“Estudio y análisis comparativo de la producción fotovoltaica de un edificio residencial passivhaus y mejora de ratios energéticos”, es una de las comunicaciones que se desarrollaron durante el transcurso de CONTART 2024, la Convención Internacional de la Arquitectura Técnica, los días 25 y 26 de abril en Ibiza.
Esta ponencia está basada en la comunicación que mostramos a continuación y está ejecutada por nuestro colegiado y gerente, Lucio de la Cruz Pérez.
Resumen
En el artículo se analiza desde el punto de vista del balance de energía y de la variación de los diferentes ratios energéticos como ha sido la evolución del consumo y producción de energía de una vivienda Passivhaus, situada en un edificio residencial colectivo, tras las instalación de un sistema de producción fotovoltaico comunitario en cubierta.
El edificio dónde se ha instalado el sistema de producción fotovoltaico es un edificio residencial colectivo, ubicado en el municipio de Zaragoza en zona climática D3 y todas las viviendas tienen todos los sistemas de producción térmica y resto de servicios alimentados con energía eléctrica. La instalación fotovoltaica se ha realizado tras 3 años de estar el edificio habitado.
El estándar Passivhaus es un certificado de edificios de muy alta eficiencia energética que tiene entre sus características que las viviendas tengan una demanda de energía para calefacción y para refrigeración inferior a 15 kWh/m2 y año para ambos casos, con una carga de calefacción y refrigeración menor o igual a 10 W/m2.
El estudio se enfoca en dos vertientes, por un lado, como afecta en positivo la energía producida in situ desde el punto de vista del autoconsumo y de los excedentes vertidos a la red y, por otro lado, como esta experiencia de todas las viviendas alimentadas por un sistema central renovable como mejora los ratios energéticos a nivel global.
En el estudio se realiza un análisis comparativo totalmente real del consumo de la citada vivienda Passivhaus en el año 2022, discretizando entre los consumos de los diferentes tipos de servicios térmicos (agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración) y domésticos, llevando también a cabo un análisis respecto de los consumos en cada uno de los meses del año y cómo se puede programar el uso de ciertos elementos consumidores de energía para maximizar el aporte solar e incluso de hacer algo de almacenamiento de energía combinando la inercia térmica de los forjados con la producción de calor o frío en verano o en invierno.
Se analiza además la variación de producción real del sistema fotovoltaico al teórico inicial calculado con PVGIS.
Con todos los datos se pretende dar unas recomendaciones sobre la instalación de sistemas de producción fotovoltaico en las viviendas Passivhaus o de muy bajo consumo de energía.
PALABRAS CLAVE: Consumo de Energía, Passivhaus, Eficiencia Energética, Fotovoltaica, Autoconsumo
1. Introducción
En el sector de la edificación en España existe una gran distancia que separa nuestro parque edificado de las exigencias europeas relativas a la eficiencia energética de los edificios y, a través de ellos, de las ciudades. Casi el 58 % de nuestros edificios se construyó con anterioridad a la primera normativa que introdujo en España unos criterios mínimos de eficiencia energética: la norma básica de la edificación NBE-CT-79, sobre condiciones térmicas en los edificios. La Unión Europea ha establecido una serie de objetivos en el Paquete 20-20-20 «Energía y Cambio Climático» [1], que establece, para los 27 países miembros varios objetivos obligatorios. El objetivo es destinar grandes esfuerzos y recursos para lograr los objetivos 2030 y de cara a 2050 conseguir la reducción del nivel de emisiones un 80-95 % en relación a los niveles de 1990 y por la que se van a movilizar grandes inversiones en la renovación de edificios residenciales y comerciales, al objeto de mejorar el rendimiento energético del conjunto del parque inmobiliario [2].
En España, hace no mucho tiempo, se publicó el Real Decreto 732/2019 [3], que modifica el Código Técnico de la Edificación, incorporando un nuevo Documento Básico de Ahorro de Energía y fijando las premisas para la definición del Edificio de Consumo de Energía Casi Nulo.
Sin embargo, es cierto que, en diversas ciudades del país, principalmente en el norte de España, se está dando cierto movimiento técnico, empresarial y social que hace que se estén construyendo viviendas que se sitúan por encima incluso de lo prescrito en el referido RD 732/2019. Son viviendas o edificios de muy alta eficiencia de energía, siendo su estándar más extendido en la actualidad la certificación “Passivhaus”. Los edificios Passivhaus deben cumplir cinco principios [4], que son los siguientes: excelente aislamiento térmico, ventanas y puertas de alto aislamiento, eliminación de los puentes térmicos, ventilación controlada con recuperación de calor y estanqueidad al aire.
Cada vez está más demostrado la posibilidad que tienen los buenos edificios de mejorar la salud de las personas [5], y prueba de ello es que hay varios factores que inciden de forma clara y directa sobre estado de salud de los usuarios de un edificio a corto y medio plazo y que muchos de ellos son inversamente proporcionales al consumo de energía. En el presente artículo se analiza el impacto que tiene la instalación de un sistema de producción fotovoltaico comunitario en los consumos de la vivienda y como, puede mejorarse la gestión energética de la vivienda, mediante una adecuada programación y uso de las instalaciones térmicas del edificio.
2. Desarrollo / metodología
Para la realización de este estudio se han realizado los análisis de los diferentes consumos de energía de la vivienda analizada durante el ejercicio 2023, con el objetivo de poder determinar el consumo de energía en los diferentes servicios térmicos y eléctricos que necesita la vivienda, así como los rendimientos térmicos y sus variaciones con una mejora en la gestión de los mismos. El patrón de utilización de la vivienda ha sido similar al de los años anteriores. Se han utilizado datos reales, salvo algún mes que se ha simulado con datos de otros años.
Una vez contextualizado el consumo de esta vivienda de consumo de energía casi nulo, que supera ampliamente las prestaciones energéticas exigidas por el actual CTE [6], se obtienen los datos de la producción de energía fotovoltaica del edificio y la parte proporcional que le corresponde a la vivienda analizada de forma privativa, segmentando la parte de producción renovable eléctrica que se destina a autoconsumo y la parte que se vierte a la red a modo de excedentes.
- Caso a estudio, características de edificio y vivienda analizados
Se trata de un edificio residencial colectivo con 23 viviendas, garajes y trasteros, que en año 2019 obtuvo la certificación Passivhaus; está ubicado en el barrio de Valdespartera en el municipio de Zaragoza. Los datos de demanda y consumo de energía del edificio eran ya muy bajos en el momento en que los usuarios ocuparon las viviendas a finales de 2019, con una demanda energética de 23,52 kWh/m2 y año y un consumo de energía primaria no renovable de 20,14 kWh/m2 y año. Las instalaciones de producción de calefacción, ACS, refrigeración son eléctricas mediante un equipo de aerotermia y la ventilación se realiza mediante un equipo de ventilación con recuperador de calor de alta eficiencia, también eléctrico.
El edificio, tiene una orientación norte-sur con ligera inclinación hacia el oeste (unos 20 º) y dispone de invernadero, aunque parcial. Al tratarse de una edificación Passivhaus tiene unos muros con muy elevado aislamiento térmico, carpinterías de muy elevadas prestaciones térmicas y los puentes térmicos tratados. Dada la gran superficie de huecos existentes es necesario destacar las características de las carpinterías y los vidrios. Las carpinterías son de PVC marca VekaVariant, Serie Ecoven 82 mm. con 7 cámaras en color blanco interior y anodizado plata en el exterior, con sistema monoblock y con rotura de puente térmico, persianas de aluminio anodizado térmico de 43 mm. color plata motorizadas con pulsador empotrado en marco. El acristalamiento de la carpintería exterior es un vidrio de triple hoja de seguridad, formado por dos lunas incoloras de 4mm de espesor y una de seguridad 3+3 mm. bajo emisivo, separadas por dos cámaras estanca de aire con gas argón de 16 mm. (4/16/4/16/3+3).
En cuanto a la distribución interior, las estancias vivideras se encuentran en la orientación sur y los dormitorios en la orientación norte. Ha sido construida durante los años 2018 y 2019 y entregadas en otoño de 2019. Para la ventilación dispone de un recuperador de calor de alta eficiencia de la marca Siber, siendo su estanqueidad al aire de 0,40 renovaciones/hora, según el ensayo blower door realizado, de acuerdo a la norma UNE-EN 13829 [7].
La producción de calor, ACS y frío se realiza mediante equipo de aerotermia marca Panasonic, equipo individual para producción de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS), mediante un sistema tipo bomba de calor aerotérmica (aire- agua), con unidad hydrokit, colocada en el armario de instalaciones de cada vivienda. Características: Modelo: : Hydrokit Integrado WH-ADC0309H3E5 con depósito acumulador de 185 litros en la mayor parte de las viviendas y unidad exterior Modelo WH-UD07HE5-1.
El sistema de calefacción y refrigeración es de tipo de suelo radiante por agua a baja temperatura. El sistema consiste en una serie de tuberías instaladas bajo el pavimento de la vivienda, a través de las cuales recircula agua a baja temperatura proveniente de la bomba de calor. Estas tuberías parten desde un colector situado en la entrada de la vivienda.
Figura 1. Certificado de la certificación Passivhaus de la vivienda.
- Proyecto de instalación de producción fotovoltaica comunitaria del edificio
El proyecto surge mediante la iniciativa de los vecinos de la comunidad y consiste en la instalación de 32,75 kWp de energía solar fotovoltaica para suministro de electricidad a las necesidades individuales de cada uno de los 23 vecinos residentes en el inmueble. Con esta actuación, que tiene una producción estimada inicial de 46.645 kWh/año se produce una gran disminución del consumo de energía primaria no renovable hasta alcanzar el dato prácticamente nulo de 5,17 kWh/m2 y año. Las emisiones de CO2 también descienden al valor insignificante de 0,89 kgCO2/m2 y año.
El hecho diferenciador de este proyecto es que se trata de una iniciativa propia de la comunidad de propietarios, única impulsora del proyecto y, sobre todo, que haya contado con la unanimidad de los 23 propietarios. Toda la producción fotovoltaica va destinada a los consumos individuales de cada uno de los vecinos y no se ha reservado nada para los servicios comunes del edificio.
Uno de los aspectos que más se ha cuidado en este proyecto, ha sido la integración arquitectónica de un elemento tan agresivo para la estética del edificio como es la instalación de placas solares en cualquier edificación, habiendo conseguido una perfecta integración, no siendo visibles las mismas desde ningún punto de la vía pública ni desde los edificios colindantes; para ello se ha optado por una inclinación de las placas respecto a la horizontal de 5o.
- Caso de estudio, perfil de los usuarios de la vivienda
Los usuarios de la vivienda analizada son una familia de dos adultos con dos niños pequeños de 5 a 7 años. El perfil de consumo de energía es el normal de una familia de este tipo. Durante el año 2023 únicamente se han ausentado de la vivienda 10 días durante el mes de agosto y algún día suelto de fin de semana.
- Caso de estudio, instrumentos de medición y estándar de temperaturas interiores
Los instrumentos de medición empleados para la toma de datos de consumo de energía han sido los siguientes:
- Para el sistema de producción y distribución de calefacción, refrigeración y ACS sistema de medición de la propia instalación modelo Panasonic Aquarea All in One de 7kW bizona.
- Para la discretización del consumo eléctrico de los diversos servicios eléctricos de la vivienda: analizador de redes marca Circutor.
- Para las mediciones de sistema de ventilación y lavadora-secadora: Power meter KWE-PM01-EU.
- Para el cálculo de producción fotovoltaica, lectura remota del contador de evacuación a través de la App Fronius y el canal de edistribución de la distribuidora (Endesa distribución).
En cuanto a las temperaturas interiores en invierno están programadas para que no sean inferiores en ningún momento de 22 ºC en las estancias sur ni menores de 19,5 ºC en las norte (dormitorios). En verano está programado el sistema para que no sobrepase nunca la temperatura de 26º C las estancias sur que son las más cálidas. Hay que decir que debido a la buena temperatura interior de las paredes tanto en invierno como en verano la sensación de confort interior en la vivienda es muy buena a las temperaturas descritas, destacando en palabras de los usuarios “la sensación que se disfruta en las estancias norte en verano que es verdaderamente sorprendente y que hace que nunca haga falta dormir con las ventanas abiertas”.
3. Resultados y discusión
A continuación, y en los sucesivos apartados de este punto, se muestran los análisis obtenidos para la producción fotovoltaica de la vivienda, junto con el consumo de cada uno de los servicios analizados y el rendimiento medio estacional de las instalaciones térmicas.
- Consumo total de energía por tipo de servicio
Se muestran a continuación los datos de consumo de energía para todo el año 2023 y el resumen del año 2022 y los ratios de consumo por metro cuadrado y año.
Como puede apreciarse se obtienen unos datos de consumo de energía bajísimos, destacando la práctica ausencia de consumo de calefacción en inverno y de refrigeración en verano. Además, los consumos totales de todos los servicios térmicos y eléctricos que se obtienen por metro cuadrado y año son extraordinariamente bajos (19,78 kWh/m2 y año!!), dado además el perfil de usuarios de la vivienda, con niños pequeños con demandas superiores a otras edades.
Si se analizan los consumos individuales en cuanto al porcentaje respecto al consumo total se observa que el consumo de calefacción representa el 1,08 % del total, algo verdaderamente sorprendente; el consumo de ACS el 11,16 %, el de la ventilación el 7,20 % y el del frigorífico-congelador el 24,96 %.
Tabla 1. Distribución de consumos por tipo de servicio energético vivienda Passivhaus.
- Producción fotovoltaica de la vivienda y consumo energético de la misma
Se muestran a continuación los datos de producción real de electricidad por la instalación fotovoltaica del edificio durante un año tipo que ha sido de 48.801,87 kWh, resultando un 4,62 % superior a la estimada con la modelización de PVGIS de forma previa a la ejecución del proyecto.
Otros datos interesantes que se extraen son que esta vivienda, con su cuota de producción fotovoltaica, es capaz de producir el 74,49 % de la energía total que consume, teniendo un ratio de electricidad autoconsumida sobre la electricidad producida del 44,20 %.
Tabla 2. Distribución de consumos por tipo de servicio energético vivienda Passivhaus
Se muestra a continuación un gráfico que pone en contraste el consumo de los servicios térmicos de la vivienda y la ventilación respecto a la producción fotovoltaica autoconsumida o vertida a la red eléctrica. Como puede apreciarse en la mayor parte de los meses del año existe mucho margen con la energía fotovoltaica generada para alimentar estos servicios.
Figura 2. Producción fotovoltaica autoconsumida y vertida Vs consumo servicios térmicos (kWh/año).
En el siguiente gráfico se aprecia el orden de magnitud de los diferentes consumos energéticos de la vivienda respecto a la energía generada.
Figura 3. Consumo anual por servicio Vs energía generada (kWh/año).
- Rendimiento de las instalaciones térmicas de aerotermia
Se muestra a continuación el rendimiento de las instalaciones de aerotermia discretizando por producción de calefacción, frío o ACS en los años 2021 y 2023. Se observa la mejora en el rendimiento medio estacional alcanzado por una mejor gestión de este equipo de producción.
Tabla 3. Rendimiento de las instalaciones térmicas (mediante equipo de aerotermia)
- Mejora de los indicadores energéticos en el Certificado de Eficiencia Energética (CEE)
Una vez realizada la instalación y puesta en funcionamiento de la instalación comunitaria de producción fotovoltaica, el edificio ha experimentado una notable mejora en los indicadores de eficiencia energética que otorga esta herramienta. En este caso el edificio ha sido modelado con HULC, tanto antes como de forma posterior a la intervención de instalación de los generadores fotovoltaicos.
Tabla 4. Indicadores energéticos y su variación obtenidos de los resultados de los CEE.
Como puede apreciarse la demanda energética conjunta no varía y el consumo de energía primaria no renovable disminuye en un 74,33%, lo que representa un gran descenso que permite a los propietarios entrar al programa de desgravaciones fiscales en el IRPF con un 60% de la inversión.
Si se analiza conjuntamente la mejora de ratios que arroja el CEE y los consumos y producción reales se obtienen como conclusiones que, en primer lugar, los ratios de consumo de calefacción, refrigeración y ACS del CEE no se parecen nada a los consumos reales, pero, sin embargo, la reducción del consumo de energía es en ambos casos del 74%, conclusión ésta muy curiosa.
Tabla 5. Comparación de ratios energéticos del CEE Vs consumos reales.
- Posibles mejoras a recomendar
Si se analiza el siguiente gráfico, se observa que existen 4 meses en el año (mayo, junio, julio y agosto) que la energía producida por la vivienda es superior a la energía consumida y sobre todo que el margen para mejorar el porcentaje de energía autoconsumida es muy alto, sobre todo entre los meses de abril a octubre.
Figura 4. Consumo mensual global Vs energía generada (kWh/mes)
Por ello, la recomendación en este caso de producción fotovoltaica en una vivienda de muy alta eficiencia energética es intentar aprovechar el funcionamiento de la aerotermia durante las horas de radiación solar para realizar toda la producción de los servicios térmicos y, de este modo, aumentar la energía autoconsumida Vs la vertida a la red, ya que la vertida a la red eléctrica se retribuye a un precio menor. También se recomienda en el caso de verano, jugar con la inercia térmica del suelo produciendo frío en las horas centrales del día y almacenando la energía en el forjado, jugando con la inercia térmica de este.
4. Conclusiones
Del estudio realizado se obtienen varias conclusiones muy claras; en primer lugar, que con una instalación fotovoltaica no muy grande (1,42 kWp por vivienda) se pueden conseguir unos resultados de mejora energética más que notables si el edificio dónde se instalan es un edificio de muy alta eficiencia energética. También es importante abordar de un modo correcto la integración arquitectónica de las placas solares, para evitar verdaderos desmanes como los que se están produciendo en la actualidad en muchos edificios de nuestras ciudades. En el caso a estudio, con una inclinación de 5o sobre una cubierta plana y sin afección estética ni arquitectónica alguna, se consigue una reducción del Consumo de Epnr del 74,33%. Además, la energía producida representa el 74,49% respecto a la energía total consumida por la vivienda.
Como resultado también destacable cabe mencionar los bajísimos ratios de consumo de energía por los servicios térmicos de la vivienda, ya que en una vivienda como ésta, el consumo de calefacción y refrigeración se han convertido en residuales y el de ACS representa sólo el 11,16 % del total.
Como propuestas de mejora se abre todo un universo de posibilidades; por ejemplo, aprovechar el funcionamiento de la aerotermia durante las horas de radiación solar para realizar toda la producción de los servicios térmicos y, de este modo, aumentar la energía autoconsumida Vs la vertida a la red. También se puede optar en el caso de verano por ensayar con la inercia térmica del suelo produciendo frío en las horas centrales del día y almacenando la energía en el forjado “enfriado”, jugando con la inercia térmica de este.
En este enlace se muestra la presentación ejecutada para CONTART 2024 con la información de esta comunicación.
