UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Diseño de una segunda piel fotovoltaica en edificio público.
TRABAJO FIN DE MASTER
MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES
Autor: Ignacio Salinas Escribano
Directora: Ana María Nieto Morote
RESUMEN
El objeto del presente proyecto es el diseño de una fachada o segunda piel fotovoltaica en un edificio público. El trabajo se basará en el análisis del marco normativo actual, un estudio de las posibles soluciones técnicas alternativas de la tecnología actual, la base de diseño con el edificio objeto como referencia buscando la integración arquitectónica, el dimensionamiento de la instalación poniendo especial atención en el estudio económico y la tramitación administrativa en función de la solución adoptada.
Palabras clave: Fotovoltaica, integración.
ABSTRACT
The object of this project is the design of a photovoltaic façade or second skin in a public building. The work will be based on the analysis of the current regulatory framework, a study of the possible alternative technical solutions of the current technology, the design basis with the object building as a reference, seeking architectural integration, the sizing of the installation paying special attention to the economic study and administrative processing depending on the solution adopted.
Keywords: Photovoltaic, integration.
Índice
Contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 4
2. OBJETO ... 4
3. METODOLOGÍA ... 5
4. MARCO REGULATORIO. ... 5
4.1. Código Técnico de la edificación. ... 5
4.2. Real Decreto Autoconsumo ... 6
5. ESTADO DEL ARTE ... 7
6. ESTUDIO DEL EDIFICIO OBJETO ... 8
6.1 Ubicación. ... 9
6.2. Descripción de la edificación. ... 9
6.3 Certificación energética ... 10
6.4 Distribución de consumos energéticos de la instalación. ... 13
6.5. Cálculo de la reducción de la demanda energética. ... 14
6.5.1. Demanda térmica edificio objeto. ... 18
6.5.2. Demanda térmica con fachada ventilada. ... 19
6.5.3. Demanda térmica con elementos de sombraje... 20
6.5.3. Comparativa demanda térmica. ... 21
7. INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA PARA AUTOCONSUMO ... 21
7.1. Estudio de las alternativas ... 22
7.1.1. Emplazamiento de la instalación ... 22
7.1.2 Superficie disponible ... 22
7.1.3 Datos climatológicos locales. ... 24
7.1.4. Ángulo de inclinación óptimo ... 25
7.1.5. Pérdidas ... 26
7.1.6. Obtención del ángulo de azimut ... 27
7.1.7. Valores límite ... 27
7.1.8. Sombras ... 28
7.1.9. Modulo seleccionado ... 29
7.2 Instalación con todos los módulos a 90º ... 30
7.3 Instalación con todos los módulos con inclinación óptima ... 33
8. DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA. ... 38
8.1 Sistema estructural ... 38
8.2. Instalación fotovoltaica ... 39
8.3. Presupuesto de la instalación ... 44
8.4. Análisis de rentabilidad ... 50
9. TRAMITACIÓN ADMINISTRATIVA ... 52
10. CONCLUSIONES ... 55
11. BIBLIOGRAFÍA ... 57 ANEXO I PLANOS EDIFICIO
ANEXO II CERTIFICACIÓN ENERGÉTICA EDIFICIO OBJETO
ANEXO III DEMANDA TÉRMICA E INFORME CONSUMO EDIFICIO Y ALTERNATIVAS ANEXO IV PRODUCCIÓN ESTIMADA ALTERNATIVA 1 Y 2
1. INTRODUCCIÓN
La transformación experimentada en el planeta con la revolución industrial supuso cambios en todos los ámbitos de la humanidad (económicos, tecnológicos y sociales). [1] Este periodo que abarcó desde mitad del siglo XVIII hasta principios del XIX supuso un cambio en los hábitos de producción pasando de los trabajos tradicionales mediante medios manuales o animales a la utilización de máquinas de fabricación y transporte. La culminación de este periodo llegaría con la creación del motor de combustión interna y la generación y distribución de la energía eléctrica.
Durante años los procesos industriales han buscado la maximización de la producción a bajo coste, obviando el impacto medio ambiental que dichos procesos podían tener en el planeta.
No sería hasta 1972 durante la conferencia internacional sobre el medio ambiente que tuvo lugar en Estocolmo, que se planteo que los agentes contaminantes generados por el ser humano en sus procesos productivos y su vida cotidiana suponían un factor determinante en el cambio climático. [2]
Sin duda el mayor avance se produjo con la llegada del protocolo de Kioto, inicialmente 81 países (en 2009 llegarían a ser 183) acordaron una reducción global de las emisiones de gases de efecto invernadero del 5%, se plantea por primera vez un mercado de emisiones para que los países que no fueran capaces de reducir sus emisiones pudieran comprar derechos de emisión a los que si los hubiesen reducido consiguiendo un equilibrio de reducción de emisiones de manera global.
Agotado el protocolo de Kioto se llega al Acuerdo de París donde 195 países consensuan limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 ºC y apostar por un desarrollo sostenible para paliar los efectos del cambio climático. Se fija la década de 2020 como clave para neutralizar los efectos del cambio climático logrando la descarbonización en la mayor parte de las actividades tanto de producción como del día a día de los ciudadanos.
Queda patente que se ha avanzado mucho en este sentido, sobre todo en las sociedades más modernas donde el grado de concienciación con el problema es elevado. Sin embargo, dicho avance no ha llegado en ciertas disciplinas hasta los últimos días, siendo un ejemplo claro el mundo de la construcción. La arquitectura de las ultimas décadas ha buscado primar la estética por encima de cualquier otro factor, ya no solo obviando el coste de uso y mantenimiento posterior de los edificios si no el propio coste de la construcción, se han levantado edificaciones en pro del lucimiento del proyectista dejando una cuantiosa carga económica para el resto de la vida útil de las mismas.
Un claro ejemplo lo constituyen los edificios de cristal. [3] Relativamente viables en latitudes septentrionales donde la falta de iluminación obliga a maximizar dicho factor recurriendo a este tipo de fachadas en detrimento del aislamiento de la edificación, y cuyo modelo se ha importado por parte de muchos arquitectos a regiones donde la radiación solar además de ser más intensa se prolonga durante muchas horas al día con la consecuencia de elevar la carga térmica de dichos edificios. La consecuencia directa es la necesidad de elevar el gasto en climatización.
Para tratar de paliar el quebranto que esta tendencia ha generado, se buscan soluciones integradoras en base a la utilización de energías renovables. La energía fotovoltaica ha experimentado en los últimos años un desarrollo que la convierte en una energía ya madura y viable económicamente, lo que permite solucionar el problema de la carga térmica de las edificaciones y su consumo de energía eléctrica para climatización consiguiendo edificaciones más sostenibles siendo esta la base de este trabajo.
2. OBJETO
El objeto del presente trabajo consiste en el diseño de una segunda piel fotovoltaica para un edificio de uso público cuya envolvente actual es de cristal, con el doble objetivo de reducir la carga térmica del edificio y paliar la demanda de energía eléctrica mediante la producción eléctrica. Se buscará hacer coincidir las curvas de producción y demanda de la instalación ya que el horario de uso coincide con las horas de más soleamiento. El edificio objeto se encuentra en el Municipio de Las Torres de Cotillas.
Los principales ítems de desarrollo son:
1. Análisis del marco normativo y teórico
2. Descripción de las bases de diseño y dimensionamiento de la instalación 3. Estudio económico y tramitación administrativa
3. METODOLOGÍA
El desarrollo del trabajo va a versar sobre el diseño de una fachada fotovoltaica que hará las veces de “segunda piel”, de un edificio existente. La fachada cumplirá con dos funciones, disminuir la carga térmica de la edificación reduciendo su exposición a la radiación solar, y compensar el consumo de energía eléctrica del edificio mediante la producción de energía eléctrica. Se estudiarán las posibles soluciones técnicas tratando de maximizar el régimen de autoconsumo para llegar a un balance energético 0.
4. MARCO REGULATORIO.
4.1. Código Técnico de la edificación.
El Código Técnico de la Edificación (en adelante CTE), es el marco normativo que establece y desarrolla las exigencias para edificios y sus instalaciones en materia de calidad fijando para ello unos requisitos básicos de obligado cumplimiento. [4]
La normativa edificatoria en España sufrió una evolución importante en el año 1977 con la creación de las Normas Básicas de la Edificación (NBE), [5] este ámbito regulatorio no se había modificado desde hacía 20 años, las normas básicas de la edificación se complementaban con las normas tecnológicas de la edificación (NTE), que a diferencia de las primeras no eran de obligado cumplimiento.
En 1999 se publica la LOE o Ley de Ordenación de la Edificación y que será la semilla de la emana el CTE en ella se fijan los requisitos básicos que deberán cumplir los edificios, en ella se definen tanto los agentes intervinientes en el proceso edificatorio marcando las obligaciones y estableciendo garantías y responsabilidades en pro de los usuarios. El CTE de la edificación desarrolla los objetivos de la LOE y desarrolla de manera técnica los objetivos de la primera.
En su primera versión publicada mediante Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo se aprobaron los distintos documentos básicos que derogaban las hasta ese momento vigentes normas NBE, se estableció un periodo transitorio de 6 a 12 meses en el que ambas normativas estuvieron vigentes.
Los documentos básicos aprobados en su primera versión fueron DB-SE (Documento Básico de Seguridad Estructural), DB-SI (Documento Básico de Seguridad en caso de Incendio), DB- SU (Documento Básico de Seguridad de Utilización) posteriormente se incluirían los requisitos
El CTE ha ido evolucionando y actualizándose desde su primera versión, adaptándose a unos objetivos cada vez más ambiciosos entre otros en materia medio ambiental. La Orden FOM/1635/2013 de 10 de septiembre actualiza el Documento Básico de Ahorro de Energía para transponer al ordenamiento jurídico española parte de las Directivas Europeas 2010/31/UE y 2009/28/CE en lo relativo a requisitos de eficiencia energética y niveles mínimos de energía procedente de fuentes de origen renovable en los edificios. [6]
Se introduce el HE0 limitación de la demanda energética de los edificios y actualiza el resto de apartados con el fin de conseguir edificios de consumo energético prácticamente nulo.
4.2. Real Decreto Autoconsumo
El autoconsumo se define en la Ley 24/2013, de 26 de diciembre, del Sector Eléctrico como el consumo de energía eléctrica proveniente de instalaciones de generación conectada en el interior de una red de un consumidor, además se distinguían varias modalidades. [7]
El RD 900/2015, de 9 de octubre, regula las condiciones administrativas, técnicas y económicas de las distintas modalidades de autoconsumo tanto de suministro como de producción. En él se fijan los requisitos que debían cumplir estas instalaciones para velar por la seguridad fijando además el marco económico de aplicación para esta actividad. [8]
Desde este primer marco normativo se han publicado distintas normativas que han modificado y actualizado este primer RD adecuando los preceptos que en el se recogen al nuevo escenario definido en el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 donde el autoconsumo pasa a ser una herramienta fundamental para la descarbonización de la energía.
Con la publicación del Real Decreto 244/2019, de 5 de abril, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas del autoconsumo de energía eléctrica, el autoconsumo pasa a tener tres objetivos fundamentales, contribuir a la economía fomentando la actividad económica y el empleo local por su carácter distribuido, mejorar el sistema eléctrico debido a que su expansión implica un menor consumo eléctrico y energético de las redes de transporte y distribución y beneficiar a los consumidores finales ya que se producirá una disminución en la demanda eléctrica que será abastecida por la propia energía producida por estas instalaciones.
Se establecen dos modalidades de autoconsumo:
Sin excedentes: para instalaciones que no producen más energía de la que consumen.
Deberán contar con un sistema de anti vertido para no verter a la red energía si se producen excedentes.
Con excedentes: para instalaciones de generación que pueden, además de suministrar energía para autoconsumo inyectar los excedentes a las redes de transporte y distribución.
Esta modalidad con excedentes se divide a su vez en dos modalidades:
a) Acogida a compensación: para suministros en los que el consumidor y productor se acogen a un mecanismo de compensación de excedentes. Deberán cumplirse las siguientes condiciones:
I. La fuente de energía deberá ser de origen renovable.
II. Estará limitado a instalaciones de potencia inferior a 100 kW.
III. Si fuera necesario realizar un contrato de suministro para servicios auxiliares de producción, el consumidor habrá suscrito un único contrato para el suministro asociado y para los consumos auxiliares de producción con una empresa comercializadora.
IV. El consumidor y productor han de haber suscrito un contrato de compensación de excedentes de autoconsumo.
V. Las instalaciones de producción, no podrá tener otorgado un régimen retributivo adicional específico.
b) No acogida a compensación: para suministros en los que no se cumplan las condiciones para acogerse a compensación o voluntariamente opten por no acogerse a dicha modalidad.
5. ESTADO DEL ARTE
Como hemos comentado anteriormente la maduración de la energía fotovoltaica, está llevando a que cada vez se plantee con mayor fuerza su utilización como solución integradora para producción de energía y mejora de la envolvente de las edificaciones.
La utilización tanto en edificios de nueva construcción como para soluciones de rehabilitación y ornato en edificios existentes de tecnologías fotovoltaicas es cada vez más común.
Dentro de las distintas tecnologías que se pueden instalar encontramos:
Paneles tradicionales de silicio cristalino (Figura 1): A pesar de ser la solución más extendida debido al alto grado de madurez de esta tecnología que ha permitido además de su abaratamiento un incremento considerable en la vida útil de los mismos, son la solución menos preferida por los diseñadores de edificios por su alto impacto estético debido al color y la textura.
Figura 1. Módulos fotovoltaicos en cubierta y fachada de edificio.
Elementos de construcción de segunda generación (Figura 2): Tejas fotovoltaicas, vidrios con mini células fotovoltaicas o células flexibles. Si bien estas tecnologías suponen un avance en la integración son tecnologías menos maduras con menores índices de producción o vida útil corta lo que hace que no sean sistemas rentables.
Figura 2. Módulos fotovoltaicos en cubierta y fachada de edificio.
Vidrios fotovoltaicos semitransparentes (Figura 3): [9] Este producto está gozando de una gran aceptación por parte de los proyectistas de edificios debido a su similitud al vidrio tradicional.
La tecnología consiste en celdas solares que forman una rejilla sobre el vidrio. La parte opaca es la responsable de la generación mientras que los espacios entre las células permiten el paso de la electricidad produciendo un efecto de semitransparencia en función de la densidad de la trama. Su potencia oscila entre los 50 Wp/m2 y los 180 Wp/m2. El problema que suponen es su elevado coste.
Figura 3. Módulos fotovoltaicos en cubierta y fachada de edificio.
Para este trabajo se han estudiado distintos artículos de interés para su desarrollo, llegándose a la conclusión de que la instalación de paneles fotovoltaicos verticales es la solución técnica y económica más viable, primando el ahorro energético del edificio por encima de los caprichos integradores de la arquitectura.
Dentro de la solución propuesta diversos artículos tratan los factores que influyen en los ahorros, generación y como resultado la amortización de la instalación. En “Energy analysis of facçade-integrated photovoltaic systems appliedto UAE commercial buildings” [10] su autor estudia la utilización de paneles fotovoltaicos como revestimiento de edificios comerciales en los Emiratos Árabes, país cuya principal fuente de energía ha sido la electricidad basada en los combustibles fósiles.
En el artículo se estudia el problema que supone el exceso de radiación que llega a producir una reducción de entre un 3 y un 4% de la eficiencia de los módulos debido al incremento de la temperatura (50-60º) respecto a las condiciones estándar.
En la disertación se establece que para que la tecnología sea rentable se requiere un tiempo de recuperación corto de la energía empleada para la generación del panel respecto a la vida útil del sistema, y que el diseño debe ser tal que reduzca la transferencia de calor al edificio gracias a la barrera generada por los paneles.
Del estudio comparativo en tres ubicaciones se concluye que si bien el tiempo de retorno de la inversión teniendo en cuenta el coste ambiental de producción del panel puede ser de entre 12,4 y 12,8 debido a la influencia de la temperatura y humedad relativas.
En “Investigation on the annual thermal performance of a photovoltaic wallmounted on a multi- layer façade” [11] se estudia el rendimiento térmico de una pared fotovoltaica multicapa respecto de una pared normal, llegándose a la conclusión que la fachada orientada hacia el sur podría reducir la ganancia de calor a través de la envolvente en un 51% en los meses de verano con las condiciones climatológicas de Hong Kong.
Igualmente se evaluó que la pared podía además reducir la pérdida de calor durante la noche, en invierno, reduciéndose la ganancia de calor un 69% durante el día y la pérdida de calor un 32% durante la noche respecto a una fachada normal. Como conclusión se consigue una reducción de 52.1 kWh que equivale a una reducción de 18,6 kWh de consumo de energía eléctrica de los sistemas de climatización.
Como podemos concluir del estudio del arte la tecnología fotovoltaica con soluciones mediante paneles tradicionales es la más eficiente y sostenible, consiguiéndose resultados inmejorables en cuanto al coste kW respecto a otras tecnologías y con unos resultados de mejora de la envolvente de los edificios igualmente atractiva.
6. ESTUDIO DEL EDIFICIO OBJETO
Para el presente trabajo se ha elegido un edificio objeto cuyo diseño representa el máximo exponente de problema arquitectónico moderno. Se trata de un caso real de un edificio cuya
envolvente está principalmente compuesta de vidrio ubicado en el Municipio de Las Torres de Cotillas, lo cual nos proporciona un caso de estudio perfecto para la solución planteada respecto a la reducción de la ganancia de calor reduciendo de esta manera la demanda de refrigeración y la utilización de la generación fotovoltaica para compensar la demanda eléctrica del edificio.
6.1 Ubicación.
La edificación se encuentra situada en la plaza Adolfo Suarez del Municipio en el número 1, tal y como se refleja en la imagen:
Figura 4. Ubicación del edificio objeto.
Tal y como puede verse en la Figura 4 se trata de una edificación aislada y en vista del planeamiento aprobado no se prevé la construcción de ningun volumen que pueda arrojar sombras sobre ninguna de las partes del edificio.
6.2. Descripción de la edificación.
Se trata de un edificio con cuatro plantas sobre rasante de forma rectangular de dimensiones 47 x 10 metros y dos plantas bajo rasante de forma irregular. Las plantas superiores se destinan exclusivamente a uso administrativo y están formadas por despachos y salas de reuniones, la distribución es igual en todas ella con un vestíbulo central vertical que alberga el núcleo principal de escalera y ascensores, un pasillo que discurre por la fachada sur y conecta la zona de despachos con el vestíbulo y escalera principal y otro núcleo interior de escaleras donde se ubican los aseos de planta. Se intercalan en la distribución pequeñas salas o almacenes destinados a cuartos técnicos y comunicaciones verticales. Las plantas sobre rasante tienen sus fachadas orientadas a noroeste, noreste, sureste y suroeste, con una altura entre fino y fino de forjado de unos 3,30 metros.
La planta -1 está formada por un vestíbulo general al que acometen la escalera principal y el núcleo de ascensores, dispone de una zona administrativa de atención al público y un salón de plenos, en el otro extremo y fuera ya del ámbito de la edificación general se encuentra una
En la planta -2 se encuentra el aparcamiento del edificio que ocupa además de la superficie de la planta baja parte de la plaza anexa a la edificación. Se encuentran también en esta plana cuartos de instalaciones y almacenes de archivos.
En la planta cubierta se ubica la maquinaria de climatización y ventilación de la edificación además de la maquinaria para la limpieza de las fachadas de vidrio. La circulación por esta planta esta reservada al personal de mantenimiento no existiendo paramentos para evitar caídas en la misma.
Los planos del edificio se encuentran en el documento Anexo I.
El cuadro de superficies de la edificación es el siguiente (Tabla 1):
Planta Superficie Útil (m2) Ocupación (personas)
Planta -2 4219,50 85
Planta -1 2290,65 230
Planta Baja 457,81 46
Planta Primera 327,49 33
Planta Segunda 362,34 37
Planta Tercera 363,51 37
Planta Cubierta 451,45 -
Tabla 1. Cuadro de superficies.
De cara a los cálculos de la demanda térmica del edificio se han tenido en cuenta las superficies habitables no participando en dichas estimaciones ni la planta de aparcamiento ni las zonas bajo rasante que si bien se tienen en cuenta para la demanda de energía primaria para el ahorro de la demanda energética en función de la solución utilizada no serán objeto del estudio por no influir en él.
6.3 Certificación energética
Mediante la utilización del programa de dibujo en 3D Archicad modelamos el edificio objeto para luego exportarlo al programa IFC Builder y hacer la migración a CYPETHERM HE Plus, este programa está certificado por el Ministerio para el cálculo de la certificación energética de edificios y al hacer la migración desde el dibujo en 3D nos permite simular tanto la demanda energética del edificio objeto, así como la que se obtendrá con sus distintas alternativas.
Figura 5. Modelado del edificio objeto en Archicad 3D.
Se lleva a cabo la simulación con el cálculo de la transmitancia de cada uno de los elementos que forman parte de la envolvente y por tanto afectarán a la demanda energética, tanto cerramientos como huecos.
Figura 6. Cálculo de la transmitancia térmica CYPETHERM HE PLUS.
Se prevé un horario de uso de la edificación de 8:00 a 15:00 con un número máximo simultaneo de 92 trabajadores.
Tal y como era de esperar se obtiene una calificación de tipo B con un índice global 47,62, muy próxima a la C, muy mala para un edificio con menos de 10 años de antigüedad siendo en el mismo la demanda de calefacción una F y la de refrigeración una C.
CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA NO RENOVABLE
[kWh/m²·año]
EMISIONES DE DIÓXIDO DE CARBONO [kg CO2/m²·año]
DEMANDA DE CALEFACCIÓN DEMANDA DE REFRIGERACIÓN
Demanda de
calefacción[kWh/m²·año] Demanda de refrigeración[kWh/m²·año]
Figura 7. Resultados certificación energética.
El documento completo de certificación energética del edificio objeto se puede consultar en el Anexo II del presente documento.
Para nuestro trabajo estudiaremos dos alternativas que irán en este sentido, en primer lugar, optaremos por la instalación de una fachada ventilada compuesta por módulos fotovoltaicos y vidrio con protección solar.
Figura 8. Modelado alternativa 1 Fachada ventilada.
La fachada ventilada cumplirá la doble función de reducir la radiación solar sobre el edificio reduciendo la carga térmica por radiación, así como la reducción de la carga térmica por convección gracias a la ventilación natural que sucederá sobre los cerramientos del edificio por el efecto chimenea que se producirá. [12] Dicho efecto favorecerá igualmente a la reducción de la temperatura de los módulos solares fotovoltaicos.
Figura 9. Funcionamiento de una fachada ventilada.
Debido a que los paneles a instalar serán opacos por su alto nivel de producción se alternarán con filas de vidrios con protección solar para permitir la entrada de iluminación natural al edificio, pero sin que se reciba un excesivo nivel de radiación.
En vista de los consumos medidos y dado que la única superficie disponible es la correspondiente a las fachadas sureste y suroeste por no ser practicable la cubierta del edificio podemos determinar a priori que no se va a poder cubrir la demanda energética de la instalación y por tanto habrá que maximizar la potencia instalada.
Como alternativa a esta disposición utilizaremos paneles para quitar radiación a la envolvente del edificio, instalaremos parte de ellos con el ángulo de inclinación óptimo que arrojarán sombra sobre la fachada y otros adosados a esta. Esta composición a priori más sencilla que le ejecución de la fachada ventilada tiene la desventaja de que no se elimina calor por convección del interior de la cámara y que al no disponer de vidrio de protección entre placas la radiación incidente es mayor.
Figura 10. Modelado alternativa 2 Paneles con inclinación óptima y a 90º.
6.4 Distribución de consumos energéticos de la instalación.
Con los datos obtenidos de la factura eléctrica, se realiza una estimación de los consumos del edificio en base a los equipos instalados. Como puede verse en la Figura 11 los consumos se mantienen bastante estables a lo largo del año produciéndose las mayores variaciones en los equipos de climatización en los meses de más frio y calor. Se puede apreciar que el consumo es desmesurado, pero mucho mayor en verano, esto es debido a que la demanda de refrigeración es muy superior a la de calefacción por la tipología de la edificación a pesar de la reducción de personal durante los meses de julio y agosto en los que gran parte de los ocupantes se encuentran de vacaciones.
Mes Iluminación (kWh)
Calefacción (kWh)
Refrigeración (kWh)
Equipos (kWh) Otros (kWh) Total (kWh)
Enero 1.790,90 16.568,78 3.196,80 2.939,52 24.496
Febrero 1.347,99 14.669,98 3.552,00 2.668,63 22.239
Marzo 1.492,42 13.566,35 3.552,00 2.537,83 21.149
Abril 1.155,42 11.909,62 3.552,00 2.265,96 18.883
Mayo 1.193,93 15.787,55 3.552,00 2.800,02 23.334
Junio 866,57 20.207,88 3.552,00 3.358,15 27.985
Julio 895,45 25.208,37 2.664,00 3.922,88 32.691
Agosto 1.193,93 25.608,51 1.776,00 3.897,06 32.476
Septiembre 1.444,28 19.321,38 3.552,00 3.316,04 27.634
Octubre 1.790,90 15.233,17 3.552,00 2.805,83 23.382
Noviembre 1.733,13 13.325,90 3.552,00 2.537,87 21.149
Diciembre 1.790,90 14.340,80 3.196,80 2.635,70 21.964
Total año. 16.695,82 87.704,98 118.043,30 39.249,60 35.685,50 297.379
(%) 5,61 29,49 39,69 13,20 12,00
Si agrupamos el consumo en términos porcentuales vemos que los grandes consumidores después de la climatización son los equipos, esto es debido a que toda la iluminación es de tipo LED que reduce bastante su consumo.
Figura 12. Distribución de consumo anual
Como era de esperar y tratándose de un edificio administrativo el mayor consumo se produce en la climatización del edificio. De ahí se deriva que el mayor consumo se produzca durante los meses de frio y calor. Por la tipología del edificio con la mayor parte de la fachada de cristal se da la circunstancia de que el consumo en invierno es menor que en verano ya que se produce el efecto invernadero y por tanto el consumo de calefacción solo se hace necesario a primera hora cuando aún no hay soleamiento.
La demanda anual de energía es de 297.379 kWh para el edificio. [13]
6.5. Cálculo de la reducción de la demanda energética.
Tal y como hemos previsto para la primera alternativa la instalación de los paneles fotovoltaicos junto con el vidrio solar formando la fachada ventilada reducirá la carga térmica del edificio, reduciendo la radiación directa sobre el mismo y disipando mediante convección el calor de la envolvente.
Se debe estimar la reducción de la demanda tras la instalación de la fachada ventilada ya que el mayor consumo como hemos visto se produce en los meses de verano debido a la carga térmica existente. Como veremos se producirá una mejora en el aislamiento térmico de la edificación reduciendo las pérdidas de calor en invierno y evitando el incremento de este en verano.
Realizaremos un breve estudio teórico del comportamiento térmico de una envolvente tradicional y una envolvente ventilada. [14]
Como sabemos la transmisión de calor se produce de dentro a fuera del edificio debido al gradiente de temperatura decreciente, en la envolvente de la edificación se produce un intercambio de calor por convección y radicación.
El aire se encuentra en el interior como flujo laminar, su coeficiente de convección se estima entre 2 y 25 W/m2K el valor de este coeficiente depende a su vez de otras variables del fluido como son viscosidad, velocidad, calor específico y temperatura.
La fórmula para el cálculo de dicho coeficiente es la siguiente:
1/ 4
1, 42 T
supT
fluidocos h = − L
(1.1)Donde θ es el ángulo de la pared sobre la que incide el fluido y por tanto su coseno vale 1.
Se produce la transferencia de calor por conducción a través de la fachada, la fórmula de dicha transferencia es la siguiente en función de los distintos materiales presentes en esta:
2
2
i i i
i pi i
T k T
C x
=
(1.2)Siendo k el coeficiente de conductividad térmica en W/mK, ro la densidad en kg/m3, C el calor específico en J/KgK y x el espesor del material en metros y el subincide “i” cada uno de los tipos de materiales que componen la fachada.
Por tanto podemos deducir que cuantos mas materiales se presenten en la fachada se producirá una disminución en la transmisión de calor gracias a las nuevas capas.
En el exterior de la fachada se producirá la incidencia de la irradiación solar con las siguientes condiciones límite:
1
1 sup, sup, 1
1 0
( ) ( )
r ext amb r ext amb sol
x
T h T T h T T G
x
=
− = − + − +
(1.3)Para el exterior
1 n int
(
sup,int int)
n x L
T h T T
x
=
− = −
(1.4)20
p a
800
T = T + TONC − I
(1.5)Figura 13. Incidencia solar fachada actual
Para el interior de la envolvente.
Las temperaturas de las fórmulas son las existentes en las superficies exterior e interior de la envolvente en el ambiente y en el interior de la edificación. Gsol es la irradición solar y alfa la absorbida por el interior. De la resolcuión de ambas ecuaciones en contacto con el aire ambiente se obtiene el coeficiente de convección
2 2
sup,ext
(
1 2)(
1 2)
h = T + T T + T
(1.6)Siendo σ la constante de Stefan Boltzmann.
En el caso de la instalación de paneles fotovoltaicos y vidrio solar se produce una cámara de aire entre estos y la superficie externa de la envolvente del edificio. Dicha cámara de aire contribuirá a ganancias o pérdidas de calor en función de la Tamb. Igualmente apotará intercambio de calor por convección entre la envolvente y la superficie interior del panel.
La fórmila para la radiación absovida por los paneles es la siguiente:
, ( ) , ( ) , ( ) , ( )
fv output conv front fv aire front rad front fv aire conv back fv aire back rad back fv aire
G =E +h T −T + h T −T +h T −T + h T −T (1.7)
Siendo necesarias las caracterísitcas fisicas de los mismos (coeficinete de convección, factor de abosrción, factor de emisividad, eficiencia en la conversión y potencia) para el cálculo.
Respecto al vidrio solar dicha fórmula se simplifica igual que en el ejemplo anterior.
Figura 14. Incidencia solar fachada ventilada
Para los cálculos se ha empleado la herramienta CYPERTHERM HE plus ya utilizada para el cálculo de la eficiencia energética de la instalación modelando la fachada ventilada. Hemos aproximado para el cálculo el coeficiente global de transmisión de los paneles en un 3,75 W/m2K y con una absorción del 96% de la irradiación.
Respecto al vidrio se estima un coeficiente del 3,42 W/m2K introduciendo unos valores medios para poder hacer la simulación lo más realista posible.
Para la alternativa 2 donde no se ejecutará fachada ventilada se optará por la instalción de paneles con un grado óptimo de inclinación que arrojarán sombra sobre las distintas plantas y otros adosados directamente.
.
En este caso la transmisión de calor se producirá como hemos visto anteriormente pero la radiación incidente será menor por el sombraje que arrojan las placas sobre la envolvente existente.
En el siguiente apartado realizaremos la cuantificación de estas simulaciones respecto al edificio que nos ocupa.
6.5.1. Demanda térmica edificio objeto.
Para el estudio nos centraremos en la demanda térmica de la parte del edificio donde se pretende actuar, no siendo las dos plantas bajo rasante objeto de este estudio. En cualquier caso, como lo que se pretende obtener es la reducción de la demanda energética en función de la alternativa elegida se trata de un estudio completamente válido extrapolable a la totalidad de la edificación. Si se tendrán en cuenta de cara a la instalación fotovoltaica para satisfacer la demanda de energía primaria.
Atendiendo únicamente a la demanda energética a cubrir por los sistemas de calefacción y refrigeración, las necesidades energéticas y de potencia útil instantánea a lo largo de la simulación anual se muestran en los siguientes gráficos:
Energía (kWh/mes) Potencia (W)
Figura 16. Demanda energética edificio objeto
De los resultados de cálculo del programa obtenemos la demanda energética del edificio que debe satisfacerse en el cálculo del consumo de energía primaria, corresponde a la suma de la energía demandada de calefacción, refrigeración y ACS del edificio según las condiciones operacionales definidas, en el edificio no existe ACS y por tanto se ceñirá a las dos primeras.
Zonas habitables Su
(m²)
Dcal Dref
(kWh/año) (kWh/m²·año) (kWh/año) (kWh/m²·año) Torre Ayuntamiento 1785.96 6503.19 3.64 62990.52 35.27
1785.96 6503.19 3.64 62990.52 35.27
Tabla 2: Resultados demanda térmica refrigeración y calefacción edificio objeto donde:
Su: Superficie útil de la zona habitable, m².
Dcal: Valor calculado de la demanda energética de calefacción, kWh/año.
Dref: Valor calculado de la demanda energética de refrigeración, kWh/m²·año.
Tal y como comentamos anteriormente la demanda de calefacción es pequeña debido al efecto invernadero que provoca la envolvente de cirstal en el edificio. Siendo desorbitado la demanda de refrigeración en verano.
6.5.2. Demanda térmica con fachada ventilada.
Partiendo del edificio objeto repetimos la simulación pero modelando la fachada ventilada en el programa CYPERTHERM HE Plus, para que considere que el espacio entre la envolvente y la segunda piel se trata de una fachada ventilada creamos una partición virtual en los límites de esta y le damos al espacio entre ambas la clasifiación de zona exterior.
Figura 17. Sección fachada ventilada
Nuevamente obtenemos la demanda energética a cubrir por los sistemas de calefacción y refrigeración, que relejamos gráficamente:
Energía (kWh/mes) Potencia (W)
Figura 18. Demanda energética fachada ventilada
Zonas habitables Su
(m²)
Dcal Dref
(kWh/año) (kWh/m²·año) (kWh/año) (kWh/m²·año) Torre Ayuntamiento 1785.96 25062.53 14.03 40074.04 22.44
1785.96 25062.53 14.03 40074.04 22.44
Tabla 3: Resultados demanda térmica refrigeración y calefacción fachada ventilada
donde:
Su: Superficie útil de la zona habitable, m².
Dcal: Valor calculado de la demanda energética de calefacción, kWh/año.
Dref: Valor calculado de la demanda energética de refrigeración, kWh/m²·año.
Vemos que sube considerablemente la demanda de calefacción y baja de manera drástica la demanda de refrigeración. Esto se explica debido a que en invierno se produce una reducción considerable de la radiación solar sobre la fachada debido al efecto de la fachada ventilada compuesta y por tanto se incrementa la demanda de calefacción del edificio.
6.5.3. Demanda térmica con elementos de sombraje.
Por último se modela el edificio objeto considerando solamente la instalación de los paneles solares como elementos de sombraje, adosando el panel inferior a la cara exterior del muro cortina y ubicando el superior con el ángulo de producción óptima respecto a la fachada.
Se obtiene para este caso la siguiente demanda energética de calefacción y refrigeración:
Energía (kWh/mes) Potencia (W)
Figura 19. Demanda energética elementos de sombraje
En valores globales anuales:
Zonas habitables Su
(m²)
Dcal Dref
(kWh/año) (kWh/m²·año) (kWh/año) (kWh/m²·año) Torre Ayuntamiento 1785.96 20034.26 11.22 42453.18 23.77
1785.96 20034.26 11.22 42453.18 23.77
Tabla 4: Resultados demanda térmica refrigeración y calefacción elementos de sombraje
donde:
Su: Superficie útil de la zona habitable, m².
Dcal: Valor calculado de la demanda energética de calefacción, kWh/año.
Dref: Valor calculado de la demanda energética de refrigeración, kWh/m²·año.
En este último caso se ve que la demanda de calefacción disminuye respecto al anterior ya que en invierno al no existir fachada ventilada si no solo elementos de sombraje el edificio recibe una mayor radiación y por tanto se calienta más. Respecto a los meses de más calor al estar el sol más elevado la inclinación del panel solar superior consigue evitar el paso de la mayor parte de radiación directa y por tanto la demanda de refrigeración se meantiene prácticamente igual que ocn la fachada ventilada, siendo un poco superior en los meses intermedios al no estar el sol tan alto.
6.5.3. Comparativa demanda térmica.
Realizando el análisis comparativo del edificio objeto respecto a las dos alternativas estudiadas tendremos que:
Figura 20. Comparativa demanda térmica Demanda
Tal y como hemos visto la alternativa dos consistente en la instalación de una fachada ventilada es la que supone un mayor ahorro global de cara a la demanda energética del edificio produciendose la mayor disminución en la demanda de refrigeración respecto al edificio objeto y un aumento de la demanda de calefacción algo inferior que en la solución de la fachada ventilada.
El resultado completo del cálculo de la demanda térmica y el informe de consumo del edificio y sus alternativas se encuentran en el Anexo III
7. INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA PARA AUTOCONSUMO
El objetivo de este trabajo es conseguir minimizar el consumo energético del edificio mediante la reducción de la demanda térmica y la generación de energía eléctrica para abastecer la demanda eléctrica total.
En el apartado anterior se ha concluido cual es la solución que ofrece una mayor reducción de
Se llevará a cabo una instalación fotovoltaica para tratar de cubrir al máximo la demanda eléctrica del edificio. Se realizará en primer lugar un estudio de la superficie disponible apta para la instalación de los módulos fotovoltaicos.
Tal y como hemos visto en anteriores apartados la cubierta es la ubicación ideal para la instalación de los paneles. En caso de cubiertas inclinadas se pueden conseguir soluciones integradoras ubicando los paneles con la inclinación de las mismas o suplementándolas para buscar el ángulo óptimo tal y como se hace en las cubiertas planas.
Por desgracia, en nuestro edificio la superficie en planta no es excesivamente grande con el añadido de que la cubierta del edificio tiene poco espacio disponible por albergar las unidades exteriores de aire acondicionado. No siendo transitable en la zona central correspondiente al vestíbulo central y teniendo todo el perímetro ocupado por los railes de la maquinaria para la limpieza de las fachadas acristaladas. Es por ello que la utilización de la cubierta queda completamente descartada
Descartada esta opción las únicas alternativas viables son las fachadas sureste y suroeste por ser las que recibirán mayor soleamiento a lo largo del día durante todo el año. Teniendo en cuenta que la orientación de la fachada sur es de tan solo 19º respecto a este, y que en las horas de producción que nos proporcionaría la fachada suroeste el edificio no está ya ocupado descartamos la utilización de esta, ya que la energía producida por la fachada suroeste supondría una inversión que no compensaría el ahorro conseguido.
En la fachada sur se estudiarán dos alternativas, la instalación de los panelees horizontalmente con un ángulo de 90º o poniendo parte de ellos en posición horizontal con la inclinación óptima.
Los huecos entre paneles se ocuparán con vidrio con protección solar para minimizar la radiación recibida por el hueco que queda, pero permitiendo iluminar el interior de la edificación.
En función de la solución óptima se conectarán los paneles a varios inversores en función de su orientación e inclinación.
7.1. Estudio de las alternativas
7.1.1. Emplazamiento de la instalación
El emplazamiento seleccionado donde se ubica el edificio se encuentra en la Plaza Adolfo Suarez nº 1 del Municipio de Las Torres de Cotillas. Sus coordenadas son: 38.028º N y longitud 1.240º O.
7.1.2 Superficie disponible
Como hemos comentado anteriormente la superficie disponible corresponde a las fachadas sureste y suroeste desde las plantas 1ª a la cubierta del edificio, el resto de la edificación queda oculta bajo la rasante de la calle.
Dado que el edificio tiene una superficie en planta aproximada de 47x10 m y una altura de fino a fino de forjado aproximada de 3,30 excepto en la última planta que es unos cm. menor lo que nos da una altura total de 13 metros:
Figura 21. Alzado sur edificio objeto.
La superficie bruta disponible en la fachada sur-este es de 631 m2.
Dado que la única entrada de luz que tienen las estancias que dan a esta fachada es a través de la envolvente de cristal existente, no sería viable cubrir por completo la fachada de módulos opacos y por tanto habrá que hacer una distribución tratando de maximizar el número de módulos permitiendo a su vez la entrada de luz, no obstante como hemos comentado en este espacio se instalará un vidrio con protección solar para minimizar la radiación que entre al edificio por estos huecos.
La distribución en planta del edificio en las plantas afectadas puede verse en la Figura 22:
Figura 22. Distribución plantas edificio objeto.
7.1.3 Datos climatológicos locales.
Para conocer las condiciones en las que trabajarán los módulos utilizaremos el programa PVGIS. [15] Esta herramienta nos proporciona información de los valores de irradiación horizontal, irradiación en el ángulo óptimo y temperatura media diaria para cada mes del año en la ubicación del edificio objeto. Con los valores de latitud y longitud antes definidos obtenemos los siguientes valores:
Irradiación horizontal Irradiación ang. óptimo Temperatura media
Mes kWh/m2 kWh/m2 oC
Ene 76,68 127,30 14,3
Feb 95,04 133,80 14,1
Mar 141,99 173,61 14,4
Abr 166,2 176,05 16,6
May 207,58 199,38 19,1
Jun 237,98 218,43 23,8
Jul 238,26 223,50 25,7
Ago 220,63 227,61 25,3
Sep 171,00 201,86 24,3
Oct 116,37 155,48 20,9
Nov 79,82 125,31 16,1
Dic 62,20 103,98 13,3
Tabla 5: Valores irradiación horizontal, en ángulo óptimo y Temperatura media ubicación edificio objeto
Figura 23. Irradiación solar mensual
7.1.4. Ángulo de inclinación óptimo
La inclinación óptima de los módulos viene condicionada por la latitud de la ubicación de la instalación y de la época en la que va a ser utilizada. En nuestro caso y dado que la instalación se utiliza durante todo el año a pesar de que el consumo es mas intenso en verano se busca el ángulo óptimo para todo el año.
La finalidad es la obtención de hacer coincidir la inclinación con la latitud es que de esta manera se consigue que el módulo fotovoltaico esté perpendicular con respecto a la incidencia de la radiación.
La herramienta PVGIS también nos proporciona el ángulo del sol en el día más desfavorable del año, el 21 de diciembre. A continuación, se presenta una tabla comparativa entre el ángulo óptimo y el ángulo el día más desfavorable:
Figura 24. Inclinación solar máxima y mínima anual
Angulo óptimo: 35 deg
7.1.5. Pérdidas
La energía generada por la instalación fotovoltaica responde a la fórmula
( , )
GFV365
E = Gda P PR
(2.1)Donde:
E
: producción de electricidad solar anual (Kwh/año)( , )
Gda
: valor medio anual de la radiación diaria sobre superficie orientada con acimut alfa e inclinación beta (Kwh/m2día)P
GFV: potencia del generador fotovoltaico en condiciones estándar (Kwp)PR
: Performance ratio o rendimiento del sistema (adimensional)El rendimiento del sistema dependerá de las pérdidas que los distintos factores que influyen en la instalación puedan generar: [16], [17]
Pérdidas de conexionado. La fabricación de los módulos no suele ser perfecta y dentro de una misma serie se producen unidades con ligeras diferencias en su potencia nominal. Al realizar las conexiones en serie o en paralelo de unidades que no son de idénticas características se produce una merma en la corriente que circulará por ellos al conectarse en serie, ya que el de menor potencia limitará la corriente de toda la serie, y en paralelo, para la diferencia de tensión.
Pérdidas por temperatura. El calentamiento del módulo fotovoltaico hace disminuir su capacidad de producción en el orden de un 4% por cada 10 ºC de diferencia respecto a la temperatura del módulo en condiciones estándar.
Pérdidas por caída de tensión en el cableado. Tanto en el cableado de corriente continua como en el de corriente alterna de la instalación se producen perdidas, estás se transforman en calor por el efecto Joule. Estas dependerán de la sección y material utilizado, para nuestro trabajo las consideraremos del 3%.
Pérdidas por suciedad. La suciedad de los módulos puede provocar una disminución de la potencia generada. Se deben distinguir dos tipos: la suciedad homogénea que se puede depositar sobre todos los captadores, que tendrá como consecuencia una disminución en la intensidad general, y la suciedad por ensuciamientos puntuales como excrementos de pájaros que generarán puntos calientes y producirán pérdidas por conexionado.
Perdidas por rendimiento del inversor. En la elección del inversor debe considerarse la curva de rendimiento en función de la potencia. Un inversor de alto rendimiento funcionando con una potencia de generador no adecuada operará en unas condiciones que harán disminuir considerablemente la energía producida.
Pérdidas por sombras. Sin duda pueden llegar a ser muy representativas, tanto el sombraje que puedan arrojar árboles u otros elementos de edificación, como la que pueden arrojar unos módulos sobre otros en determinados momentos del día provocan una disminución de la captación de radiación solar, además de que se puedan generar puntos calientes que disminuyen enormemente la energía producida.
Pérdidas espectrales y angulares. Las condiciones estándar en las que se prueban los módulos fabricados o STC están referidas a unos valores concretos de temperatura e irradiancia. Es difícil que dichas condiciones se produzcan y mantengan durante el tiempo de funcionamiento y por tanto esto genera unas pérdidas respecto a lo que se hubiera proyectado. Por otra parte, el ángulo de incidencia de la radiación sobre la superficie del módulo también influye ya que todo lo que no sea perpendicular generará pérdidas. Respecto al espectro solar de la radiación afecta a las células produciendo ganancias o pérdidas.
Utilizamos los valores del CTE HE5, [18] de guía para determinar el valor máximo de las pérdidas por orientación e inclinación.
Figura 25. Pérdidas límite del CTE HE5
Para el cálculo de la energía generada utilizaremos PVGis, en el programa ya se tienen en cuenta las perdidas por orientación e inclinación ya que de cara al cálculo hay que indicarle la posición e inclinación de los módulos.
7.1.6. Obtención del ángulo de azimut
Los paneles fotovoltaicos se instalarán hacia el sur para obtener las menores pérdidas posibles. Para calcular las pérdidas que se producen debidas a la orientación e inclinación es necesario calcular el ángulo de azimut de la instalación, [19] que se define como el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano.
El ángulo azimutal obtenido para nuestro edificio y localización es α= -19º tal y como puede apreciarse en la Figura 26.
Figura 26: Esquema Ángulo de azimut
7.1.7. Valores límite
los valores conocidos: Azimut, cuyo valor es -19° y valor de pérdidas máximo que en nuestro caso por ser de integración arquitectónica se fija en 40%. La intersección del límite del circulo para pérdidas del 40 % (borde exterior de la región 60 % - 70 %), máximo para el caso general, con la recta de azimut -19° nos proporcionan los valores:
● Inclinación máxima = 90°
● Inclinación mínima = 79°
Figura 27. Inclinación máxima y mínima
Corregimos con la latitud del emplazamiento para Las Torres de Cotillas (38º):
Inclinación máxima = inclinación máxima (ϕ = 41) – (41 – 38)= 60 – (41 – 38) = 57º Inclinación mínima = inclinación mínima (ϕ = 41) – (41 - 38= 5 – (41 – 38) = 2º
Por tanto, nuestra instalación está fuera de los valores límite lo que se traducirá en unas pérdidas algo superiores a las estimadas, pero de no mucha relevancia.
7.1.8. Sombras
Como vimos anteriormente las pérdidas por sombras pueden obedecer a dos factores principales, las pérdidas que arrojan elementos cercanos a la instalación sobre ella, como pueden ser edificaciones, arboles, farolas, o bien la sombra que puedan arrojar sobre la instalación los mismos módulos fotovoltaicos.
Min=
5º
Max=
60º
α=0º
Para el primer caso se utiliza el llamado diagrama de trayectorias de sol, en el se refleja el perfil de obstáculos que se presenten en la ubicación elegida en función de su altura respecto a la instalación y el azimut de cada uno de los obstáculos [21].
Figura 28. Plano de sombra la localización seleccionada
Las porciones ocupadas por los elementos definidos repercutirán en unas pérdidas en función del grado de ocupación de la porción, determinándose valores en incrementos desde 0 hasta 1 con incrementos de 0,25. La suma de los coeficientes de todas las porciones ocupadas darán lugar a un coeficiente total de pérdidas por sombra.
En nuestro caso y tratándose de una edificación aislada no será necesario realizar este cálculo ya que no existe ni se prevé que esta situación se vaya a modificar en el futuro.
Respecto a las pérdidas por sombras en nuestro caso y dado que la ubicación de los paneles será en la fachada no tendremos sombras para la alternativa de poner todos los paneles a 90º, en cambio para la alternativa 2 estudiamos las sombras que pueden arrojar los paneles que ubicaremos con la inclinación óptima respecto de los demás paneles.
7.1.9. Modulo seleccionado
Consultados distintos catálogos y vistas las características técnicas y coste de fabricantes de módulos solares hemos seleccionado el panel de la marca JA Solar por tener altas prestaciones y un coste razonable, estando muy extendido su uso en estos momentos. El modelo que vamos a proyectar concretamente es el JAM72S20 465/MR cuyas características técnicas podemos ver en la Figura 29: [22]
Figura 29. Características técnicas módulo fotovoltaico JAM72S20 465/MR
7.2 Instalación con todos los módulos a 90º
Como vimos al principio la fachada sureste tiene una superficie en bruto de 631 m2. Para la primera estimación estudiaremos la posibilidad de disponer todos los módulos a 90º procurando así que la integración arquitectónica sea total y evitando, además, que se puedan arrojar sombras unos a otros. A pesar de que dicha inclinación conlleve unas pérdidas
considerables favorecerá el aislamiento de ala envolvente de la edificación funcionando como fachada ventilada.
Teniendo en cuenta la superficie del módulo elegido la distribución en la fachada quedaría de la siguiente manera:
Figura 30. Alzado sur alternativa 1
Disonemos en total de 176 paneles de 465 Wp lo que nos da una potencia total de campo generador de 81.840 Wp.
Utilizando PVGis introducimos la inclinación de 90º para los paneles, además consideramos unas pérdidas para el resto de parámetros para esta disposición de los siguientes factores de pérdidas:
Pérdidas Inclinación 90º
Conexionado 3 %
Caída de tensión cableado 3 %
Suciedad 2 %
Inversor 2 %
Sombras 0 %
Total 10 %
Tabla 7: Resumen pérdidas alternativa 1
Figura 31. Calculo producción alternativa 1 PVGis Mes Inclinación 90º
Enero 10.061,60
Febrero 8.247,00
Marzo 8.746,60
Abril 6.969,30
Mayo 5.865,40
Junio 5.051,10
Julio 5.453,20
Agosto 6.814,60
Septiembre 7.692,40
Octubre 8.793,90
Noviembre 8.663,90
Diciembre 9.255,00
Tabla 8: Producción estimada alternativa 1
Se obtiene una producción anual de 91.614,06 kWh
7.3 Instalación con todos los módulos con inclinación óptima
Se estudia a continuación la segunda alternativa que conlleva la instalación de los módulos con la inclinación óptima. En este caso la edificación carecerá del efecto de fachada ventilada, pero en cambio se considerará un cierto grado de sombraje que influirá en la demanda térmica del mismo, aunque en menor medida.
Se da la circunstancia que esta instalación funciona peor desde el punto de vista estructural y por tanto la encarece bastante ya que los paneles están sometidos a esfuerzos mayores por estar más expuestos.
La disposición de los paneles debe ser de tal manera que no se arrojen sombras unos a otros y por tanto deberán ubicarse a una distancia mínima unos de otros. Igual que se hace con los paneles ubicados en planos horizontales se utiliza como referencia el 21 de diciembre.
Utilizando PVGis obtenemos que el ángulo óptimo de inclinación es de 34º.
Figura 32. Distancia mínima paneles
La distancia entre paneles vendrá dada por la expresión:
tanh d cos
L
=
(3.1)La altura solar se obtiene de la expresión:
H = 90º - latitud º + inclinación del día menos favorable º
En nuestro caso la latitud es de 38º y la inclinación del sol el día menos favorable 28 º con lo que la altura solar será 24º
Sustituyendo en la fórmula obtenemos una distancia mínima entre paneles de 0,51 m. que en nuestro caso será bastante mayor y nos permitirá disponer de otra fila de módulos a con una inclinación de 90º sin que se produzca sombra sobre estos
La disposición de los paneles quedará en la fachada de la siguiente forma:
Figura 33. Alzado sur alternativa 2
En este caso tendremos un sistema mixto con paneles a 90 º y paneles a 34º utilizamos nuevamente PVGis para los cálculos estimando unos coeficientes de pérdidas para ambas situaciones de:
Pérdidas Inclinación 90º Inclinación 34º
Conexionado 3 % 3 %
Caída de tensión cableado 3 % 3 %
Suciedad 2 % 3 %
Inversor 2 % 2 %
Sombras 0 % 0 %
Total 10 % 11 %
Tabla 9: Resumen pérdidas alternativa 2
Tendremos 88 paneles en posición vertical dando una potencia total de campo generador de 40,92 kWp y otros tantos con la inclinación óptima.
Introducimos los dos sistemas en PVGis y obtenemos los siguientes resultados:
Figura 34. Calculo producción alternativa 2_1 PVGis
Figura 35. Calculo producción alternativa 2_2 PVGis Si sumamos la producción de ambos sitemas tendremos:
Mes Inclinación 90º Inclinación 34º Suma
Enero 4.979,20 5.030,8 10.078,10
Febrero 4.734,60 4.123,5 8.918,20
Marzo 6.081,70 4.373,3 10.526,00
Abril 6.185,20 3.484,6 9.735,30
Mayo 6.642,50 2.932,7 9.640,10
Junio 6.774,50 2.525,5 9.362,80
Julio 7.045,50 2.726,6 9.838,30
Agosto 6.865,60 3.407,3 10.342,90
Septiembre 5.931,70 3.846,2 9.844,50
Octubre 5.422,60 4.379,0 9.868,30
Noviembre 4.519,20 4.331,9 8.911,10
Diciembre 4.445,60 4.627,5 9.134,70
Tabla 10: Producción estimada alternativa 2
Sumando un total de producción de los dos sistemas de 116.218,51 kWh
Haciendo un análisis de resultados podemos concluir que la producción combinando módulos verticales con módulos con inclinación óptima es la que consigue mayor producción llegando a valores muy superiores en los meses de mayor soleamiento:
Figura 36. Comparativa producción alternativas 1 y 2
Llegados a este punto se debe analizar si la colocación de los paneles que maximiza la producción compensa el no contar con una fachada ventilada.
Tal y como vimos en el apartado sobre la reducción de la demanda térmica la solución de inclinar los paneles superiores y adosar los inferiores verticalmente suponía el mayor ahorro energético de la instalación.
Por tanto, la ejecución de una fachada ventilada con producción fotovoltaica puede ser una buena solución para reducir la demanda energética y producir energía, pero la alternativa de cubrir cada planta adosando un panel en la parte inferior de cada planta y disponiendo el otro panel en la parte superior con el ángulo óptimo de producción fotovoltaica es mejor en ambos sentidos y por tanto se optará por esta solución.
En este caso a pesar del desastre de habitabilidad que implica el diseño original del edificio su orientación de -19º respecto al Sur y el no contar con elementos de sombra ni ahora ni en el
8. DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA.
8.1 Sistema estructural
El no tener que optar por ejecutar una fachada ventilada simplifica la solución estructural ya de por si bastante complicada por la existencia del muro cortina que dificulta el acceso a los distintos forjados para poder anclar cualquier elemento.
Se optará por una subestructura superpuesta a la actual fachada y que se atará en varios puntos a la cara de cada forjado.
Será inevitable el desmontaje de algunas de las piezas de vidrio del muro para poder ejecutar los anclajes para dar sustentación horizontal a la subestructura.
Se optará por la instalación de una retícula de perfiles angulares en cada forjado que sobresaldrá de la cara exterior de la actual envolvente y sobre la que se soldará una subestructura de perfiles verticales de aluminio a los cuales se atornillarán los paneles fotovoltaicos.
Los paneles a desmontar en la fachada serán los sombreados en la Figura 37:
Figura 37. Desmontaje vidrios alzado sur El detalle constructivo de los anclajes sería el siguiente:
Figura 38. Detalle constructivo anclaje
A cada angular se le soldaría una pletina metálica de punto a punto de anclaje y sobres estas horizontales se montarían las verticales de aluminio a las que se atornillarían los paneles [23].
Para dar la inclinación óptima al panel vertical se optaría por esta solución:
Figura 39. Detalle constructivo soportes inclinados
De esta manera se conseguiría el ángulo óptimo de inclinación de 34º calculado anteriormente.
8.2. Instalación fotovoltaica
Procedemos ahora al calculo de los elementos de la instalación fotovoltaica. Tal y como hemos comentado tendremos dos sistemas distintos por tener unas placas orientadas 90º y las otras con el ángulo de inclinación óptimo de 34º.
Dado que los módulos son de las mismas características la potencia instalada en los dos subsistemas será la misma por disponer de el mismo número de paneles 88 paneles de 465 Wp lo que ofrece un total por sistema de 40,92 Wp de potencia instalada.
Por tanto, tendremos que elegir los inversores que cubran dicha potencia en cada sistema.
Elegiremos el inversor FRONIUS TAURO 50 kW de potencia, sus características son las siguientes [24]:
Figura 40. Características inversor TAURO 50-2-3
La ficha completa del inversor se encuentra en el Anexo V
A pesar de que la potencia nominal está algo por encima de nuestra potencia máxima el inversor tiene un número importante de entradas con lo que podremos conseguir optimizar la utilización de los paneles que componen la fachada.
Como podemos comprobar no se cumple la condición de 1<potencia instalda/potencia inversor<1,15 o 1,2 ya que la Potencia instalada x 1,2 sería 49,104 kW, a pesar de que no estamos en el rango lo daremos por válido.
Tendremos dos inversores de potencia nominal 50 Kw, uno para la instalación de los paneles a 90º adosados a la fachada y otro de 50 kW para la instalación con los paneles inclinados con el ángulo óptimo.
Procedemos a continuación al cálculo del número de módulos por ramal máximo o paneles colocados en serie
1) NÚMERO MÁXIMO EN SERIE
Para el cálculo necesitamos la tensión a circuito abierto a temperatura mínima del panel. A partir del dato de tensión a circuito abierto del panel, hacemos la corrección con la temperatura ambiente mínima:
max max
min
( )
( )
ca
U INV
n = U T panel
(4.1)Donde
