 • Ballesteros, J.C., Energía solar térmica para generación eléctrica: estado actual y
perspectiva inmediata, en ENERGÍA SOLAR: ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVA INMEDIATA, Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI y Universidad Pontificia Comillas, 2007
• Boyle, “Renewable Energy” Oxford University Press, 2004
• Menéndez, E. “El papel de las tecnologías en la gestión del Cambio Global” Dept. de Ecología UAM, enero, 2008
