Un grupo de investigación de China ha propuesto una estrategia de rehabilitación de energía casi nula para viviendas tradicionales de la meseta occidental de Sichuan, que combina energía fotovoltaica en tejados con una bomba de calor de fuente de aire.

Los investigadores señalaron que la gran altitud, las bajas temperaturas ambiente y la elevada radiación solar de la región la hacen adecuada para este enfoque, mientras que sus viviendas tradicionales suelen presentar un alto consumo energético y un confort térmico insuficiente durante la temporada de calefacción invernal.

“Estos edificios encarnan valores históricos y culturales y constituyen un componente importante del patrimonio arquitectónico rural”, afirmaron los científicos. “La mayoría de estas viviendas adoptan sistemas estructurales de piedra y madera, con muros gruesos pero un rendimiento de aislamiento térmico insuficiente, lo que da lugar a ambientes térmicos interiores deficientes durante el invierno. La calefacción suele proporcionarse mediante la quema de leña o carbón, lo que no solo presenta una baja eficiencia energética, sino que también provoca contaminación del aire y presión ecológica”.

Los investigadores seleccionaron como edificio de estudio de caso una vivienda tradicional en la aldea de Zhibo, Maerkang. La casa de piedra y madera, de tres plantas, tiene una superficie total de aproximadamente 399 m², una altura de 9,6 metros, muros de 400 mm de espesor y un tejado cubierto de pizarra. Su relación ventana-muro es del 11% en la fachada sur y del 8% en la fachada oeste.

Maerkang tiene un clima monzónico continental de gran altitud, con inviernos largos y fríos y más de 120 días de heladas al año. Las temperaturas medias de enero oscilan entre -6 °C y -3 °C, mientras que las temperaturas nocturnas pueden caer por debajo de -10 °C. La zona recibe más de 2.000 horas de sol y aproximadamente 3.700 MJ/m² de radiación solar al año.

Los investigadores recrearon el edificio objeto del estudio en AutoCAD y SketchUp antes de importar el modelo 3D a Sware para simular su ambiente térmico interior y la demanda de calefacción. Fijaron la temperatura interior objetivo en 16 °C durante la temporada de calefacción y la tasa de ventilación en 0,5 renovaciones de aire por hora. A continuación, realizaron simulaciones horarias para calcular el consumo anual de energía y las cargas de calefacción invernales.

Los científicos convirtieron la carga de calefacción calculada en la electricidad necesaria para una bomba de calor de fuente de aire de baja temperatura montada en pared. Supusieron un coeficiente de rendimiento estacional (COP) de 2,54, con una bomba de calor capaz de suministrar agua a temperaturas superiores a 45 °C cuando la temperatura ambiente es de -15 °C.

A continuación, introdujeron la demanda eléctrica calculada en PVsyst para optimizar la orientación, el ángulo de inclinación y el tamaño del campo fotovoltaico. El sistema propuesto cuenta con 61 m² de módulos solares bifaciales de heterounión (HJT), de doble vidrio y 745 W.

Las simulaciones mostraron una demanda total de calefacción de 15.670,9 kWh durante la temporada de calefacción invernal, correspondiente a un consumo eléctrico de 6.162,2 kWh para la bomba de calor.

Los investigadores determinaron que un ángulo de inclinación de 40 grados era óptimo para lograr calefacción de energía cero. Establecieron que la superficie óptima de instalación fotovoltaica en el tejado era de 61 m², equivalente al 15,2% de la superficie total del tejado del edificio. “Mediante el uso de módulos de heterounión (HJT) bifaciales de doble vidrio de 210 mm, con una eficiencia de conversión de hasta el 24%, solo se requiere una superficie de instalación de 61 m². Esto representa apenas el 95,2% de la superficie total disponible del tejado, lo que demuestra que puede lograrse un funcionamiento de energía casi nula sin modificaciones excesivas de la envolvente del edificio tradicional”, destacaron.

“El costo total del sistema propuesto (incluidos los módulos y la instalación) es de aproximadamente 29.800 yuanes (4.437 dólares), lo que representa solo el 19,2% del ingreso disponible anual de los hogares rurales locales”, añadieron los investigadores. “Con un período de amortización de la inversión de aproximadamente 14 años (basado en precios locales de la electricidad de 0,52 yuanes/kWh y ahorros anuales de 3.624 yuanes, el esquema demuestra ser financieramente accesible para los residentes”.

El artículo “Innovative photovoltaic heating for ethnic traditional dwellings towards near-zero energy heating on Tibetan plateau” (Calefacción fotovoltaica innovadora para viviendas tradicionales étnicas hacia una calefacción de energía casi nula en la meseta tibetana) fue presentado en Case Studies in Thermal Engineering. Investigadores de la Universidad del Suroeste para las Nacionalidades de China, la Universidad de Sichuan y la Universidad de Tongji participaron en la investigación. “Los resultados de este estudio proporcionan una orientación metodológica útil y referencias preliminares de diseño para promover la calefacción de energía casi nula en contextos rurales similares, al tiempo que reconocen que son necesarios ajustes específicos para cada emplazamiento y una validación adicional antes de su aplicación generalizada”, concluyeron los académicos.