Análisis de sombras, el uso de la biomasa y el aislamiento térmico

La eficiencia energética, como ya te lo hemos mencionado aquí en el blog de certificadodeeeficienciaenergetica.com es un proceso multifacético en el que se involucran numerosos factores, desde la arquitectura y la ingeniería, hasta la implementación cuidadosa de leyes específicas que existen en la materia.

En términos prácticos, para los usuarios finales (es decir, todos nosotros pues esta legislación hemos de aplicarla en nuestras propias casas y pisos), se traduce en ahorros en las facturas de electricidad y combustible y en una relación progresivamente más amigable y respetuosa con el medio ambiente.

En esta ocasión, hemos decidido ilustrar para los lectores de este blog algunos temas técnicos que representen ejemplos concretos de la puesta en práctica de la eficiencia energética como guía para el uso de recursos energéticos, construcción de nuevos inmuebles o modificación de algunos existentes, de forma que resulte más clara la forma en que toda esta teoría se traduce en práctica al momento de edificar, remodelar y vivir un espacio.

Análisis de sombras

El análisis de sombras es uno de los pasos más importantes en la fase de diseño de un sistema que utilice la energía solar para proveer parte de la energía de un inmueble determinado. En términos de energía fotovoltaica, es importante analizar las sombras generadas por el ambiente circundante, objetos, vegetación, otros inmuebles, etcétera. Un análisis semejante es también una parte importante para el diseño de una casa «pasiva» o para el diseño de una casa solar. Cada detalle debe ser planificado con mucho cuidado para aprovechar el sol al máximo. Los cálculos básicos pueden hacerse con algunas ecuaciones simples, fórmulas de uso generalizado. En el mercado también existen algunas herramientas para ingenieros y arquitectos (Pilkington es un ejemplo) que les permiten hacer análisis más complejos, algunos inclusive con software y herramientas informáticas que llegan incluso a una simulación en tercera dimensión. Incluso los pequeños obstáculos como las chimeneas, los postes y árboles delgados deben ser tomados en cuenta. Para minimizar el efecto de las sombras en un diseño fotovoltaico (si es imposible evitarlas) existen distintas técnicas de optimización lumínica.

Para los casos más sencillos, en general no es difícil calcular las sombras para un día y horario específicos. Existen ciertas fórmulas que pueden ayudar a calcular sombras para los casos más comunes en la ingeniería práctica.

Las fórmulas que acompañan a esta segunda imagen son:

h= D · tan α

cos (φ – Ψ)

En donde:

h, D – corresponden a la geometría del dispositivo de sombra horizontal

α a la luz del sol,  φ  al azimut solar y  Ψ al plano azimut

 w = D · tan (φ – Ψ )

 Donde w, D corresponden a la geometría del dispositivo de sombra vertical, φ  al azimut solar y  Ψ al plano azimut

Cabe aclarar que las pérdidas por causa de las sombras en los sistemas fotovoltaicos no pueden evitarse si las sombras existen, pero pueden ser reducidas al mínimo. Por supuesto, el mejor momento para realizar todo este cálculo es la planeación del sistema fotovoltaico previo a la construcción, pues después es demasiado tarde para hacer correcciones adecuadas. La disposición de los paneles, su orientación y configuración pueden prevenir las pérdidas del sistema completo ocasionadas por sombras que sólo afectan a ciertas partes del mismo.

En algunas ocasiones se opta por invertir la configuración de los paneles, por utilizar módulos amorfos, por cambiar la forma del arreglo de los paneles, entre otras soluciones.

Algunas herramientas informáticas utilizadas para el cálculo de sombras en la instalación de un sistema fotovoltaico son las siguientes:

Solar Pathfinder

Solmetric Tools

 

 

 

Shadow analyzer para CAD

El uso de la biomasa y su aprovechamiento termodinámico

Además del uso de la energía solar, otro elemento comúnmente presente en los hogares e inmuebles construidos para ser más eficientes energéticamente, e incluso utilizado como «truco» para mejorar la calificación energética de un inmueble, es el uso de la biomasa. En el uso de esta fuente renovable de energía, el ciclo termodinámico es uno de los aspectos técnicos esenciales.

Los sistemas clásicos se basan en los siguientes pasos básicos:

1. El combustible de biomasa se quema en una cámara de combustión fabricada de acuerdo a técnicas bien establecidas que también se usan en calderas de última tecnología. Estas cámaras de combustión con todos sus accesorios (por ejemplo filtros, controles, dispositivo para desechar la ceniza, etcétera) son en la actualidad seguros, confiables, eficientes y muy limpios.
2. El aceite térmico caliente se utiliza como medio para transmitir el calor, lo que proporciona numerosas ventajas, como por ejemplo una disminución de la presión en la caldera, una inercia e insensibilidad a los cambios de cargas, control simple y operación más segura. El aceite también tiene un lapso de vida útil más amplio y permite que el sistema termodinámico sea operado sin la necesidad de sistemas de vapor.
3. El uso de un turbogenerador para convertir el calor en electricidad, mismo que permite incrementar la eficiencia y confiabilidad de la energía obtenida, utilizando fluidos y además, un diseño optimizado en la maquinaria. El calor de condensación del generador se utiliza para producir agua caliente en un nivel adecuado para la calefacción y otros usos que requieren una temperatura no tan elevada.

Este ciclo se basa en un sistema Rankine cerrado que se desempeña adoptando un fluido orgánico adecuado como transmisor, que como ya dijimos, en la mayoría de los casos es un tipo de aceite de silicón.

En el ciclo termodinámico de este tipo de sistemas, el turbogenerador utiliza las altas temperaturas del aceite para precalentar y vaporizar el fluido en el evaporador. Posteriormente este vapor da energía a la turbina que hace funcionar al generador eléctrico. El vapor excedente fluye a través del generador donde calienta el líquido orgánico, mismo que es bombeado al evaporador, completando la operación del sistema en un circuito cerrado y altamente eficiente energéticamente.

Las ventajas de un sistema termodinámico de este tipo que aprovecha la biomasa como combustible son muy variadas, por ejemplo:

1. Un ciclo de alta eficiencia energética.
2. La eficiencia de la turbina llega al noventa por ciento.
3. La turbina no se ve sometida a mucho desgaste ni erosión por humedad o vapor, lo que le otorga a la maquinaria completa un ciclo de vida funcional muy largo.

(ver también artículo sobre ventajas e inconvenientes de la biomasa)

El aislamiento térmico: materiales e instalación

Ya hemos abordado el tema del aislamiento térmico en una construcción que busque la eficiencia térmica. En cuanto a detalles técnicos, este aspecto da para mucho análisis, que va desde la forma de adherir o fijar las placas aislantes, hasta el hecho de cubrir las fugas térmicas.

Hay que tener en cuenta que muchas construcciones ya existentes tienen niveles muy pobres de eficiencia energética y que los beneficios de agregarla a un inmueble son numerosos, desde la reducción en la demanda de energía hasta la disminución en la producción de dióxido de carbono.

Así mismo, hay que tener en cuenta que una construcción eficiente energéticamente incluye tanto una barrera térmica como una barrera de aire. La clave para diseñar e instalar una barrera térmica efectiva es el uso de productos de aislamiento de buena calidad y su colocación adecuada y apropiada. Una edificación debe tener una capa continua de aislamiento alrededor. Diversos estudios muestran que una instalación inapropiada puede disminuir el desempeño energético de la casa o edificio hasta en un veinte por ciento o incluso más. Hay que poner atención también a las fugas de aire, puesto que no todas las instalaciones cuidan este detalle y ello impacta el funcionamiento completo del sistema.

Puede resultar difícil e incluso confuso hacer una clasificación de los materiales de aislamiento térmico porque son increíblemente variados. Además, la industria especializada sigue avanzando y modificando sus técnicas puesto que la demanda por productos especializados no deja de crecer. Una clasificación aproximada de estos materiales sería la siguiente:

a) Aislamiento de fibra

Los productos de fibra de vidrio pueden encontrarse en formas muy diversas, por ejemplo, rollos, paquetes compactos, etcétera. Muchos fabricantes utilizan vidrio reciclado en el proceso de producción. La fibra de vidrio puede usarse para aislar todas las partes de un edificio o casa. Dentro de este apartado podemos encontrar también el aislamiento de celulosa, fabricada a base de papel periódico reciclado, y que se utiliza sobre todo gracias a su alta densidad, lo que le proporciona la ventaja de ayudar a detener las fugas de aire además de su propio valor aislante. Un último tipo de aislante de fibra es el fabricado en base a polvo de rocas y minerales, que también se produce como reciclaje y que además tiene el «plus» de ser a prueba de fuego.

b) Espumas

La espuma de poliestireno extruido (XPS) es un producto espumoso, homogéneo y producido incluso en distintos colores. Otras espumas son las fabricadas en base a poliisocianurato y poliuretano, que son materiales con un gran poder aislante. También existen en el mercado la espuma de poliuretano de célula abierta para cubrir fugas de aire y la espuma de polietileno, que se fabrica con dióxido de carbono, menos contaminante que el pentano o los hidro-clorofluorcarburos utilizados en otras espumas.

En cuanto a la relación entre aislamiento térmico y medio ambiente, existe un debate considerable respecto al posible impacto negativo en el ambiente y la salud de ciertos productos aislantes. Algunos materiales se consideran potencialmente cancerígenos (como por ejemplo, la fibra de vidrio), aunque no existen pruebas al respecto. Así mismo, el uso de celulosa convierte en una construcción en mucho más inflamable, lo mismo que las diversas espumas. Por otro lado, algunas espumas utilizan pentano, que a pesar de no tener impacto en la capa de ozono, es reputado por incrementar el factor smog de la contaminación del aire. Es cierto que los materiales pueden tener un cierto impacto en la salud o el ambiente, pero también es verdad que éste no es mayor que el del resto de los materiales de construcción utilizados en la actualidad.

Los productos a base de fibra de vidrio y celulosa son los más económicos, pero las espumas son más fáciles de instalar además de que su rendimiento contra fugas de aire es excelente, así que el mercado se encuentra dividido proporcionalmente entre ambos tipos de materiales. En cuanto a las técnicas de instalación aterrizadas en casos prácticos, todas ellas deben seguir una serie de lineamientos «base», como por ejemplo:

1. Sellar las fugas de aire
2. Conseguir una cobertura completa del aislamiento térmico
3. Minimizar las fugas de aire a través del material aislante
4. Evitar comprimir el material más allá de lo establecido por el fabricante
5. Evitar instalar demasiado aire junto con el producto aislante
6. Evitar el uso de puentes térmicos

Como podemos ver, tanto en la instalación de fuentes de energía renovables (paneles solares, biomasa) como en la de materiales aislantes, factores ambos que potencian dramáticamente un mejor desempeño y por tanto una mejor calificación energética, son muchos los factores técnicos a considerar, tanto para la planeación como para la selección de materiales.

Generalmente, todo ello debe ser atendido por un ingeniero o un arquitecto encargados, siempre basándose en las recomendaciones generales emitidas por un certificador energético y la normativa vigente en la materia.