Propuesta para la adecuación de las instalaciones del CETER
a las técnicas y tecnologías de ahorro energético y agua

Carlos Fernández-Aballí Altamirano, Dania González Couret, Adonis Senra Ramírez, Zerguey Castellanos Rosales, Hieu Bui Duc.
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), La Habana, Cuba
e-mail: carlos@ceter.cujae.edu.cu .

Resumen
Lograr la sustentabilidad económica y medioambiental de nuestro modo de vida tiene muchos matices y retos, que abarcan desde la inexistencia de medios tecnológicos para suplir de forma sustentable todas nuestras necesidades, hasta la inercia cultural de toda sociedad. Quizá el mayor reto de la necesaria migración hacia una explotación sostenible de nuestros medios será cómo convertir, de forma rentable y escalonada, las instalaciones ya existentes en sistemas más ahorrativos, en especial los ambientes urbanos. Se presenta el trabajo transdisciplinario de arquitectos, ingenieros, estudiantes y profesores en función de una primera propuesta para hacer sustentables las instalaciones del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER).

Este proyecto propone 100% de autonomía energética para el edificio e integra a sus sistemas las instalaciones demostrativas y docentes, haciendo del centro un laboratorio viviente. El objetivo es mejorar la calidad de vida del Centro, hacer más ilustrativas las prácticas docentes y optimizar el uso de los recursos en función de la inversión. Se propone energizar el edifico con tres fuentes renovables de energía: un biodigestor de desechos urbanos, un sistema híbrido eólico-fotovoltaico y un sistema puramente fotovoltaico. También se estudia el uso de baterías e hidrógeno para almacenar energía, imprescindible en estos sistemas. Además, se propone una solución de clima novedosa a partir de un sistema combinado de potencia y calor (CHP) con un generador Stirling. Finalmente, para minimizar el consumo y optimizar la inversión, se toman en consideración los sistemas de iluminación, climatización, ventilación, constructivos y energéticos.
Palabras clave: Edificio autónomo, edificio sustentable, ahorro energético, motores Stirling, sistemas híbridos, sistema combinado de potencia y calor, climatización, LEDs, iluminación natural, ventilación pasiva, arquitectura, laboratorio viviente, PiTAD y trabajo transdisciplinario.

Introducción
En este trabajo se presenta una propuesta para la adecuación de las instalaciones del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER) a las técnicas y tecnologías de ahorro energético. Se propone hacer de este un centro demostrativo que sea consecuente con la política que promueve, integrar estas tecnologías a los sistemas del edificio y hacer del CETER un laboratorio viviente. El fin es mejorar la calidad de vida de los trabajadores, hacer más ilustrativas las prácticas docentes y optimizar el uso de los recursos en función de la inversión y la mantenibilidad. Se toman en consideración los sistemas de iluminación, climatización, ventilación, agua, constructivos y energéticos existentes y futuros del edificio, para tratar de minimizar su consumo, aprovechar al máximo los recursos reales y narrar de forma aplicada la filosofía de lo sostenible.

El CETER, como el resto de la infraestructura de la humanidad, está creado bajo una concepción de dependencia energética y excluyente del medio ambiente. Hoy en día es fácilmente demostrable la insustentabilidad de esa concepción, motivo por el cual es imprescindible modificarla. Sin embargo, adecuar los ambientes urbanos ya existentes para que sean sustentables presenta uno de los problemas más difíciles e interesantes de nuestros tiempos.

Con vistas a aportar una primera aproximación a la problemática del CETER se integró un equipo de arquitectos e ingenieros que basaron su solución en un diagnóstico global de las instalaciones. En él se midieron parámetros subjetivos y objetivos, buscando una solución que realmente estuviese acorde con las necesidades de los usuarios del edificio. El diagnóstico también estudia las fuentes renovables de energía al alcance del edificio y cómo integrar todos sus sistemas para utilizar al máximo la energía útil a disposición. Se utilizan técnicas de cogeneración y sistemas híbridos para lograr una propuesta con 100% de autonomía energética y económicamente factible. Además, todas las soluciones tienen la doble finalidad de servir el edificio y apoyar la docencia. Esto es consecuente con el objetivo del Centro de formar profesionales demostrándoles la aplicación de la energía renovable y haciendo del edificio un laboratorio viviente.

Se propone la instalación de un sistema que costaría, en su variante más completa, alrededor de
850 000 CUC. Esto incluiría las modificaciones arquitectónicas y los sistemas-laboratorio de: clima, digestión anaeróbica de desechos urbanos, motores de combustión externa, solar térmica, solar fotovoltaica, híbridos eólico-fotovoltaicos, ruedas desencantes, refrigeración por absorción, acumulación de frío, almacenamiento de hidrógeno, celdas de combustible, iluminación con diodos de emisión de luz (LED), reutilización de agua, recolección pluvial; también facilitaría la autonomía energética del edificio con: tres aulas climatizadas, un laboratorio de computación para los estudiantes, los locales imprescindibles climatizados y la rehabilitación de la cafetería de la Facultad de Ingeniería Mecánica. La vida útil del sistema se estima en más de 20 años y en este tiempo se prepararían miles de ingenieros entusiastas y bien forjados en la cultura de lo sustentable, algo imprescindible e invalorable para una sociedad que aspira a vivir cada vez mejor y a su vez ser sustentable.

PiTAD: Diseñando en equipo
Hoy en día para diseñar soluciones aceptables con sus matices sociales y técnicos, se hace imprescindible trabajar en equipos transdisciplinarios e interculturales que integren de forma dinámica y sistémica la toma de dediciones en función de lograr el mejor compromiso entre las variables en juego.

La rama de la ingeniería moderna que estudia cómo lograr esta integración se denomina Diseño de Sistemas de Ingeniería. Dando respuesta a esta necesidad, en la CUJAE nace PiTAD (Plataforma de Implementación de Tecnologías Adecuadas para el Desarrollo). PiTAD integra estudiantes y profesores de diversas facultades en la CUJAE y otras universidades en el extranjero, como la Universidad de Bristol en Inglaterra y la Universidad Politécnica de Cataluña. El propósito es proponer soluciones tecnológicas apropiadas para impulsar el desarrollo sustentable. El enfoque es transcultural, multidisciplinario y sistémico, buscando acercar la docencia e investigación a las necesidades socioeconómicas y tecnológicas del momento, priorizando sobre todo la incubación de ideas novedosas hacia su implementación en la industria. Hoy integran PiTAD en la CUJAE:

• Facultad de Ingeniería Civil:

CECAT: Centro de Estudio de la Construcción y Arquitectura Tropical.
CIH: Centro de Investigaciones Hidráulicas.

• Facultad de Ingeniería Eléctrica:

Departamento de Telecomunicaciones.

• Facultad de Arquitectura.
• Facultad de Ingeniería Mecánica:

CETER: Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables.
Este trabajo es uno de los resultados de PiTAD este año, el que ha aportado tanto a la labor investigativa como a la docente. De él surgió la tesis de cuatro estudiantes de quinto año de la Facultad de Arquitectura e Ingeniería Mecánica. Además, fue el tema del trabajo de seis estudiantes de Arquitectura en su
asignatura sobre Edificaciones Sustentables. También se los estudiantes presentaron una ponencia en la
V Conferencia Internacional de Energía Renovable (CIER) que obtuvo mención de Relevante en el Fórum del Científico Estudiantil en la Facultad de Ingeniería Mecánica. O sea, el desarrollo de este trabajo ha abierto oportunidades investigativas de temas de actualidad y ha permitido, a un grupo de estudiantes, aportar soluciones hacia un problema con aplicación real. Proyectarse hacia el sueño de una universidad mejor ha aportado el primer paso para mejorar la calidad del trabajo en el CETER, tanto para su claustro de profesores como para los estudiantes. Los integrantes del equipo, hasta hoy día, son los que se muestran en la Tabla 1.

Edificaciones sostenibles
La edificación sustentable tiene como objetivo la reducción progresiva del impacto ambiental que produce, analizando aspectos como los materiales de construcción, el agua empleada, los residuos generados y la energía para cubrir sus necesidades. Hablamos de edificaciones sustentables cuando, además de ser estéticas, los edificios consiguen que la gente se sienta verdaderamente cómoda. El fin último del urbanismo y de la edificación debería ser el de proporcionar a los ciudadanos un bienestar sostenible, esto es, bienestar para todos, hoy y mañana (Fig. 1).

Fig. 1. Biblioteca indígena
Tierra Adentro, en Colombia.

El CETER
El CETER pertenece a la Facultad de Ingeniería Mecánica del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Fue creado el 13 de diciembre de 1992, con lo que se cumplió una de las proyecciones más importantes del país en la búsqueda de soluciones energéticas autóctonas; su función es formar profesionales de alta calificación forjados en la cultura de lo sostenible y capaces de proponer soluciones en nuestras empresas e instituciones.

El edificio lleva alrededor de 45 años de construido. Cuenta con una planta baja; una primera planta, pero de espacio muy reducido; dos terrazas techo que dan al Sur y al Norte, y el techo, a donde se puede llegar por la escalera.

Con la ayuda de los trabajadores del Centro se realizó el levantamiento de todos los locales y equipos que se encuentran en él, cuyos resultados fueron los siguientes (Anexo 1).

Primero se examinaron los espacios y las aulas, definiendo sus actuales usos y en otros casos sus posibles utilizaciones futuras. También se hizo el levantamiento de todos los equipos técnicos que se encuentran en el edificio.

Potencial de la edificación
El potencial energético existente en el edificio consta del viento, el sol y los desechos urbanos de la CUJAE. El edificio tiene 1 960 m2 de azoteas de fácil acceso y poca incidencia de sobra de estructuras colindantes; su posición permite la ubicación a aplicaciones solares y eólicas, como es el sistema híbrido, eólico-fotovoltaico, sin aprovecharse el que ya existe.

Las funciones del CETER en sí no generan residuos de consideración para ubicar un biodigestor, pero en su área aledaña se encuentra la cafetería de la Facultad de Ingeniería Mecánica, que aunque hoy brinda pocos servicios se prevé su revitalización. También en los comedores de la CUJAE se cocina diariamente para más de 5 000 personas lo que genera una cantidad considerable de desechos orgánicos. Además, existen otras fuentes de desechos orgánicos, como los residuos de la jardinería, todos posibles fuentes de alimentación para un digestor de residuos urbanos.

A fin de que las potencialidades energéticas del edificio sean suficientes y económicamente factibles, se hace imprescindible ahorrar energía. Para esto se propone utilizar la iluminación natural en todos los lugares posibles y sustituir el sistema de iluminación actual de tubos fluorescentes, que además está muy deteriorado, por uno con LEDs. Esto es de vital importancia para mejorar la calidad de vida de los trabajadores; asimismo, sería el primer sistema de su tipo en país, diez veces más económico y duradero que el hoy existente en el edificio. También permitiría impulsar una industria nacional, pues las lámparas se producirían en el Combinado de Componentes Electrónicos de Pinar del Río. La reducción de la carga de clima presenta otro potencial importante de ahorro energético con soluciones relativamente económicas. Tener un ambiente fresco es de alta prioridad para los trabajadores, pero el clima es uno de los sistemas más consumidores. Afortunadamente, el doble puntal del centro del edificio y sus orificios en la placa, antiguamente concebidos como entradas de equipos, permiten pensar en un sistema de ventilación pasiva o asistida por ventiladores. Esto facilitaría tener un clima agradable en el edificio para solo climatizar los lugares imprescindibles. También se propone proteger el edificio de la irradiación solar mediante una estructura externa.

Soluciones
Las soluciones para el CETER tienen como centro el ahorro, el confort, la docencia y el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía. Para el CETER es posible lograr un 100% de autonomía energética para sus funciones cotidianas, y de construirse la instalación sería el primer edificio de su tipo en el país. La demanda energética normal del inmueble con su funcionalidad plena es de 316 497 kWh/año desde el combustible primario y el 63% de este gasto lo aporta el sistema de clima. En un sistema convencional conectado a la red la demanda sería de 175 494 kWhe/año, y el sistema de clima aportaría el 48% de este gasto. Además del ahorro energético, está previsto para un futuro la recolección de pluviales y reutilización de agua haciendo la edificación aún más ahorrativa. Junto a los laboratorios ya existentes, como lo son los de tensoactivos y motores alternativos, proponemos crear los siguientes sistemas laboratorio.

Modificaciones arquitectónicas
Las modificaciones arquitectónicas están basadas en lograr un desarrollo escalonado en el que se aprovechen al máximo las estructuras ya existentes. Se propone el uso de materiales de la industria nacional, materiales renovables y ecológicos, como el bambú para el inmueble, y materiales reciclados. También se hizo un estudio de funcionalidad del edificio y una encuesta para poder adecuar las modificaciones a las necesidades reales del Centro. El resultado de este estudio se puede ver en la planta final del edificio, en el Anexo 2.

Las modificaciones arquitectónicas buscan hacer la edificación más económica mediante el uso de la protección solar, la iluminación natural y la ventilación pasiva. El principio es crear transparencia ambiental entre los locales sin perder la privacidad, y climatizar solo los locales imprescindibles, como los laboratorios de computación.

En el caso de la iluminación natural y la ventilación pasiva se hicieron simulaciones con lo que se demostró que es posible pensar en estas soluciones para el CETER. Se pretende utilizar los efectos de chimenea por las claraboyas existentes en los tejados para drenar el calor por convección y asistir a este proceso con ventiladores de techo; esto daría más velocidad al aire y aumentaría la sensación de confort. Finalmente, se propone evitar la irradiación solar a través de las ventanas en la fachada sur del edificio con una doble piel, la cual permitirá techar la terraza sur y ayudará a hacer el edificio más fresco sin sacrificar las visuales o la capacidad de iluminar los espacios interiores de forma pasiva.

Fig. 2. Imagen actual y Modelo virtual del CETER.

Laboratorio de digestión anaeróbica, generación y clima
Todo establecimiento humano tiene la necesidad de frío, calor y energía motriz; el CETER no es la excepción. Cuando se genera energía motriz desde un combustible químico, necesariamente se genera calor y a partir de ese calor también se puede generar frío. Por lo tanto, la superdescentralización de la generación eléctrica permite un mejor aprovechamiento del combustible, aportando una fuente de electricidad y calor en donde ambas son útiles sin más transformaciones. Estos sistemas de cogeneración se denominan CHP (Combined Heat and Power) y llegan a tener eficiencias de más de 80%.

Para el CETER se propone un sistema CHP para el clima, energizado por el biogás de un digestor urbano.
El digestor, trabajando en rango termofílico para reducir sus tiempos de retención, será capaz de digerir todo tipo de desechos orgánicos y generará teóricamente 150 m3/día de biogás a partir de 2 m3/día de desechos urbanos con 100 kg de sólidos volátiles. Esto es suficiente para asumir la carga de clima de 827 kWh/día. El sistema consta de dos motores Stirling Whispergen MKV AC, que generan 12 kW de calor y 1,2 kWe. Impulsa un sistema de refrigeración por absorción y otro por compresión. Juntos enfrían un acumulador de hielo dentro de la cámara frigorífica de la cafetería.

Con los calores residuales del equipo de absorción se estudia la posibilidad de operar una rueda desecante generando una reducción teórica de la carga de clima de 30% al reducir la demanda por condensación. Para completar el suministro de frío requerido se propone tomar 0,1 kWe de la red o del sistema FV, el cual resulta relativamente económico con un costo de 0,04 CUC por kWhe equivalente entregado durante su vida útil, similar a una termoeléctrica convencional. El sistema asumiría 50% de la demanda energética del edificio, proporcionaría confort para todos los usuarios y permitiría el acceso a un grupo de laboratorios y sistemas demostrativos de gran valor para la preparación de nuestros ingenieros.

Laboratorio Eólico-Solar
En la cubierta del CETER se piensa colocar un laboratorio solar y eólico para asumir la demanda de electricidad de 179,72 kWhe/día y el agua caliente del edificio. Este sistema constaría de una batería de siete calentadores solares Chromagen tanque-colector de 1,9 m2 para el digestor termofílico, un sistema híbrido eólico-fotovoltaico con una potencia nominal de 36 kW, y un laboratorio actinométrico para la investigación. El dimensionamiento de este sistema híbrido está en desarrollo, pero el sistema que se ha calculado asume la utilización de un pequeño sistema eólico-fotovoltaico (450 Wp), ya existente en el CETER, y la instalación de paneles FV asumiendo el resto de la demanda. Se estudiaron dos sistemas de almacenamiento, requisito imprescindible de estos sistemas cuando están desconectados de la red debido a la intermitencia de la fuente: un sistema de almacenamiento de hidrógeno y celdas de combustible y uno de baterías. El costo del sistema completo con baterías es 278 259 CUC, y el de hidrógeno, de 791 016 CUC. Sin embargo, el sistema de hidrógeno respondería a una de las líneas estratégicas del CETER como el Centro encargado de reunir las investigaciones alrededor de este portador energético.

Anexo 1. Vista en planta de los espacios actuales

Anexo 2. Vista en planta de las modificaciones al CETER

Anexo 3. Algunas imágenes finales del proyecto.

Izquierda arriba, vista desde la calle de entrada.
Derecha arriba, vista general del conjunto desde el sur. Izquierda abajo, detalle
de la protección solar. Derecha abajo, vista del conjunto desde los bajos de la cafetería.

Internet:
http://www.solardirect.com
http://www.idae.es
http://www.cener.com
http://www.energiasinfronteras.org
http://www.absenergyresearch.com
http://www.phywe.com
http://www.dixell.com.com
http://www.whispergen.com
http://www.wikipedia.com
http://www.asifunciona.com
http://www.nrel.gov