Sistema Eléctrico Residencial

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N° tesis: 
 
 
 
PROYECTO FIN DE CARRERA 
 
Presentado a 
 
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 
 
 
 
Para obtener el título de 
 
INGENIERA ELÉCTRICA 
 
 
Por 
 
Ivón Andrea Báez Castilla 
 
 
 
 
DISEÑO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO PARA UNA EDIFICACIÓN RESIDENCIAL 
BASADO EN LAS TENDENCIA DE ENERGÍA NETA CERO 
 
 
 
 
Sustentado 3 de diciembre de 2014 al jurado: 
 
 
 
 
 - Asesor: Gustavo Ramos López Ph. D., Profesor Asociado, Universidad de Los Andes 
 - Jurado: David Felipe Celeita M. Sc., Estudiante Doctoral, Universidad de Los Andes 
 - Invitado: Miguel Hernández M. Sc., Estudiante Doctoral, Universidad de Los Andes 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
2 
 
 
 
RESUMEN 
 
Este trabajo es una contribución a la investigación acerca del desarrollo e impacto de las 
edificaciones de energía neta cero o Net Zero Energy Buildings (NZEB) en Colombia. 
Específicamente se realiza el estudio para una casa de 120m2 en el municipio de Anapoima 
en Cundinamarca ya que cuenta con las condiciones climáticas necesarias para la 
implementación de un sistema de este tipo basado en el aprovechamiento de la energía 
solar; además de ser un lugar en donde existe un alto potencial de inversión. 
 
Para llevar a cabo el estudio de implementación de un sistema eléctrico NZEB en esta casa 
fue necesario realizar un diagnóstico de consumo de un hogar típico en el país teniendo en 
cuenta los consumos de cada electrodoméstico y el tiempo en el que son usados 
diariamente en el hogar y seguir una metodología regida por las recomendaciones de los 
estándares internacionales IEEE1013 – 2007 Recommended Practice For Sizing Lead-Acid 
Batteries For Stand Alone Photovoltaic (PV) Systems e IEEE1562 – 2007 Guide For Array 
And Battery Sizing In Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems. Con esta metodología se logra 
tener en consideración diferentes aspectos importantes para el diseño del sistema 
autónomo de alimentación para la casa además de evaluar diferentes rutas en la viabilidad 
técnica y económica del diseño. 
 
En el documento se hace una introducción del problema, una contextualización a nivel 
nacional e internacional y el seguimiento paso a paso de la metodología en donde se 
dimensionan el sistema fotovoltaico, inversor, regulador y sistema de almacenamiento. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
3 
 
 
 
ABSTRACT 
 
This document is a contribution to the research work on the development and impact of 
the Net Zero Energy Buildings (NZEB) in Colombia. Specifically, a study is made for a 120m2 
house in Anapoima, Cundinamarca where the weather conditions are optimal for the 
implementation of this kind of system based on the use of solar energy and the high 
investment potential of the place. 
 
To make the study possible, it was necessary a power consumption diagnosis of a typical 
Colombian house in which were included the home appliances consumption in watts and in 
hours per day. Besides, a methodology was created based on the international standards 
IEEE1013 – 2007 Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stand Alone 
Photovoltaic (PV) Systems and IEEE1562 – 2007 Guide for Array and Battery Sizing in Stand-
Alone Photovoltaic (PV) Systems to assure the inclusion of all the important aspects in the 
calculation of the nominal rates of the entire stand-alone system as well as evaluate the 
technical and economic viability of the project. 
 
In the document are exposed systematically the definition of the problem, the national and 
international context and the step by step following of the methodology applied to size 
correctly the PV system, inverter, voltage regulator and battery system. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
4 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Quiero agradecer a Dios, a mis papás, Jorge Iván Báez y Consuelo Castilla y a mi hermana, 
Isabela Báez, por haberme acompañado y apoyado incondicionalmente en todo este 
proceso de formación. Además, agradezco a mi asesor Gustavo Ramos por su guía y su 
continuo interés por mejorar el proyecto a lo largo del semestre, al igual que a Miguel 
Hernández por su constante orientación y ayuda. 
 
Finalmente, agradezco a todas aquellas personas que me acompañaron en esta etapa y que 
contribuyeron en mi proceso de formación académica y personal en la universidad y en la 
culminación de este proyecto de grado, especialmente a: Diego Campo, Daniel Fernández, 
Álvaro González y Manuel Trujillo. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
5 
 
 
 
Contenido 
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 8 
2 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 9 
2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 9 
2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 9 
2.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 9 
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .......................... 9 
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ............................................................ 10 
4.1 Marco Teórico ........................................................................................................ 10 
4.1.1 Edificaciones de Energía Neta Cero (NZEB) .................................................... 10 
4.1.2 Energías renovables en Colombia .................................................................. 11 
4.1.3 Tecnologías fotovoltaicas (PV) ....................................................................... 12 
4.2 Marco Conceptual .................................................................................................. 14 
4.2.1 Normatividad .................................................................................................. 14 
4.2.2 Energy Star [15] .............................................................................................. 14 
4.3 Marco Histórico...................................................................................................... 15 
4.3.1 Internacional ................................................................................................... 15 
4.3.2 Nacional .......................................................................................................... 16 
5 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ...................................................................................... 16 
5.1 Diseño conceptual ................................................................................................. 18 
5.1.1 Lugar de implementación ............................................................................... 18 
5.1.2 Consumo energético....................................................................................... 18 
5.1.3 Topología del sistema ..................................................................................... 19 
5.2 Diseño básico ......................................................................................................... 19 
5.2.1 Banco de baterías ........................................................................................... 19 
5.2.2 Sistema fotovoltaico ....................................................................................... 20 
5.2.3 Regulador de carga ......................................................................................... 21 
5.2.4 Inversor........................................................................................................... 22 
5.3 Diseño detallado .................................................................................................... 22 
6 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ........................................................................................... 22 
6.1 CASOS DE ESTUDIO #1: Casa en Anapoima de consumo alto ............................... 23 
6.1.1 Diseño Conceptual .......................................................................................... 23 
6.1.2 Diseño Básico .................................................................................................. 26 
6.1.3 Diseño Detallado ............................................................................................ 29 
6.2 CASO DE ESTUDIO #2: Casa en Anapoima de consumo moderado ...................... 30 
6.2.1 Diseño Conceptual .......................................................................................... 30 
6.2.2 Topología ........................................................................................................ 31 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
6 
 
 
 
6.2.3 Diseño Básico .................................................................................................. 32 
6.2.4 Diseño Detallado ............................................................................................ 32 
7 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 33 
8 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 35 
9 REFERENCIAS ................................................................................................................ 36 
10 ANEXOS ......................................................................................................................... 39 
10.1 Anexo 1: Caracterización NZEB .......................................................................... 39 
10.2 Anexo 2: Dimensionamiento banco baterías – Caso de Estudio#1 ................... 40 
10.3 Anexo 3: Dimensionamiento banco de baterías – Caso de Estudio #2............. 42 
10.4 Anexo 4: Dimensionamiento sistema fotovoltaico – Caso de Estudio #1......... 44 
10.5 Anexo 5: Dimensionamiento sistema fotovoltaico – Caso de Estudio #2......... 45 
10.6 Anexo 6: Dimensionamiento del consumo energético del Caso de Estudio #2 46 
10.7 Anexo 7: Especificaciones técnicas de los equipos seleccionados ................... 47 
10.8 Flujo de caja para el caso de estudio #1 ............................................................ 48 
10.9 Flujo de caja para el caso de estudio #2 ............................................................ 49 
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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Lista de Figuras 
 
Figura 5.1 Metodología para el diseño del sistema ............................................................. 17 
Figura 5.2 Metodología detallada del diseño del sistema ................................................... 17 
Figura 5.3 Consumo de energía de los electrodomésticos en un hogar colombiano .......... 18 
Figura 5.4 Configuración del sistema fotovoltaico autónomo ............................................. 20 
Figura 6.1 Consumo mensual típico en la casa del caso de estudio #1 ............................... 24 
Figura 6.2 Unifilar del sistema eléctrico - Caso de estudio #1 ............................................. 26 
Figura 6.3 Consumo mensual típico en la casa del caso de estudio #2 ............................... 31 
Figura 6.4 Unifilar sistema eléctrico - Caso de estudio #2 ................................................... 31 
 
 
 
 
 
 
 
Lista de Tablas 
 
Tabla 4.1 Potencial eólico por región [5] .............................................................................. 11 
Tabla 4.2 Potencial solar por región [37] ............................................................................. 11 
Tabla 4.3 Comparación tecnologías fotovoltaicas ................................................................ 13 
Tabla 6.1 Consumo energético pasa el caso de estudio #1.................................................. 25 
Tabla 6.2 Cálculo de la carga del sistema ............................................................................. 27 
Tabla 6.3 Dimensionamiento del banco de baterías caso de estudio #1 ............................. 27 
Tabla 6.4 Dimensionamiento del sistema fotovoltaico para el caso de estudio #2 ............. 28 
Tabla 6.5 Dimensionamiento del regulador ......................................................................... 28 
Tabla 6.6 Presupuesto para el sistema eléctrico del caso de estudio #1 ............................. 29 
Tabla 6.7 Resultados del diseño básico para el caso de estudio #2 ..................................... 32 
Tabla 6.8 Presupuesto para el sistema eléctrico del caso de estudio #2 ............................. 33 
 
 
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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1 INTRODUCCIÓN 
 
Este documento presenta el estado del arte de las edificaciones de Energía Neta Cero y el 
diseño de un sistema eléctrico para un hogar colombiano basado en este concepto. En él se 
incluye desde el diagnóstico de consumo de un hogar típico en Colombia e identificación de 
su demanda promedio y pico hasta una evaluación de cambios a los sistemas eléctricos 
actuales y una evaluación económica para mejorar la eficiencia y estudiar la viabilidad de 
este tipo de implementaciones en el país, respectivamente. 
 
Actualmente el uso de energías renovables para la generación de energía eléctrica es un 
tema de especial interés en todo el mundo, entre otras aplicaciones, debido a la necesidad 
de mitigar el daño provocado por la explotación desmesurada de recursos como los 
combustibles fósiles y el incremento de los gases de efecto invernadero. Una forma de 
cumplir con este fin es a través del diseño de sistemas eléctricos, como los edificios de 
energía neta cero que son capaces de generar tanta energía como la que consumen en un 
año promedio, usando fuentes de energía renovable [3]. 
 
Conceptualmente los edificios de energía neta cero, NZEB por sus siglas en inglés, están 
diseñados para reducir significativamente las necesidades de energía de una edificación a 
través de tal mejoramiento de la eficiencia, que la demanda energética pueda ser suplida 
por tecnologías renovables [4]. Sin embargo, también se debe tener en cuenta que para 
lograr tal eficiencia los parámetros de diseño no solo están relacionados con la parte 
eléctrica de la edificación, se deben considerar otros aspectos civiles y arquitectónicos que 
permitan llegar a ese fin como un excelente aislamiento térmico en toda la superficie de la 
casa junto con puertas y ventanas. Para el caso de este proyecto de grado, se presentan 
todos los aspectos a tener en cuenta en el diseño de una edificación NZE pero se hace 
énfasis en el diseño eléctrico que debe desarrollarse para que ésta sea auto sostenible en 
términos de consumo energético. 
 
Con lo anterior, se busca medir el potencial colombiano en el área, no solo a nivel energético 
y tecnológico sino también a nivel económico con el fin de dimensionar el impacto que 
tendría la inclusión de estos sistemas en el mercado colombiano y la capacidad de inversión 
que sería necesaria por parte de los usuarios para implementarla. 
 
A continuación, se plantean los objetivos a cumplir, se describe y justifica la problemática 
del proyecto y se expone el marco teórico, conceptual e histórico de relevancia para el 
mismo. En seguida, se muestra la metodología de trabajo y cómo esta lleva al diseñoeléctrico de una casa con el concepto de NZE en una población de Colombia. Finalmente, 
se exponen los resultados y las conclusiones del trabajo realizado. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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2 OBJETIVOS 
2.1 Objetivo General 
 
Diseñar un sistema eléctrico, para una edificación residencial, basado en el concepto de 
edificios de Energía Neta Cero. 
2.2 Objetivos Específicos 
 
1. Realizar un diagnóstico en el que se identifique la distribución del consumo 
energético en los hogares, al igual que las tendencias actuales en edificios de energía 
neta cero. 
2. Identificar aquellos parámetros susceptibles de cambio en sistemas eléctricos 
tradicionales de edificios residenciales, para así plantear opciones de remplazo en 
el sistema que mejoren su eficiencia y maximicen su relación beneficio-costo. 
3. Seleccionar los equipos y tecnologías para el diseño del sistema de energía neta cero 
y sus respectivos costos, para hacer la selección de la mejor alternativa. 
4. Evaluar el potencial de difusión del sistema de acuerdo a los resultados que se 
obtengan. 
2.3 Alcance y productos finales 
 
El alcance del trabajo es el diseño del sistema eléctrico de una casa basado en el concepto 
de edificaciones de Energía Neta Cero con el respectivo respaldo de la normatividad 
nacional e internacional correspondiente. Para lograrlo, se caracteriza la distribución típica 
de consumo energético un hogar colombiano con lo cual se conoce su carga promedio y 
pico. A partir de esto, y aplicado a dos casos de estudio, se identifican elementos y 
estrategias claves para maximizar la eficiencia del sistema, se dimensiona el sistema 
eléctrico y de generación y se evalúa su viabilidad y potencial de difusión. 
 
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO 
 
El consumo energético mundial para 2011 se distribuyó porcentualmente en varios sectores 
de la siguiente forma: edificios 44% (comerciales 25% y residenciales 15%), transporte 19% 
e industrias 37% [1]. Teniendo en cuenta esto, se identifica al sector residencial, como un 
potencial escenario de aplicación para la implementación de un sistema eléctrico de energía 
neta cero, puesto que contribuiría considerablemente al ahorro de energía y al incremento 
en la eficiencia energética de los edificios y casas, lo que no solo aplica a las nuevas 
construcciones sino también a posibles modernizaciones que se realicen a edificaciones 
antiguas [5]. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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Partiendo de lo anterior y considerando que Colombia es un país que cuenta con un gran 
potencial asociado a la generación limpia de energía, por su ubicación geográfica y diferente 
a la generación hidráulica, se considera importante hacer un análisis de este tipo de 
sistemas tanto a nivel técnico como a nivel financiero para conocer en detalle las ventajas 
y desventajas que traería para los usuarios colombianos una implementación con estas 
características. 
 
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 
4.1 Marco Teórico 
4.1.1 Edificaciones de Energía Neta Cero (NZEB) 
Una NZEB es una edificación residencial o comercial con una importante reducción del 
consumo energético típico de este tipo de edificios, lo cual se logra sólo a través del 
incremento significativo de su eficiencia, a tal punto que la demanda energética puede ser 
suplida con tecnologías que aprovechan las energías renovables [4]. Debido a esto, la 
cantidad de beneficios que surgen tras la construcción de estos sistemas es significativa. 
Por ejemplo, los usuarios no se deben pagar cuentas de electricidad, no se emiten emisiones 
de CO2 al ambiente, se crea un ambiente más sano y tranquilo en los hogares debido al 
diseño civil y los aislamientos en la arquitectura y son una inversión inteligente desde 
diferentes puntos de vista: ahorro energético y económico significativo y son estructuras 
con mayor tiempo de vida útil, entre otros [6]. 
 
Aunque se puede llegar a pensar que una NZEB hace referencia a una casa, apartamento o 
edificio que exclusivamente es eficiente energéticamente, debido al nombre que tiene, es 
evidente que la eficiencia abarca otros sectores que en principio no están relacionados con 
aspectos energéticos pero que indirectamente permiten que el consumo de energía sea 
menos al interior de la casa y así mismo sea más eficiente. 
 
Teniendo en cuenta esto, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) y el Department 
of Energy (DOE) de los Estados Unidos sugieren definiciones que tienen diferentes enfoques 
según sea las necesidades y requerimientos de los proyectos. 
 
4.1.1.1 Definiciones 
Como se considera que NZEB es un concepto relativamente nuevo y que así mismo es difícil 
tener una definición única al respecto, las cuatro definiciones que sugieren el NREL y el DOE 
se enlistan a continuación [4]: 
 
 Net Zero Site Energy: un lugar de ZEB produce al menos tanta energía como la que 
consume en un año. 
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tendencias de Energía Neta Cero 
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 Net Zero Source Energy: una fuente ZEB produce al menos tanta energía como la que 
usa en un año, cuando se habla de la fuente. La fuente de energía se refiere a la 
energía primaria utilizada para generar y entregar la energía al sitio. 
 Net Zero Energy Cost: en una ZEB de costo, la cantidad de dinero que le paga el 
operador de red al dueño de la edificación por la energía que entrega a la red, es al 
menos igual a la cantidad que paga el dueño al operador por los servicios de energía 
y el consumo por un año. 
 Net Zero Energy Emissions: una edificación de emisiones netas cero produce al menos 
tanta energía limpia como la que usa a partir de fuentes de energía que no lo son. 
 
La selección de la definición se determina de acuerdo a qué tan bien se ajusten los 
requerimientos y necesidades del usuario o del diseñador en cada uno de los proyectos. 
 
4.1.1.2 Características de diseño de una NZEB 
Según [4], la definición de energía cero o energía neta cero influye y afecta mucho el diseño 
de un proyecto en particular para alcanzar la meta de los NZEB, ya que dependiendo de esto 
puede estar enfocado a la eficiencia energética, estrategias de generación, compra de 
fuentes de energía y utilidad de las estructuras, entre otros. De acuerdo a esto, se presenta 
en el Anexo 10.1 una síntesis de los pros y los contras de cada definición, con el fin de 
entender mejor los parámetros que se deben contemplar a la hora de seleccionar una o la 
otra. 
 
4.1.2 Energías renovables en Colombia 
Para hablar de las tecnologías de energía renovable, es pertinente conocer primero el 
potencial de utilización de estas energías en el país. De acuerdo al Programa de Uso Racional 
y Eficiente de Energía y Fuentes No Convencionales (PROURE) el potencial de Colombia en 
cuanto a energía renovable o no convencional se divide varios enfoques [7], pero a 
continuación solo se hace mención de tres de ellos: 
 
Tabla 4.2 Potencial solar por región [40] 
Región 
Radiación solar 
(kWh/m2/año) 
Guajira 1980 – 2340 
Costa Atlántica 1260 – 2340 
Orinoquia 1440 – 2160 
Amazonía 1440 – 1800 
Andina 1080 – 1620 
Costa Pacífica 1080 – 1440 
 
Tabla 4.1 Potencial eólico por región [7] 
Región 
Densidad de potencia a 
50m (W/m2) 
Guajira 2744 – 3375 
San Andrés 216 – 343 
Santanderes 343 – 512 
Costa Atlántica 729 – 1331 
Casanare y Llanos 
Orientales 
216 – 343 
Boyacá 216 – 343 
Tolima y Zona Cafetera 512 – 729 
Golfo de Urabá 343 – 512 
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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 Potencial solar: Colombia cuenta con un promedio diario multianual cercano a 4,5 
kWh/m2 a lo largo de todo el territorio nacional, siendo la Guajira el lugar con la mayordisponibilidad con un promedio diario de 5,0 y 6,0 kWh/m2. En la Tabla 4.2, se 
encuentran explícitos los valores de radiación solar en todas las regiones del país. 
 
 Potencial eólico: En Colombia la mayor disponibilidad de recurso eólico se encuentran 
en la costa Atlántica, donde los vientos aumentan en dirección a la península de La 
Guajira. Otras regiones con potencial del recurso se encuentran entre los departamentos 
de Bolívar, Atlántico y Norte de Santander, centro y sur del Cesar, Medio Magdalena y en 
los Llanos Orientales sobre Casanare, límites entre Boyacá y Cundinamarca y límites entre 
Meta, Huila y Cundinamarca. 
 
 Potencial de biomasa: en un estudio realizado por la UPME se identificó un potencial de 
16.267 MWh/año de energía primaria o potencial bruto con 658 MWh/año de aceite 
combustible, 2.640 MWh/año de alcohol carburante, 11.828 MWh/año de residuos 
agroindustriales y de cosecha, 442 MWh/año de residuos de bosques plantados, y 698 
MWh/año de residuos de bosques naturales. 
 
Conociendo el panorama colombiano en el sector energético “verde”, es posible identificar 
al recurso solar dentro de los más convenientes para el diseño del sistema eléctrico de un 
hogar en Colombia. A partir de esto, se profundiza más en las tecnologías, estudios y diseños 
que se han desarrollado en los últimos años para aprovechar esta fuente de energía. 
4.1.3 Tecnologías fotovoltaicas (PV) 
Los sistemas fotovoltaicos (PV) tienen la capacidad de convertir directamente la radiación 
solar en electricidad, por lo que no es de sorprender que en un futuro, este tipo de energía, 
se convierta en la competencia principal de los actuales métodos de generación, teniendo 
en cuenta que la energía recibida del sol es inagotable. 
 
Al hablar de sistemas PV, es inevitable hablar de los módulos o paneles solares y de sus 
diferentes tecnologías. Éstas se clasifican de acuerdo al material con el que son construidas, 
ya que cada uno aporta propiedades físicas y funcionales diferentes que modifican aspectos 
como el tamaño y eficiencia. En seguida, se presenta en la Tabla 4.3 una comparación de 
las tecnologías y una breve descripción de cada una. 
 
4.1.3.1 Estructuras cristalinas 
La mayoría de los paneles solares que se usan hoy en día usan esta tecnología, 
aproximadamente el 90% según el National Renewable Energy Laboratory [8]. El término 
hace referencia a que el material del módulo fotovoltaico (silicio) tiene una estructura 
interna regular y ordenada que define las características eléctricas de cada celda 
dependiendo de las fronteras que haya entre cada partícula/átomo del material [9]. Aunque 
ya lleva harto tiempo en el mercado, sigue en continuo desarrollo para aumentar su 
capacidad y eficiencia [3], razón por la cual sigue siendo la tecnología más usada. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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Celdas monocristalinas 
Este tipo de celdas están hechas silicio, Si, cristalino de alta pureza, por lo cual tiene la mayor 
eficiencia de todas las tecnologías; sin embargo, esto hace que sea también la más costosa 
de producir [9]. La mayor eficiencia que se ha logrado con estas celdas es aproximadamente 
de 23% bajo STC (Standard Test Conditions); a pesar de esto, la eficiencia total del módulo 
fotovoltaico tiende a ser menor que la de las celdas solares individuales [10]. 
 
Celdas policristalinas 
Sus costos de producción disminuyen aproximadamente un 15%, pues el proceso de 
manufactura es mucho más sencillo y económico [11]. Entre sus desventajas está la 
eficiencia del espacio ya que para la misma potencia pico los paneles policristalinos ocupan 
más espacio que los monocristalinos. 
4.1.3.2 Thin Film solar panels (TFSP) 
Esta tecnología tiene varias ventajas sobre la cristalina pues se utilizan capas muy delgadas 
de semiconductores que se depositan sobre ciertos materiales como vidrio o acero 
inoxidable en lugar de utilizar capas de solo semiconductores entre paneles de vidrio. Esto 
permite que los costos de manufactura se reduzcan y que agreguen propiedades a los 
paneles como flexibilidad. Sin embargo, al ser menor la cantidad de material capaz de 
absorber la radiación solar incidente la eficiencia de las celdas y en consecuencia de los 
paneles también se ve afectada, tanto así que se ve reducida considerablemente con 
valores de 7 – 13% [10] [11]. De esta también se pueden destacar varios tipos de celdas: 
 
Celdas de Silicio amorfo (a-Si) [10] [11] 
Debido a su estructura cristalina sus propiedades de absorción del espectro solar cambian 
respecto a las demás, haciendo que este absorba más fuertemente el espectro visible que 
el infrarrojo. Utilizada principalmente en aplicaciones de muy pequeñas magnitudes. 
 
 
Tabla 4.3 Comparación tecnologías fotovoltaicas 
Tecnología 
Cristalina Thin Film o película fina 
Monocristalina Policristalina a-Si CdTe CIS/CIGS 
Eficiencia 15-20% 13-16% 6-8% 9-11% 10-12% 
Costos Altos Moderados Moderados Moderados Moderados 
Desarrollo 
tecnológico 
Alto Alto Bajo Bajo Bajo 
Otros 
 Ampliamente comercializadas. 
 No son eficientes en cuestión de 
espacio. 
 Periodo de vida largo. 
 Pueden adquirir propiedades 
adicionales como flexibilidad. 
 Potencia de salida disminuye con el 
tiempo. 
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
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Celdas de Cadmio y Telurio (CdTe) [10] [11] 
Este tipo de celdas cuentan con un coeficiente de absorción directa bastante alto y tiene un 
gran potencial para convertirse en el material principal de construcción de las celdas de 
láminas delgadas además que puede ser ajustada para que se produzca a gran escala. 
 
Celdas de Cobre, Indio, Galio y Selenio (CIS/CIGS) [10] [11] 
Según [11], este tipo de celdas es el que ha mostrado un mejor desempeño en términos de 
eficiencia, lo cual se debe principalmente a que los materiales de los que está compuesto, 
dándole versatilidad ya que sus características ópticas y eléctricas pueden ser manipuladas 
para ser usadas en aplicaciones específicas. 
 
4.2 Marco Conceptual 
 
Dentro del marco conceptual se presenta una revisión bibliográfica realizada en torno a la 
normatividad nacional e internacional que se debe seguir a la hora de diseñar instalaciones 
eléctricas autónomas y también a estandarizaciones internacionales que pueden servir 
como guía para el mejoramiento del diseño de NZEB en el país. 
4.2.1 Normatividad 
Dentro de la normatividad consultada se encuentra El código eléctrico colombiano o NTC 
2050 en donde se presenta explícitamente los requisitos que deben tener las instalaciones 
eléctricas del país. Para este caso en particular, se hace especial énfasis en el Artículo 690 – 
Sistemas solares fotovoltaicos. En cuanto a normatividad internacional se siguen las 
metodologías propuestas en el IEEE Std 1013 – 2007 Recommended Practice for Sizing Lead-
Acid Batteries for Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems [12] y en el IEEE Std 1562 – 2007 
Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems [13] y se 
consultan parámetros importantes de los sistemas eléctricos autónomos en la NFPA 70 
[14]. 
4.2.2 Energy Star [15] 
El programa de Energy Star para hogares es administrado por el Departamento de Energía 
de los Estados Unidos (DOE) junto con la Agencia de Protección Ambiental también de los 
Estados Unidos (EPA). El objetivo principal del programa es ayudar a los propietarios a 
mejorar la eficiencia y comodidad de sus hogares usando un enfoque integral para toda la 
casa mientras que se ayuda a proteger al medio ambiente. Con lo cual, para el 2013, 
completó más de 330.000 proyectos. 
 
Adicionalmente cuenta con un programa de certificación para hogares energéticamente 
eficientes y que además generan poca contaminación. Los principales aspectos que se 
tienen en cuenta para la certificación están relacionados con: paredesy ventanas eficientes, 
ductos de aire eficientes, equipos eficientes además de electrodomésticos e iluminación 
eficientes, este último de especial interés para el proyecto. En cuanto a los 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
15 
 
 
 
electrodomésticos, existe una certificación y/o etiqueta de eficiencia y de bajo consumo 
energético, para que los usuarios puedan identificar cuáles son las mejores opciones para 
sus hogares. 
 
4.3 Marco Histórico 
4.3.1 Internacional 
Actualmente, en varias ciudades y países del mundo se está imponiendo la tendencia de 
diseñar sistemas eléctricos que utilicen tecnologías que produzcan toda o un porcentaje 
considerable de la energía que demandan, es decir, que se están desarrollando diversas 
aplicaciones con el concepto de edificaciones de energía neta cero. Algunos ejemplos 
específicos, en los que se evidencia claramente el aporte de las energías renovables a la 
generación de energía eléctrica, son el barrio alemán de Sonnenschiff en Friburgo [16] y 
Copenhague. El primer caso es tal vez el ejemplo más claro, no solo de sistemas de energía 
neta cero sino de sistemas de energía neta positiva, ya que no solo abastece de energía al 
barrio en su totalidad sino que además devuelve a la red la energía de más que se genera. 
En el segundo caso, se tiene que el 20% de la generación de energía proviene de una fuente 
de energía renovable lo cual aporta significativamente al sistema y a su economía. 
 
En Estados Unidos, las construcciones verdes van en aumento pues se fomenta desde 
diferentes perspectivas la implementación de este tipo de sistemas, aunque no 
necesariamente del tipo NZEB. Un ejemplo de ello son las certificaciones LEED o Energy Star 
que hacen que las edificaciones sean más eficientes tanto energética como 
económicamente de manera que impulsan a los diferentes sectores a invertir y preocuparse 
por alcanzar estos objetivos. En el caso residencial, el programa Energy Star ha logrado que 
más de 330.000 propietarios se unan y que busquen estar más cerca de la certificación que 
garantiza que el hogar es eficiente y que consume menos energía que el promedio [15]. 
 
Otro ejemplo es Japón, que en los últimos años ha incrementado la capacidad fotovoltaica 
instalada de energía puesto que se considera a la generación PV como tecnología clave para 
desarrollar sistemas más eficientes y con menor impacto ambiental [17]. 
 
Además de tener como referencia a estos lugares, también se han desarrollado algunas 
investigaciones acerca del tema en diferentes partes del mundo en las que se estudia el 
impacto que traería implementar este tipo de sistemas, por ejemplo, en el artículo 
“Opportunities and challenges with net zero energy buildings” se hace un análisis del papel 
que juegan las diferentes tecnologías, equipos y estrategias de control que se están 
desarrollando para edificios de bajo consumo de energía, enfocados hacia las edificaciones 
de energía neta cero [3]. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
16 
 
 
 
4.3.2 Nacional 
En Colombia, algunos de los estudios que se han realizado relacionados con sistemas que 
utilicen fuentes de energía renovable para mejorar la eficiencia energética en edificios, se 
han enfocado más hacia las áreas no residenciales, como centros comerciales e 
instituciones educativas, entre otros. 
 
Dentro de las referencias, en las que se tratan estos temas, se encuentran: “Uso de fuentes 
de energía renovable y generación distribuida para mejorar la eficiencia energética en 
edificios no residenciales en Bogotá” [18], “Metodología para mejorar la eficiencia 
energética actual en edificios no residenciales” [19] y “Estudio técnico y financiero de 
implementación de paneles solares enfocado a centros comerciales” [20]. Sin embargo, la 
inclusión de la Ley 1715 de 2014 que tiene como objetivo promover el desarrollo y la 
utilización de fuentes no convencionales de energía (FNCE), principalmente las de carácter 
renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración en el mercado 
eléctrico, su participación en zonas no interconectadas y otros usos energéticos como 
medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de las emisiones y la 
seguridad del abastecimiento energético [21]. 
 
Esto último, incentivará a la investigación e inversión en el tema trayendo así grandes 
ventajas y desarrollos que eventualmente posibiliten que los hogares en Colombia puedan 
generar su propia energía, mejorar su eficiencia y ahorrar costos. 
 
5 METODOLOGÍA DEL TRABAJO 
 
El desarrollo del trabajo se estructuró para que se siguieran las tres etapas básicas de diseño 
de ingeniería en un proyecto, con el objetivo de evitar la omisión aspectos importantes que 
puedan afectar los resultados finales. Para esto, se planteó una metodología que permite 
seguir paso a paso el diseño del sistema, en dónde cada uno de los ítems corresponde a una 
etapa del proceso de diseño. A continuación, en la Figura 5.1, se describe de manera general 
el planteamiento de la metodología. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
17 
 
 
 
Metodología
Diseño Conceptual
Diseño Básico
Diseño Detallado
Dimensionamiento
Sistema fotovoltaico
Banco de baterías
Controlador de carga
Inversor
Selección de equipos
Análisis financiero
Presupuesto
Estudio lugar de implementación
Cálculo consumo energético
Selección topología del sistema
 
Figura 5.1 Metodología para el diseño del sistema 
 
Adicionalmente, se presenta en la Figura 5.2 la metodología detallada que se desglosa paso 
por paso en el estudio de los casos de estudio. 
 
 
Figura 5.2 Metodología detallada del diseño del sistema 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
18 
 
 
 
5.1 Diseño conceptual 
5.1.1 Lugar de implementación 
Un parámetro decisivo al momento de implementar un sistema eléctrico basado en el 
concepto de NZEB, es el lugar geográfico, ya que de esto depende la disponibilidad de los 
recursos renovables indispensables para el mismo. Teniendo en cuenta que en Colombia la 
disponibilidad del recurso solar es mucho mayor a otros al interior del país, los parámetros 
que deben analizarse para la implementación del sistema son la radiación solar y/o el brillo 
solar promedio en el lugar. De esta forma, entre mayor sea el promedio, mejor será el 
aprovechamiento del recurso solar y la capacidad de generación eléctrica del sistema. 
5.1.2 Consumo energético 
El consumo energético en una casa, no es un parámetro que pueda generalizarse ya que 
dependiendo del lugar, clima, electrodomésticos y situación socio-económica, entre otros, 
el valor puede diferir. Por esta razón, es algo que debe calcularse individualmente para cada 
usuario final teniendo en cuenta el consumo de cada electrodoméstico y el número de horas 
diarias de su uso. 
 
Debido a la cantidad de aspectos a tener en cuenta, en especial aquellos relacionados con 
los consumos de los electrodomésticos, se toman como punto de referencia los valores de 
su consumo energético definidos por Codensa [22], Figura 5.3. 
 
 
Figura 5.3 Consumo de energía de los electrodomésticos en un hogar colombiano 
A continuación se describe el procedimiento para calcular el consumo energético de una 
casa. Vale la pena aclarar que para los casos de estudio, se utilizan los valores mostrados en 
la Figura 5.3. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
19 
 
 
 
 
1. Hacer una lista de todos los electrodomésticos que se usan en la casa y determinar 
la cantidad que existe de cada uno. 
2. Averiguar la potencia que consume cada uno. Se puede obtener al consultar las 
placas técnicas de cada electrodoméstico,pero también al consultar fuentes en las 
que estén relacionados los consumos de potencia típicos. 
3. Calcular la cantidad de horas al día en las que está encendido cada equipo. 
4. Calcular el consumo diario de cada electrodoméstico. 
 
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 = 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 
 
5. Establecer la cantidad de días al mes que son utilizados los electrodomésticos. 
6. Finalmente, calcular el consumo de energía mensual utilizando la siguiente fórmula: 
 
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 ∗ 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑í𝑎𝑠 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠 
 
7. Si se desea conocer el consumo promedio diario al mes, se deben sumar los 
consumos mensuales de cada electrodoméstico y dividirlo entre el número de días 
del mes. 
 
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 =
∑ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜
30 𝑑í𝑎𝑠
 
 
5.1.3 Topología del sistema 
Para la selección de la topología se tomó en cuenta que es un sistema de generación 
autónomo e independiente de la red de distribución eléctrica, por lo que solo dependerá 
de la radiación solar, la capacidad del sistema de generación para aprovecharla y convertirla 
en energía eléctrica y la capacidad de almacenamiento de las baterías. Con este objetivo, 
se identificó en la norma NFPA 70 [14], una recomendación para la implementación de 
sistemas fotovoltaicos stand-alone o autónomos, el cual se muestra en la Figura 5.4. En esta, 
se incluye un bus DC para poder alimentar la carga DC del sistema. 
 
5.2 Diseño básico 
 
Siguiendo el planteamiento inicial y los parámetros definidos en el diseño conceptual, se 
procede con el dimensionamiento del sistema de generación para suplir la demanda 
calculada en la etapa anterior. 
5.2.1 Banco de baterías 
Para determinar el tamaño del banco de baterías se siguieron las recomendaciones 
descritas en el IEEE Std 1013 [12], en donde se explica detalladamente el procedimiento 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
20 
 
 
 
para dimensionar el banco. En esta sección solo se explica de manera general cuales son los 
pasos a seguir para el dimensionamiento, ya que en el caso de estudio se entra en mayor 
detalle sobre este. 
 
Tal y como se expone en [12], para tener éxito a la hora de dimensionar un banco de 
baterías de un sistema fotovoltaico se deben tener en consideración varios factores que 
permiten determinar la capacidad necesaria de las baterías. Estos factores se mencionan a 
continuación: 
 
1. Autonomía: es un parámetro que es establecido en los requerimientos de diseño del 
sistema para que éste sea autónomo por determinado periodo de tiempo. Para esto 
se deben tener en cuenta aspectos como la criticidad del sistema, la disponibilidad 
que debe tener el sistema, la variabilidad de la radiación solar, la predictibilidad de 
la carga, la capacidad de recarga del banco y la accesibilidad al lugar. 
2. Dimensionamiento de la carga: relacionado con la determinación de la cantidad de 
corriente que debe ser suplida por las baterías por determinado tiempo. 
3. Capacidad de la batería y tasa funcional por hora: calculado a partir de la carga, la 
autonomía y las características de las baterías. 
4. Determinación de las celdas en serie: definido a partir de los límites de voltaje del 
sistema. 
5. Capacidad de las celdas y el tamaño del banco: calculado a partir de los resultados 
de los puntos anteriores. 
 
5.2.2 Sistema fotovoltaico 
Con el fin de determinar el tamaño del sistema fotovoltaico, se siguieron las 
recomendaciones dadas en el IEEE Std 1562 [13]. El método que se utiliza en el estándar 
consiste en dimensionar el sistema en base al consumo carga promedio en Ah y no toma en 
cuenta el uso de los seguidores del punto de máxima potencia (MPPT). 
Arreglo PV
Banco de baterías
Controlador de carga Inversor
Carga DC
Carga AC
BUS DC
 
Figura 5.4 Configuración del sistema fotovoltaico autónomo1 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
21 
 
 
 
 
Adicionalmente, se hace explícito en el estándar que parámetros como la temperatura y la 
sombra no se consideran dentro de la metodología para el dimensionamiento de los 
paneles. Para el primer caso, este factor no es determinante ya que la temperatura afecta 
en mayor medida al voltaje y no a la corriente; para el segundo caso, se asume que los 
paneles no serán cubiertos por sombras de otros objetos pues sería necesario un modelo 
computacional para determinar el efecto de las sombras en el arreglo de paneles solares. 
 
A continuación se describen los factores a tener en cuenta y a calcular para el 
dimensionamiento: 
 
1. Dimensionamiento de la carga: calculada a partir del IEEE Std 1013 [12]. 
2. Días de autonomía: determinado para que la batería sea capaz de soportar la carga 
durante los periodos de baja radiación solar. De acuerdo al estándar, para cargas 
no críticas y con una radiación solar alta, de 5 a 7 días son aceptables. 
3. Dimensionamiento y selección de baterías: calculado a partir del IEEE Std 1013 [12]. 
4. Radiación solar: si la carga es constante para todos los meses, se recomienda usar 
el valor del mes con la peor radiación solar. De lo contrario, debe seguirse otro 
procedimiento. 
5. Dimensionamiento del arreglo de paneles: este proceso incluye la selección de los 
módulos, la determinación de las pérdidas del sistema, el número de paneles 
conectados en serie y el número de paneles conectados en paralelo. 
 
Al igual que en el punto anterior, el procedimiento detallado se desarrolla para el caso de 
estudio en secciones posteriores. 
 
5.2.3 Regulador de carga 
Según el IEEE Std 1562 [13], se deben tener en cuenta parámetros como el voltaje mínimo 
de desconexión de la carga (LVD), indicadores de estado del sistema, protección para sobre-
corriente, entre otros para evitar que las baterías se encuentren descargadas o sobre-
cargadas. Se debe tener en cuenta además el método de carga que utiliza el regulador, los 
cuales son: on/off, voltaje constante, PWM y MPPT; los dos últimos, recomendados para la 
carga de las baterías tipo VRLA. 
 
Para el dimensionamiento del regulador de carga se tuvo en cuenta el procedimiento 
desarrollado en [23]. En donde se calcula la corriente mínima que debe soportar el 
regulador de la siguiente manera: 
 
𝐼𝐼𝑁 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝐼𝑆𝐶𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
∗ 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 
 
𝐼𝑂𝑈𝑇 = 𝐼𝐷𝐶𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎
+ 𝐼𝐴𝐶𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
22 
 
 
 
En donde: 
 
 Factor de seguridad: factor que sobredimensiona la corriente de corto circuito de 
los módulos fotovoltaicos con el fin de evitar daños por sobrecorrientes en el 
regulador. 
 𝐼𝑆𝐶𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
: corriente de corto circuito del panel seleccionado. 
 Número de paneles en paralelo: calculados en el dimensionamiento del sistema 
fotovoltaico. 
 𝐼𝐷𝐶𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎
: corriente consumida por la carga DC. 
 𝐼𝐴𝐶𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎
: corriente consumida por la carga AC, que debe ser la correspondiente 
al lado DC del inversor. 
 
5.2.4 Inversor 
La selección del inversor está ligada a dos factores principalmente, la potencia de las cargas 
AC y el suministro de los picos de demanda, para que de esta forma sea capaz de dar a la 
carga la corriente necesaria para los picos de corriente de arranque de las cargas inductivas 
como lo son las lavadoras [24]. Se debe tener en cuenta además que al sobredimensionar 
el inversor, es probable que a potencias más bajas que la nominal, la eficiencia de éste 
disminuya. 
 
5.3 Diseño detallado 
 
En esta etapa del diseño se realiza una evaluación financiera del sistema con el fin de 
evaluar la viabilidadde su implementación teniendo en cuenta costos de operación y 
mantenimiento y los ahorros obtenidos de no estar conectado a la red eléctrica y pagar una 
factura cada mes. Para esto, se hace la respectiva selección de los equipos y un presupuesto 
que permiten determinar la relación beneficio costo del sistema al igual que el tiempo de 
retorno mínimo de la inversión. En secciones posteriores se desarrolla en detalle el cálculo 
de la viabilidad del proyecto. 
 
6 VALIDACIÓN DEL TRABAJO 
 
La validación del trabajo se realiza a través del análisis de dos casos de estudio, los cuales 
difieren exclusivamente en la carga diaria que consume cada uno. Ambos casos evalúan una 
alternativa de implementación en Anapoima, Cundinamarca, en una casa de 120m2. Este 
lugar se seleccionó por tener un gran potencial para el desarrollo e inversión en este tipo 
de sistemas eléctricos autónomos o enfocados hacia el concepto NZEB. De acuerdo a esto, 
se encuentran parámetros importantes de análisis que permiten evaluar cada una de las 
opciones. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
23 
 
 
 
 
6.1 CASOS DE ESTUDIO #1: Casa en Anapoima de consumo alto 
 
Se presenta a continuación la aplicación de la metodología planteada para el 
dimensionamiento y evaluación económica del sistema eléctrico a implementar, el cual 
tiene un alto consumo de energía diario. 
6.1.1 Diseño Conceptual 
6.1.1.1 Lugar de implementación 
Como ya se mencionó, el lugar seleccionado como caso de estudio fue el municipio de 
Anapoima, Cundinamarca ya que es muy cercano a Bogotá, cuenta con condominios y 
diferentes sitios cuyos propietarios son potenciales inversores en autónomos que sean 
economizadores como los son los NZEB. Pero dentro de los parámetros más importantes, 
se encuentran elementos climatológicos favorables para el sistema como la temperatura 
que se encuentra en un rango de 22ºC a 28ºC y el brillo solar que varía de 1701 a 2100 horas 
sol/anuales en promedio, un valor que es considerable para este tipo de aplicaciones. Se 
consideró además el aprovechamiento del recurso eólico, pero las velocidades entre 1 y 
2m/s que se presentan en el lugar no son suficientes para generar la potencia requerida 
para el sistema eléctrico de un hogar [25]. 
 
Además, según [26] la generación eólica no es muy conveniente en lugares urbanos o con 
limitada velocidad del viento, pues la energía potencial en él también se reduce y el 
rendimiento del sistema eólico no será óptimo ni viable. 
 
6.1.1.2 Consumo energético 
Como se mencionó en la sección de la metodología de trabajo, la caracterización del 
consumo energético típico para una casa se basó en los datos de Codensa, Figura 5.3, y en 
el paso a paso para el cálculo del promedio. En la en la Figura 6.1, se observan los resultados 
del cálculo. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
24 
 
 
 
 
Figura 6.1 Consumo mensual típico en la casa del caso de estudio #1 
Para entender mejor el cálculo se muestra en la Tabla 6.1 la memoria de cálculo que llevó a 
la determinación del consumo de la casa de estudio. Tal y como se puede apreciar en la 
tabla, se seleccionó un rango de referencia con límite inferior determinado por el cálculo 
de consumo y el límite superior por un aumento del 15% al primero, esto con el objetivo de 
prever posibles aumentos en la demanda y la inclusión del diseño para casas con cargas de 
mayores consumos. Con lo anterior se encuentra que la casa del caso de estudio consume 
entre 212 y 243 kWh/mes. 
 
En cuanto al cálculo de horas al día se hizo una estimación del tiempo de uso de cada 
electrodoméstico, pero vale la pena hacer algunas aclaraciones al respecto: 
 Aunque la nevera está encendida las 24 horas del día cumple con unos ciclos de 
funcionamiento que hace que el tiempo durante el cual opera a su máxima potencia 
es de un tercio [27]. 
 Se asume que toda la iluminación está encendida durante 2h y durante 4h solo la 
mitad. 
 En el caso de los ventiladores de techo se asume que todos están encendidos 
durante 3h y durante otras 3h solo la mitad de ellos. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
25 
 
 
 
 
Por último, para conocer el rango de consumo diario de la casa solo basta con dividir los 
totales entre los 30 días que tiene un mes. De esta forma, el consumo promedio por día de 
la casa es de 7.05 a 8.11 kWh/día. Para el dimensionamiento del sistema se toma como 
referencia el peor de los casos de consumo, es decir, 8.11 kWh/día. 
 
6.1.1.3 Topología del sistema 
Para este caso, se siguiendo la recomendación de configuración del sistema autónomo 
fotovoltaico de la norma NFPA 70 [14], se muestra en la Figura 6.2 el esquema de conexión 
del sistema. Para este caso, se asume que la iluminación de la casa es AC, es decir con 
bombillos ahorradores. 
 
En las siguientes secciones se explica detalladamente el dimensionamiento de los 
elementos del sistema descrito en la Figura 6.2. 
 
Tabla 6.1 Consumo energético pasa el caso de estudio #1 
Consumo 
Electrodoméstico Diario Mensual 
Cant. kWh Horas/día kWh/día Días kWh/mes 
Cocina 
Nevera 1 0.25 8 2.0 30 60 
Lavadora 1 0.33 1 0.3 4 1.3 
Horno Microondas 1 0.80 0.5 0.4 30 12 
Sandwichera 1 1.20 0.1 0.1 15 1.8 
Licuadora 1 0.35 0.1 0.04 30 1.1 
Plancha 1 1.20 2 2.4 4 9.6 
Cuartos y estudio 
Televisor 2 0.11 4 0.9 30 26.4 
DVD 1 0.03 3 0.1 8 0.7 
Computador 2 0.10 2 0.4 30 12 
Impresora láser 1 0.11 0.04 0.004 20 0.1 
Teléfono inalámbrico 2 0.03 0.5 0.03 30 0.9 
Equipo de sonido 1 0.08 2 0.2 8 1.3 
Videojuegos 1 0.10 2 0.2 8 1.6 
Baños 
Secador de pelo 1 1.78 0.25 0.4 7 3.1 
Plancha de pelo 1 0.50 0.25 0.1 7 0.9 
Iluminación 
Bombillo ahorrador 14 0.02 4 1.3 30 38.4 
Ventiladores de techo 6 0.05 4.5 1.3 30 40.5 
Total 211.6 
Total + 15% 243.4 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
26 
 
 
 
 
Figura 6.2 Unifilar del sistema eléctrico - Caso de estudio #1 
 
6.1.2 Diseño Básico 
6.1.2.1 Banco de baterías 
6.1.2.1.1 Dimensionamiento de la carga 
En el IEEE Std 1013 [12], se plantea un método para calcular la carga del sistema. Sin 
embargo, este no se utiliza para el caso de estudio ya que se requieren datos técnicos de 
mucha especificidad por cada electrodoméstico. Sin embargo, teniendo en cuenta el cálculo 
de consumo del punto 5.1.2 se plantea otra forma de calcularlo. 
 
1. Calcular carga DC: para este caso la carga DC solo corresponde a la iluminación. Se 
debe seguir las siguientes fórmulas, en donde el 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙𝐷𝐶 se 
obtiene de 5.1.2 y 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
 corresponde al voltaje nominal del sistema 
seleccionado, es decir, 48V. 
 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐷𝐶[𝑊ℎ] =
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙𝐷𝐶
30 𝑑í𝑎𝑠
 
 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐷𝐶[𝐴ℎ] =
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐷𝐶[𝑊ℎ]
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
 
 
2. Carga AC al lado AC del inversor: se calcula a partir del consumo total mensual AC 
obtenido a partir de 5.1.2 y del 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
 que corresponde al voltaje nominal en 
el cual opera toda la carga AC, para este caso es igual a 120V. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
27 
 
 
 
 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶1[𝑊ℎ] =
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙𝐴𝐶
30 𝑑í𝑎𝑠
 
 
 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶1[𝐴ℎ] =
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶1[𝑊ℎ]
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
 
 
3. Carga AC lado DC del inversor: debido a la acción que tiene el inversor es importante 
calcular la carga AC al lado DC de este, pues de esta forma se puede conocer la carga 
total en el bus DC del circuito y así mismo se puede proceder a dimensionar el 
sistema. Para esto se emplean las siguientes fórmulas. 
 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶2[𝑊ℎ] = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶1[𝑊ℎ] ∗ (1+ 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑖𝑛𝑣) 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶2[𝐴ℎ] =
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝐴𝐶1[𝑊ℎ]
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
 
 
En donde 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑖𝑛𝑣 hacen referencia a (1 − 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑖𝑛𝑣) y el 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
 es 
igual que en el punto 1. La eficiencia, para este caso, se asume de 92% tal y como 
está en Anexo 10.7. 
 
Siguiendo estos pasos, se muestran los resultados obtenidos en la Tabla 6.2. Se debe tener 
en cuenta que se omite el paso 1, ya que este caso de estudio no cuenta con cargas DC. 
 
 
6.1.2.1.2 Tamaño, capacidad y tasa funcional por hora del banco 
Siguiendo el estándar, ver Anexo 10.2, se desarrolla el proceso paso a paso del cálculo de la 
capacidad y tasa funcional por hora y tamaño del banco de baterías, mientras que en la 
Tabla 6.3 se presentan los resultados correspondientes al dimensionamiento. Se debe tener 
en cuenta que el método que se emplea utiliza la carga en Ah como referencia, el cual fue 
calculado en el punto anterior. 
 
 
Tabla 6.2 Cálculo de la carga del sistema 
 Wh Ah 
Carga AC lado AC del inversor 8113.3 67.6 
Carga AC lado DC del inversor 8762.4 182.5 
Carga total en el bus DC 8762.4 182.5 
 
Tabla 6.3 Dimensionamiento del banco de baterías caso de estudio #1 
 Valor Calculado Unidad 
Capacidad 1183.8 Ah 
Tasa funcional por hora 194.1 Ah 
Número de celdas en serie (2.45V) 24 
Número de baterías de 12V en serie (6 celdas c/u) 4 
Número cadenas en paralelo 8 
Capacidad de baterías seleccionadas* 150 Ah 
Número total de baterías 
Capacidad final del banco de baterías 
32 
1200 
 
Ah 
*Valor de fabricante 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
28 
 
 
 
6.1.2.2 Sistema fotovoltaico 
Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico también se siguió el procedimiento 
sugerido, para este caso en el estándar IEEE Std 1562 [13]. En el Anexo 10.4, se presenta el 
desarrollo paso a paso la metodología de cálculo, siguiendo la estructura expuesta en la 
sección 5.2.2 de este documento y cuyos resultados se exponen a continuación en la Tabla 
6.4. 
 
6.1.2.3 Regulador de carga 
Siguiendo las fórmulas que se plantean en 5.2.3, se encuentran los resultados mostrados 
en la Tabla 6.5. Debido a que la corriente de entrada al regulador es considerable y no se 
encuentran reguladores de estas dimensiones en el mercado, deben utilizarse 2 reguladores 
en paralelo si se seleccionan reguladores de 60A como su corriente nominal. 
 
 
6.1.2.4 Inversor 
Como se mencionó en la sección 5.2.4, el dimensionamiento del inversor depende de la 
carga total del sistema, por lo que este inversor tendría que soportar una potencia de 
aproximadamente 10kW, si se asume que todas las cargas están encendidas al mismo 
tiempo, caso que no es realista. Por esta razón, se toma como referencia un caso de uso 
razonable de todos los equipos de la casa y, además, teniendo en cuenta que la potencia 
entregada por el sistema fotovoltaico es de alrededor de 4kW, calculado a partir de la 
corriente de entrada al regulador y el voltaje nominal del sistema. 
 
Tomando esto en consideración y sobredimensionando un 25%, el inversor debe tener una 
potencia nominal de 5kW con un voltaje de entrada DC de 48V. Dependiendo del inversor 
seleccionado y su potencia nominal, es posible que se tenga que usar una topología de dos 
inversores en paralelo para suplir la demanda. 
 
Tabla 6.4 Dimensionamiento del sistema fotovoltaico para el caso de estudio #2 
 Valor Calculado Unidad 
Potencia nominal del panel* 200 W 
Voltaje nominal del panel* 24 V 
Número de paneles en paralelo 12 
Número de paneles en serie 2 
Total paneles 24 
*Valores de fabricante 
Tabla 6.5 Dimensionamiento del regulador 
 Valor Unidad 
𝑰𝑨𝑪𝒅𝒆𝒎𝒂𝒏𝒅𝒂𝒅𝒂
 232.6 A 
𝑰𝑰𝑵 84.3 A 
𝑰𝑶𝑼𝑻 232.6 A 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
29 
 
 
 
6.1.3 Diseño Detallado 
6.1.3.1 Selección de equipos 
De acuerdo a los requerimientos técnicos del sistema y a la disponibilidad en el mercado 
local, se seleccionaron equipos que cumplieran con los requisitos suficientes para una 
operación óptima. Para lo cual, se encontró que Solutecnia S.A.S. [28], es una 
comercializadora local que se dedica al desarrollo e instalación de soluciones de energía 
eléctrica renovable, con un catálogo de productos variado. En el Anexo 10.7, se encuentran 
los detalles técnicos de los equipos seleccionados y distribuidos por esta empresa. 
6.1.3.2 Presupuesto 
Siguiendo las especificaciones técnicas del dimensionamiento de los diferentes equipos 
calculados y seleccionados para el sistema y los costos divulgados por Solutecnia S.A.S. [28], 
se muestra el presupuesto de implementación del sistema en la Tabla 6.6. En donde la 
instalación eléctrica y montaje corresponden a un 20% sobre el subtotal y que incluye 
cableados, bandejas y protecciones, entre otros y su instalación. 
 
6.1.3.3 Análisis financiero 
Con el fin de determinar la viabilidad económica de este sistema eléctrico se utiliza una tasa 
de descuento del 10%, valor comúnmente utilizado en proyectos eléctricos [29] [30]. 
Además se toman en cuenta los costos de operación y mantenimiento (O&M) que 
corresponden a un 0.5% [31] del costo total de la implementación. Y finalmente, otro 
aspecto que se debe tener en cuenta es el costo correspondiente al reemplazo del banco 
de baterías una vez su vida útil finalice; de acuerdo a esto, se asume que el propietario del 
sistema deberá ahorrar anualmente alrededor de $2.000.000 de pesos para que cada 10 
años tenga el capital suficiente para el reemplazo. 
 
Antes de evaluar el sistema a 20 años, se calcula el ahorro anual que tendría el propietario 
por el costo de la energía, que de acuerdo a [32], el precio por kWh en Anapoima está en 
Tabla 6.6 Presupuesto para el sistema eléctrico del caso de estudio #1 
Ítem Cantidad Precio Unidad (COP) Precio total (COP) 
Paneles 24 $ 570,000.00 $ 13,680,000.00 
Baterías 32 $ 623,000.00 $ 19,936,000.00 
Controlador 2 $ 580,950.00 $ 1,161,900.00 
Inversor 2 $ 2,413,700.00 $ 4,827,400.00 
Subtotal $ 39,605,300.00 
Instalación eléctrica y montaje $ 7,921,060.00 
Total $ 47,526,360.00 
Nota: los precios incluyen el IVA. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
30 
 
 
 
COP$442.8. Asumiendo que este valor permanece constante el precio anual de energía en 
el caso de estudio es de: 
 
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = $𝑘𝑊ℎ ∗ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙/𝑚𝑒𝑠 ∗ 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 
 
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [
$𝑘𝑊ℎ
𝑎ñ𝑜
] = 𝐶𝑂𝑃 $1.293.330.24 
 
A partir de estos datos se puede calcular el Valor Presente Neto (VPN) del proyecto con el 
fin de evaluar su rentabilidad. Aunque en el Anexo 10.8 la memoria de cálculo detallada, a 
simple vista se puede ver que el proyecto no es viable económicamente pues anualmente 
solo se tienen ingresos de aproximadamente COP$1.300.000, mientras que los costos de 
O&M y del reemplazo de las baterías suman COP$2.232.000, lo cual se traduce a un VPN 
negativo de COP$50.500.000 para los 20 años. En resumen, el proyecto no es viable ni 
rentable económicamente. 
 
6.2 CASO DE ESTUDIO #2: Casa en Anapoima de consumo moderado 
 
Siguiendo la misma metodología que el Caso de Estudio #1, se calcula en consumo y se 
dimensiona el sistema con el fin de conocer la incidencia que tienen las tecnologías de los 
electrodomésticos en el consumo energético y así mismo en el dimensionamiento y costeo 
del sistema de generación autónomo. 
 
Teniendo en cuenta que el cambio que se implementa no afecta los parámetros 
determinados por la locación seleccionada quedan implícitas en este caso de estudio, 
aunque debe quedar claro que para este caso sí hay cargas DC. Por este motivo solo se 
muestran de manera explícita los resultados de los cálculos.Las memorias de cálculo se 
presentan en los Anexos. 
 
6.2.1 Diseño Conceptual 
6.2.1.1 Consumo energético 
De la misma forma en la que se calculó el consumo energético del caso de estudio #1, 
también se hizo para este. Lo que se debe tener en cuenta en este caso es que se buscaron 
electrodomésticos de un menor consumo, que permitieron reducir el consumo a un rango 
entre 4.95 y 5.7 kWh/día. En caso de querer consultar el procedimiento que se siguió para 
calcularlo, remitirse al Anexo 10.6, mientras que en la Figura 6.3 se resume el consumo 
mensual típico para este caso de estudio. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
31 
 
 
 
 
Figura 6.3 Consumo mensual típico en la casa del caso de estudio #2 
6.2.2 Topología 
Para este caso, sí se incluye una segunda rama en el bus DC para alimentar las cargas DC 
que existen en el diseño del sistema, las cuales están relacionadas principalmente con la 
iluminación de la casa. En la Figura 6.4 se encuentra el modelo del sistema. 
 
 
Figura 6.4 Unifilar sistema eléctrico - Caso de estudio #2 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
32 
 
 
 
Tal y como se puede observar, este sistema difiere un poco de su homólogo en el primer 
caso debido a que el dimensionamiento del sistema, expuesto en las siguientes secciones, 
da como resultado un sistema más pequeño pero con la inclusión de circuitos DC dentro de 
la casa para la iluminación. 
6.2.3 Diseño Básico 
Siguiendo la metodología expuesta en la sección 5, se presentan en la Tabla 6.7 los 
resultados obtenidos para el dimensionamiento del banco de baterías, sistema fotovoltaico, 
regulador de carga e inversor. De ser necesario, consultar los Anexos 10.3 y 10.5 en donde 
se desarrolla paso a paso el cálculo de éstos. 
 
6.2.4 Diseño Detallado 
6.2.4.1 Selección de equipos 
A diferencia del primer caso de estudio, como se puede ver en la Tabla 6.7, los 
requerimientos y demanda de potencia y corriente son considerablemente menores por lo 
que para este caso solo es necesario un regulador y un inversor para soportar el consumo 
de la casa. En el Anexo 10.7 están en detalle las especificaciones técnicas de cada equipo. 
Tabla 6.7 Resultados del diseño básico para el caso de estudio #2 
 Características Valor calculado Unidad 
Características del sistema 
Voltaje Nominal del sistema 48 V 
Días de autonomía 1 día 
Consumo diario 5.7 kWh/día 
Banco de baterías 
Dimensionamiento de la carga 129.8 Ah 
Capacidad calculada 746.4 Ah 
Rango funcional por hora 122.4 h 
Capacidad nominal batería 150 Ah 
Voltaje nominal batería 12 V 
Baterías en serie 4 
Cadenas en paralelo 5 
Capacidad final 750 
Sistema fotovoltaico 
Potencia nominal del panel 200 W 
Voltaje Nominal del panel 24 V 
Paneles en paralelo 8 
Paneles en serie 2 
Total paneles 16 
Regulador 
Corriente Entrada 56.2 A 
Corriente Salida 120.7 A 
Inversor 
Voltaje entrada DC 48 V 
Potencia nominal 2697.6 W 
Conversor DC-DC 
Voltaje de entrada 30 – 60 V 
Voltaje de salida 24 V 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
33 
 
 
 
6.2.4.2 Presupuesto 
Para el presupuesto de este caso de estudio, permanecen todas las suposiciones del primer 
caso y se aplican las correcciones de precios para los equipos que se modificaron. En la Tabla 
6.8 se muestra el costo total en pesos colombianos de todo el sistema de acuerdo a los 
equipos distribuidos por Solutecnia S.A.S. [28]. 
6.2.4.3 Análisis financiero 
Para este caso, se calcula el costo anual de la energía en COP $ 908.625 y aplicando la misma 
tasa de descuento del 10%, porcentaje del 0.5% en O&M para un periodo también de 20 
años se encuentra que el VPN, aunque menor que en el primer caso, es de COP -
$38.300.000. Lo que lleva a descartar la viabilidad del proyecto a nivel económico. La 
memoria de cálculo se encuentra en el Anexo 10.9. 
 
7 DISCUSIÓN 
 
El proyecto de grado inició con una revisión amplia del estado del arte de los NZEB para 
conocer los avances en el área, el grado de penetración de este tipo de proyectos en 
diferentes partes del mundo y su panorama en los próximos años. Adicionalmente, se 
consultó sobre el potencial energético del país respecto a las diferentes fuentes de energía 
renovable con el fin de identificar aquellas con mejores perspectivas de implementación en 
el caso Colombiano, de lo cual resultó la selección de la energía solar como fuente de 
alimentación del sistema de generación autónomo. Con base en esto, se planteó una 
metodología que incluye el diagnóstico de consumo energético, dimensionamiento del 
sistema de generación, control y almacenamiento de energía y un análisis financiero, con el 
fin de evaluar la viabilidad de la implementación de este tipo de proyectos en Colombia. 
 
Dentro de la búsqueda del método más apropiado para el dimensionamiento de los 
sistemas previamente nombrados, se encontró con metodologías limitadas que no incluían 
u omitían parámetros importantes de diseño y que, por tanto, no pueden ser generalizadas 
Tabla 6.8 Presupuesto para el sistema eléctrico del caso de estudio #2 
Ítem Cantidad Precio Unidad (COP) Precio total (COP) 
Paneles 16 $ 570,000.00 $ 9,120,000.00 
Baterías 20 $ 623,000.00 $ 12,460,000.00 
Controlador 1 $ 674,850.00 $ 674,850.00 
Inversor 1 $ 2,413,700.00 $ 2,413,700.00 
Conversor DC-DC 1 $ 500,000.00 $ 500,000.00 
Subtotal $ 25,168,550.00 
Instalación eléctrica y montaje $ 5,033,710.00 
Total $ 30,202,260.00 
Nota: los precios incluyen el IVA. 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
34 
 
 
 
a todos los casos. Sin embargo, dentro de los estándares IEEE se identificaron dos que se 
tomaron como guía para el dimensionamiento de los sistemas: el IEEE Std 1013 – 2007 
Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stand-Alone Photovoltaic (PV) 
Systems y el IEEE Std 1562 – 2007 Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone 
Photovoltaic (PV) Systems. Y a partir de este punto, se inició la etapa de diseño del sistema. 
 
La primera fase involucró el diagnóstico de consumo ya que es un parámetro de entrada 
fundamental en la metodología de dimensionamiento tanto del sistema de generación 
autónomo como del de almacenamiento. A diferencia del estándar, se calculó a partir del 
consumo diario en kWh, debido a la limitada información de consumo de los 
electrodomésticos en cuanto a parámetros técnicos muy específicos para cada referencia. 
Sin embargo, se considera el método empleado como una buena aproximación del 
diagnóstico. 
 
Una vez caracterizada la carga de la casa dentro del rango de consumo calculado, se 
implementó la metodología basada en las recomendaciones de los estándares de la IEEE. 
Inicialmente se planteó un solo caso de estudio para evaluar la metodología; sin embargo, 
al dimensionar el sistema para la carga de 8.11kWh/día se determinó que era necesario 
bajar el consumo para que el tamaño del sistema fuera menor y así mismo más fácil de 
implementar y de financiar. Con esto mente, se identificaron dos puntos clave para 
disminuir el consumo: la acogida de nuevas patrones de consumo en la casa y/o el cambio 
de electrodomésticos a unos más eficientes; razón por la cual se evaluó un segundo caso de 
estudio de menor consumo, 5.7kWh/día. 
 
A partir de los sistemas diseñados se entró a evaluar la viabilidad financiera de los 
proyectos, pues es un parámetro fundamental a la hora de medir su potencial de difusión, 
para este caso, en Colombia. No obstante, los resultados obtenidos no son muy 
favorecedores; con una inversión anual mucho mayor al ahorro que obtiene el usuario por 
no estar conectado a la red eléctrica, este tipo de proyectos nosolo no son rentables a 
menos que se generen incentivos por parte del gobierno que permitan contrarrestar los 
costos de O&M anuales o el costo de la inversión inicial. Así como lo hacen países como 
Alemania y Estados Unidos. Por ejemplo, en el primer caso dependiendo de la capacidad de 
generación nominal de la edificación se da al usuario un incentivo de ct.11.02/kWh a 
ct.15.92/kWh. Y, en el segundo caso, se dan subsidios de USD ct.1.1/kWh a ct.2.3/kWh, 
entre otros [33]. 
 
En cuanto a los objetivos propuestos en el proyecto se considera que fueron alcanzados en 
la medida en que se realizó una búsqueda completa del estado del arte de este tipo de 
construcciones, se hizo un diagnóstico del consumo energético de una casa en Colombia 
para así identificar parámetros de cambios para tener casas mucho más eficientes y 
dimensionar un sistema de generación autónomo basado en el concepto de Energía Neta 
Cero y finalmente evaluar el potencial de difusión y la viabilidad financiera de este tipo de 
proyectos en un país como Colombia. 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
35 
 
 
 
8 CONCLUSIONES 
 
En este trabajo se presentó y desarrolló una metodología para el diseño y 
dimensionamiento de un sistema eléctrico autónomo basado en el concepto de Energía 
Neta Cero o NZEB, enfocado principalmente a la parte eléctrica, y en el aprovechamiento 
del recurso solar. Para lo anterior, se tomó como caso de estudio una casa en Anapoima, 
Cundinamarca para la que se dimensionaron dos sistemas de generación de diferente 
tamaño correspondientes a un consumo energético alto y moderado de energía, este 
último obtenido a partir de la selección de electrodomésticos más eficientes y pensando en 
nuevas políticas de ahorro de energía. 
 
Se identificó la necesidad de modificar la cultura de consumo energético actual para la 
implementación de un sistema de eléctrico a partir de energías renovables, pues las 
limitantes tecnológicas de los equipos no permiten aprovechar al 100% el potencial de estas 
energías y así mismo suplir el 100% de consumo energético de un usuario como el de los 
casos de estudio, dentro de un diseño que sea sostenible, viable y realizable. 
 
A nivel técnico, aunque hay disponibilidad de equipos para suplir los requerimientos de un 
sistema fotovoltaico pequeño, son notorias las limitaciones al querer implementar un 
sistema de mayor tamaño no solo por los valores nominales de operación de los equipos 
sino también por los altos costos de adquisición e implementación, al menos en el caso 
Colombiano. 
 
A nivel económico, es importante resaltar que es necesario un incentivo económico por 
parte del gobierno, como se hace en Alemania, Estados Unidos y otros países del mundo, 
para lograr que este tipo de proyectos sean viables en el país, ya que el costo de O&M 
resulta ser considerablemente mayor al ahorro que se obtiene de no ser un usuario 
conectado a la red eléctrica. Este incentivo debería cubrir el porcentaje de los costos de 
mantenimiento y operación mencionados o contribuir considerablemente en la 
disminución de la inversión inicial a través de la reducción de los precios de los equipos y 
otras medidas políticas y económicas que puedan aplicarse para el caso. 
 
 
 
 
 
 
 
Diseño de un sistema eléctrico para una edificación residencial basado en las 
tendencias de Energía Neta Cero 
36 
 
 
 
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