Análisis de costes en la producción de energía térmica y simulación energética

Este artículo explica la simulación energética que se realizó para un estudio bajo el título 'Análisis de costes energéticos en producción de energía térmica para aportar frío según el sistema de condensación elegido en un hospital'. La realización del análisis se centra en la simulación energética de los diferentes sistemas propuestos y sus consumos. Un factor muy importante en un hospital es la distribución de energía dentro del mismo, pero esto se considera fuera del alcance de este trabajo.

La simulación energética reproduce con la mayor fidelidad posible el comportamiento del edificio considerando uso, horarios, ocupación, iluminación, actividad de sus ocupantes y condiciones ambiente de manera horaria a lo largo de un año.

Figura 1. Simulación + cargas.

A lo largo del año es posible encontrar periodos en los que el efecto de las cargas térmicas interior y exterior pueden ser aditivo, compensatorio o incluso sustractor, debido a la variación de las condiciones de ocupación, iluminación, actividad, etc.

Además, se hace necesario considerar en la simulación el control y los efectos de la recuperación de calor y del enfriamiento gratuito (freecooling) legalmente obligatorios.

Figura 2. Producción y distribución.

Para que una simulación energética sea fiable, deben tenerse en cuenta como mínimo cuatro aspectos fundamentales: definición precisa del edificio y usos, cálculo de las necesidades térmicas, consumo de los equipos de producción y, finalmente, coste del consumo eléctrico.

En nuestro caso, se aborda un hospital de 20.000 m², con una variación de la ocupación según franja horaria (visitas, personal sanitario…), actividad metabólica según dependencia, así como iluminación, aparatos eléctricos, cerramientos y orientación solar.

La necesidad de llegar a este nivel de detalle en la definición para realizar la simulación es la garantía para poder interpretar y entender el comportamiento real del edificio. Situaciones diferentes en las cuales, para una misma condición exterior tenemos una demanda interior diferente y, por tanto, el equipo de producción trabaja con diferente rendimiento.

En meses donde la demanda de frío es alta, la carga positiva debida a la ocupación, radiación e iluminación, ayudan a calentar el edificio, pero no son suficientes para contrarrestar la pérdida de calor, con lo que será necesario aportar calor en todo momento.

Figura 3. Demanda del mes de enero.

En otros meses del año, como por ejemplo abril, se aprecia una reducción drástica de la carga negativa (frío), lo cual hace que, en determinados momentos del día, el balance entre la carga positiva y la negativa haga necesario refrigerar y en otros sea necesario calentar.

Figura 4. Demanda del mes de abril.

Finalmente, en los meses más cálidos, la situación se invierte. De este modo, en julio vemos que el balance en todo momento es positivo. A lo largo de la noche, cuando la temperatura exterior puede llegar a ser inferior a la Tª de consigna del hospital, el aporte de aire más fresco de la ventilación provoca un equilibrio térmico sin necesidad de aporte energético con los grupos de producción.

Figura 5. Demanda del mes de julio.

Las necesidades hora a hora durante todo el año se determinan en la curva de demanda del edificio:

Figura 6. Demanda anual acumulada.

Figura 7. Resumen costo total kwh por mes.

En una primera aproximación, estudiando los consumos y costes, se aprecia que, como norma general, los sistemas que condensan con agua directamente, como la torre y el pozo, consiguen mejores rendimientos. Para completar el comparativo, hay que tener en cuenta el consumo asociado a elementos necesarios de transporte de energía que conciernen exclusivamente a la producción, como son las bombas de circulación de agua, la bomba de pozo o los ventiladores. Incluidos estos consumos, el escenario varía sustancialmente y los sistemas condensados por aire pasan a ofrecer mejores resultados.

Finalmente, añadiendo el coste de la energía, obtenemos el coste en euros para este hospital (de 20.000 m² superficie).

Figura 8. Consumo final en euros.

Para establecer costes totales, habría que incluir consumo de agua (sistemas de condensación con torre) y costes de mantenimiento. Añadiendo estos últimos, se obtuvieron unos resultados finales que hacían más atractiva la aerotermia frente a otros sistemas.

La primera conclusión, es que una simulación energética se presenta como un método idóneo para contrastar el funcionamiento de los equipos y del sistema elegido con los datos reales del hospital, y a partir de ahí, se puede prever cómo afecta a la producción la elección de otros sistemas y establecer estrategias de ahorro energéticas adecuadas a las características y usos del edificio.

Igualmente, es importantísimo destacar que es imprescindible tener datos reales de rendimiento de los equipos trabajando en cargas parciales con distintas condiciones de condensación para tener una simulación fiable. Igualmente, para que los datos obtenidos sean correctos, hay que incluir un cálculo preciso de las necesidades térmicas del edificio y su variación en cada momento. Un dato aproximado o una suposición de uso no correcta, alteraría de manera considerable los resultados obtenidos, perdiendo toda la fiabilidad de los mismos.

Para el caso de estudio, de un hospital de un 20.000 m², la elección de sistemas de condensación por aire parece a priori una tecnología muy adecuada. En cualquier caso, la elección dependerá de aspectos como la disponibilidad de espacio, las condiciones meteorológicas de la zona,y las condiciones de suministro de la red eléctrica.

El estudio en el que está basado este articulo se presentó como ponencia en el XXXVI Congreso de Ingeniería Hospitalaria, celebrado en Zaragoza entre 17 y 19 de octubre de 2018. En la realización de la ponencia participaron: Fidel Ledesma Lardéis, Ingeniero Técnico de Mantenimiento Hospital Nuestra Señora de Gracia (Zaragoza), José Muerza Ingeniero y gerente en Geste Innovación, Carlos Gil Ingeniero Delegado de Keyter Intarcon, Alberto Fernández, Consultant Engineer en Trane y José Antonio Torre, Ingeniero Industrial y Director Comercial en Evair.

Agradecimientos

Queremos agradecer a los fabricantes Carrier, York (Johnson Controls), Keyter y Trane, que prestaron información sobre sus equipos imprescindible para la realización de la simulación (dichos datos fueron tratados con absoluta confidencialidad).

La simulación energética es un método idóneo para contrastar el funcionamiento de los equipos y del sistema elegido con los datos reales del hospital y establecer estrategias de ahorro energético.