CIC Arquitectura y Construcción
Investigación: Desarrollo de tecnologías de refrigeración alternativas a los sistemas de climatización convencionales
La necesidad de reducir el consumo energético en edificios asociado a la demanda de refrigeración constituye una excelente oportunidad para el desarrollo de nuevos sistemas de climatización. El trabajo de investigación que resumimos a continuación ha perm
Prototipo experimental para la climatización de edificios basada en fuentes renovables
Los edificios son responsables de un 40% del consumo energético en la Unión Europea y de un 36% de las emisiones de CO2. La mitad de este consumo es debido al uso de sistemas de climatización. En la actualidad, el uso creciente de sistemas de climatización convencionales basados en tecnologías de compresión mecánica de vapor incrementan el consumo energético, a pesar de instalarse equipos cada vez más eficientes. Estos sistemas presentan actualmente algunas limitaciones debido a la problemática medioambiental derivada del uso de gases refrigerantes (Reglamento UE 517/2014 de 16 de abril de 2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero), así como un sobrecoste económico debido a las tarifas del impuesto del Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) de determinados gases fluorados aplicadas al uso de refrigerantes (Ley 6/2018, de 3 de julio, de Presupuestos Generales del Estado para el año 2018).
En los sistemas de climatización convencionales condensados por aire hay que tener en cuenta, además, la reducción de eficiencia energética cuando las temperaturas exteriores son elevadas, así como la reducción de eficiencia energética con el progresivo incremento de las temperaturas medias derivadas del cambio climático. Por tanto, el uso de sistemas convencionales de refrigeración en edificios implica un incremento del consumo energético, fundamentalmente de fuentes de energía eléctrica, que conlleva problemas de estabilidad y capacidad en el suministro eléctrico.
Las Directivas Europeas (ver figura 1), así como los planes nacionales y regionales establecen estrategias basadas en la mejora de la eficiencia energética y el fomento del uso de las energías renovables en edificios promoviendo el uso de sistemas y tecnologías bajas en carbono. Así, por ejemplo, el Plan Nacional de Acción de Eficiencia Energética 2017-2020 propone como objetivos para 2020 reducir el consumo tendencial de energía primaria, aportar con energías renovables el consumo final bruto de energía, descarbonizar el consumo de energía respecto al valor de 2007, autoconsumir la energía eléctrica generada con fuentes renovables y mejorar la calidad del suministro energético.
En España, los edificios nuevos serán Edificios de Consumo de Energía casi Nula, NZEB, en el año 2020 (Real Decreto 564/2017, de 2 de junio, y Real Decreto 235/2013, de 5 de abril), (ver figura 2).
Para alcanzar este objetivo, es necesario desarrollar estrategias que permitan: reducir la demanda energética del edificio, integrar sistemas de climatización más eficientes y promover el uso de energías renovables en edificios. Considerando el actual escenario normativo de eficiencia energética en edificios y las ventajas derivadas del uso de fuentes de energías renovables, los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables constituyen una interesante opción para minimizar el consumo energético en edificios asociado a la demanda de refrigeración.
Sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables
Los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables son sistemas que producen refrigeración sobre un medio líquido como agua, o sobre un medio gaseoso como aire, a partir de fuentes renovables, como energía solar térmica, energía solar fotovoltaica, biomasa o energía térmica procedente de calores residuales. En el contexto de este trabajo, se analiza el uso de estos sistemas para cubrir la demanda de climatización en edificios.
Entre las ventajas de los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables, cabe destacar: el aprovechamiento del excedente de energía térmica captada por las instalaciones solares térmicas durante el periodo de verano; la simultaneidad de las curvas de disponibilidad de energía solar con la curva de demanda diaria de refrigeración en edificios, lo que permite adecuar el recurso energético al sistema (ver figura 3); y que estos sistemas derivan el consumo de refrigeración hacia fuentes térmicas en lugar de hacia recursos basados en redes eléctricas. Por este motivo, los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables permiten reducir los típicos picos de consumo eléctrico derivados del uso de sistemas de climatización convencionales.
De forma simplificada, los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables emplean cuatro tipos de tecnologías: absorción, adsorción, compresión mecánica de un vapor alimentado con sistemas fotovoltaicos y sistemas basados en ciclos de enfriamiento abierto. Los ciclos de enfriamiento abierto emplean energía térmica procedente de fuentes renovables, solar térmica, biomasa o calores residuales. La energía térmica se emplea para activar un material desecante, por
MÍNIMO CONSUMO. Considerando el actual escenario normativo de eficiencia energética en edificios y las ventajas derivadas del uso de fuentes de energías renovables, los sistemas de refrigeración alimentados por fuentes de energías renovables constituyen una interesante opción para minimizar el consumo energético en edificios asociado a la demanda de refrigeración
ejemplo, una rueda desecante. El aire seco, con baja humedad absoluta, es enfriado mediante un proceso de enfriamiento evaporativo, de forma directa o indirecta. Una vez enfriado, el aire se emplea para climatizar edificios durante el periodo de refrigeración.
Prototipo experimental
En este contexto, en el marco del proyecto de investigación Solplas-uco, desarrollado en colaboración entre la Universidad de Córdoba y el Centro Tecnológico Andaltec, se ha diseñado, construido y puesto a punto un prototipo experimental de climatización basado en ruedas desecantes y sistemas de enfriamiento evaporativo. El sistema está alimentado con energía solar térmica, a partir de colectores solares de vacío de alta eficiencia desarrollados por Andaltec (ver figura 4). El prototipo desarrollado se ha instalado en las instalaciones de Andaltec, localizada en Martos (Jaén) y atiende la demanda de refrigeración de una parte del edificio, a partir de la energía térmica captada por el campo de colectores solares térmicos. La instalación experimental se compone de dos subsistemas principales (ver figura 5). En primer lugar, el subsistema solar térmico, el cual aprovecha la radiación del sol para generar agua caliente. En segundo lugar, el subsistema del prototipo de climatización. Este subsistema está compuesto de una rueda desecante, para deshumidificar el aire exterior, y de un enfriador evaporador evaporativo indirecto, que enfría el aire de impulsión al local, sin variar su humedad absoluta. Para su funcionamiento, el prototipo de climatización recibe la energía térmica en forma de agua caliente procedente del subsistema solar térmico.
Durante el mes de junio de 2018 se ha ensayado la instalación experimental con un horario de funcionamiento típico de oficina, de 9:00 h a 18:00 h. Los primeros resultados experimentales muestran una eficiencia energética media diaria de los colectores solares del 0,15 y una eficiencia energética media diaria del prototipo de 2,3. La eficiencia energética media diaria de la instalación es de 0,35 (ver figura 5). Es destacable que un 82% de la energía consumida por la instalación experimental para llevar a cabo el proceso de refrigeración para la climatización de esta zona del edificio procede de fuentes renovables, en este caso de energía solar térmica.
Conclusiones
El escenario energético actual brinda una excelente oportunidad para desarrollar nuevos sistemas de refrigeración para climatización de edificios basados en fuentes renovables. Estos sistemas constituyen una interesante alternativa frente a los sistemas de climatización convencionales. Los sistemas de refrigeración basado en ruedas desecantes y sistemas de enfriamiento evaporativo alimentado por energía solar térmica contribuyen de forma notable a la reducción del consumo de energía eléctrica, de las emisiones de CO2 asociadas y de emisiones de gases de efecto invernadero, ya que evitan el empleo de refrigerantes. La experiencia práctica obtenida en este proyecto demuestra que estos sistemas pueden operar con una interesante eficiencia energética, derivando la mayor parte del consumo energético hacia fuentes renovables. Sin duda, una interesante solución para dar respuesta a los retos actuales de los sistemas de climatización de edificios. Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación obtenida por el proyecto 12017251 Solplas - Investigación del equipo secundario acoplado al concentrador solar realizado entre la Universidad de Córdoba y el Centro Tecnológico Andaltec.