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Rehabilitación Energética del Colegio Público Román García en Albalate del Arzobispo.

Sanz Martín, Jorge Alberto

Abstract: La eficiencia energética y el ahorro energético es una de las principales preocupaciones de la sociedad actual. Dentro del contexto energético y económico en el que se encuentra la sociedad, se ha despertado una tendencia hacia el ahorro y la reducción de los gastos energéticos. Dentro del sector de la construcción, uno de los más devaluados en estos momentos, se está produciendo un cambio de sentido con respecto a la sistemática de producción anterior, que derivó en un crecimiento desproporcionado del parque edificatorio. Actualmente, las tendencias dentro del sector se enfocan más hacia la implantación de soluciones de eficiencia energética en los edificios, las rehabilitaciones o la integración de energías renovables. En este proyecto, se estudia, de qué manera, actuando sobre la envolvente de un edificio y sobre los sistemas de generación de energía térmica para calefacción se puede conseguir, por un lado, una reducción de los consumos energéticos y por otro lado, obtener un mayor confort térmico en el edificio. Todo ello, atendiendo a las necesidades y posibilidades de un colegio ubicado en un municipio como Albalate del Arzobispo. Palabras clave: Colegio, Renovables, Envolvente, Certificación, Rehabilitación, Energía.

1. INTRODUCCIÓN.

Para llevar a cabo el estudio de renovación de la envolvente térmica se han estudiado las diferentes posibilidades de actuación que ofrece el edificio. Se han evaluado diferentes soluciones constructivas, atendiendo tanto al comportamiento térmico del edificio como a aspectos económicos derivados de la ejecución de dichas soluciones. Para ello, se han analizado tres partes de la envolvente térmica del edificio: cerramientos de fachada, cerramientos en contacto con locales no calefactados (separación entre el techo planta primera y la cámara bajo cubierta) y carpinterías. Por otro lado, con respecto a los sistemas de generación de energía térmica para calefacción, se ha estudiado el cambio del sistema por una instalación de generación mediante biomasa, con el objetivo de llevar a cabo la introducción de energías renovables, en el edificio. Una vez obtenidos los resultados de la evaluación energética de las soluciones estudiadas, se realiza un análisis de los costes de inversión que supondrían dichas actuaciones, con el objetivo de comprobar en qué medida éstas podrían ser llevadas a cabo,

comparando los beneficios que reportan con sus costes de inversión.

2. DATOS DEL EDIFICIO.

La edificación objeto de estudio es el Colegio Público Román García, ubicado en la localidad de Albalate del Arzobispo. El proyecto de ejecución del edificio data de 1975. Posteriormente en 1984 se realizó una ampliación del mismo, siguiendo los mismos patrones constructivos del edificio original. El edificio consta de una configuración de PB+1, con faldón de cubierta tradicional a dos aguas y cámara no habitable bajo cubierta. La “Figura 1” corresponde a la fachada principal del edificio.

2.1. Sistemas Constructivos. De acuerdo a los datos del proyecto, la información facilitada por el personal del Ayuntamiento de la localidad y las visitas realizadas, el edificio no posee aislamiento térmico en ninguna de las tipologías de cerramiento. En la “Tabla 1” aparecen los valores de transmitancia térmica (U) de los cerramientos.

2.1.1. Cerramientos de fachada.

El edificio presenta dos tipologías de cerramiento fachada. En planta baja se compone de una doble hoja de fábrica de ladrillo hueco, con cámara de aire intermedia y revestida al exterior con mortero monocapa. En planta primera, una hoja exterior de ladrillo cerámico macizo caravista, cámara de aire y una hoja de fábrica de ladrillo hueco al interior.

2.1.2. Forjado entre plantas.

Forjado unidireccional de hormigón armado con entrevigado de bovedillas de hormigón.

Figura 1. Fachada principal del edificio.

2

2.1.3. Cubiertas.

Faldón de cubierta tradicional de teja cerámica, como material de cobertura sobre subestructura de tabiquillos palomeros, generando sobre la planta primera del edificio una cámara no habitable.

2.1.4. Carpinterías.

Carpinterías de aluminio sin rotura de puente térmico, correderas de dos hojas y con vidrios de 4 mm de espesor.

Tabla 1. Transmitancia térmica de los cerramientos. Cerramiento U(W/m2k) Fachada PB 1,10 Fachada P1 1,30

Forjado entre pisos 2,01 Huecos 5,7

3. PROPUESTAS DE RENOVACIÓN DE LA ENVOLVENTE TÉRMICA.

Para cada una de las tipologías de cerramiento de que se compone la envolvente térmica del edificio se van a estudiar diferentes soluciones constructivas, para evaluar cual se adapta más a las necesidades del edificio.

3.1. Aislamiento Térmico. Una cuestión fundamental a la hora de diseñar o rehabilitar un edificio será considerar la capacidad aislante de su envolvente. La mejor forma de ahorrar energía es no disiparla al exterior. En este aspecto, se vas a estudiar diferentes soluciones de adición de aislamiento térmico en los cerramientos. Instalando aislamiento térmico en los cerramientos, por un lado se van a reducir las demandas de energía en el edificio, por otro lado se va a aumentar el confort térmico en las diferentes dependencias, eliminando efectos como el de “pared fría”. Cabe destacar que los materiales de aislamiento que se utilizan son de origen natural o renovable, tales como el corcho negro, la lana de oveja o la celulosa. En la “Tabla 2” aparecen los valores de conductividad térmica (λ) de los materiales aislantes utilizados.

3.1.1. Aislamiento bajo cubierta.

La menor densidad del aire caliente con respecto al frío produce éste primero tienda a ocupar la parte superior de los recintos. Esto produce que la mayor parte de la energía térmica se pierda por la cubierta del edificio. A este respecto, se prevé la instalación de una manta de aislamiento térmico de lana de oveja en la cámara bajo cubierta, sobre el forjado techo planta primera.

3.1.2. Aislamiento de fachadas por el exterior.

Este sistema permite, además de instalar aislamiento térmico en el edificio, una renovación estética del mismo. Con el fin de mantener la diferenciación de texturas actual entre los cerramientos de planta baja y planta primera, se proponen dos sistemas

diferentes. En planta baja se propone la instalación de un sistema SATE de aislamiento exterior, y en planta primera un sistema de fachada ventilada con terminación de aplacado cerámico. Este sistema resulta muy efectivo a la hora de eliminar puentes térmicos en la envolvente.

3.1.3. Aislamiento de fachadas por inyección en cámaras de aire.

Otra posibilidad que ofrece el edificio es llevar a cabo una inyección de aislamiento térmico en las cámaras de aire del cerramiento. Se trata de un sistema que, ejecutado de forma óptima, ofrece buenos resultados. Además se trata de un sistema más económico que los anteriormente descritos de aislamiento por el exterior.

Tabla 2. Conductividad térmica de aislamientos. Material Λ (W/mk)

Manta de lana de oveja 0,040 Corcho negro 0,040

Celulosa 0,037

3.2. Carpinterías.

Para las carpinterías, con el fin de facilitar el proceso de ejecución en obra, se ha optado por mantener las carpinterías originales e instalar unas nuevas carpinterías en la cara exterior de los cerramientos de fachada. Además con este sistema podemos reducir las exigencias térmicas de las nuevas carpinterías obteniendo también un buen comportamiento térmico. Como criterio general para todas las tipologías de carpintería se ha optado por optimizar la superficie de los vidrios, ya que ésta representa una mayor superficie en el total del hueco. En las “Tabla 3” y “Tabla 4” aparecen, respectivamente, las características térmicas de carpinterías y vidrios utilizados.

Tabla 3. Transmitancia térmica de carpinterías. Tipología de carpintería U (W/m2k)

Aluminio sin RPT 5,7 Aluminio con RPT 4,0

Aluminio con RPT-serie alta 1,7 Madera 2,0

Tabla 4. Transmitancia térmica de los vidrios. Tipología de vidrio U (W/m2k)

Vidrio bajo emisivo (4-16-4) 1,1 Vidrio doble estándar (6-12-6) 2,8

4. ANÁLISIS Y SIMULACIONES ENERGÉTICAS.

Una vez propuestas, de forma teórica las propuestas a estudiar, procedemos a la simulación de las soluciones y el posterior análisis de los resultados obtenidos.

3

0

50

100

150

200

250237

92

kWCargas térmicas

Calefacción

Refrigeración

Para simular las diferentes configuraciones constructivas se utilizado el software de modelado y simulación “Cype Instalaciones”. Este software permite modelar edificio introduciendo los sistemas constructivos que lo componen, volúmenes, usos de las dependencias, horarios de uso, etc. Para llevar a cabo el análisis de los beneficios que reportan al edificio las diferentes soluciones constructivas propuestas, en primer lugar, se realiza la simulación energética del edificio en su estado actual, para posteriormente simular las diferentes configuraciones y comparar los resultados.

4.1. Simulación del Estado Actual del Edificio. Para simular cómo se comporta el edificio realmente, es imprescindible que los datos introducidos en el software de cálculo se ajusten los máximo posible a la realidad. De esta forma, a la hora de analizar los beneficios que nos reportan las nuevas soluciones constructivas, podremos extrapolar dichos resultados al modelo real del edificio. Para ello, además de introducir la configuración de las soluciones constructivas, señaladas en el punto segundo de este informe, se ha prestado especial atención a la configuración de los usos de los recintos y de los horarios del colegio, datos que fueron facilitados por la dirección del centro. Según la información recopilada, conocemos que el sistema de calefacción se pone en funcionamiento todos los días a las 8:00 horas y se para a las 16:30 horas. Así mismo, conocemos que recintos como el salón de actos o la biblioteca se climatizan de forma esporádica. En la “Figura 2” aparecen los resultados de las cargas térmicas obtenidos en la simulación del estado actual del edificio.

Obtenidos los resultados de la simulación, tomaremos el valor de las cargas térmicas de calefacción de 237kW como referencia para evaluar a continuación el comportamiento de las soluciones propuestas. Las cargas de refrigeración se desestiman ya que un colegio basa la gran parte de su actividad en las estaciones más frías. Cabe destacar que el resultado obtenido de 237kW para las cargas de calefacción se asemeja bastante a

la potencia de la caldera actualmente instalada en el colegio que posee una potencia útil de 235kW.

4.2. Simulación de Aislamientos. En este punto se analizan los resultados obtenidos para la simulación de las diferentes tipologías de sistemas de aislamiento.

4.2.1. Aislamiento bajo cubierta.

En primer lugar se ha simulado el edificio introduciendo una capa de aislamiento en la cámara bajo cubierta. Se ha realizado el análisis con la incorporación de una manta de lana de oveja (λ = 0,04 W/mk) variando sus espesores. En la “Tabla 5” se reflejan los resultados obtenidos.

Tabla 5. Resultados de aislamiento bajo cubierta. Situación Cargas Térmicas (kW) % Reducción

Estado Actual 237 - 5 cm 221 6% 10 cm 220 7% 15 cm 219 7%

En base a estos resultados, las siguientes simulaciones de aislamientos en cerramientos de fachada incorporarán el aislamiento bajo cubierta mediante una manta de lana de oveja de 10 cm de espesor.

4.2.2. Aislamiento en cerramientos de fachada.

En esta simulación se analizan tanto el sistema de aislamiento por el exterior como el sistema de aislamiento por inyección. Para el aislamiento exterior el material aislante incorporado son paneles de corcho negro (λ = 0,04 W/mk) y para el aislamiento por inyección en cámaras de aire se utiliza, como material aislante, celulosa (λ = 0,37 W/mk). En la “Figura 3” y la “Figura 4” aparecen, respectivamente, los resultados referentes a cada una de las soluciones anteriores.

Figura 3. Cargas térmicas de aislamiento exterior.

237

213210 209 208 207

190

200

210

220

230

240

Estado actual2 cm 4 cm 6 cm 8 cm 10 cm

kW Cargas térmicas de calefacción

Calefacción

Figura 2. Cargas térmicas del estado actual.

4

Figura 4. Cargas térmicas de inyección en cámaras.

4.3. Simulación de Carpinterías.

En este apartado estudiamos la variación de las cargas térmicas en función de la tipología de carpinterías. En primer lugar se ha realizado un estudio para la elección de la colocación de los vidrios. El objeto de esta simulación es conocer, según el tipo de vidrio, cuál nos ofrece mejores prestaciones en función de la orientación. De forma que se ha simulado por una parte la instalación de vidrios dobles con uno bajo emisivo en todos los huecos y, por otra parte, la instalación de vidrios dobles estándar en orientaciones sur y bajo emisivos en orientaciones norte. En este supuesto hemos obtenido que la configuración de vidrio bajo emisivo a norte y estándar al sur nos reporta un 3% más de reducción de cargas. Posteriormente a este análisis, simulamos todas las tipologías de carpinterías. Los resultados de la simulación aparecen en la “Tabla 6”.

Tabla 6. Resultados de carpinterías Situación Cargas Térmicas

(kW) Reducción

(%) Estado Actual 237 - DV Aluminio 221 7

DV Aluminio RPT 220 7 DV Alum. RPT-

alta gama 218 8

Madera 221 7 *DV: doble ventana.

4.4. Simulación de Aislamientos y Carpinterías.

Una vez analizadas por separado las soluciones de aislamiento y carpinterías. En este apartado se realiza una simulación conjunta, escogiendo las hipótesis que se han considerado más adecuadas de las anteriormente simuladas. Así pues, vamos a comparar dos supuestos. Ambos dos tienen en común el aislamiento bajo cubierta de 10 cm de espesor con manta de lana de oveja y la carpintería de aluminio con doble ventana. La única variación entre ambos va a ser el sistema de aislamiento en cerramientos de fachada. El primero de ellos mediante aislamiento de 4 cm de espesor por exterior de panel de cocho negro y el segundo con aislamiento de 4 cm de espesor de celulosa. La “Figura 5” refleja los resultados obtenidos en la simulación.

Figura 5. Resultados de aislamiento y carpinterías.

A modo de resumen, a continuación se muestran

en la “Tabla 7” los porcentajes de reducción de las

soluciones seleccionadas, con las que se seguirá

trabajando en los siguientes capítulos.

Tabla 7. Resumen de resultados de simulaciones. Situación Cargas

(kW)

Reducción

(%)

Estado actual 237

Aisl. Bajo cubierta 10 cm 221 7%

Aisl. Ext. 4 cm + Bajo cub.

10cm

210 11%

Inyección 4 cm + Bajo cub. 10

cm

211 11%

Aisl. Ext. 4 cm + Bajo cub.

10cm + DV aluminio

194 18%

Inyección 4 cm + Bajo cub. 10

cm + DV aluminio

195 18%

Como podemos comprobar en la tabla anterior, llevando a cabo una actuación sobre el total de la envolvente térmica del edificio, se ha obtenido un reducción de las cargas térmicas de calefacción de hasta un 18%, tanto para el sistema de aislamiento por el exterior como el de inyección de aislamiento en cámaras de aire. Cabe destacar, que llevando a cabo la ejecución de un aislamiento en la cámara bajo cubierta llegamos a obtener hasta un 7% de reducción de las cargas, lo cual resulta muy interesante, ya que se trata de una solución de fácil ejecución en obra. Las soluciones constructivas de la tabla serán las utilizadas más adelante en el estudio de viabilidad económica.

5. INTEGRACIÓN DE RENOVABLES

Este estudio de integración de energías renovables se centra exclusivamente en la sustitución del equipo de generación de energía térmica para calefacción. Se va a evaluar la instalación de una caldera de biomasa alimentada con pélets como material combustible. El objetivo a conseguir con esta actuación es doble. Por una parte reducir el importe anual que invierte el Ayuntamiento de la localidad en calefacción para el colegio. Por otro lado, con la implantación de una instalación de biomasa se consiguen reducir las

237

210

190

200

210

220

230

240

Estado actual 4 cm

kWCargas térmicas de calefacción

Calefacción

237

194 195

180

190

200

210

220

230

240

Estado actual 4cm aislamiento

exterior + DV Aluminio

4cm aislamiento

inyectado + DV Aluminio

kW

Cargas de Calefacción

5

emisiones de CO2 que se vierten a la atmósfera en el proceso de combustión. La biomasa se considera una fuente de energía renovable, no sólo porque es inagotable cuando se utiliza de forma sostenible, sino que, además, se considera que sus emisiones de CO2 son nulas, ya que el CO2 emitido por los vegetales durante su combustión, es el mismo que el CO2 captado durante su crecimiento y metabolizado para generar sus propios tejidos. A este proceso se le conoce como el ciclo neutro del Carbono.

5.1. Instalación de Calefacción Actual.

Actualmente el colegio dispone de una instalación de calefacción con sistema bitubular con radiadores de hierro fundido. El equipo de generación de energía es una caldera de gasóleo C, con una potencia útil de 235 kW. También es conocido el consumo medio anual de combustible, facilitado por la dirección del centro. Este consumo varía entre 9.000 y 10.000 litros de gasóleo C anuales, en función de la dureza de los inviernos. Para el estudio se ha seleccionado un consumo anual de 9.500 litros. En base a los litros anuales consumidos y el poder calorífico del combustible (9,98 kWh/l), según la “Ecuación (1)”, obtendremos el consumo de energía anual en kWh. E (kWh)= Litros (l) · PCI (kWh/l) (1) De esta forma, obtenemos que el colegio tiene un consumo medio anual de 94.810 kWh/año.

5.1.1. Elección de la caldera.

La potencia de la caldera se asemejará a la potencia de la actualmente instalada. Se ha optado por seleccionar una caldera con una potencia útil de 200 kW. La razón por la que se ha reducido la potencia con respecto a la actual es porque irá apoyada con la instalación de un depósito de inercia, que nos proporciona un mayor rendimiento global del sistema.

5.1.2. Elección del combustible.

El combustible seleccionado es el pélet, por ser actualmente el más comercializado, porque posee unas buenas propiedades térmicas y porque se adapta perfectamente a la disponibilidad del espacio disponible para su almacenamiento.

5.1.3. Sistema de almacenamiento.

Se ha optado por la construcción de un silo de almacenamiento de obra ya que el colegio dispone del espacio necesario para su ejecución. Este se encontrará anexo a la sala de calderas. El sistema de almacenamiento constará de un suelo inclinado a dos aguas, con un tornillo sinfín en la zona inferior que alimentará a la caldera.

5.1.4. Dimensionado del silo.

En primer lugar necesitamos conocer el volumen necesario de combustible para abastecer los 94.819 kWh/año de consumo de energía anteriormente calculados. Para ello conociendo el poder calorífico del pélet (4,3kWh/kg) podremos calcular el número de kilogramos necesarios, según la “Ecuación (2)” P (kg) = E (kWh/año) · PCI (kWh/kg) (2) Según la ecuación, necesitaremos 22.049 kg de pélet para suplir el consumo medio de energía anual. El siguiente paso será calcular el volumen de almacenamiento. De forma que, conociendo el peso (kg) necesario anual de combustible y la densidad del combustible (1.120 kg/m3), obtendremos el volumen (m3) de combustible necesario para un año, según la “Ecuación (3)”. V(m3) = P (kg) / Densidad (kg/m3) (3) De esta forma obtenemos que será necesario un volumen de almacenamiento de 20 m3 de pélet para suplir las necesidades de consumo de energía térmica de calefacción actuales del edificio. Ante la imposibilidad de disponer de tal volumen de almacenamiento, se ha optado por proyectar un silo de almacenamiento de 12 m3, de manera que serán necesarias dos recargas anuales de combustible.

6. VIABILIDAD DE LAS SOLUCIONES ESTUDIADAS.

Una vez estudiadas y analizadas energéticamente las soluciones propuestas, tanto en lo que a envolvente térmica se refiere, como al sistema de generación de energía, por último se analiza económicamente la viabilidad de estas actuaciones, tomando como referencia inicial los consumos anual real del edificio objeto de estudio. A modo de resumen, en este punto se van a presentar las soluciones que ofrecen una mayor viabilidad, en función de las posibilidades y necesidades del edificio.

6.1. Datos de partida. En primer lugar se considera un consumo real anual de 9.500 litros de gasóleo C. Esto supone una energía de 94.810 kWh/año. El precio del gasóleo, se estima en 0,986 €/l. El precio del pélet según e en 169€/t. Estos precios se obtienen de los publicados por el IDAE mensualmente. También se deben tener en consideración las inversiones necesarias para acometer las soluciones propuestas. En la “Tabla 8” aparece el importe de los presupuestos de ejecución material (PEM) realizados para cada solución.

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Tabla 8. Presupuestos de ejecución material.

Solución PEM (€) Aislamiento exterior 88.000 Aislamiento por inyección en cámaras 26.000 Aislamiento bajo cubierta 14.000 Carpinterías 57.000 Biomasa 35.000

En base a estos factores expuestos se calculará el periodo de retorno de la inversión, en función del importe anual (€) que el colegio asume y los ahorros generados por las inversiones. En base a estas premisas se han obtenido los resultados reflejados en la “Tabla 9”.

Tabla 9. Resumen de viabilidad de supuestos

Supuesto

Ahorro anual (%)

Periodo de retorno (años)

Biomasa 60 6,5

Aisl. Exterior + bajo cubierta 11 99

Aisl. Inyección + bajo cubierta 11 39

Aisl. Ext + bajo cubierta + Biomasa 65 21

Aisl. Iny. + bajo cubierta + Biomasa 65 11

Aisl. Iny. + bajo cubierta + Carpinterías + Biomasa

67 18

Aisl. Bajo cubierta + Biomasa 63 8

En base a los resultados obtenidos vemos como, en todas las soluciones, para conseguir un periodo de retorno más o menos bajo, es preciso llevar a cabo la instalación de un sistema de biomasa. Esto se debe a que mediante la instalación de biomasa conseguimos unos ahorros económicos muy importantes debido a la gran diferencia entre el precio del gasóleo y la biomasa. No parece que, una solución sin la implantación de un nuevo sistema de generación de energía, en este caso biomasa, pudiera llevarse a cabo con el objetivo de conseguir una reducción en los importes anuales de consumo de energía. 7. CONLCUSIONES.

A la hora de abordar un proyecto de rehabilitación de tales magnitudes, y estudiar las diferentes soluciones que se podrían llevar a cabo para la consecución de unos objetivos marcados, resulta imprescindible analizar las soluciones en función de las posibilidades y necesidades, del edificio, de llevarse a cabo una actuación. En este estudio se han analizado los beneficios que aportan diferentes soluciones introducción de aislamiento térmico en la envolvente térmica del edificio, diferentes sistemas de carpinterías, así como la implantación de una caldera de biomasa en el edificio analizado.

Por una parte, mediante las actuaciones en la envolvente térmica del edificio conseguimos reducir las demandas energéticas del mismo, y además otorgamos un mayor grado de confort en las estancias, eliminando efectos indeseados como el de “pared fría”. Por otra parte, la implantación de una instalación de biomasa nos aporta unos ahorros económicos en las facturas de consumo de energía anual, y además contribuimos a la reducción de emisiones de CO2 en el proceso de combustión. En base a estas observaciones y los resultados obtenidos, para un edificio de estas características sería interesante llevar a cabo una actuación conjunta, que aunase actuaciones en la renovación de la envolvente térmica del edificio así como en la sustitución y mejora de los equipos o sistemas de generación de energía térmica.

8. AGRADECIMIENTOS.

El autor de este artículo agradece al Excmo. Ayuntamiento de Albalate del Arzobispo, a su Alcalde D. Antonio del Río Macipe y Personal Administrativo, así como al Arquitecto Alberto Monreal y al tutor del proyecto Enrique Cano Ontina su colaboración en la realización del proyecto.