La eficiencia energética en edificios altos y los retos para el desarrollo sustentable Omar Aizpurúa Universidad Tecnológica de Panamá Website: www.utp.ac.pawww.utp.ac.pa.

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1 La eficiencia energética en edificios altos y los retos para el desarrollo sustentable Omar Aizpurúa Universidad Tecnológica de Panamá Website: www.utp.ac.pawww.utp.ac.pa E-mail: omar.aizpurua@utp.ac.pa

2 Objetivos de la Ponencia  Presentar la problemática que se enfrenta en materia energética, la construcción de edificios altos.  Estudiar las posibles soluciones.  Explorar sobre buenas prácticas en dos casos de estudio.  Recomendar posibles alternativas 2

3 Outline  Justificación del estudio  Vistas de edificios altos emblemáticos  Perfil energético de esos edificios  Potencialidad de ahorro energético  Presentación de dos casos a nivel mundial  Logros en materia de ahorro energético 3

4 Porqué el interés en estudiar la edificaciones altas y su impacto en el consumo de energía? "Del 2000 al 2013, el número total de edificios de 200 metros o más de existencia aumentó 261 a 830 - un asombroso 318%. Con un total de 73 edificios de más de 200 metros, el 2013 fue el segundo año más exitoso en la historia en cuanto a la construcción de rascacielos en todo el mundo, según el último informe “Edificios en Números” del Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH).Edificios en Números Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH) Desde un aspecto general, Asía representa tres cuartas partes de los nuevos edificios más altos del año, en comparación con América que obtuvo la menor cifra de tan solo 3 rascacielos. De éstos, Panamá es el único país que representa a Latinoamérica y Centro América en el ranking de rascacielos más altos del mundo, apuntándose a la lista con el Bicsa Financial Center y Yoo and Arts Center en la ciudad de Panamá. Por su parte, Norte América, apunta con el 1717 Broadway en EE.UU. Omar Aizpurúa. Universidad Tecnológica de Panamá 4

5 Edificios más altos de Panamá 5

6 Vista de la Urbe Capitalina, Ciudad de Panamá 6

7 Vista de la ciudad de Shanghai-China 7

8 Perfil de edificios emblemáticos Edificios# pisosAltura(m) # de Ascen. # de Vent. Vel. de los Ascen. Energía (anual) PotenciaAñoLEED Ahorro anual Empire State102443 (381)7365003@7.113@7.11 m/s40GWH9.5MW**1931Gold 38% 4.4M$ Taipei 10110644861 Toda la Fachada 16.83 m/s4.8GWH* 16MW2003 EBOM Platinum 30% 700 K$ Petronas884527835 000 3,5 @6 m/s 1988 *Antes de la certificación LEED el consumo se estimaba en 6.86GWH **278 KWH/m2 anual 8

9 Potencia Instalada de algunos edificios en Panamá 9

10 Potencialidad de ahorro Aire Acondicionado/Calefacción/ Refrigeración o Conservación de alimentos. Motores eléctricos Iluminación Envolventes Alimentación y Distribución de la Energía ……… 10

11 Aire Acondicionado y Refrigeración Marco Teórico 11

12 Alternativas posibles de ahorro de energía  En el área de HVAC se puede resaltar lo siguiente: Reemplazar los viejos sistemas de grandes enfriadores industriales por tecnologías que incluyan, enfriadores, enfriadores de glicol y tanques de almacenamiento de hielo. De esta manera se puede producir agua fría para el acondicionamiento del aire nocturno y el enfriador de glicol puede pre-enfriar la solución de glicol, la cual pasa a través del tanque de almacenamiento de hielo para suplir de acondicionamiento de aire diurno. Utilizar técnicas de volumen de aire variable (VAV), de manera que se pueda obtener control sobre la demanda de ventilación (DCV) Establecer controles individuales que permitan variar la temperatura y flujo de aire. 12

13 13 Esquemático de un sistema con enfriador de glicol

14 Algunas vistas de los sistemas de enfriadores del Taipei 101 14

15 Alimentación y Distribución y demanda de Energía 15

16 Tener alimentaciones duales en todo el edificio, en cada piso. Estas alimentaciones tienen que estar separadas mecánicamente de los pisos Tener fuentes de emergencia (bancos de baterías por ejm., ) para garantizar el flujo de energía en caso de falla Adicional, se deben tener generadores de emergencia que pueda cubrir al menos el 70% de la demanda en caso de falla Colocar sensores de presencia para los TC. 16

17 Vista de los sistemas de suministro de energía del Taipei 101 17

18 Envolventes 18

19 Radiación Solar λ =Longitud de Onda 0,4μm 0,7μm Radar TV Radio 25μm 1E3μm Banda Infraroja Banda Ultravio leta Rayos X Rayos γ Rayos Cósmi cos Espectro Visible λ cercano lejano 19

20 IMPACTO SOLAR EN FACHADAS (Centro de Investigación Hábitat y Energía (CIHE) Universidad de Buenos Aires) Porcentaje de sol sobre el vidrio en función de la orientación y la temporada 20

21 MODELADO TERMICO DE UN TECHO CON EL PROGRAMA COSMOS Gradientes de temperatura por Análisis de Elementos Finitos 21

22 DOBLE VIDRIADO HERMÉTICO (DVH) Propiedades Aislación Térmica Aislación Acústica Mayor Seguridad 22

23 23 DOBLE VIDRIADO HERMÉTICO (DVH) Constitución física

24 24 100 % Energía Total100%Ident. Transferencia directa 7%T Reflejada34%R Absorbida59% A +A₁ Re-irradiada al interior 11% A₁A₁ Re-irradiada al exterior 48%A DOBLE VIDRIADO HERMÉTICO (DVH) Características Reflectivas http://www.extralum.com/es-es/InformacionTecnicaVidrio/

25 Propiedades del DVD Reduce la transferencia de calor, como mínimo un 50 %, lo cual implica menores costos de calefacción y/o refrigeración. Evita las condensaciones en el vidrio interior, típicas de los vidriados simples cuando en el exterior la temperatura es baja y en el interior hay calefacción. Estas condensaciones provocan el deterioro de paredes, carpinterías, alfombras, etc., además de impedir la correcta visión hacia el exterior. Evita el efecto de paredes frías (pues la temperatura del vidrio interior es superior), con lo cual no existen corrientes convectivas en las cercanías de la ventana, la temperatura de los recintos se hace más uniforme, y se logra una ocupación más confortable incluso en las zonas próximas a los vidrios, lo que hace posible reducir en algunos grados la temperatura de la calefacción. Con una adecuada selección de vidrios se reduce el ingreso de radiación infrarroja de sol y se pueden lograr importantes atenuaciones acústicas. Utilizando los vidrios adecuados el DVH cumple todos los requisitos de vidriados de seguridad. En un edificio con frentes vidriados simples se producen pérdidas de energía de no menos de un 20%, a través de la superficie de las ventanas. El DVH disminuye dicha pérdida a menos de la mitad, con el consiguiente ahorro de gas y/o electricidad. Adicionalmente, al permitir mayores superficies vidriadas, el ingreso de luz y energía solar reduce el consumo de energía en iluminación. 25

26 Vidrios de baja emisividad El cristal LOW-E, también conocido como de baja emisividad térmica, es un vidrio float revestido con estaño en una de sus caras, u otros tipos de laminillas transparentes. Ello permite que buena parte de la radiación solar atraviese el vidrio pero que refleje la radiación de onda larga (Radiación de calor o infrarroja), tal como la de los sistemas de calefacción, conservando el calor en el interior. Un cristal LOW-E tiene una emisividad de 0.15 y una eficiencia de reflexión de radiación infrarroja del 80%, a diferencia de un cristal sin recubrimiento, que sólo posee un 16%. 26

27 LÁMINAS DE PROTECCIÓN SOLAR Y AHORRO ENERGÉTICO Solar-Check® de DTI 27

28 ILUMINACIÓN Aspectos a Considerar: Lámparas y luminarias. El color. Sistema de alumbrado. Métodos de alumbrado. Niveles de iluminación. Depreciación de la eficiencia luminosa y mantenimiento. 28

29 Equivalencia Entre la Potencia de Cada Tipo de Luminaria Al sustituir las lámparas incandescentes por fluorescentes tenga presente la siguiente equivalencia entre la potencia de cada tipo de luminaria: 100 Watts = 23 Watts 75 Watts = 20 Watts 60 Watts = 15 Watts 50 Watts = 11 Watts Con la tecnología LED, se consiguen niveles de potencia aún menores 29

30 CÁLCULO DE AHORRO DE ENERGÍA EN ILUMINACIÓN Ejemplo de ahorro en iluminación: LAMPARAS INCANDESCENTES: 6 Lámparas Cada lámpara tiene 4 bombillos de 100Watts c/u 6 * 4 = 24 Bombillos *100 2400 Watts LAMPARAS AHORRADORAS: 1 lámpara de 100 watts incandescente tiene el mismo nivel de iluminación que un bombillo ahorrador de 15 watts 24 * 15 = 360 Watts Horas de uso diaria = 8 2400w * 8hrs= 19200 w.h = 19.2Kwh 360w * 8hrs= 2880 wh = 2.88Kwh 19.2 Kwh * 0.13 $/Kwh = 2.496 $/día 2.88Kwh * 0.13 $/Kwh = 0.3744 $/día Total mensual: 2.496 $/día * 30días =74.88 (bombillo incandescente) 0.3744 $/día * 30días = 11.23 (bombillo ahorrador) Ahorro = 63.64 $/mes 30

31 PRODUCCIÓN, TRANSFORMACIÓN Y PERDIDAS DE ENERGÍA EL CASO DE LA ILUMINACIÓN EXTRACCIÓN Y REFINAMIENTO TRANSFORMACIÓN2.05% TRANSPORTACIÓN, DISTRIBUCIÓN Y ALMACENAMIENTO0.6% 99.4% 97.36% TRANSFORMACIÓN DISTRIBUCIÓN Y ALMACENAMIENTO5.18% REFINERÍA EXTRACCIÓN DE PETRÓLEO 1 BARRIL 92.31% TRANSFORMACIÓN Y TRANSMISIÓN CENTRAL TERMOELÉCTRICA 27.53% TRANSFORMACIÓN 65% 32.31% TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN14.8% CONSUMO FINAL DESPERDICIO30% 19.27% TRANSFORMACIÓN85% USOFINAL2.89% 5% USOFINAL18.3% 31

32 RECOMENDACIONES GENERALES PARA AHORRAR ENERGÍA ELÉCTRICA EN ILUMINACIÓN Limpiar periódicamente las luminarias, porque la suciedad disminuye el nivel de iluminación de una lámpara hasta en un 20%. Apagar las luces que no son necesarias, como por ejemplo cuando el personal está en refrigerio. Evaluar la posibilidad de utilizar luz natural, instalando láminas transparentes o similares. Este recurso se puede aprovechar, siempre y cuando brinde un nivel adecuado de iluminación. Usar colores claros en las paredes, muros y techos, porque los colores oscuros absorben gran cantidad de luz y obligan a utilizar más lámparas. Reemplazar tus fluorescentes T-12 convencionales de 40 W por fluorescentes delgados de T-8 de 36W porque ilumina igual. Este reemplazo significa un ahorro económico de 10% en tu facturación, ya que los T-8 consumen 4W menos utilizan los mismos conectores y lo más importante es que cuestan igual. Independizar y sectorizar los circuitos de iluminación, esto les ayudará a iluminar sólo los lugares que necesiten. 32

33 33 OTRAS RECOMENDACIONES Utilizar balastros electrónicos, porque permiten ahorrar energía hasta un 10% y corrige el factor de potencia, así como incrementa la vida útil de los tubos fluorescentes. Evaluar la posibilidad de instalar sensores de presencia, timers y/o dimmers para el control de los sistemas de iluminación de cada empresa. Utiliza las luminarias apropiadas como las pantallas difusoras con rejillas. No es aconsejable utilizar difusores o pantallas opacas porque generan pérdidas de luz por lo que tendrás que utilizar más lámparas. Seleccionar las lámparas que les suministren los niveles de iluminación requeridos en las normas de acuerdo al tipo de actividad que se desarrolle. Instalar superficies reflectoras porque direcciona e incrementa la iluminación y posibilita la reducción de lámparas en la luminaria.

34 Motores Eléctricos 34

35 MOTORES ELÉCTRICOS (Bombeo, Ascensores, etc). Motores ahorradores de energía Accionamientos de velocidad variable Frenado regenerativo via (AFE / ACTIVE INFEED) http://www.ad.siemens.de/ld/mcp/index.htm 35

36 Estándares de eficiencia 36

37 Niveles de eficiencia de motores eléctricos 37

38 38 EFICIENCIA Y PÉRDIDAS EN MOTORES ELÉCTRICOS Pérdidas indeterminadas Son pérdidas remanentes, producidas por las corrientes parásitas en el acero magnético y embobinados. Factores que contribuyen a este tipo de pérdidas: Cantidad y geometría de las ranuras, entrehierro, etc. Ejemplo de distribución de pérdidas: Perdidas magnéticas16% I 2 R en el estator 33% I 2 R en el rotor15% Fricción y ventilación14% Indeterminadas22% TOTAL 100%

39 MEDIDAS PARA LA REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS Cálculo de ahorro de energía Motores de Alta Eficiencia VS Motores de Eficiencia Estándar A.anual = 0.746 x HP x R x TR (1/E1 - 1/E2 ) A.anual = Ahorro Anual HP = Potencia del motor R = Tarifa de la compañía suministradora ( $ / kWh ) TR= Horas de operación al año E1 = Eficiencia del motor estándar E2 = Eficiencia del motor de alta eficiencia M1 = Motor de Eficiencia Estándar M2 = Motor de Alta Eficiencia Recuperación = ($M1 - $M2) / A.anual 39

40 40 MEDIDAS PARA LA REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS Cálculo de ahorro de energía Ejemplo Motor de 40HP, 2Polos, 3600rpm Motor de eficiencia estándar M1 E = 89.5 % Precio = $ 980.00 Motor de alta eficiencia M2 E = 93.6 % Precio = $ 1300.00 A.anual = 0.746 x 40 x 0.18 x 4500 x ( 1 /0.895 - 1/0.936 ) = $ 1184.00 (Ahorro anual) Recuperación de la inversión = ($M2 - $M1) / A.anual = 320.00 / 1184.00 = 0.27 años ( 3.2 meses) Diferencia de precios $M2 - $M1 = : $ 320.00

41 41 AHORRO DE ENERGÍA Y PREVENCIÓN DE DAÑOS CON EL USO DEL VARIADOR DE FRECUENCIA

42 Gestión Integral En la práctica toda esta gestión energética debe ser integral. Se disponen de plataformas computacionales que permiten la automatización de todos los procesos que demandan energía en un edificio. La Domótica y el control automático de procesos aplicadas al uso final de la energía (iluminación y tomacorrientes inteligentes, control eficiente de HVAC, sistemas DDC, sistemas VAV entre otros) harán del ahorro de energía un negocio. 42

43 Aplicaciones «Casos de estudio relevantes» 43

44 El Taipei 101 Estrategia General: Optimizar la automatización de edificios y la eficiencia energética para lograr un ahorro del 10% en el uso de electricidad, el consumo de agua y la producción de basura y la calidad del aire interior. 44

45 Estrategias Específicas La temperatura y la climatización se controlan a través de 3.400 terminales de cajas de control situadas por todo el edificio. Aprovechando la bajada de temperatura nocturna, este sistema produce hielo y lo almacena para reducir la carga de refrigeración durante el día. La iluminación está controlada de manera centralizada por un sistema de automatización desarrollado por Siemens. Cuando una habitación no está habitada, el sistema de aire acondicionado e iluminación se apagan de forma automática. 45

46 Sistema de Alimentación http://www2.taipei-101.com.tw/en/Tower/buildind_08-1.html 46

47 Sistema de Ventilación y A/A http://www2.taipei-101.com.tw/en/Tower/buildind_08-1.html 47

48 Transportación dentro del Taipei 101 http://www2.taipei-101.com.tw/en/Tower/buildind_08-1.html 48

49 Fachada (envolvente) 49

50 Logros más Relevantes Ha sido el primer edificio del mundo de su tamaño en obtener el certificado LEED-EBOM Platinum (siglas en inglés para Líder en Eficiencia Energética y Diseño Sostenible), lo que lo convierte en el edificio verde más alto del mundo. El consumo de energía de ‘Taipei 101′ es ahora un 30% inferior a la media de edificios. Supone un ahorro del coste de energía anual de cerca de 700.000 dólares americanos y unos 4,8 M de KWH/año. Ahorro anual de CO2 de 2.995 toneladas, que equivalen a evitar la deforestación de más de 4 hectáreas de bosques o el uso de 239 coches al año. El consumo de energía es de 4,8 millones de kWh menos que antes de implementar las medidas exigidas para la obtención del certificado LEED 50

51 El Empire State Building Estrategia General Implantación de un sistema de eficiencia energética emblemático Apostar a que invertir en ahorro energético, es un buen negocio (Anthony Malkin) No aumentar los costos de ocupación a pesar de la alta transformación 51

52 Trabajo en equipo Se conformó un grupo de trabajo de expertos en eficiencia energética en el que participaron Johnshon Controls, Clinton Climate Change Initiative, Rocki Mountain Institute y Jones Lange LaSalle, quienes crearon un completo programa de trabajo que redujera "sustancialmente" el uso de energía y los costes de operación. 52

53 Perfil Energético (Antes de las modificaciones) Costes de energía por año: 11M$ Demanda de Energía Eléctrica Pico: 9,5MW (36,5W/m2 incluyendo HVAC). Consumo anual de energía por área: 278 KWH/m2. Emisiones de CO2 anuales: 25 000 Tons. CO2/año (aprox. 1Ton/10m2) 53

54 Estrategias Específicas 54

55 Controles DDC Actualización de los sistemas de control del edificio (Temperatura, Flujo de Aire, Humedad relativa, niveles de iluminación y demanda horaria, etc). Los sistemas pasaron a ser Wireless, constituyéndose en una de las redes wireless más grandes del mundo.9% 55

56 Control de iluminación y enchufes inteligentes Utilización de balastros electrónicos regulables y tomas de tensión con sensores de presencia en el puesto de trabajo. 6% 56

57 Tratamiento de aire Reemplazo de unidades manejadoras de volumen constante por unidades de volumen variable.5% 57

58 Modificaciones a la Planta Térmica Sustitución de las enfriadoras industriales por otras modernas con control de parámetros tales como variadores de frecuencias y bypass de circuito primario.5% 58

59 Cristales y Ventanales Modificación del aislamiento en las más de 6500 ventanas tipo guillotina por ventanas con películas reflectante y gas aislante (DVH). 5%. 59

60 Gestión Energética Instalación de un sistema de información on- line del comportamiento del consumo energético por inquilino, por área y usos.3% 60

61 Barrera Radiante Instalación de más de 6000 barreras reflectoras detrás de las unidades de radiación situadas alrededor del edificio. 3% 61

62 Control de Ventilación por Demanda (DCV) Instalación de sensores de CO2 para el control del caudal de aire fresco (aire exterior), ajustando la producción de frío a la demanda. 2% 62

63 Logros Inversión: 13 Millones Ahorro anual en costes de energía: 4,4M$ Reducción de Consumo: 38% Tiempo de retorno sobre la inversión: 3.1 años Reducción de emisiones de CO2 en 15 años: 105 000 Tons 63

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65 LA PRINCIPAL BARRERA No hay cosa más difícil de tratar ni más dudosa que conseguir, ni más peligrosa de conducir, que hacerse promotor de la implantación de nuevas instituciones. La causa de tamaña dificultad reside en que el promotor tiene por enemigos a todos aquellos que sacaban provecho del viejo orden y encuentra unos defensores tímidos en todos los que se verían beneficiados por el nuevo....... Fragmento:”El Príncipe”(Maquiavelo) 65

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68 68 Sistema de enfriadores con Glicol

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