Evaluación y propuesta de modelo para el cálculo de la demanda energética en edificios residenciales a partir del estudio de la altura y la integración de sistemas de energía solar fotovoltaica

Resumen

Los edificios residenciales son los responsables del 33% de las emisiones mundiales de carbono [1]. En España, el sector residencial representa el 25% de la demanda de energía eléctrica [2]. La mayor parte de esta energía se emplea en la climatización, la iluminación interior y el uso de los equipamientos del edificio. Las políticas desarrolladas por los países europeos para reducir el impacto ambiental del sector residencial, están orientadas, entre otros, a la reducción de la demanda energética a través de la mejora de la eficiencia de los edificios y el aumento de la energía consumida procedente de fuentes de energía renovables. La adopción de criterios de diseño basados en la mejora de la eficiencia energética de los edificios ha demostrado ser una medida eficaz para reducir la demanda inicial del edificio [3]. Por otra parte, la energía solar fotovoltaica ha sido la fuente renovable que ha experimentado un mayor crecimiento recientemente [4]. Al ser un sistema modular y fácilmente integrable en el edificio, es una de las energías renovables que permite un mayor desarrollo a nivel doméstico. Conocer las características del consumo de energía en los edificios residenciales permite adoptar medidas para reducirlo y conseguir un uso más eficiente de los recursos. Para ello, deben desarrollarse herramientas de cálculo adaptadas al diseño eficiente de los edificios y que integren nuevas formas de autoabastecimiento energético. En esta Tesis se propone un modelo de cálculo de la demanda energética de edificios residenciales mediante el análisis de la altura del edificio y la integración de sistemas de generación fotovoltaica para abastecer parte de la demanda. En primer lugar, se presenta una revisión del estado del arte de los aspectos en los que se engloba esta investigación. Esta revisión incluye un análisis del consumo energético del sector residencial, una retrospectiva sobre los criterios de diseño eficiente de edificio, una revisión de los procedimientos de cálculo de la demanda energética de edificios. Esta sección se finaliza con un análisis del sector de la energía solar fotovoltaica como fuente energética alternativa al consumo de combustibles fósiles. Aplicando la metodología bottom-up, se ha diseñado un conjunto de arquetipos que representa las tipologías edificatorias más comunes del sector residencial en España. Se diseña una muestra de estudio en la que la altura del edificio es el factor variable. Caracterizada la muestra, se ha desarrollado el modelo en tres etapas. En primer lugar, se calcula la demanda energética inicial de los edificios mediante una simulación dinámica. Se analiza la influencia del factor altura en los resultados de la demanda de climatización del edificio. A continuación, se diseña el sistema de generación fotovoltaica instalado en la superficie de cubierta y en la superficie de la fachada sur de cada uno de los edificios y se procede a estimar la contribución energética de este sistema. Posteriormente, se calcula el balance entre la demanda de energía y la generación fotovoltaica para cada tipología. Para distintos valores de superficie útil, se obtienen las ecuaciones que permiten calcular el porcentaje de demanda que es abastecido por la energía fotovoltaica generado en el propio edificio. Por último, se procede a establecer la validación del modelo sometiéndolo al test de análisis de la varianza. Este modelo propone la combinación de un diseño eficiente del edificio para reducir la demanda exterior de energía, con el autoabastecimiento mediante la integración de sistemas de generación de energías renovables. Todo ello permite mitigar el nivel de emisiones de carbono derivados de los usos que se lleva a cabo en los edificios residenciales, con el consecuente beneficio ambiental para el resto de los ciudadanos y la reducción de la dependencia energética de fuentes externas al sistema. Los resultados de validación del modelo nos ha permitido confirmar que la altura del edificio tiene efecto sobre la demanda energética final, especialmente la de climatización. En el caso de edificios plurifamiliares se ha demostrado que, para cada valor de superficie total útil, existe una altura del edificio en la que la demanda energética alcanza el mínimo valor posible Los resultados obtenidos en esta investigación pueden servir de apoyo para el diseño de edificios eficientes y para la valoración de acciones de reducción de la demanda y rehabilitaciones energéticas de edificios existentes. Bibliografía: 1. Tuominen, P., Holopainen, R., Eskola, L., Jokisalo, J. & Airaksinen, M. Calculation method and tool for assessing energy consumption in the building stock. Build. Environ. 75, 153¿160 (2014). 2. Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDAE). Análisis del consumo energético del sector residencial en España INFORME FINAL. (2011). 3. Pacheco-Torres, R., López-Alonso, M., Martínez, G. & Ordóñez, J. Efficient design of residential buildings geometry to optimize photovoltaic energy generation and energy demand in a warm Mediterranean climate. Energy Effic. (2014). doi:10.1007/s12053-014-9275-5 4. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Renewables 2012 Global Status Report. (2012).