Exercicis de tecnologia sostenible i habitatge — Tecnologia i Enginyeria 1r Batxillerat

Per exemple: l'aïllament tèrmic i l'ús d'electrodomèstics eficients (també vàlid: hàbits d'ús responsable).

Són 4: elèctrica, d'aigua i climatització, de comunicació i domòtica.

Les tres són: autoconsum fotovoltaic, aerotèrmia i geotèrmia.

Renovables: solar, eòlica, biomassa (si es reposa al mateix ritme que es consumeix) i geotèrmica, perquè es regeneren de manera natural o són pràcticament inesgotables.
No renovables: carbó, gas natural i urani, perquè les reserves són limitades i no es regeneren a escala humana.
Els combustibles fòssils (carbó i gas) a més emeten CO₂ quan es cremen.

L'etiqueta energètica informa del consum d'energia i de l'eficiència de l'aparell, per ajudar a comparar-los abans de comprar-los.
L'escala va de la A (més eficient) a la G (menys eficient).
També sol indicar el consum anual (kWh), el soroll o la capacitat. Un aparell més eficient costa més de comprar, però gasta menys i s'amortitza.

L'aire és un mal conductor de la calor. Entre els dos vidres hi ha una càmera d'aire (o gas) que redueix la transmissió de calor per conducció i convecció.
Per tant, a l'hivern es perd menys calor cap a l'exterior i a l'estiu entra menys, la qual cosa permet estalviar energia en calefacció i refrigeració.
Amb marcs de qualitat i hermètics, l'efecte encara és més gran.

Components: els panells fotovoltaics (generen corrent continu), l'inversor, el comptador (mesura el consum i l'energia injectada) i, opcionalment, una bateria.
L'inversor converteix el corrent continu dels panells en corrent altern a 230 V i 50 Hz, que és el que fan servir els electrodomèstics i la xarxa.
L'energia que no es consumeix pot guardar-se a la bateria o injectar-se a la xarxa.

Passem la potència a quilowatts: 150 W = 0,150 kW.
E = P·t = 0,150 kW·8 h = 1,2 kWh al dia.
A l'any serien 438 kWh.

És un document oficial que qualifica l'habitatge amb una lletra (de la A a la G) segons el consum d'energia i les emissions de CO₂ que en resulten.
Serveix perquè qui compra o lloga un habitatge conegui el seu comportament energètic, i també per proposar millores (aïllament, instal·lacions més eficients, renovables).
És obligatori per vendre o llogar.

És el disseny dels edificis aprofitant les condicions del clima i de l'entorn per aconseguir confort amb el mínim consum d'energia.
Estratègies: orientar les façanes principals i els finestrals al sud per captar el sol a l'hivern; ombrejar-los a l'estiu (ràfecs, persianes, vegetació de fulla caduca); ventilació creuada; bon aïllament i inèrcia tèrmica dels materials.

Per minimitzar les pèrdues d'energia al llarg de les llargues distàncies (per aixo el transport es fa a tensions molt altes, com els 400.000 volts de l'exemple).

El canvi progressiu d'un sistema energètic basat en combustibles fòssils cap a un basat en fonts renovables.

Com a mínim 3: electricitat, aigua i gas (també vàlid: connexió de dades).

Perquè la seva adopció a l'habitatge ha crescut molt recentment, empesa per la transició energètica i l'abaratiment dels equips.

Un panell: E = 0,400 kW·5 h = 2,0 kWh al dia.
Sis panells: 6·2,0 = 12 kWh al dia.
A l'any, 12·365 = 4380 kWh (ideal; amb pèrdues serien menys).

Percentatge cobert: $\tfrac{3000}{4500}$·100 = 66,7 %.
Estalvi: 3000 kWh·0,18 €/kWh = 540 € a l'any.
Falta per comprar a la xarxa 4500 - 3000 = 1500 kWh.

(a) ΔT = 21 - 1 = 20 K. P = 0,5·15·20 = 150 W.
(b) P = 0,25·15·20 = 75 W.
(c) Estalvi de potència: 75 W. En 24 h: 75·24 = 1800 Wh = 1,8 kWh.
Duplicar l'aïllament (reduir U a la meitat) fa baixar les pèrdues a la meitat.

El COP és la calor útil dividida per l'energia elèctrica consumida: COP = Q/P_e.
P_e = Q/COP = 7/3,5 = 2,0 kW.
La resta de la calor ve de l'aire exterior: 7 - 2,0 = 5,0 kW, és a dir, el 71,4 %.
Comprovació: (1 - 1/3,5) = 0,714.

(a) P = A·G·η = 4·800·0,60 = 1920 W.
(b) Calor necessària: Q = m·c·ΔT = 150·4180·40 = 25080000 J.
Temps: t = Q/P = 25080000/1920 = 13062 s = 3,6 h.
En un dia solejat n'hi ha prou amb unes quatre hores de bon sol.

Terme de potència: 4,6·30·0,075 = 10,35 €.
Terme d'energia: 280·0,15 = 42,00 €.
Subtotal: 52,35 €.
IVA 21 %: 10,99 €.
Total: 52,35 + 10,99 = 63,34 €.

Gas: 8000·0,20 = 1600 kg CO₂.
Bomba de calor: energia elèctrica = 8000/4 = 2000 kWh; emissions = 2000·0,15 = 300 kg CO₂.
Reducció: (1600 - 300)/1600 = 81,2 %.

A 20 kV: I = 10·$\tfrac{10^{6}}{20}$·$10^{3}$ = 500 A; pèrdues $500^{2}$ · 5 = 1,25·$10^{6}$ W, el 12,5 % de la potència.
A 400 kV: I = 25 A; pèrdues $25^{2}$ · 5 = 3.125 W, un 0,03 %.
Les pèrdues van amb el quadrat del corrent: per això el transport es fa a molt alta tensió.

El magnetotèrmic salta per sobrecàrregues o curtcircuits, de desenes d'amperes. El corrent que passa per una persona és molt més petit, i no el fa saltar.
El diferencial compara el corrent que entra amb el que surt. Si en falta una mica, vol dir que se'n va per algun lloc (per exemple, a terra a través d'una persona). Amb 30 mA de diferència, salta en una fracció de segon, abans que el corrent sigui perillós per al cor.

Aerotèrmia: 12000/4 = 3.000 kWh d'electricitat, 3000 · 0,20 = 600 € l'any.
Caldera: 12000/0,9 ≈ 13.333 kWh de gas, ≈ 1.066,67 € l'any.
L'aerotèrmia és més barata, i si l'electricitat és renovable, gairebé no fa emissions.

(a) E = P_pic·HSP·η, per tant P_pic = 9/(4,5·0,80) = 2,50 kW.
(b) 2,50/0,400 = 6,25 panells; s'arrodoneix cap amunt a 7 panells.
(c) Superfície: 7·2 = 14 m².
Amb 7 panells la potència real és 2,8 kW, una mica per sobre del mínim.

(a) Excedent diürn: 14 - 4 = 10 kWh. La bateria n'emmagatzema 5 kWh i els altres 5 kWh s'injecten a la xarxa.
(b) De nit es consumeixen 6 kWh; la bateria en dona 5 kWh, així que cal comprar-ne 1 kWh.
(c) Cost de compra: 1·0,18 = 0,18 €. Ingrés per injecció: 5·0,06 = 0,30 €. Balanç: 0,18 - 0,30 = -0,12 €, és a dir, un guany net de 0,12 €.
Sense instal·lació: (4 + 6)·0,18 = 1,80 €. Estalvi del dia: 1,92 €.

(a) Autoconsum: 3500·0,60 = 2100 kWh → 378 €. Excedent: 3500·0,40 = 1400 kWh → 84 €.
Total: 462 € a l'any.
(b) Retorn = 4500/462 = 9,7 anys.
(c) Cost amb subvenció: 4500·0,80 = 3600 €. Retorn = 3600/462 = 7,8 anys.
Com que els panells duren 25 anys o més, la instal·lació és rendible.

(a) I = P/V = 5750/230 = 25 A: l'ICP és de 25 A.
(b) Potència total: 3500 + 2200 + 1200 = 6900 W. I = 6900/230 = 30,0 A.
(c) 30,0 A és més que 25 A, així que l'ICP acabarà saltant per sobreconsum.
Es pot evitar no usant els tres aparells alhora, desplaçant algun consum a una altra franja o augmentant la potència contractada (amb un cost fix més alt).

(a) R maó = 0,15/0,6 = 0,25; R aïllant = 0,06/0,04 = 1,50; R guix = 0,015/0,3 = 0,05 m²·K/W.
R total = 0,25 + 1,50 + 0,05 + 0,17 = 1,97. U = 1/1,97 = 0,51 W/(m²·K).
(b) Sense aïllant: R total = 0,25 + 0,05 + 0,17 = 0,47 i U = 2,13 W/(m²·K).
(c) P = U·A·ΔT: amb aïllant 183 W; sense aïllant 766 W. L'aïllant redueix les pèrdues unes 4,2 vegades.

(a) Massa: 4·28 = 112 kg/dia. Q = m·c·ΔT = 112·4,18·48 = 22472 kJ = 6,24 kWh al dia (dividim per 3600 kJ/kWh). A l'any: 6,24·365 = 2278 kWh.
(b) Falta el 40 %: 911 kWh.
(c) Sense solar: 2278·0,18 = 410 €. Amb solar: 911·0,18 = 164 €. Estalvi: 246 € a l'any.