Comunicación presentada al IV Congreso de Edificios Inteligentes
Autores
- Francisco Javier Díaz Pérez, Investigador, Universidad San Jorge, Zaragoza
- Adib Guardiola Mouhaffel, Investigador, Universidad Las Palmas Gran Canaria
- Ricardo Díaz Martín, Catedrático de Ing. Química y Materiales, Universidad a Distancia de Madrid (UDIMA)
- Mª Rosa Pino Otín, Vicedecana de Investigación, Universidad San Jorge, Zaragoza
- David Chinarro, Vicedecano de Investigación, Universidad San Jorge, Zaragoza
Palabras clave
ACS, Aerotermia, SCADA, PLC, Eficiencia, Turismo
Introducción
El aumento contante del turismo en España es un hecho, y este pasado año 2017 ha vuelto a aumentar en un 4,4% el PIB turístico, situándose ya en el 11,5% del PIB total español [1] y dando trabajo al 13% de la población ocupada, lo que ha llevado el sector a posiciones destacadas en la económica española y ha posibilitado el alojamiento hotelero hayan empezado a remodelar sus instalaciones y equipamiento. Dentro de estas iniciativas de mejoras, y debido a la nueva concienciación de los clientes hacia el medio ambiente, se han hecho grandes esfuerzos en favor de la sostenibilidad de los destinos turísticos y la eficiencia energética de las instalaciones. Las empresas hoteleras han trabajado en los últimos años en la implantación de medidas de ahorro y eficiencia energética en múltiples instalaciones, apostando por la reducción de consumos y de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), mediante la implantación de métodos de gestión energética e implantación de tecnologías de la información y comunicación (TIC) en los sistemas de monitorización y control. Esta nueva “revolución verde” de la empresa turística está bien alentada por la Unión Europea (EU), la cual ha definido metas en la reducción de las emisiones de CO2 al 20% para el año 2.020 respecto a las de 1.990 y estableciendo que el 20% del consumo total de energía provenga de las energías renovables (EERR). Además, ya se han establecido nuevos objetivos para futuras etapas, fijando para el 2.030 una reducción del 40% de las emisiones respecto las de 1.990, el 27% de EERR, aumento de la eficiencia energética en un 27-30% y un 15% de interconexión eléctrica, es decir, que la electricidad generada en la EU debe poder transportarse a otros estados miembro. Para el año 2.050 la EU determina un 80-95% de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los niveles de 1990. Con estas pautas de mejora en la gestión y ahorro energético, el sector turístico se ha lanzado a la implantación de tecnologías de reducción de consumos y en la certificación de los establecimientos y destinos, lo que ha conllevado un aumento de los diferentes sistemas de certificación y de empresas certificadas.
La importancia de estos cambios, son debidos a dos motivos claros. Uno es la necesidad de reducir los consumos energéticos de las instalaciones, cumpliendo las expectativas de los clientes, pero sin reducir los servicios ofrecidos. El segundo obedece al cambio de mentalidad de los clientes, quienes empiezan a valoran los destinos y establecimientos atendiendo a la sostenibilidad ambiental de sus instalaciones y servicios. Dentro de estos destinos turísticos, hemos tomado como ejemplo dos establecimientos de las Islas Canarias, donde el sector turístico es el motor principal de la economía, representando en el año 2016 el 34,3% del PIB, generando el 39,7% del empleo en las islas [2], en donde las estancias turísticas han aumentado en un 27% desde el año 2010 al 2016 y es un archipiélago donde el 63% de su territorio se encuentra declarado como reserva de la biosfera por la UNESCO. En esta singular área turística, centramos la atención en el estudio de los sistemas de ACS de dos establecimientos hoteleros de la isla de Fuerteventura, donde el 100% de su superficie es considerada reserva de la Biosfera.
La razón de centrarse en el ACS es que se ha comprobado en múltiples investigaciones como la suma de la climatización y el ACS son los principales consumidores de energía, dependiendo el porcentaje de cada uno de la zona geográfica de estudio. Por ejemplo, en los hoteles del Caribe el 48% de la energía eléctrica se consume en aire acondicionado (AA) [3], en Hong Kong el AA representa el 45% del consumo eléctrico [4], en los hoteles de las islas Baleares el consumo de energía total está entre 22% para el ACS, el AA el 14% y la calefacción el 21% [5], en los hoteles en Estados Unidos los consumos se dividen, de forma general, la climatización el 31% el AA el 15% y el ACS el 17% y el resto para otros usos [6], en Gran Bretaña la distribución típica es del 47% en calefacción y el 20% en ACS [7], y en Grecia la distribución típica es del 35% en calefacción, el 15% en AA y 22% en ACS [8].
Caso de estudio
Las instalaciones analizadas pertenecen a dos hoteles de cuatro estrellas de 333 y 354 habitaciones, designados como H1 y H2 respectivamente, al no hacer referencia a su nombre debido a la protección de datos de las empresas, donde se han sustituidos sus sistemas de calentamiento de ACS basados calderas de GLP, por sistemas basados en tecnología de aerotermia de bombas de calor de alta temperatura. El resultado ha sido una reducción de los consumos energéticos para la producción del ACS entre el 62% y el 72% y de disminución económica del gasto en la producción de la misma, entre el 70% y el 79%. En la Tabla I se muestran las principales consideraciones que se han tenido en cuenta en las propuestas iniciales para escoger un sistema alternativo de calentamiento, considerando prioritario el suministro de combustible y el servicio técnico de los equipos a instalar, teniendo en cuenta la particularidad del destino geográfico y la consideración de su doble insularidad, de donde se iban a instalar los nuevos sistemas.
Los datos con los que se cuentan inicialmente son la ocupación anual y el consumo total de GLP de cada complejo. Mediante los estudios de instalaciones previas de hoteles de la misma categoría y zona climática, se ha comprobado que el consumo promedio de los clientes es de unos 70 L/día de ACS, y el porcentaje de consumo del total de GLP por el ACS respecto de los consumidores restantes —cocinas y lavandería según casos— se encuentra entre el 60% y 75% del consumo total [9]. Con estos datos de partida y una vez escogidos los posibles sistemas de calentamiento, se estudió la posibilidad de usar un sistema basado en aerotermia y en biomasa, cuyos pronósticos de gastos de funcionamiento e inversiones iniciales se pueden comprobar en la Tabla II, donde se calculó un coeficiente de rendimiento (COP) teórico para las bombas de calor de 2,4, siendo este dato conservador para el cálculo inicial e inferior del real. Para poder realizar pronósticos lo más ajustados y reales posibles, es necesario tener la mayor cantidad de valores exactos y no estimaciones, por lo cual la gestión energética de los establecimientos es fundamental para poder realizar estos cálculos y pronósticos de mejoras de sistemas energéticos.
El resultado escogido de las alternativas analizadas fue la aerotermia como sistema a implantar en ambos hoteles, al tener en cuenta la cantidad de empresas que conocen estas tecnologías y que el combustible de biomasa en Canarias aún no está muy extendido y su rendimiento se ve reducido debido al transporte [10]. La solución consiste en bombas de calor de alta temperatura de 151,2kW y 201,6kW en los hoteles H1 y H2 respectivamente, las cuales están apoyadas de forma puntual mediante las calderas existentes y reguladas por un sistema de control basado en PLC y con conexión a ordenador mediante un sistema SCADA. Para los cálculos del sistema para que cumpla con la normativa actual, se ha tenido en cuenta las directrices de la Comisión Europea para estimar valores que puedan considerar energía procedente de fuentes renovables [11], y teniendo en cuenta el dato de la eficiencia de los equipos que regula el factor de rendimiento estacional (SPF). También se ha tenido en cuenta el documento del IDAE que según éste [12], el SPF se calcularán multiplicando su COP por un factor denominado factor de ponderación representativo (FP) y por un factor de corrección (FC). Inicialmente realizamos los cálculos del COP total del equipo teniendo en cuenta la temperatura de funcionamiento y la ambiental de disipación para Fuerteventura y en las tablas del fabricante se consiguen los valores de consumo eléctrico y generación térmica, dándonos un valor de 2,89. Para determinar el SPF de la bomba de calor obtenemos el FP y el FC de las tablas del IDAE conforme a la zona climática del emplazamiento del hotel y al tipo de bomba de calor empleado.
Una vez se ha verificado que el SPF de la bomba supera el mínimo de SPF=2,5, se puede considerar que el calor producido por la bomba procede de fuente renovable de ambas instalaciones. Una vez escogido el sistema de calentamiento renovable, se puede observar en la Figura 1 el esquema de funcionamiento del sistema de ACS que se ha instalado en los hoteles, siendo ambos iguales. Los sistemas están formados por 5 acumuladores de 5000L —tres para calentamiento directo por calderas / bombas de calor y 2 para precalentamiento mediante la recuperación del aire acondicionado (AA) cuando está en marcha—, los intercambiadores correspondientes y las bombas de circulación. Los circuitos primarios de calderas lo forman 2 calderas 280kW en el hotel H1 y 2 de 290kW en el H2.
El principio de funcionamiento del sistema es el siguiente: prioridad a las bombas de calor para el calentamiento de los 3 acumuladores de ACS (ACS 3, 4 y 5), y en caso de que en 45 minutos no llegase a la temperatura de consigna (60ºC) entrarían las calderas como sistema de apoyo. El sistema de recuperación del AA precalienta los 2 acumuladores de recuperación (ACS 1 y 2). Al sistema se le han añadido 2 válvulas motorizadas, que aparecen señaladas en el esquema como “válvulas nocturnas”, las cuales se accionan cuando no está funcionando el sistema de AA y en el horario de tarifa eléctrica más económica P6, para acumular la mayor cantidad de agua a la temperatura de trabajo, para lo cual también se aumenta la temperatura de consigna a 65ºC, para poder acumular en los 5 acumuladores existentes la máxima energía posible durante los periodos de menor precio de la misma y de esta forma, reducir el precio medio del kWh eléctrico útil. El sistema de control PLC está formado por equipos Siemens y Sauter, los cuales se han integrado entre sí para el control de los dispositivos de campo, y un SCADA donde se pueden programar los diferentes horarios, consignas y prioridades del sistema. La importancia de la configuración de la programación es vital para poder conseguir las mayores reducciones de consumo energético y gasto económica para la generación de energía, teniendo en cuenta las prioridades de los horarios de uso del ACS por los clientes y para poder adecuar el calentamiento de la mayor cantidad de agua durante las tarifas más económicas. El conocimiento de los horarios de consumo se hace fundamental para el buen funcionamiento del sistema, ya que de la programación de estos y de las consignas de funcionamiento, depende el mayor o menor ahorro económico que se va a conseguir en la instalación, como también se ha comprobado en ambos hoteles con programaciones diferentes de tiempos y consignas. En la Figura 2 se muestran varias pantallas de funcionamiento del SCADA, donde se pueden observar los diferentes controles de bombas, temperaturas del sistema, programación de los horarios de funcionamiento y estado de los equipos.
Los sistemas se pusieron en marcha en los hoteles en septiembre y diciembre de 2015 en el hotel H1 y H2 respectivamente. Los resultados, después de cerca de un año y medio de seguimiento de la actividad, han sido muy satisfactorios, con un retorno de la inversión más rápido de lo que se tenía proyectado inicialmente. También se ha comprobado como mediante la posibilidad de ajustes, de tiempos, horarios y temperaturas se consiguen mayores ahorros con la correcta gestión de parámetros, como se realiza en el hotel H1 respecto del H2. En la Figura 3 se pueden observar las gráficas de consumo energético y gasto por cliente-día de ACS de los hoteles, comprobándose gráficamente la disminución de éstos en el año 2016 debido a la nueva instalación de aerotermia.
En la Tabla III se puede observar la evolución de costos energéticos de los establecimientos, comprobándose como el promedio de gasto en ACS por cliente alojado de los últimos años (2010-2014) respecto del año 2016 ha disminuido un 79,3% y 68,9%, pasando de una media de 0,54 €/pernoctación(=pax) y 0,62 €/pax, ha pasado a 0,11 €/pax y 0,19 €/pax por hotel respectivamente. Comparamos los datos de ahorro de los años 2010 a 2014, ya que el 2015 se puso en marcha a final de año, se comprueba cómo debido al precio del kg de GLP, la amortización de los equipos se ha producido en menos tiempo que el que se tenía estimado, ya que también el consumo real ha sido inferior al proyectado debido al control por PLC que optimiza el funcionamiento por horarios y consignas de funcionamiento. En consecuencia, la instalación ya ha sido amortizada en el tiempo que lleva en marcha y actualmente está generando beneficios. El ahorro energético total en kWh anuales es superior a los 600.000 kWh en ambos sistemas. El consumo aproximado de GLP por las calderas de apoyo, se ha considerado un 5% del consumo total de gas en el hotel H1 y de un 15% en el H2, debido a los excesivos consumos puntuales de ACS en horas puntas, principalmente durante las mañanas entre las 8:00-10:00h y las tardes entre las 18:00-20:00h, siendo necesario el apoyo de las calderas para no sobredimensionar la instalación de bombas de calor. La diferencia de consumo de gas es debido, como se ha comentado, a el uso de sistemas de control más optimizados en el hotel H1 que el H2, con una diferencia superior al 37% entre la energía consumida por cliente de un hotel respecto del otro.
Conclusión
La inversión en la reducción de consumos energéticos es el camino a seguir para poder mantener los estándares actuales de calidad y medioambientales que demandan los clientes, pero sin reducir los servicios prestados ni aumentar los gastos de operación. Se ha comprobado como con el sistema planteado, una vez implantado y gestionado correctamente se mantienen unas altas tasas de rentabilidad y unas amortizaciones muy rápidas, lo cual produce unos ahorros que ayudan a rentabilizar la explotación económica del hotel y dan la posibilidad de poder reinvertir los ahorros económicos conseguidos en la modernización de otras instalaciones o en ofrecer más servicios a los clientes. La gestión correcta de horarios y consignas de funcionamiento se ha demostrado como prioritario para el correcto funcionamiento de las instalaciones, por lo cual la formación de los equipos humanos que gestionan las instalaciones, es muy importante para conseguir los objetivos planteados. Queda en manos de los propietarios o explotadoras de las instalaciones hoteleras, el mentalizarse y realizar estas mejoras en sus instalaciones, así como en las instituciones el legislar e informar sobre estas tecnologías y su aplicación a los edificios actuales, para conseguir que los edificios actuales se puedan considerar edificio de energía cero (ZEB) o casi cero (nZEB). La energía hay que gestionarla de forma eficaz y el futuro pasa por la estandarización de esta gestión de consumos energéticos mediante la implantación de normas de gestión energética, con el fin de poder hacer mejoras continuas de las instalaciones con los datos reales de los diferentes consumidores de energía, las mejoras a realizar para aumentar el rendimiento y eficiencia de los sistemas, así como la sostenibilidad de los mismos, y mediante las auditorías energéticas externas para comprobar de forma imparcial la evolución de los sistemas.
Referencias
- [1] Exceltur (2018). Perspectivas turísticas. Valoración turística empresarial de 2017 y perspectivas para 2018. N.º 63, enero 2018
- [2] Exceltur (2017). Impactur Canarias 2016. Estudio del impacto económico del turismo sobre la economía y el empleo de las islas Canarias
- [3] Monzón-Alejandro, O.A. y Colmenar-Santos, A. (2016). Electrical Engineering Electronic Journal, volume 1, pp. 145-151.
- [4] Shiming, D. y Burnett, J. (2002). Energy use and management in hotels in Hong Kong. International Journal of Hospitality Management, volume 21, issue 4, pp. 371–380.
- [5] Moiá-Pol, A., Karagiorgas, M., Coll-Mayor, D. et al (2006). Evaluation of the Energy Consumption in Mediterranean islands Hotels: Case study: the Balearic Islands Hotels. Renewable Energy & Power Quality Journal, volume 1, pp 106-110.
- [6] HES, (2011). Best practices guide – successful renewable energy technologies integration in SME hotels: Hotel Energy Solutions project publications.
- [7] The Carbon Trust (2015). Hospitality, saving energy without compromising service.
- [8] Karagiorgas, M., Tsoutsos, T. y Moiá-Pol, A. (2007). A simulation of the energy consumption monitoring in Mediterranean hotels: Application in Greece. Energy and Buildings, volume 39, issue 4, pp. 416-426.
- [9] Díaz Perez, F.J., Chinarro, D., Guardiola, A. et al. (2017). A Review of Green Impact in Canary Tourism Economy. Biotechnol Ind J., volume 13, issue 1, pp. 1-12.
- [10] Díaz Matín, R., Sanglier Contresras, G. y Guardiola, A (2014). Mathematically simulated transportation of pellets and olive stones. J. Mater. Environ. Sci., volume 6, issue 5, pp. 1469-1479.
- [11] EU (2009), Dircetiva 2009/28/CE del parlamento Europeo, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE.
- [12] IDAE, (2014). Prestaciones medias estacionales de las bombas de calor para producción de calor en edificios.