Algunos edificios de nueva construcción o reformados integralmente (entre otros casos) están obligados a disponer de sistemas de energías renovables que cubran parte de la energía destinada a ACS (agua caliente sanitaria) y climatización de piscinas cubiertas.
En esta publicación se explica como cumplir este requisito con una instalación de placas fotovoltaicas, aplicando los criterios del CTE-DB-HE4 sobre Contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria (versión vigente a marzo de 2022).
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- Contribución mínima y ámbito de aplicación
- Demanda de energía para agua calienta sanitaria
- Demanda para climatización de piscinas
- Potencia pico requerida
- Gestión de la demanda
- Caso práctico
CONTRIBUCIÓN MÍNIMA Y ÁMBITO DE APLICACIÓN
En los siguientes cuatro casos se exige cubrir al menos el 70% (60% si el consumo de ACS es inferior a 5.000 [litros/día]) de la demanda energética anual por ACS y climatización de piscinas cubiertas con energía procedente de fuentes renovables:
- Edificios de nueva construcción con una demanda de agua caliente sanitaria (ACS) superior a 100 [litros/día], calculada de acuerdo al Anejo F del CTE-DB-HE.
- Edificios existentes con una demanda de agua caliente sanitaria (ACS) superior a 100 [litros/día], calculada de acuerdo al Anejo F, en los que se reforme íntegramente, bien el edificio en sí, o bien la instalación de generación térmica, o en los que se produzca un cambio de uso característico del mismo.
- Ampliaciones o intervenciones, no cubiertas en el punto anterior, en edificios existentes con una demanda inicial de ACS superior a 5.000 [litros/día], que supongan un incremento superior al 50% de la demanda inicial.
- Climatizaciones de: piscinas cubiertas nuevas, piscinas cubiertas existentes en las que se renueve la instalación de generación térmica o piscinas descubiertas existentes que pasen a ser cubiertas.
DEMANDA DE ENERGÍA PARA ACS
Para el cálculo de la demanda por ACS, primero se debe consultar el Anejo F del CTE-DB-HE para determinar el consumo diario de ACS ([litros/día]), dicho documento se adjunta a continuación y establece como parámetros principales de cálculo el número de personas del edificio, el uso del emplazamiento y la temperatura de acumulación.
VACS = f(uso edificio, nº de personas, temperatura de acumulación) ≡ [litros/día]
Con el valor obtenido se aplica la siguiente fórmula mes a mes para obtener la demanda energética por ACS, esta ecuación depende del consumo anteriormente determinado, la temperatura del agua de red y la temperatura de acumulación.
DACS-i = VACS · CE-Agua · (TACS – TRED-i) · di ≡ [kWh/mes]
| Parámetros para el cálculo de la demanda por ACS |
|---|
| i ≡ Meses de año ≡ Enero, Febrero, … , Diciembre |
| DACS-i ≡ Demanda de energía para ACS ≡ [kWh/mes] |
| VACS ≡ Volumen de ACS consumido al día ≡ [litros/día] |
| CE-Agua ≡ Calor específico del agua ≈ 0,00116 [kWh / (litro · ºC)] |
| TACS ≡ Temperatura de acumulación = 45 – 60 [ºC] |
| TRED-i ≡ Temperatura del agua fría = f(localidad, altura, latitud) → Anejo G del CTE-DB-HE |
| di ≡ Días del mes considerado = 28-31 [días] |
DEMANDA PARA CLIMATIZACIÓN DE PISCINAS
El documento CTE-DB-HE no establece ningún método para el cálculo de la demanda necesaria para la climatización de una piscina, por ello, a continuación se proponen dos procedimientos para su estimación, ambos de carácter empírico:
P1 → DPISCINA-i = (130 – 3 · TA + 0,2 · TA2) · (SPISCINA / 1000) · 24 · di ≡ [kWh/mes]
| Parámetros para el cálculo de la demanda por climatización de piscinas cubiertas (1) |
|---|
| i ≡ Meses de año ≡ Enero, Febrero, … , Diciembre |
| DPISCINA-i ≡ Demanda de energía para climatizar la piscina ≡ [kWh/mes] |
| TA ≡ Temperatura ambiente del reciento ≡ 26 – 28 [ºC] (RITE) |
| SPISCINA ≡ Superficie de la piscina ≡ [m2] |
| di ≡ Días del mes considerado = 28-31 [días] |
P2 → DPISCINA-i = (PEVAPORACIÓN + PRADIACIÓN + PCONVECCIÓN) · SPISCINA · di ≡ [kWh/mes]
| Parámetros para el cálculo de la demanda por climatización de piscinas cubiertas (2) |
|---|
| i ≡ Meses de año ≡ Enero, Febrero, … , Diciembre |
| DPISCINA-i ≡ Demanda de energía para climatizar la piscina ≡ [kWh/mes] |
| PEVAPORACIÓN ≡ Pérdidas por evaporación ≡ [kWh/m2] → Consultar documento |
| PRADIACIÓN ≡ Pérdidas por radiación ≡ [kWh/m2] → Consultar documento |
| PCONVECCIÓN ≡ Pérdidas por convección ≡ [kWh/m2] → Consultar documento |
| SPISCINA ≡ Superficie de la piscina ≡ [m2] |
| di ≡ Días del mes considerado = 28-31 [días] |
Ambos métodos han sido extraídos del Módulo sobre Energía Solar Térmica del Máster en Energías Renovables de I.T. MasterD, en concreto de la Unidad 8 titulada Otros tipos de colectores y aplicaciones de la energía solar térmica.
Cabe destacar que estos dos procedimientos consideran despreciables algunas de las pérdidas térmicas que se exige tener en cuenta en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, en concreto, en su ITE 10.2.2 se especifican estas otras:
- Desde el suelo mojado alrededor de la piscina.
- Desde el cuerpo de las personas mojadas.
- Por conducción a través de las paredes.
- Por renovación del agua de la piscina.
Estos factores normalmente no tienen un impacto apreciable en el balance térmico de la piscina, no obstante, si se desea justificar que se han tenido en cuenta, recomiendo aplicar un coeficiente de seguridad del 25% para englobarlas.
POTENCIA PICO REQUERIDA
Primero se debe calcular la generación específica ([kWh/(kWp · mes)]) en el emplazamiento en cuestión y a una disposición determinada (inclinación & azimut). Para ello lo más sencillo es usar el aplicativo web PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) por ser un programa de fácil manejo, gratuito y de carácter oficial.
Otra fuente fiable es el documento Evaluación del potencial de energía solar térmica y fotovoltaica derivado del cumplimiento del Código Técnico de Edificación (Estudio Técnico PER 2011-2020), redactado por el IDAE, en el que se recogen los valores de generación específica anual en función de la provincia considerada (Ilustración 42). Destacar que estos resultados no incluyen las pérdidas por sombras, además se han calculado para una inclinación de 30º y orientación Sur.
La tecnología de inversor empleada (de string, micros u optimizadores) y el uso de acumuladores (e.g. baterías de litio) también influirán en la producción útil disponible, si bien en la práctica normalmente no son tan determinantes.
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CÁLCULO DE LA RADIACIÓN INCIDENTE Y DE LA PRODUCCIÓN FOTOVOLTAICA
Para dimensionar el campo fotovoltaico sencillamente se comparará la producción fotovoltaica con el consumo eléctrico (demanda + pérdidas) a cubrir y se tomará una potencia pico que permita alcanzar la contribución mínima indicada anteriormente (60-70%).
Los resultados se verán afectados en gran medida en función del rendimiento del sistema calentador empleado, que normalmente será un calentador eléctrico (termoeléctrico), una bomba de calor (aerotermia) o un sistema híbrido que use varias tecnologías:
Consumo de electricidad → CEi = DPISCINA-i / RPISCINA + DACS-i / RACS ≡ [kWh/mes]
Estimación de la potencia pico → PP-MIN ≈ (CMIN / 100) · CEAnual / GEAnual ≡ [kWp]
Contribución mensual → Ci = [(GEi · PP) / CEi] · 100 ≡ [%] ≤ 100%
Requisito a cumplir → Σ(Ci · CEi) / CEAnual > CMIN
| Parámetros para la estimación de la potencia pico y el cálculo de la contribución |
|---|
| i ≡ Meses de año ≡ Enero, Febrero, … , Diciembre |
| CEi ≡ Consumo de electricidad de los sistemas calentadores ≡ [kWh/mes] |
| DPISCINA-Anual ≡ Demanda de energía para climatizar la piscina ≡ [kWh/año] |
| DACS-Anual ≡ Demanda de energía para ACS ≡ [kWh/año] |
| R ≡ Rendimiento del sistema calentador ≡ [-] – Para termoeléctricos tomar 0,90 y para bombas de calor mínimo 2,50. |
| PP ≡ Potencia pico final del campo fotovoltaico ≡ [kWp] – PP-MIN ≡ Potencia pico mínima estimada del campo fotovoltaico ≡ [kWp] |
| GE ≡ Generación específica ≡ f(ubicación, disposición de los paneles) – Expresada en [kWh/ (kWp · año)] o [kWh/ (kWp · mes)]. |
| CMIN ≡ Contribución solar mínima anual = 60-70% – Ci ≡ Contribución solar real alcanzada mes a mes ≡ [%] |
Es importante tener en cuenta que si al edificio o reforma le es de aplicación además el CTE-DB-HE5 sobre Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica, habrá que sumar las potencias pico de ambas exigencias para conocer la potencia pico total que le corresponda al edificio.
GESTIÓN DE LA DEMANDA
Por último, aclarar que, a parte de los módulos fotovoltaicos y del resto de elementos que componen una instalación solar, también será necesario instalar un temporizador que limite el funcionamiento de los calentadores a las horas del día con mayor producción (9:00 – 17:00) hasta alcanzar la temperatura de consigna deseada (45-60 [ºC]).
Indicar además que se permitirá su operación justo antes de las horas de mayor uso en el caso de que no se haya logrado alcanzar la temperatura deseada, aunque preferiblemente durante los periodos en los que la energía eléctrica sea más barata, lo cual dependerá del tipo de tarifa contratada por el usuario.
Otra opción aún más rentable es instalar un equipo que derive los excedentes de la planta a los calentadores, por ejemplo, el Ohmpilot de Fronius. No obstante, la implementación de estos sistemas no siempre es viable.
CASO PRÁCTICO
Se desea calcular la potencia pico necesaria para cumplir los requisitos del CTE-DB-HE4 en un Hotel de tres estrellas de nueva construcción que dispone de 20 habitaciones de dos camas cada una y de una piscina cubierta de 60 [m2] sin manta térmica. El sistema calentador para ACS serán calentadores termoeléctricos y de bomba de calor para la climatización de la piscina.
El edificio se halla en Barcelona capital y no tiene límite de espacio en cubierta. No obstante, por estética, se ha decidido que la inclinación de los paneles sea de 15º y el azimut de 140º, es decir, 40º desviado del Sur. Los módulos son de 400 [Wp] y se estiman unas pérdidas del sistema (inversor, temperatura, e. joule) del 15%.
PASO 1.1 – Demanda diaria de ACS.
El consumo diario de agua en hoteles de tres estrellas es de 41 [litros / (persona · día)], por lo tanto, si hay un total de 20 dormitorios y dos camas por cada uno de ellos (40 [personas]), el volumen de agua será de 1640 [litros/día] suponiendo una temperatura de acumulación de 60 [ºC].
La temperatura en realidad será de 50 [ºC], por lo que habrá que ajustar este volumen aplicando la fórmula indica en el Punto 3 del Anejo F del CTE-DB-HE. Por otro lado, en el Anejo G se consultará la temperatura del agua de red en Barcelona.
VACS-50-i = VACS-60-i · (60 – TRED-i) / (TACS – TRED-i) ≡ [litros/día]
e.g. Abril → VACS-50-Abril = 1640 · (60 – 12) / (50 – 12) = 2071,6 [litros/día]
PASO 1.2 – Demanda para la generación de ACS.
A continuación se calcula la energía requerida mes a mes para calentar el agua. Cabe aclarar que la energía necesaria es la misma independientemente de la temperatura de acumulación, ya que a medida que sube esta, menor es el volumen necesario.
DACS-i = VACS-50 · CE-Agua · (TACS – TRED-i) · di ≡ [kWh/mes]
e.g. Abril → DACS-Abril = 2071,6 · 0,00116 · (50 – 12) · 30 = 2.739,5 [kWh/mes]
PASO 2.1 – Demanda de la climatización de la piscina (procedimiento 1).
La energía demandada por la piscina según el procedimiento 1 será la siguiente, teniendo en cuenta que se ha considerado una temperatura ambiente para el recinto donde se ubica la piscina de 27 [ºC], tal y como recomienda el RITE:
P1 → DPISCINA-i = (130 – 3 · TA + 0,2 · TA2) · (SPISCINA / 1000) · 24 · di ≡ [kWh/mes]
e.g. Abril→ DPISCINA–Abril = (130 – 3 · 27 + 0,2 · 272) · (60 / 1000) · 24 · 30 = 8. 415,4 [kWh/mes]
PASO 2.2 – Demanda de la climatización de la piscina (procedimiento 2).
La energía demandada por la piscina según el procedimiento 2 será la siguiente, teniendo en cuenta que se han considerado una temperatura ambiente y una humedad relativa para el recinto donde se ubica la piscina de 27 [ºC] y del 60% respectivamente, tal y como recomienda el RITE:
P2 → DPISCINA-i = (PEVAPORACIÓN + PRADIACIÓN + PCONVECCIÓN) · SPISCINA · di ≡ [kWh/mes]
e.g. Abril → DPISCINA-Abril = (1,56 + 2,19 + 1,90) · 60 · 30 = 10.170 [kWh/mes]
Dado de que estos resultados son más desfavorables que los calculado en el procedimiento 1, ya que la demanda estimada es más alta, serán los que se tomen de referencia para el cálculo del resto de parámetros.
PASO 3 – Generación específica estimada.
La generación específica ha sido calculada con el aplicativo web PVGIS y utilizando como base de datos climáticos SARAH2, la potencia pico introducida es de 1 [kWp] y para el resto de parámetros los valores listados en el enunciado del caso práctico:
PASO 4 – Consumo de electricidad.
El consumo de electricidad dependerá de la demanda calculada y del rendimiento de los sistemas calentadores utilizados, cabe destacar que en este aspecto las bombas de calor a menudo tienen rendimientos superiores al 300% (250% mínimo) frente al 90% de los termoeléctricos:
CEi = DPISCINA-i / RPISCINA + DACS-i / RACS ≡ [kWh/mes]
e.g. Abril → CEAbril = 10.170,0 / 2,5 +2.739,5 / 0,9 = 7.111,8 [kWh/mes]
PASO 5 – Potencia pico requerida.
Para calcular la potencia pico se parte de una estimación y posteriormente se ajusta hasta cumplir el requisito indicado, valor a partir del cual se determina el número de paneles fotovoltaicos necesarios y la potencia exacta.
PP-MIN ≈ (CMIN / 100) · CEAnual / GEAnual ≈ (70/100) · 85159,77 / 1413,62 = 42,17 [kWp]
A partir de este dato se comprueba que con 43 [kWp] se alcanza un contribución en energías renovables del 70,39%, siendo esta potencia suficiente para cumplir los requisitos del CTE-DB-HE4. No obstante, dado que los paneles son de 400 [Wp], la potencia real sería de 43,2 [kWp], es decir, un total de 108 módulos, con los que se alcanzaría una contribución final del 70,64%:
e.g. Abril → CAbril = [(GEAbril · PP) / CEAbril] · 100 = [(135 · 43,2) / 7.111,8] · 100 = 82,0%
Σ(Ci · CEi) / CEAnual = (41,59% · 7545,48 + … + 37,62% · 7479,96) / 85159,77 = 70,64%
<<< Aclaración del 16/04/2023: se debería haber considerado una contribución renovable mínima del 60% y no del 70% dado que la demanda de ACS es inferior a los 5.000 [litros/día]. >>>
