¿Cómo optimizamos los sistemas de climatización para que respondan al uso real, ahorren energía y proporcionen un ambiente saludable y confortable para los ocupantes del edificio?
Energía en los edificios
El ahorro energético es uno de los temas más importantes para muchas empresas del sector de la construcción. Dado que los sistemas de climatización (HVAC) representan una parte considerable del consumo energético de un edificio a lo largo de su vida útil, la tecnología especificada y utilizada en los edificios debe estar a la vanguardia en materia de ahorro energético. Los productos para ventilación, calefacción y refrigeración son cada vez más eficientes, impulsados por la legislación y el desarrollo de nuevas tecnologías en sus componentes. Sin embargo, al tiempo que se avanza hacia nuevas tecnologías eficientes, es fundamental garantizar que la tecnología existente se utilice de la manera más inteligente y eficiente.
Por lo general, los sistemas de climatización (HVAC) se diseñan para el uso más desfavorable del edificio. Los sistemas de refrigeración están diseñados para las temperaturas máximas del verano y la luz solar intensa; los sistemas de calefacción, para los días más fríos del año; y los sistemas de ventilación, para los niveles máximos de ocupación. Esto es ideal para diseñar edificios resilientes, preparados para cualquier condición climática. Pero, ¿se utilizan realmente de esta manera?
Los sistemas diseñados para cargas máximas rara vez se utilizarán a estos niveles de diseño, si es que alguna vez lo hacen. Durante la mayor parte de su vida útil, operarán a una fracción de la carga de diseño. Esta disparidad entre las cargas máximas de diseño y las cargas operativas reales es muy grande y, como veremos, no hace más que aumentar.
La brecha de rendimiento actual y futura
Dos factores provocarán que la diferencia entre los puntos máximos de diseño y de funcionamiento se vuelva aún más extrema.
Actualmente, los edificios se utilizan de forma más flexible, sobre todo las oficinas y los locales comerciales, ya que ofrecen a las empresas y a los empleados la posibilidad de trabajar de forma flexible. Un sistema de ventilación y refrigeración de un edificio de oficinas diseñado para una ocupación total en 2020 difícilmente tendrá la misma ocupación en 2023 o años posteriores.
El calentamiento global ya está influyendo en los fenómenos meteorológicos extremos, e incluso con cambios sustanciales en los factores que contribuyen a ellos, se prevé un aumento de estos fenómenos en el futuro. Es probable que Europa se enfrente a veranos más calurosos y secos. Esto, sumado al efecto isla de calor urbana, que agrava las temperaturas estivales con altas temperaturas en las zonas donde se ubican numerosos edificios de oficinas y comerciales, así como a la necesidad de diseñar medidas de mitigación del calor a nivel urbano y de calle, probablemente implicará que las cargas máximas para las que se diseñan los sistemas de los edificios estén aún más alejadas de su funcionamiento diario.
Los diseñadores de edificios deben integrar la nueva forma de usar los edificios, así como los riesgos futuros de clima extremo, en el diseño actual de los edificios, ya sea en la etapa de desarrollo o de renovación.
Encontrar las eficiencias en la brecha de rendimiento
Cuando un sistema de climatización funciona a carga parcial, suele ser más eficiente. Las unidades de tratamiento de aire (UTA) que funcionan a la mitad de la velocidad del ventilador consumen menos de una cuarta parte de la energía de entrada. Una enfriadora o bomba de calor que funciona a carga parcial aprovecha al máximo su intercambiador de calor para lograr una mayor eficiencia. Sin embargo, ¿es esto lo que ofrece la tecnología actual?
Si podemos controlar nuestras UTA para que solo proporcionen la cantidad de aire que necesitan los ocupantes del edificio, mediante el uso de ventilación controlada por demanda (VCD), las baterías de refrigeración y calefacción, dimensionadas para su plena capacidad, pueden controlar la temperatura del aire fresco utilizando mucha menos energía.
Las baterías dentro de los fan-coils o vigas frías que dan servicio a los espacios interiores tampoco necesitan funcionar a plena carga, ya que estas unidades generalmente se seleccionan para una ocupación total y en condiciones máximas de verano o invierno.
Luego, debemos tomar una decisión con respecto a las baterías que no requieren plena capacidad. La solución tradicional sería reducir el caudal del líquido refrigerante o calefactor mediante una válvula. Este método es sencillo de control local y es estándar en casi todos los sistemas. Sin embargo, si mejoramos la conexión entre la enfriadora/bomba de calor y la batería, podemos, además, optimizar la temperatura del líquido que la alimenta. Una batería de refrigeración diseñada para usar agua a 6 grados Celsius al 100% de su capacidad no necesita esa temperatura al 50% de su capacidad.
El motivo para modificar la temperatura del agua que circula por las serpentinas es aumentar la eficiencia del enfriador/bomba de calor. Incrementar la temperatura del agua que sale de un enfriador en un grado aumenta su eficiencia en aproximadamente un 3 %. Operar una bomba de calor un grado más fría incrementa su eficiencia en una proporción similar.
Así pues, al analizar la demanda de las baterías que controlan el confort en las estancias, ya sea en la UTA o en el espacio exterior, se puede comprobar que funcionan a una temperatura de agua óptima la mayor parte del tiempo. De hecho, cálculos recientes de UTA conectadas a bombas de calor demuestran que las temperaturas del agua pueden optimizarse durante más del 95 % del tiempo de funcionamiento, ahorrando más del 20 % de energía de refrigeración y más del 30 % de energía de calefacción. Esto se consigue simplemente gestionando el sistema de forma más inteligente.
Este tipo de control de capacidad sigue proporcionando una gran comodidad en la habitación, además de beneficios energéticos, reduciendo las fluctuaciones de temperatura y las corrientes de aire, cuando se controla adecuadamente.
Refrigeración pasiva y gratuita
Si disponemos de refrigeración gratuita en la enfriadora, la optimización de la temperatura del agua tiene un impacto aún mayor en la eficiencia. La refrigeración gratuita se produce cuando el circuito de agua de refrigeración se enfría directamente con el aire exterior, en lugar de utilizar el circuito de refrigeración DX de la enfriadora. Normalmente, se dispone de cierta refrigeración gratuita cuando la temperatura ambiente es un grado Celsius inferior a la temperatura del agua de retorno. La cantidad de refrigeración gratuita aumenta a medida que aumenta la diferencia entre la temperatura ambiente y la del agua, hasta que la enfriadora puede proporcionar toda la refrigeración necesaria utilizando esta función. Por cada grado que aumentamos la temperatura del agua de refrigeración, el número de horas en las que podemos obtener refrigeración gratuita aumenta considerablemente, lo que supone un gran ahorro de energía.
También podemos aprovechar el enfriamiento natural del subsuelo al usar una bomba de calor/enfriadora geotérmica. Los sistemas geotérmicos captan el calor de baja temperatura del subsuelo mediante un circuito de fluidos y lo multiplican con una bomba de calor para generar una calefacción eficaz y eficiente para nuestros espacios. Muchas bombas de calor también pueden funcionar en modo de refrigeración, proporcionando un enfriamiento eficiente al disipar el calor hacia el subsuelo a través del circuito de fluidos. Este tipo de sistema es ideal para la refrigeración pasiva en situaciones de carga parcial, ya que prescindir de la bomba de calor y enfriar el sistema directamente con la temperatura más baja del subsuelo es una forma extremadamente eficiente de refrigeración. Al igual que con la refrigeración gratuita, optimizar las temperaturas del agua en funcionamiento a carga parcial permite que el sistema funcione en modo de refrigeración pasiva durante el mayor tiempo posible, ahorrando así la mayor cantidad de energía.
Control e inteligencia
Para lograrlo, necesitamos un sistema de control capaz de reconocer la carga requerida en las baterías y utilizar esta información para optimizar las temperaturas de las enfriadoras/bombas de calor. Es necesario que las enfriadoras, bombas de calor, unidades de tratamiento de aire y unidades de climatización incorporen inteligencia artificial. Es fundamental comprender las limitaciones de cada producto, así como sus límites de funcionamiento y saber cuándo no optimizar. Además, un sistema de control de nivel superior debe comunicarse eficazmente entre todos los componentes. Por lo demás, el ahorro energético se consigue utilizando los componentes habituales del sistema, sin invertir en equipos más eficientes, sino gestionando de forma más inteligente los recursos existentes.
Ya sea que trabajemos con sistemas ya instalados en un proyecto de renovación o con un nuevo desarrollo que utilice productos nuevos, eficientes y de vanguardia, los principios de ahorro de energía en funcionamiento a carga parcial siguen siendo una forma eficaz y sostenible de reducir los costos operativos.
Fecha de publicación: 26 de abril de 2023
