Exergia: ferramenta paira promover a eficiencia enerxética nos edificios

2020/10/12 Ana Picallo Perez - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | José M. Sala Lizarraga - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | Eider Iribar Solaberrieta - Eraikuntza Kalitatearen Kontrolerako LaborategiaEusko Jaurlaritza Iturria: Elhuyar aldizkaria

Ed. Ana Picallo

Cal é máis pesado 1 kg de palla ou 1 kg de ferro? Moitos saben que si a unidade de peso é kg pesarán o mesmo. Preguntámosvos si a unidade de enerxía é kWh, onde está máis enerxía nun depósito de gas natural de 1 kWh ou nunha sala de aire quente de 1 kWh? En ambos os envases hai a mesma cantidade de enerxía, pero que tipo de enerxía ten maior utilidade desde o punto de vista da calidade?

Figura . Comparación de cantidade e calidade entre diferentes tipos de enerxía. Ed. Ana Picallo

Un fluxo de enerxía, ademais de ter una cantidade de enerxía, ten una calidade, é dicir, una capacidade de traballo útil, por exemplo: acender una luz, climatizar unha estancia ou mover un coche. Entón, a capacidade de enerxía química de 1 kWh almacenada nun recipiente de gas natural é maior que a enerxía térmica de 1 kWh nunha masa de aire a 20 ºC; en definitiva, pódense obter una serie de traballos con aproveitamento da enerxía química do gas natural (climatización, traballo mecánico, acendido dunha lámpada, etc.). ), pero coa enerxía térmica do aire só é posible climatizar o aire, aínda que en termos cuantitativos ambas teñen una enerxía de 1 kWh (ver figura 1).

A demanda enerxética dos edificios presenta altos niveis de calidade. Por unha banda consómese electricidade, por exemplo en iluminación, electrodomésticos, ascensores, etc. Por outra banda, o abastecemento de auga quente sanitaria e a satisfacción das demandas de calefacción e refrixeración realízase xeralmente a través de enerxías de alta calidade como o gas natural (enerxía química). Con todo, como a demanda de calefacción ou refrixeración satisfaise con enerxías de baixa calidade (enerxía térmica), a calidade enerxética final non se axusta á calidade da demanda (ver figura 2).

Figura . Inadecuada relación entre o uso da enerxía e as fontes. Ed. Ana Picallo

Até agora, aínda que a maioría dos sistemas enerxéticos deseñáronse cuantitativamente, deberían deseñarse tendo en conta a calidade (é dicir, a exergia), cos beneficios que iso leva. Ademais, ademais de fomentar a eficiencia enerxética, é necesario incorporar o aspecto ambiental paira conseguir sistemas enerxéticos con menor impacto ambiental, é dicir, paira fomentar a sustentabilidade.

O obxectivo deste traballo é reflexionar sobre os beneficios de aplicar o concepto de exergia no ámbito dos edificios. O fomento da eficiencia enerxética e a sustentabilidade dos edificios é fundamental tendo en conta o alto consumo enerxético do sector e o seu potencial de mellora.

Que é a exergia?

A exergia representa a capacidade dunha enerxía paira transformarse en traballo. Algunhas formas de enerxía pódense transformar integramente, por exemplo, en enerxía eléctrica onde toda a enerxía é exergia. Con todo, existen outras formas de enerxía como a calor, nas que só una parte pode converterse en traballo, de forma que o fluxo de exergia é só una parte dun fluxo de calor [1].

Por outra banda, a capacidade de transformación da enerxía en traballo correspóndese co grao de desequilibrio da enerxía coa contorna. Por exemplo, aínda que a enerxía interna da auga dun lago é enorme, o seu potencial de xeración de traballo é nulo. Canto máis afastado do ambiente, maior será a capacidade de transformarse en traballo. Por tanto, una masa de auga quente a 60ºC presenta una exergia maior que se está a 40ºC, xa que se atopa máis afastada da temperatura ambiente.

Estas ideas de calidade recóllense no segundo principio da termodinámica: aínda que a enerxía non se produce nin destrúe (primeiro principio da termodinámica), a calidade desta enerxía é cada vez menor e irrecuperable. Esta perda de calidade relaciónase coas imperfeccións dos equipos e procesos, denominándose irreversibilidad ou destrución de exergías.

Como casan os conceptos exergia e economía?

A nosa sociedade necesita cada vez máis enerxía, pero os recursos naturais están limitados. En consecuencia, é fundamental paira a mellora dos sistemas comprender os mecanismos de degradación da enerxía e os recursos e desenvolver procedementos sistemáticos paira reducir o seu impacto ambiental. Se se combina a análise exérgico coa economía, obtense una potente ferramenta de análise e optimización de sistemas que se denomina exergoeconomía (exergoeconomics) [2].

Ao ser a exergia unha enerxía útil paira a sociedade, ten valor económico e debemos coidala. Cando pagamos polo consumo de enerxía, realmente estamos a pagar a súa dispoñibilidade, é dicir, a súa esaxeración. Por tanto, a exergia é una base racional paira avaliar os recursos, procesos, equipos e eficiencias dos sistemas e avaliar os custos dos produtos dos sistemas.

Como casan os conceptos exergia e medio ambiente?

Case toda a enerxía (e por tanto, a exergia) chega á superficie terrestre desde o Sol. A exergia absorbida pola Terra destrúese aos poucos, pero nesta destrución xestiónanse os ciclos de auga, vento e vida do chan. As plantas absorben a exergia do sol e convérteno nunha exergia química a través da fotosíntesis. Mediante a cadea alimenticia, esta exergia química pasa polos organismos nos ecosistemas.

Doutra banda, os problemas enerxéticos e ambientais son actualmente notorios, como o quecemento global, a contaminación do aire, a contaminación das augas superficiais e subterráneas, os residuos sólidos, a degradación dos chans, etc. No entanto, en lugar de asociar esta degradación á enerxía, debe asociarse á exergia.

A análise exergiano é una potente ferramenta paira realizar procesos e instalacións máis eficientes e, ao mesmo tempo, reducir o consumo de recursos (exergia) e por tanto, reducir os residuos xerados. Por tanto, a utilización de métodos exergativos implica una adecuada avaliación da contaminación atmosférica, verteduras líquidas ou sólidos, etc., disciplina que se denomina economía ambiental (exergoenvironmics) [3].

Como casan os conceptos de exergía e sustentabilidade?

O desenvolvemento sustentable da sociedade e, en particular, do sector da construción pasa pola provisión sustentable dos recursos naturais. A limitación da maior parte dos bens naturais obriga ao seu uso eficiente paira mantelos nun prazo máis longo. Ademais, o mineral pódese considerar un vector de exergia: un depósito de minerais contrasta co ambiente, e canto maior é a concentración do mineral, maior é o contraste e maior é o potencial de traballo (exergia).

Tendo en conta estas ideas, a análise exergativo permite analizar o grao de eficiencia dunha sociedade e o equilibrio no consumo dos seus recursos físicos. Deste xeito, é posible comparar as sociedades mundiais e analizar o sistema internacional si queremos distribuír os recursos dunha maneira máis xusta no mundo.

A aplicación da enerxía en edificios fomenta a eficiencia enerxética

O sector da construción está estreitamente relacionado co consumo de recursos naturais e as emisións á atmosfera. Se analizamos os edificios ao longo do seu ciclo de vida (construción, uso e demolición), reducen a capa de ozono debido ao uso de diferentes produtos químicos. Así mesmo, contribúen ao cambio climático debido ás elevadas emisións de CO2 tanto durante a fase de construción como durante a vida útil.

A análise exérgico é de gran utilidade tanto paira o estudo como paira o deseño dos sistemas dos edificios e do conxunto do edificio. Como xa se comentou, ao considerar o aspecto cualitativo da enerxía (calidade enerxética) obtense información sobre a adecuación da enerxía utilizada e a demanda enerxética. Así, as fontes de enerxía de baixa calidade, como as calores residuais, poden ser utilizadas paira satisfacer demandas de baixa calidade como a climatización. Por tanto, cuantifícase o consumo mínimo de exergia necesario paira satisfacer a demanda (ver Figura 3. Por iso, a exergia potencia a eficiencia enerxética e as fontes renovables.

Ademais, cuantifícanse as perdas de exergia ao longo da cadea enerxética e ponse de manifesto o potencial de mellora enerxética, que non é posible obter coas análises enerxéticas. Doutra banda, proporciona una base común paira comparar a eficiencia enerxética dos sistemas e instalacións dos edificios. Desta forma pódese comparar coa exergia a calor do combustible de combustión dunha caldeira e a ganancia solar dunha xanela.

Figura . Relación adecuada entre o uso da enerxía e as fontes, tendo en conta a súa calidade. Ed. Ana Picallo

As perdas e destrucións de exergía identifican os lugares e as causas da ineficacia dun sistema. Isto facilita a toma de decisións paira a aplicación de medidas de mellora.

Aínda que a análise exérgico é interesante, hai poucos anos comezouse a estudar a súa aplicación nos edificios. Poida que paira algúns profesionais sexa complexo e, desgraciadamente, os cálculos de métodos exergativos parecen molestos, e os seus resultados, en ocasións, poden ser difíciles de interpretar ou comprender.

Así mesmo, a análise exergiano pon de manifesto os baixos rendementos exérgicos dos sistemas convencionais. Por exemplo, se una caldeira de gas convencional ten un rendemento enerxético do 85-90%, o seu rendemento enerxético é dun rango dun 18-20%. De feito, coa análise exergiano destácase que algúns dos procesos e sistemas utilizados habitualmente son basicamente erróneos, o que pode ir en contra dos intereses dalgúns.

En consecuencia, a exergia é una variable de gran significado

Figura : Portada do libro “Análise exérgico e termoeconomía en edificios”. Ed. Ana Picallo

Neste traballo preséntanse as ideas crave paira a aplicación da análise exergológico nos edificios, tanto desde o punto de vista enerxético como económico e ambiental.

A análise exérgico utilízase paira analizar o comportamento dos edificios, co fin de cuantificar de forma precisa as perdas. Esta información, imprescindible paira o fomento da eficiencia enerxética e o mellor aproveitamento dos recursos, só é posible mediante a aplicación da segunda lei da termodinámica. Todas estas características fan da exergia una boa ferramenta paira impulsar a sustentabilidade no ámbito da enxeñaría e a arquitectura.

En consecuencia, é necesario dispor de modelos detallados de análises exergonómico e de metodoloxías de cálculo especificamente deseñadas nos edificios, co fin de actualizar o concepto e utilizalo por parte dos profesionais do sector, obxectivo do libro recentemente publicado “Análise exérgico e termoeconomía en edificios: análise e deseño de sistemas enerxéticos sustentables” [4] (ver figura 4).

 

BIBLIOGRAFÍA

1 Picallo, A., Escudeiro, C., Flores, I., & Sala, J. M. 2016 Symbolic thermoeconomics in building energy supply systems. Energy and Buildings, 127, 561-570.

2 Picallo-Perez, A., Sala, J. M. Tsatsaronis, G., & Sayadi, S. 2020. Advanced Exergy Analysis in the Dynamic Framework for Assessing Building Thermal Systems. Entropy, 22(1), 32.

3 Dincer, I., Rosen, M. A. & Ao-Zareer, M. 2018. 1.9 Exergoenvironmental Analysis. Comprehensive Energy Systems, 377.

4 Sala-Lizarraga, J. M. & Picallo-Perez, A. 2019.Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings: Design and Analysis for Sustainable Energy Systems. Butterworth-Heinemann.