Conferencia Foro Ingeniería y Project Management

FORO de Ingeniería Project & Facility
Barcelona, 23 de Octubre de 2014
Eric Galán - Director de negocio Caribe y Latinoamérica
egalan@caba.cat

FORO de Ingeniería Project & Facility
EFICIENCIA ENERGÉTICA E
INGENIERÍA SOSTENIBLE
Servicios para la sostenibilidad

Eficiencia energética e ingeniería sostenible: guión contenidos
1. El comportamiento energético de edificios
2. La importancia del diseño en las energías NC
3. Caso Aeropuerto Internacional
4. Caso Hotel en autoconsumo
5. Caso Hospital en doble generación
6. Mapa energético futuro
7. Conclusiones

El comportamiento energético de los edificios
Los factores de influencia en el comportamiento energético de los edificios son:
 Climatológicos: temperatura, humedad, altura sobre el nivel del mar, vientos
dominantes…
 Situación y ubicación: altura relativa a su entorno, orientación y altura del
edificio…
 Arquitectónicos: factor de forma, composición de la envolvente térmica,
exposición solar, ventilación natural…
 De ingeniería: diseño de las instalaciones energéticas, monitoreo, tipo de
combustibles y fuentes energéticas disponibles…
 De uso y explotación: comportamiento de los usuarios para con los
consumos, necesidades funcionales del edificio…

Pero ¿cuales son los aspectos primarios y secundarios?
 Demanda energética: cantidad de energía, en kWh, que es necesaria para
mantener un edificio en régimen de confort para cualquiera de sus necesidades,
ya sea térmico, lumínico, de calidad de aire, producción de agua caliente, etc.
 Consumo final: cantidad de energía que los equipos que tienen por objeto
aportar confort (pe HVAC systems, equipos de iluminación, etc.) consumen
durante su función, y de la cual se debe abastecer al edificio.

La importancia del diseño en las energías no convencionales
El uso de nuevos sistemas basados en energías no
convencionales y eficientes (sin ser renovables, pero con
altos rendimientos) es una oportunidad para el sector de la
ingeniería eléctrica, térmica y civil de desarrollar edificios y
usos humanos en general más económicos, confortables y
respetuosos con el medio ambiente, con menores tasas de
consumo y de emisiones al medio.

Uso final eléctrico:
 Energía solar fotovoltaica: instalación por la cual se obtiene energía eléctrica mediante la transformación
de la radiación solar en electricidad en corriente continua. Se usan módulos fotovoltaicos, elementos construidos
a base de semiconductores que aprovechan la radiación solar para excitar de los electrones libres y generar así
energía eléctrica
 Energía eólica: aprovechamiento del viento para producción de energía eléctrica mediante la conversión de
la energía mecánica del viento a través de la rotación de un motor.
 Energía hidráulica: instalación de generación eléctrica mediante la transformación de la energía potencial
contenida en un salto de agua (o caudal en movimiento por su defecto) a través del movimiento de un rotor.
 Energía geotérmica: generación eléctrica mediante el aprovechamiento de las variables termofísicas de un
fluido que se encuentra bajo la capa Terrestre
 Iluminación LED: sistema de iluminación eficiente mediante LED (Light Emisor Diode) que substituye a la
iluminación convencional y obtiene los mismos niveles lumínicos con un potencia entre el 50 y el 85% menor
menor.

Uso final térmico:
 Energía solar térmica: generación de agua caliente mediante placas solares que incorporan un serpentín en
su interior y calientan el agua a su paso, aprovechando la radiación solar y por tanto el incremento de
temperatura en su interior.
 Energía geotérmica de baja entalpia: intercambio térmico (frío o calor) con alto rendimiento energético
(COPs entre 4,5 y 9) aprovechando las condiciones estables y de temperatura del suelo.
Uso final combinado térmico y eléctrico:
Cogeneración: sistema de alto rendimiento por el cual se produce de forma simultanea electricidad y agua
caliente. Un motor a gas quema el combustible produciendo la rotación de un generador eléctrico, y a su vez los
humos de combustión intercambian su calor con agua.
 Trigeneración: el sistema parte del concepto anterior, al cual se acopla una máquina de absorción que
convierte el agua caliente en agua refrigerada para producción de frío.

Todas ellas son positivas en valor absoluto, pero no en valor relativo. Cabe realizar un análisis de implantación y
viabilidad:
Demanda energética del edificio: identificar cuantitativa y cualitativamente la demanda del edificio, con un
soporte informático para poder simular convenientemente todos los efectos que ésta crea sobre el edificio,
zonificando debidamente y pudiendo analizar los resultados por períodos horarios e incluso inferiores.
 Disponibilidad climatológica: estudio climatológico que desarrolle el potencial solar, eólico y geológico del
subsuelo para determinar el potencial de cada una de las fuentes energéticas.
 Uso del edificio: intensidad del uso, tipología de uso (agua caliente, computadoras, sistema climatización...)
 Disponibilidad de tecnología: análisis sobre en qué medida cada una de las tecnologías está disponible en
el entorno del edificio
 Disponibilidad de redes de suministro energético: verificar si las redes eléctrica y de Gas Natural están
disponibles en la ubicación del edificio, modeladas (sólo como hipótesis de simulación) como fuentes con
acumulación infinita de energía
energía.

Ahorro energético
Ahorro de costes
Rendimiento del sistema
Ahorro en costes ambientales
Inversión inicial
Período de retorno
TIR
VAN
4 variables técnicas +
4 variables financieras

Tecnología Producción Factor prioritario Factores secundarios
Energía solar fotovoltaica
Eléctrica
Consumos energéticos durante horas
Baja demanda energética eléctrica
en autoconsumo
diurnas y sin estacionalidad anual
debido a la limitación en el
rendimiento de los módulos solares
Baja Energía solar fotovoltaica
conectada a red
Eléctrica
demanda energética eléctrica debido
a la limitación en el rendimiento de los
módulos solares
Buena calidad de red pública para
optimizar la conexión de producción
Energía eólica Eléctrica
Demandas energéticas no intensivas para
poder regular la intermitencia en la
Entorno próximo abierto y libre de
g p g
producción
obstáculos naturales y artificiales
Alta intensidad en el uso para Niveles lumínicos medios y
no
Sistemas iluminación LED Eléctrica
p
aprovechamiento de la larga vida de los
equipos LED frente a convencionales
focalizados si no trabajando en
ámbitos genéricos

Tecnología Producción Factor prioritario Factores secundarios
Cogeneración Eléctrica Térmica
Demanda energética de producción de
Equilibrio entre cargas térmicas y
+ eléctricas sincronización de
calor estable durante todo el año
para buena ambas producciones
Equilibrio entre cargas térmicas y
Trigeneración
Eléctrica + Térmica
(calor y frío)
eléctricas para buena sincronización de
ambas producciones
Geotermia de BT sistema Trabajo térmico a baja temperatura
Tener un edificio con demandas
energéticas de calor frío equilibradas,
cerrado (close-loop)
Térmica
j j p
(<45ºC) para obtener COPs interesantes
g y q ,
para no descompensar cíclicamente la
temperatura del subsuelo
Geotermia de BT sistema
abierto (open-loop)
Térmica
Trabajo térmico a baja temperatura
(<45ºC) para obtener COPs interesantes
Disponer de caudales de agua vivos y a
poca profundidad

Caso Aeropuerto Internacional
Caso para el ahorro y eficiencia energética en la instalación de iluminación de un
Aeropuerto Internacional con las siguientes características:
 Uso 24 horas al día durant 365 días al año
Altos costos energéticos y en reposición de materiales (materiales + mano
de obra)
 Potencia total instalada 75,77kW
 Nivel lumínico exigible 200lux (zonas de tránsito)

Caso Aeropuerto Internacional
Esquema del estudio:
a. Descripción del sistema propuesto
b. Variables de cálculo y límites de medida
c. Cálculo de la línea base de consumo para el sistema actual
d. Cálculo de la línea de consumo para el sistema propuesto
e. Cálculo del ahorro de consumo energético
f. Cálculo de las variables financieras

Caso Aeropuerto Internacional: descripción del sistema propuesto
La propuesta es la sustitución de las pantallas actuales, formadas por
lámparas de florescencia de 4x36W con reactancia electrónica, por pantallas
con tecnología electrónica LED de 64W. La sustitución será de toda la pantalla
descartando la integración de la tecnología LED en las pantallas actuales por
motivos de funcionalidad y capacidad lumínica.

Además, se propone la instalación de un sistema de control de luz diurna que
apagará las pantallas en funcion p g p de la variable fija, que será el nivel lumínico de
la zona. De este modo se optimiza el consumo en una importante parte del
tiempo, dadas las buenas condiciones climáticas del entorno así como del
diseño del edificio.
En relación al sistema de gestión, control y medición, se propone la
implantación de un sistema que permite controlar cada elemento lumínico
instalado de forma individual o en grupos de elementos. Cada elemento lumínico
o sensor llevará instalado un nodo de comunicación que le proporcionará el
control individual. Estos nodos se comunican con la base de datos y control con
el software vía radio mediante la frecuencia permitida.
p

 Monitorización del estado de funcionamiento de la luminaria
Monitorización de los consumos energéticos de cada luminaria
 La gestión del apagado y encendido en relación a un sensor de flujo luminoso
La gestión del apagado y encendido mediante asignación horaria
 Avisos de averías de la luminarias
 Gestión de zonas

Caso Aeropuerto Internacional: variables de cálculo y límites de medida
Las dos principales variables para el cálculo son:
Potencia de los sistemas: los sistemas actuales tienen una potencia de
lámparas de 144W (4x36W) y las reactancias electrónicas de 10W. Los sistemas
propuestos tienen un consumo de lámparas de 60W y reactancia de 4W
Horas de uso del sistema: el uso del sistema de iluminación es intensivo,
24 horas al día los 365 días al año. Ésta será la base de cálculo para el
comportamiento actual pero no así para la propuesta, puesto que la instalación
del sistema de control mediante flujo lumínico permitirá apagar pantallas en
función de si son necesarias o no para la consecución del nivel lumínico
deseado. Las simulaciones han tomado en cuenta la climatología, las horas de
iluminación natural y el skycover
componente skycover.

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea base de consumo
Potencia de los sistemas
Nivel lumínico actual
Se tomaron un total de 53 medidas con luxómetros, para comprobar los niveles
Horas de uso: 8.760 horas anuales

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea base de consumo
Caracterizacion de las líneas base de consumo actuales (diaria y mensual)
Energía total anual: 663.728kWh

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea de consumo sistema propuesto
Potencia de los sistemas
-58,5%
Cálculo nivel lumínico
Con la solución propuesta se han realizado simulaciones computacionales con
Dialux para verificar que ésta cumple con los requisitos de nivel lumínico

Horas de uso
Asumiendo el sistema de control de reguación de lux diurna para garantizar los
200lux, se ha realizado otra simulación computacional con EnergyP incorporando
los datos climatológicos del lugar para establecer cuantas horas al día va a
funcionar cada una de las lámparas, atendiendo a los condicionantes solares y
de climatología (skycover, cobertura parcial o total)

Caracterización de la línea de consumo del sistema propuesto

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo del ahorro de consumo energético

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de las variables financieras
Los aspectos financieros principales de la inversión serán:
Ahorro económico por consumo de energía en general
 Ahorro económico por consumo de energía en horas punta (diurnas)
Ahorro económico por menor potencia disponible
 Ahorro económico por menos reposición material + mano de obra)

Caso Hotel en autoconsumo
a. Datos generales
b. Estudio de demanda energética
c. Cálculo de la producción eléctrica disponible
d. Balance energético anual
e. Diseño eólico
f. Diseño solar fotovoltaico
g. Diseño del acumulador eléctrico
h. Diseño general del sistema y conexionado

Caso Hotel en autoconsumo: datos generales
 Ubicación en la sierra de Tarragona, a 1.450 metros de altitud
 Núcleo urbano aislado, sin connexión a red eléctrica ni agua potable
 Superfície de 2.300m2
 Ocupación no regular y estacional
 Entorno arquitectónico y fauna protegido

Caso Hotel en autoconsumo: estudio de demanda energética
Condiciones iniciales:
Temporada baja
Temporada media
Temporada alta

Caso Hotel en autoconsumo: estudio de demanda energética
Mediante simulación computacional (Energy Plus) se analizan los consumos
diarios para cada uno de los 3 tipos de ocupación
Temporada baja
Temporada media
Temporada alta

Caso Hotel en autoconsumo: cálculo de la producción eléctrica disponible
Una vez más mediante simulación computacional (PVSyst, Eomax), y con la
incorporación de los datos climáticos de Llaberia, se realiza un cálculo de la
producción eléctrica disponible y se contrapone con la demanda calculada

Es de vital importancia obtener los datos de disponibilidad de generación para
poder determinar los períodos de déficit y en consecuencia, la magnitud de los
equipos de acumulación energética
Enero Abril

Es de vital importancia obtener los datos de disponibilidad de generación para
poder determinar los períodos de déficit y en consecuencia, la magnitud de los
equipos de acumulación energética
Julio Noviembre

Caso Hotel en autoconsumo: balance energético anual
Agregando pues los anteriores datos, obtenemos el balance energético anual del
edificio

Caso Hotel en autoconsumo: diseño eólico
Sobre las condiciones climatológicas, cabe decir que la zona de Llaberia dispone
de un gran recurso renovable no agresivo con el medio ambiente, éste es el
viento. El más importante de la zona es el viento de componente noroeste,
que barre la sierra con fuerza, especialmente en otoño, invierno e inicios de la
primavera. Según los datos estadísticos, el viento sopla entre los 3m/s y los
12m/s el 58% del tiempo durante un año.

En cuanto a la tecnología disponible, se han estudiado 3 modelos diferentes de
aerogeneradores con comportamientos muy diversos, a continuación se muestra
un gráfico de la potencia proporcionada por cada uno de ellos según la
velocidad del viento incidente.

Integración arquitectónica y paisajística

Segñun los datos anteriores y con los modelados energéticos anteriores, se
implantan 4 aerogeneradores de 5kW, modelo tornado5 de FICOSA con las
siguientes características

Caso Hotel en autoconsumo: diseño fotovoltaico
La instalación fotovoltaica proyectada está formada por módulos fotovoltaicos
policristalinos de 140Wp. Éstos se se integrarán en la cubierta por una
cuestión arquiteectónica, orientados a suroeste e inclinados 17º, con el objetivo
de maximizar la superficie disponible.

Caso Hotel en autoconsumo: diseño del acumulador eléctrico
Dados los datos anteriores sobre el balance energético diario, se calculó una
demanda de autonomía (período en uso normal sin generación) de 8 días. Se
han instalado baterías de carga y descarga lenta de 4500Ah. Un total de 72
baterías ubicadas en tres bancadas, la cuales en un momento dado podrían ser
capaces de proporcionar la totalidad de la potencia eléctrica instalada

Caso Hotel en autoconsumo: diseño general del sistema y conexionado

Caso Hospital en doble generación
a. Datos generales
b. Análisis de las demandas de calor y frío
c. Sistema energético actual
d. Sistemas de trigeneración
e. Determinación de los equipos del sistema
f. Resumen de resultados del sistema
g. Implantación del proyecto y obra

Caso Hospital en doble generación: datos generales
 Hospital en Barcelona construido en 1889
 199 camas, 5 quirófanos, 42 locales de consulta y 421 trabajadores
 31.584 visitas y 5.604 intervenciones quirúrgicas
 Superfície de 17.400m2

Caso Hospital en doble generación: análisis de demanda de calor y frío
Para la obtención de las demandas energéticas, se realiza una auditoría
energética durante un año completo, monitorizando y analizando los
consumos de cada unidad

Caso Hospital en doble generación: sistema energético actual
El edificio contaba antes de la actuación con 4 calderas a gas de 465 kW cada
una y dos enfriadoras eléctricas de 465 kW cada una.
El suministro eléctrico se realiza mediante una conexión a la red pública

Caso Hospital en doble generación: sistemas de trigeneeración
La trigeneración es un sistema formado por un equipo de cogeneración y una
planta de absorción, en este caso. El equipo de cogeneración produce energía
eléctrica mediante un motor que funciona con gas natural, y como
subproducto se obtiene calor útil gratuito, el cual es aprovechado para el ACS y
la calefacción

Caso Hospital en doble generación: determinación de los equipos del sistema
Puesto que es un sistema combinado, que debe dar servicio a dos tipos de
demanda bien diferenciadas (eléctrica y térmica) se debe desarrollar el
análisis completo de dimensionamiento del sistema. Un sistema demasiado
grande produc´rá calor en exceso, y habrá que devolverlo al ambiente, y un
sistema infradimensionado no tendrá un óptimo reotrno de la inversión
Equipo de cogeneración Planta absorción
Modelo Potencia
elétrica (kW)
Potencia
térmica (kW)
Combustible
(kW) Modelo Potencia
frigorífica (kW)
Potencia
térmica
absorbida (kW)
Potencia a
disipar (kW)
TTRRII--220000 HHPPCC 5500NN 5500 8822 114466 YYaazzaakkii WWFFCC SSCC0055 1177,22 2255,66 4422,88
TRI-70 HPC 70N 70 109 204 Yazaki WFC SC20 52,9 77,4 130,6
TRI-100 HPC 100N 99 132 270 Yazaki WFC SC30 79,8 116,9 197
TRI-150 HPC 150N 142 207 392 Yazaki WFC SC30 87,6 127,8 216,3
TRI-200 HPC 200N 200 293 553 Thermax LT-10C 230,2 330,2 558,1
TRI-400 HPC 400N 404 513 1045 Thermax LT-10C 230,2 330,2 558,1

Para cada uno de los equipos propuestos se analizarán 3 variables técnicas:
cobertura de demanda de calor, cobertura de demanda de frío y tasa de
operación anual (%)
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
TRI‐50 TRI‐70 TRI‐100 TRI‐150 TRI‐200 TRI‐400
0,00
COBERTURA DE CALOR (%) 15,51 21,14 26,76 40,13 54,14 82,94
COBERTURA DE FRIO (%) 1 1,97 97 6 6,06 06 9 9,14 14 10 10,03 03 26 26,36 36 42 42,05
05
FUNCIONAMENTO ANNUAL (%) 91,67 91,67 91,67 91,65 88,49 78,78

Asimismo se analizarán dos variables económicas: beneficios generados por las
plantas y tiempo de amortización
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
TRI‐50 TRI‐70 TRI‐100 TRI‐150 TRI‐200 TRI‐400
0,00
BENEFICIOS (€ / HORA) , 3,04 , 4,34 , 6,60 , 9,42 , 12,96 ,
23,40
AMORTITZACIÓN (AÑOS) 8,82 6,57 5,62 6,06 5,29 5,12

Caso Hospital en doble generación: resumen de los resultados del sistema
De los análisis anteriores se definió la instalación óptima como la TRI-400, por
sus resultados técnicos y económicos.
TABLA RESUMEN
Dicha implantación tenia una
Parámetros Cálculo o medida Unidad Definición
h 7.359,00 h/año Horas totales de funcionamento
inversión $1.273.715 que han
hcalor 5.365,00 h/año Horas de funcionamento de producción de frío
hfrio 1.994,00 h/año Horas de funcionamento de producción de calor
sido financiados al 50% entre el
propio Hospital y un grupo de
ƞ0 75,00 % Rendimiento global mínimo segun el RD 616/2007
Q 7.690.155,00 kWh/año Combustible consumido por el equipo de cogeneración
E 2.973.036,00 kWh/año Calor útil producido por el equipo de cogeneración
V 3.450.900,73 kWh/año Electricidad producida por el equipo de cogeneración
ƞ 83,53 % Rendimiento global del equipo de cogeneración
ƞE 38,66 % Rendimiento eléctrico del equipo de cogeneración
ƞV 49,09 % Rendimiento térmico del equipo de cogeneración
V l d f i d l fi i i l d ió d d l
inversores en formato ESCO
(Energy Service Companies). Los
Ref Hƞ 90,00 %
Valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor.
Decisión de la Comisión de 21 de diciembre del 2006
resultados financieros de la
Ref Eƞ 49,60 %
inversión son pay-back de 4
eléctrico equivalente mínimo exigido por el RD 661/2007
Valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor.
Decisión de la Comisión de 21 de diciembre del 2006
REEmin 49,50 % Rendimiento REE 77,11 % Rendimiento eléctrico equivalente
AEP 2.138.203,33 kWh/año Ahorro de energía primaria segun el RD 616/2007
PESmin 10,00 %
Ahorro porcentual de energía primaria mínimo para que la instalación sea
de alta eficiencia según la Directiva Europea 2004/8/CE
PES 21 76 % Ah t ld í i i
pay años y 9 meses y una TIR del
proyecto del 21,35%
21,76 Ahorro porcentual de energía primaria
Ahorro
Emisiones 431,66 Tn CO₂ Ahorro de emisiones de CO₂

Caso Hospital en doble generación: implantación del proyecto y obra

Mapa energético futuro del Perú
En el sistema eléctrico intervienen diferentes agentes:
 Generación
 Transporte
 Distribución
 Consumo
Las mejoras en cualquiera de los ámbitos anteriores impactan de igual modo a
la mejora energética de un país

Mapa energético futuro del Perú
Generación renovable y distribuida
Transporte eficiente y de calidad
Distribución ordenada y moderna
Ahorro en el Consumo
No hay que olvidar que la generación distribuida, cercana a los puntos de
consumo, ahorra en infraestructuras de transporte y distribución, y evita
sus pérdidas
De igual modo, debe ser máxima prioridad para el Perú fomentar el ahorro en
el consumo ya que evita inversiones y pérdidas en todos los anteriores
consumo,

Conclusiones

…muchas gracias por su atención
www.caba.cat

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