Resumen de La energía solar térmica en la edificación. Estudio y caracterización del proceso global: captura, almacenamiento selectivo y uso eficiente
Juan Pablo San Martín Martínez
La energía solar es un recurso renovable de elevada disponibilidad y carácter distribuido, pero de baja densidad. Estas características suponen una desventaja para su aprovechamiento en la mayoría de necesidades energéticas, pero se amoldan perfectamente al perfil de demanda de los edificios residenciales, caracterizado también por un consumo distribuido y de baja densidad, pero que en términos globales supone uno de los principales sectores de consumo a nivel mundial. Más concretamente para unas condiciones climáticas como las españolas la abundancia solar sobre la envolvente de los edificios, entre 10 y 17 veces superior a la consumida por metro cuadrado en el sector residencial, hace que este recurso sea idóneo para la consecución de los denominados edificios de consumo casi nulo (nZEB). Así se define a los edificios que pueden cubrir la práctica totalidad de su demanda a partir del recurso captado in-situ, y según la normativa europea son uno de los principales pilares en los que debe sustentarse en cambio de modelo energético necesario para luchar contra el cambio climático. Tanto es así que en 2020 todos los edificios de nueva construcción deben ser nZEB.
El objetivo fundamental del presente trabajo es desarrollar y evaluar un nuevo diseño de nZEB basado en la captura solar híbrida, térmica y fotovoltaica, sobre su envolvente. El estudio se centra en los aspectos térmicos del edificio, proponiendo la cobertura de este tipo de demanda, que representa las dos terceras partes del consumo residencial total, a partir del recurso, también térmico, obtenido en la envolvente, obteniendo con ello un mejor aprovechamiento del recurso solar. Por otra parte la energía fotovoltaica capturada se desinará a la cobertura de la demanda eléctrica del edificio, y excepcionalmente como sistema auxiliar para la térmica, si bien en la presente memoria no se profundiza en los aspectos relativos a esta gestión de la demanda eléctrica del edificio.
El sistema de cobertura de la demanda térmica del edificio se divide en 4 grandes bloques: 1) Captura solar. El sistema propuesto se basa en la integración de los captadores solares en la envolvente del edificio, tanto en cubierta como en muros. El objetivo es implementar los captadores solares durante el propio proceso constructivo del edificio de un modo simple para lo que se evaluarán dos diseños alternativos de captador, uno de mayor eficiencia y complejidad de implementación, y un segundo de menores prestaciones pero mayor simplicidad. 2) Eficiencia del edificio. En paralelo al uso de energía renovable la consecución de los nZEB conlleva la minimización de su demanda. Para ello se proponen y evalúan diversas medidas de eficiencia energética centradas en aquellas que permitan un control dinámico de los procesos de intercambio térmico del edificio con su entorno. 3) Acumulación a corto plazo. Para acoplar el recurso con la demanda durante los ciclos día-noche se propone una acumulación térmica en material de cambio de fase (PCM). Estos materiales presentan una mayor capacidad de acumulación que la obtenida en forma sensible, y además ésta se produce a una temperatura casi constante (acumulación a temperatura selectiva). Esto permite adecuar la temperatura de acumulación a la de uso, haciendo que no sean necesarios grandes saltos térmicos entre captura y demanda, y revalorizando así el recurso captado. Su uso implica la necesidad de acumular de manera independiente para cada uso térmico. 4) Acumulación a largo plazo. Se propone hacer uso sistema de geotermia de baja entalpía para compensar las variaciones estacionales de disponibilidad solar. El objetivo es estabilizar térmicamente el terreno bajo el edificio dentro de los límites de confort térmico, aumentando la inercia del mismo y reduciendo así su demanda en cualquier época del año. Para mantener estas condiciones térmicas se hace uso de dos zonas adicionales de subsuelo donde realizar una acumulación geotérmica en forma de calor de los excedentes de recurso de verano para su uso en invierno, y en forma de frio de las bajas temperaturas ambientales de invierno para su uso en verano.
La gestión térmica de los distintos sistemas que conforman el nZEB propuesto adquiere un papel fundamental en su optimización. Esta gestión, así como la evaluación del comportamiento del edificio se han realizado mediante simulación. Para ello se ha desarrollado un modelo térmico integral de edificio incluyendo tanto los aspecticos relativos a su demanda como los relativos a la captura sobre su envolvente y acumulación. Buscando una mejora en las capacidades de modelado se ha desarrollado una metodología para la integración de los modelos de los principales sistemas del edificio realizados en elementos finitos con la aplicación COMSOL, en el entorno de simulación TRNSYS, donde se realiza el modelado del resto del edificio. Con ello se dispone de la flexibilidad y capacidad de cálculo de los elementos finitos (FEM) a la vez que es posible evaluar su comportamiento bajo unas condiciones reales de operación. Al mismo tiempo se consigue un acoplamiento multi-escala de modelos, combinando una simulación global del edificio con un paso de tiempo discreto, con una simulación continúa de los sistemas modelados en FEM, lo que permite una caracterización más detallada de los mismos. Este modelo se evalúa en base a las características de la vivienda prototipo ‘Oikos’ del Centro de Automática y Robótica (CAR), CSIC-UPM.
En resumen en este trabajo se propone un nuevo concepto de edificio de consumo cero fundamentado en la gestión de los procesos térmicos que definen su comportamiento y su interacción con el medio exterior. Su evaluación, basada en un acoplamiento multi-escala de modelos FEM en el entorno TRNSYS, muestra cómo es posible cubrir la práctica totalidad de su demanda térmica mediante la adecuada gestión del recurso térmico captado en su envolvente. Si bien el diseño de captador de cubierta resulta determinante en el grado de cobertura de demanda térmica alcanzado, el apoyo fotovoltaico posibilita que, incluso con un diseño de captador de baja eficiencia, sea posible cubrir por completo la demanda energética del edificio.
