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TAREB Integración con los servicios del edifico 1 Sistemas de calefacción y refrigeración 1.1 Sistemas convencionales de climatización 1.1.1 Introducción Cuando después de haber puesto en práctica todos los sistemas pasivos an- teriormente citados aún sean necesarios sistemas de calefacción o refrigera- ción auxiliares, hay que hacerse las siguientes preguntas: ¿Cuál es el mejor sistema para este edificio? ¿Cuál es la potencia adecuada para este sistema? ¿Qué fuentes de energía y qué otras medidas pueden ponerse en práctica para reducir los costes globales así como las necesidades de energía primaria? La respuesta a la primera pregunta no es fácil ni única. A menudo hay más de una solución correcta para cada caso. Los principales temas a considerar serán, entre otros, los siguientes: Nivel de control exigido (número de zonas); Demanda de calefacción, refrigeración, calefacción y refrigeración, control de humedad, pureza del aire, etc.; Patrón de ocupación (densidad, secuencia, intensidad de las cargas in- ternas, etc.); Tipo de uso (continuo o intermitente) en relación con la inercia del edifi- cio, para valorar el tipo de respuesta que deberá dar el sistema; Sistemas de distribución por agua o por aire; Sistemas de cesión al ambiente por radiación o por convección, sea por razones estéticas o energéticas. Requisitos espaciales y su integración con la arquitectura; Coste. Las razones técnicas reducirán el abanico de posibilidades pero, finalmente, la experiencia jugará un papel importante a la hora de escoger la mejor opción o, al menos, una solución aceptable entre las alternativas posibles. Una vez tomada esta primera decisión hay que plantearse las dos siguientes de la lista: el dimensionado correcto del sistema y las posibles alternativas para conseguir una mayor eficiencia energética. Estos serán los dos grandes temas a desarrol- lar a continuación, ya que juegan un importante papel independientemente del sistema que se escoja. A pesar de que hay buenas alternativas ampliamente aplicadas para mejorar la eficiencia de los sistemas de calefacción, como por ejemplo las calderas de condensación, recuperadores de calor, etc, el punto crítico se centra en los sis- Capítulo 1 Arquitectura de bajo consumo energético 1

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1 Sistemas de calefacción y refrigeración

1.1 Sistemas convencionales de climatización

1.1.1 Introducción

Cuando después de haber puesto en práctica todos los sistemas pasivos an­teriormente citados aún sean necesarios sistemas de calefacción o refrigera­ción auxiliares, hay que hacerse las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es el mejor sistema para este edificio?• ¿Cuál es la potencia adecuada para este sistema?• ¿Qué fuentes de energía y qué otras medidas pueden ponerse en práctica

para reducir los costes globales así como las necesidades de energía primaria?

La respuesta a la primera pregunta no es fácil ni única. A menudo hay más de una solución correcta para cada caso. Los principales temas a considerar serán, entre otros, los siguientes:

• Nivel de control exigido (número de zonas);• Demanda de calefacción, refrigeración, calefacción y refrigeración, control

de humedad, pureza del aire, etc.;• Patrón de ocupación (densidad, secuencia, intensidad de las cargas in­

ternas, etc.);• Tipo de uso (continuo o intermitente) en relación con la inercia del edifi ­

cio, para valorar el tipo de respuesta que deberá dar el sistema; • Sistemas de distribución por agua o por aire;• Sistemas de cesión al ambiente por radiación o por convección, sea por

razones estéticas o energéticas.• Requisitos espaciales y su integración con la arquitectura;• Coste.

Las razones técnicas reducirán el abanico de posibilidades pero, finalmente, la experiencia jugará un papel importante a la hora de escoger la mejor opción o, al menos, una solución aceptable entre las alternativas posibles. Una vez tomada esta primera decisión hay que plantearse las dos siguientes de la lista: el dimensionado correcto del sistema y las posibles alternativas para conseguir una mayor eficiencia energética. Estos serán los dos grandes temas a desarrol ­lar a continuación, ya que juegan un importante papel independientemente del sistema que se escoja.

A pesar de que hay buenas alternativas ampliamente aplicadas para mejorar la eficiencia de los sistemas de calefacción, como por ejemplo las calderas de condensación, recuperadores de calor, etc, el punto crítico se centra en los sis­

Capítulo 1 Arquitectura de bajo consumo energético

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temas de refrigeración y por ello nos centraremos más en los sistemas de aire acondicionado. De todas formas, la mayoría de principios y conceptos utiliza ­dos, como el rendimiento del sistema (COP), el uso de fuentes y sumideros naturales de energía, etc., pueden aplicarse totalmente a los sistemas de cale­facción.

1.1.2 Eficiencia energética en los sistemas de aire acondicionado

1.1.2.1 Reducción de la carga térmica, de aire acondicionado

Hay que intentar dimensionar correctamente los sistemas de climatización ( HVAC) para reducir al máximo la carga energética y el coste del mismo. Esto se hará tanto en téminos de cargas punta (potencia instalada) como de cargas estacionales (consumo energético). Las acciones para reducir los intercambios energéticos a través de la piel del edifico ya se han comentado anteriormente.

De todos los factores que contribuyen a aumentar la carga de refrigeración, a través de la piel, el más crítico es la radiación solar, sin lugar a dudas. Si la ra­diación es muy alta, puede llegar a ser la mayor de las ganancias a través de la piel. Acristalamientos sin protección solar o con una protección deficiente pueden generar cargas de calor que ningún sistema de aire acondicionado puede resolver satisfactoriamente, especialmente en volumenes pequeños.

En cambio, en invierno la radiación solar puede ayudar a reducir la carga de calefacción necesaria. Por ello, en climas fríos es habitual la solución de disponer grandes fachadas acristaladas orientadas a Sur. Pero en los dias cálidos y soleados, incluso en invierno, estas ganancias solares pueden crear un problema importante, sobretodo en edificios no residenciales, donde las cargas internas son muy altas. Por ello, incluso en climas fríos hay que pensar en las protecciones solares ya que si no se corre el riesgo de aumentar la de­manda de aire acondicionado. Esto también tiene una gran importancia en cli ­mas cálidos, pero la arquitectura de estas latitudes tradicionalmente ya tiende a tener una mayor protección contra la radiación solar.

También se puede reducir la demanda punta si se utilizan sistemas construct ­ivos con materiales pesados. La masa introduce un factor de retardo en la con­ducción del calor a traves de la piel y también un cierto retardo en la cesión de calor recibido por la radiadión solar o los aportes internos hacia el aire interior, de forma que al cederlo en horas donde ya no se recibe la radiación directa, el resultado que se obtiene es una curva de cargas con menor oscilación, tal y como puede observarse en la fig.1.

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Fig. 1 - Temperatura interior media según la inercia interior del espacio.

Los aportes internos también pueden ser un factor decisivo a la hora de di ­mensionar los sistemas de refrigeración. Usar electrodomésticos con etiqueta de eficiencia energética A y otros aparatos con certificados voluntarios como la estrella energética, pueden reducir la carga interna y como resultado la carga total. También es importante utilizar alumbrado artificial de bajo consumo ya que el calor que desprenden las lámparas contribuye a aumentar la carga de refrigeración. Hay que favorecer la iluminación natural, especialmente en edifi ­cios no residenciales, donde la carga de aire acondicionado es muy alta.

Estos tres principios generales (protección contra la radiación solar, inercia y control de los aportes internos) nunca deben menospreciarse al diseñar sis­temas de refrigeración, y deben de tenerse en cuenta desde el inicio del pro­ceso de diseño del edificio, tanto por arquitectos como ingenieros. Además, cuando los equipos de climatización son relativamente pequeños, hay que pro ­curar que trabajen cerca de las condiciones de carga punta siempre que sea posible para asegurar una mayor eficiencia del sistema. Todos estos efectos juntos pueden contribuir a un ahorro importante a lo largo de la vida del sis­tema.

1.1.2.2 Dimensionado y componentes de los sistemas

Una vez aplicadas las medidas “pasivas” citadas para reducir el tamaño, y en algunos casos elimirar el sistema de climatización, en el caso en que sea ne­cesario el siguiente paso consistirá en encontrar un sistema energética y econ­ómicamente eficiente. En los apartados siguientes se tratarán distintos sistem­

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as, pero hay un tema que concierne a todos y cada uno de ellos y del que se hablará primero: el sobredimensionado.

Como norma general y para evitar incertidumbres y sorpresas, los instaladores tienen tendencia a sobredimensionar la potencia instalada de los sistemas de climatización (HVAC) para asegurarse de que siempre podrán cubrir la de­manda máxima. Esto lleva inevitablemente a una disminución de la eficiencia media del sistema en la época de refrigeración, ya que la maquinaria funcion ­ará de modo parcial. En la Fig.2 Se puede observar la típica distribución horaria de la carga de refrigeración de un edificio. Se ve claramente que el sistema funcionará unas cuantas horas al año cerca de la potencia nominal del equipo y más del 50% del tiempo estará trabajando por debajo del 25% de la potencia nominal. Si además la potencia instalada esta muy por encima de la potencia nominal, el resultado es que el sistema siempre estará trabajando por debajo, y gran parte del tiempo muy por debajo de su capacidad, reduciendose así de forma considerable su rendimiento medio de funcionamiento.

Hay que contrarestar esta tendencia al sobredimensionado con métodos de cálculo de cargas que limiten las opciones y responsabilidades de los calculis ­tas, y también con normativas que limiten los valores de sobredimensionado permitidos. Sino, las reducciones conseguidas con correctos y precisos diseños arquitectónicos pueden desperdiciarse parcial o totalmente por culpa de unos sistemas de climatización mal dimensionados.

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Fig. 2 - Típica distribución horaria de cargas de refrigeración en un edificio.

25% 25% loadload

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Cada edifico es un sistema térmico complejo. Una simulación en condiciones de régimen libre puede describir de forma razonable su comportamiento. Para dimensionar un sistema de climatización capaz de cubrir todas las demandas y no desperdiciar recursos hay que conocer bien el funcionamiento del edificio y todas sus interacciones. Mediante una simulación dinámica pueden conocerse las temperaturas interiores, las demandas de calefacción y refrigeración, las demandas de energía y la calidad del aire interior, incluso en el caso de edifi ­cios complejos. Hay software amplio y adecuado, como ESP-r, DOE, ENERGY+, HVASCSIM, TRNSYS, IDA, etc., para hacer estas simulaciones. Los métodos tradicionales basados en condiciones casi estables o valores tipo, muy usados por los instaladores en su rutina diaria, llevan inevitablemente a un sobredi ­mensionado significativo.

1.1.2.3 Rendimiento del equipamiento

Cada componente del sistema deben ser tan eficientes como sea posible, den­tro de unos costos razonables. Cada pérdida de rendimiento lleva a un aumento del consumo de energía necesaria para producir el mismo efecto fi ­nal.

Las bombas y ventiladores representan una parte nada despreciable del con­sumo total de todo el sistema de climatización. Los diseñadores prestan poca atención al rendimiento de estos componentes y no acostumbran a especificar­los correctamente en el pliego de condiciones. Como resultado de ello el coste inicial de inversión se convierte en el principal criterio de selección el lugar de dar importancia al coste óptimo a lo largo del ciclo de vida.

Puede producirse la misma cantidad de energía de refrigeración con diferentes cantidades de energía primaria. El Coeficiente de Rendimiento (COP) de las má­quinas de refrigeración tienen un amplio rango de variación, dependiendo de la calidad de fabricación y del tipo de ciclo de refrigeración (po ejemplo com­presión de vapor en uno o varios rangos o ciclos de absorción con distintas mezclas de refrigerantes). Además, incluso los ciclos de absorción con un bajo Coeficiente de Rendimiento (COP), pueden consumir menos energía primaria si el calor viene de una fuente de baja calidad energética. Contrariamente, la compresión necesaria para el otro tipo de ciclo acostumbra a tener un rendimi ­ento muy bajo.

El COP nominal se basa en los períodos de funcionamiento a régimen. Mientras que los valors durante la puesta en funcionamiento y apagado, cuando el equipo no trabaja a pleno rendimiento, acostumbran a ser mucho más bajos. Por ello, es importante maximizar el COP medio estacional de los equipos de refrigeración intentando reducir los períodos en que trabaja a régimen parcial. Para hacerlo se pueden adoptar un par de medidas relativamente sencillas y efectivas:

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• La presencia de depósitos de acumulación de hielo o agua fría pueden reducir la potencia de los equipos de refrigeración, al preveer un sistema de almacenamiento que permite suministrar el frío necesario durante las puntas de demanda, obtenido con energía consumida durante los períodos con bajas demandas. Los inconvenientes de este sistema son la dimensión y el precio de estos depósitos de almacenamiento. Una solución de compromiso puede ser un depósito más pequeño que actúe como amortiguador, suplementando la potencia media a base de enfriar directamente este depósito con el sistema de refrigeración. Esta opción tiene sentido cuando estas puntas de potencia esten lo suficientemente separadas en el tiempo para garantizar un alto COP, ya que en caso contrario la potencia instalada sería la misma que sin acumulación.

• La potencia total de refrigeración puede escalonarse dividirse en dos ran­gos, de forma que solo se ponga en funcionamiento uno en estos largos períodos, que además funcionaría con un buen COP.

El ahorro económico que comportan estas medidas aumentan con el tamaño (potencia), con lo cual cuanto mejor sea el diseño arquitectónico menor será su uso potencial, como siempre debería ser. Si la demanda total es menor hay menos ahorro en el consumo para compensar el coste de la inversión y por lo tanto los tiempos de retorno son más largos. Una consecuencia importante de un diseño arquitectónico energéticamente eficiente es la simplificación de la mayoría de sistemas de climatización para cada edificio.

1.1.2.4 Eficiencia del movimiento de aire interior en los espacios acondicionados.

En el cálculo de cargas para dimensionar la potencia de los sistemas de acon­dicionamiento ya se ha considerado el volumen de aire de ventilación necesario para mantener unas condiciones higiénicas en el interior. Habitualmente se hace el cálculo para condiciones de ocupación máxima prevista, pero los méto­dos de cálculo más avanzados pueden tener en cuenta el número real de ocu­pantes y por lo tanto el comportamiento dinámico de la contaminación interior y de esta forma el control de los niveles de CO2. Pero aunque el valor global sea correcto el resultado final puede ser malo si la distribución del aire de ventilación en el interior no es el correcto. Esto afecta primero a la distribución entre los distintos volúmenes de un edificio, y en segundo lugar a su distribu ­ción en cada uno de los espacios.

Si la distribución entre los distintos espacios no es proporcional a las necesid­ades reales, por ejemplo en un espacio con poca ocupación pero mucha carga térmica o el caso contrario, el reparto será deficiente en uno u otro aspecto. Para corregir esto los usuarios o el sistema de gestión aumentan las tasas de aire de ventilación en todo el edificio, con el consiguiente aumento del con­sumo energético.

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Hay que escoger cuidadosamente las rejillas de impulsión y retorno para ase­gurar que el aire de ventilación vaya hacia las zonas donde realmente están los ocupantes, que acostumbra a ser desde el suelo hasta unos 2m de altura.

Si un volumen considerable de aire de ventilación va directamente de las rejillas de impulsión a las de retorno sin barrer el local, tendremos una ventilación poco eficaz. Entonces desgraciadamente, para asegurar el confort térmico y la calidad del aire, el volumen de aire de impulsión aumentará, o la temperatura de consigna del termostato se bajará en verano, o ambas cosas.

Una opción interesante, especialmente bien adaptada para sistemas mecánicos de aire acondicionado, consiste en suministrar el aire frío a ras de suelo cubriendo un 100% de la superficie ocupada. El aire frío sube por entre los ocupantes (y otras fuentes de calor) y así el aire viciado se extrae por el cielo raso. Este recorrido proporciona la máxima eficiencia de ventilación pero hay que valorarla, sobretodo si el espacio también necesita calefacción en invierno.

1.1.2.5 Sistemas de gestión globales, BEMS.

Un mal sistema de gestión puede eliminar totalmente el ahorro que podría ob­tenerse con sofisticadas estrategias. Pero, por otra parte, los nuevos sistemas de control con microprocesadores pueden optimizar el funcionamiento de los distintos sistemas y mejorar substancialmente la eficiencia global. En un mismo sistema de gestión global pueden integrarse distintos temas como: una gestión de la ventilación proporcional a la ocupación real, la optimización de las posibilidades de la ventilación natural (free- cooling) cuando las condiciones climáticas exteriores sean favorables, el aprovechamiento de la inercia térmica, la puesta en marcha y apagado de los sistemas antes del inicio y fin de la ocu­pación para reducir la punta de puesta a régimen y aprovechar la energía alma­cenada al final del día, la acumulación térmica para refrigeración o calefacción según las predicciones meteorológicas, una gestión optimizada del alumbrado artificial para aprovechar la luz natural, etc. Estos sistemas de gestión serán rentables sobretodo en grandes edificios. Pero esto que habitualmente se llama “tecnología de edificios inteligentes” no siempre tiene que llevarse hasta este límite ya que a veces se pueden obtener muy buenos resultados con sistemas gestión y control más sencillos, según las necesidades del edificio.

1.1.2.6 Estrategias para una ventilación eficiente (intercambio con el aire exterior)

La carga de climatización puede reducirse si el aire exterior se hace pasar por un sistema de recuperador de energía. Estos sistemas son muy eficientes en invierno pero no son útiles en verano, ya que la diferencia entre la temperatura interior y la exterior es demasiado pequeña.

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Una de las alternativas más importantes para reducir la carga térmica de un local será la ventilación natural, o uso del aire fresco exterior cuando sea pos­ible. En la Fig. 3 Se pueden apreciar las pautas recomendables a seguir con el flujo de aire.

Si el edificio tiene suficiente masa térmica la ventilación natural puede llegar a ser muy eficiente durante la noche (refrigeración nocturna). Haciendo circular el aire fresco de la noche por el edificio, con medios mecánicos, baja la temperatura de la masa interior y así las ganancias de calor se acumulan en la masa térmica y no contribuyen a subir la tempertura del aire interior. Puede que así no sea necesaria la climatización, al menos durante las primeras horas del día.

1.1.3 Especificaciones de comprobación previa y pautas de mantenimiento

En el pliego de condiciones, al menos teoricamente, debería haber una descrip ­ción detallada de los controles a realizar para comprobar el correcto fun ­cionamiento de cada componente del sistema y del conjunto. Estas comproba­ciones deben hacerse “in situ” antes de hacer la entrega de la instalación. A menudo se obvia este paso, total o parcialmente, por distintas razones: coste, tiempo que toma hacer la revisión, prisas para tener la instalación operativa, etc. Pero esto significa que posteriormente pueden presentarse problemas y será tarde o muy caro solucionarlos. La calidad final del sistema debería ase­gurarse a cualquier coste.

La comprobación del sistema aún es un campo de conocimiento emergente y falta mucho por recorrer.

La responsabilidad de los instaladores no termina cuando la instalación está hecha y comprobada según las especificaciones técnicas correspondientes. También debe funcionar correctamente, según los criterios con los que fué

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Fig. 3 - Flujo de aire exterior como estrategia de ventilación natural (free- cooling)

Outdoor Air Temperature

Percent fresh air over total circulated air (%)

B C D

Interior Setpoint

100%

Minimum outdoor air

flow

A

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diseñada, a lo largo de los años. Por ello el mantenimiento es tan importante como el dimensionado o la puesta en obra. Los protocolos de mantenimiento para la mayor parte de las instalaciones sólo pueden hacerse después de haber seleccionado las máquinas que la componen. Significa que será labor del con­tratista marcar las pautas de mantenimiento en una segunda fase del proyecto. Pero los criterios fundamentales para un buen manteni- miento deben haberse tenido en cuenta desde el inicio del diseño.

Fianlmente, el propietario tiene que seguir de forma regular el plan de manten­imiento previsto. A veces no se hace por razones presupuestarias, pero a la larga va a tener consecuencias desfavorables en el rendimiento del sistema y en su eficiencia energética. Los propietarios y las autoridades deberían tener un control más serio del mantenimiento. Debe entenderse como una inversión para reducir costes, tanto de funcionamiento (menor consumo) como de reparación, ya que un mal manteni- miento lleva irreparablemente a una necesidad de substitución de elementos mayor en un tiempo más corto.

1.2 Sistemas alternativos de refrigeración

Las tecnologías para refrigerar en el caso de requerimientos energéticos bajos, se pueden dividir en dos grupos:

• los que afectan a la fuente de refrigeración principal• y los que se centran en la cesión del efecto de refrigeración a los espacios

tratados.

Los del primer grupo se acostumbran a llamar sistemas de refrigeración pa­sivos o híbridos. Están relacionados con las fuentes naturales de refrigeración, como el aire ambiente, el terreno o una masa de agua (ríos, lagos, acuíferos, etc.). y las tecnologías que usan la energía implicada en los cambios de estado, como la evaporación o condensación del agua en el aire, como fuente de re­frigeración sensible o latente. Todos estos sistemas necesitan bombas o venti ­ladores para producir la refrigeración, excepto la refrigeración nocturna por ventilación natural. Pero no son como las instalaciones mecánicas de refrig ­eración tradicionales que basan su efecto en el ciclo de compresión de vapor y que son causantes de las puntas de demanda eléctrica en las horas cálidas de los dias de verano.

El segundo grupo de tecnologías se centra en una cesión de la refrigeración en el espacio a tratar, lo más eficiente posible. Se pueden combinar forjados refrigerantes y cielo rasos fríos, con un movimiento de aire de ventilación eficiente con otros sistemas de refrigeración pasiva. Estas técnicas dan buen resultado con bajos gradientes de frío, ya que tratan independientemente la carga de ventilación y la de refrigeración.

La mayoría de técnicas de refrigeración pasivas se pueden combinar entre ellas

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o trambién con otros sistemas más convencionales, llamándose entonces sistemas híbridos. Además, muchos de estos sistemas estan estrechamente relacionados con la estructura del edificio ya que utilizan la propia masa térmica de la construcción para la acumulación o pueden incorporarse en los propios muros, forjados o cimentaciones.

Aunque estan tecnologías están suficientemente desarrolladas y se han aplica­do repetidamente en casos reales, si las comparamos con las instalaciones convencionales aún están en los inicios. Y aunque tengan auna amplia aceptación en ciertos tipos de edificios y en determinados climas hay que re­conocer que los arquitectos e ingenieros instaladores no los adoptan fácil ­mente. Sus costes están descendiendo a medida que su difusión y aplicación es más amplia.

En los siguientes puntos se describirán las alternativas más importantes para una climatización de bajo consumo energético.

1.2.1 El aire, el terreno y el agua como fuentes naturales

La ventilación o refrigeración nocturna se utiliza para disminuir la temperatura del edificio cuando la temperatura exterior está por debajo de la interior, lo que acostumbra a ocurrir durante la noche. Mejora el confort de una forma di­recta a lo largo de la noche, pero también tiene el efecto de reducir el calor acumulado en la masa del edificio, con lo cual la temperatua punta del día siguiente será inferior. La eficiencia del sistema depende de la tasa de inter ­cambio de flujo de aire, de la diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior, y finalmente de la eficiencia de la masa térmica interior. Para que esta estrategia sea eficiente será primordial que se haga un diseño integrando todos los parámetros correctamente.

Siempre será recomendable la ventilación natural o mecánica para refrescar por la noche. En el caso de que sea natural no hay forma de controlar la tasa de ventilación. En cambio con la ventilación mecánica puede controlarse e incluso modificarse la tasa prevista para aumentar el efecto de refrigeración, pero cuando se trabaja con flujos de aire considerables hay que ir con cuidado para que el ruido que puedan generar no llegue ser perceptible y molesto en los es­pacios ocupados.

La masa térmica de la construcción juega un importante papel en la eficiencia del sistema de ventilación nocturna ya que reduce las oscilaciones de temper ­atura. LA masa témica reduce la oscilación térmica día- noche y también puede reducir la de ciertos períodos cálidos si han sido precedidos por unos días más frescos que han bajado la temperatura de la masa interior. Pero este efecto no será efectivo más allá de unos cinco días. Por ello es importante distinguir en­tre la masa térmica diaria (ciclo de 24 horas) y la inercia secuencial (ciclo de 2 semanas). Para que sea eficiente tiene que estar bien relacionada con la tem­

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peratura interior. No hay que olvidar que las alfombras, aislamiento interior, tableros de cartón yeso, etc... actúan como una resistencia térmica adicional, y por lo tanto se modifica el efecto de la inercia.

Los sistemas de aire de refrigeración debida al terreno trabajan con venti ­ladores ordinarios que procuran aire de impulsión y de retorno. Estos sistemas funcionan bien si el sistema tiene una baja demanda de aire de impulsión. El aire exterior de ventilación se hace succiona y hace pasar por unas conduc­ciones enterradas que cuanto más profundas, y a poder ser por debajo del niv ­el freático, estén menos caras serán y mejor intercambiarán con la temperatura del terreno. El aire de ventilación se refresca al pasar por estos conductos y se usa como aire de impulsión para el sistema de ventilación. Durante la época de refrigeración se puede bajar la temperatura del aire hasta unos 18ºC a 22ºC. Si la temperatura exterior ya está por debajo de los 22ºC entonces se bypasa y se toma directamente el aire del exterior. Esto normal ­mente pasa por la noche pero también puede darse algunas horas durante el día.

Este sistema también puede dar calor en invierno. El aire exterior se precalienta con el sistema enterrado antes de pasar por un recuperador de calor que transmite calor del aire de retorno al de impulsión . El suelo se usa para alma­cenamiento y se puede regenerar estacionalmente. Además, se evita el con­gelamiento del intercambiador de calor de eaire de retorno durante la estación de calefacción, ya que el aire exterior está precalentado. En modo de refrigera­ción, se bypasa el sistema si el aire está por encima de unos 6ºC pero por de­bajo de la temperatura interior.

1.2.2 Refrigeración evaporativa

En el proceso de refrigeración evaporativa la evaporación del agua sirve para bajar la temperatura de bulbo seco del aire1. Para conseguir esta evaporación se pueden utilizar sprays o fieltros húmedos.

La podemos dividir en tos tipos principales: directa e indirecta. Se llama directa (Fig. 4) cuando el agua se evapora directamente en la corriente de aire, bajando su temperatura de bulbo seco pero aumentando su humedad absoluta.

1 En este capítulo no se tratan las torres refrigerativas. Aunque también se basan en la refrigeración evaporativa la diferencia entre ellas y los refrigeradores evaporativos es que las torres enfrían agua que se utilizará para enfriar aire.

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Fig. 4 - Sistema de refrigeración evaporativa directa

Se llama indirecto cuando se utilizan dos corrientes de aire (Fig.5). El aire secundario, que puede ser de retorno o exterior, se enfría directamente evap­orando en él. Este aire secundario húmedo se usa para enfriar el aire primario indirectamente por medio de un intercambiador de calor aire- aire. En invierno, cuando el aire secundario proviene del aire de recirculación se puede utilizar el recuperador de calor para tener aire precalentado.

Fig. 5 Sistema de refrigeración evaporativa in ­directo

Dada la capacidad limitada de refrigeración del sistema indirecto, a veces se enfría el aire primario por evaporación directa. Este proceso en dos pasos se llama sistema indirecto- directo (Fig. 6).

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Fig. 6 - Sistema de refrigeración evaporativa en dos niveles indir ­ecto- directo

Los sistemas de refrigeración evaporativa, cuando se preveen como sistema único, necesitan un volumen de aire tres o cuatro veces superior a los sistemas de aire acondicionado convencionales, por ello necesitan unos conductos mucho mayores. Pero estas grandes tasas de aire y la ausencia de recirculación dan como resultado una mejor calidad del aire interior al evitar las concentra ­ciones de aire viciado. En los paises en que está prohibida la recirculación de aire, los sistemas directos de refrigeración evaporativa son una laternativa muy buena a la refrigeración convencional.

1.2.3 Refrigeración por forjados

Los forjados de losa de hormigón, al ser muy pesados tienen la propiedad de almacenar rápidamente el exceso de calor y cederlo al ambiente cuando sea necesario( Fig. 6). Considerando el salto térmico relativamente bajo que hay, este proceso se autoregula. Cuando la habitación está demasiado caliente, el calor es absorbido por la losa y cuando la habitación está demasiado fría cede el calor.

Los edificios con estos sistemas ofrecen unas condiciones muy confortables a bajo coste y el control de la instalación no es demasiado caro.

El movimiento de aire por diferencia térmica combinado con este tipo de froja ­dos tienen la ventaja de crear un ambiente interior de buena calidad con unos consumos bajos. En la figura 7 se representa un sistema donde el aire se in­troduce al ambiente interior a ras de suelo y a una temperatura ligeramente por debajo de la interior. Al ser más frío y denso que el aire de la habitación el aire de impulsión se estanca en la parte baja y al crearse corrientes de convención por las fuentes de calor que hay en la sala el aire asciende.

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Fig. 7 - Sección esquemática del edificio

1.2.4 Almacenamiento en el agua de los acuíferos

Puede almacenarse energía térmica en los acuíferos a base de infiltrar agua a la temperatura adecuada. En verano, puede almacenarse agua caliente (energía térmica) para usarse en invierno. En invierno se invierte el proceso, alma­cenando agua fría para usar en las épocas cálidas. Puede generarse un almacén de calor extrayendo agua de un depósito subterránea, subiendo su temper ­atura y devolviéndola a otro depósito de agua subterránea, tal y como puede verse en la figura 8.

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Fig. 8 - Diagrama esquemático del sistema.

El agua tibia baja lentamente por el pozo, adquiriendo gradualmente la tem­peratura del acuífero cercano. El calor se recupera cuando es necesario extray­endo agua del pozo más cálido haciendo que el agua caliente del terreno fluya de este al interior del pozo. No hay una extracción neta de agua del subsuelo, ya que el sistema sólo la transfiere de una parte a la otra. El acuífero acostum ­bra a tener un volumen considerable, evaluable en millones de m3 por lo tanto su capacidad acumuladora es muy elevada. Si el rendimiento de la extracción e infiltración es bueno se puede conseguir una capacidad de calefacción y refri ­geración alta.

La delimitación del acuífero con el que se trabaja no se hace con medios artifi ­ciales sino que se buscan impermeabilizaciones naturales tales como terrenos rocosos o lechos de gravas. Evidentemente hay condiciones locales, como la conductividad del terreno, los fluyos de agua subterránea y las diferencias de

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densidad entre el agua más fría y la cálida, que hacen que el sistema sea más o menos eficiente.

Si la temperatura del agua subterránea cambia, pueden darse cambios en la naturaleza química de las aguas que pueden dar problemas a partes del sis­tema. Por ello, este tipo de sistemas necesitan un permiso de las autoridades de medio ambiente, basadas en estudios especializados del acuífero y de sus características para asegurar un rendimiento adecuado.

Para evitar el calentamiento o enfriamiento progresivo del terreno hay que ase­gurar que la energía que se cede y la que se extrae sean aproximadamente iguales.

1.2.5 Cielo- rasos fríos

El concepto de este sistema se basa en paneles de cielo- raso metálicos con conductos capilares por donde circula agua fría. Ase puede utilizar el mismo sistema para calentar, principalmente por radiación.

Los paneles de cesión están separados de la red principal de agua fría o cali ­ente por intercambiadores de calor, tal y como puede verse en la figura 9

Fig. 9 - Paneles emisores

Estos sistemas tienen la ventaja que son fáciles de integrar en los espacios ar­quitectónicos aunque, al trabajar básicamente por radiación, su eficiencia es menor que cuando se trabaja con los sistemas más comunes de convección.

2 Conclusiones

Capítulo 1 Arquitectura de bajo consumo energético

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El uso de sofisticados sistemas pasivos de calefacción y refrigeración puede mejorar el funcionamiento energético de los edificios, pero siempre deben de considerarse como una segunda estrategia, ya que la primera siempre deberá ser el diseño mismo del edificio desde el pundo de vista energético. Entonces, y sólo entonces, como tercera posibilidad se considerán los sistemas auxiliares de calefacción y refrigeración. Su dimensión y potencia deberían reducirse al mínimo y siempre usando fuentes de energía renovables.

Entre las posibilidades de sistemas auxiliares tenemos los sistemas solares ac­tivos, pero en paises del Sur de Europa, donde la temporada de calefacción es corta y las demandas son bajas, la experiencia demuestra que son poco viables económicamente. Lo mismo puede decirse de los sistemas solares activos de refrigeración, que no pueden competir con los convencionales en términos de costes.

Como última idea, la mayor eficiencia energética de un edificio debería obtenerse con sistemas sencillos e inteligentes y dejar las soluciones más complejas como segunda opción; y sólo como último recurso utilizar sistemas auxiliares de calefacción y refrigeración. Para conseguir esto la responsabilidad recae en el arquitecto y en todos los miembros del equipo de diseño, ya que la eficiencia energética se define desde los primeros momentos del proceso de diseño.

Dependiendo del clima deberán establecerse distintas prioridades:

1. En los climas muy fríos, con las ganancias solar y los aportes internos no será suficiente para conseguir unos valores de temperatura interior con­fortables y por lo tanto la inercia será menos importante. La calefacción será más importante que la refrigeración – aunque, como ya se ha dicho, si los aportes internos y la ganancia solar es alta puede ser que se invier ­tan los téminos, como se ha visto en muchos edificios de oficinas climati ­zados situados en paises del norte de Europa;

2. En los períodos estivales de los climas cálidos, cuandolas temperaturas exteriores están por encima de los niveles de confort, habrá que pensar en sistemas de refrigeración pasiva o energéticamente eficiente, y en caso de no ser posible solucionarlo así, habrá que poner sistemas de climati ­zación convencionales pero procurando que tengan el mejor rendimiento y el menor consumo posible.

3 Bibliografía complementaria

1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P Achard and R Gicquel. Commission of the European Communities, 1986.

2. M Santamouris and D. Asimakoloulos. Passive Cooling of Buildings. James and James, London, 1996.

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3. F. Allard, editor. Natural ventilation in Buildings. James and James, 1999.

4. E. Maldonado, editor. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG TREN, THERMIE report, University of Porto, 2000.

5. Sandberg, M. "What is Ventilation Efficiency?" Building and Environ­ment, vol.16 (1981), pp.123- 135.

6. Review of Low Energy Cooling Technologies”, Annex 28 of the Interna­tional Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. Natural Resources Canada, December de 1995.

7. Mark Zimmermann e Johnny Andersson. “Case Study Buildings, Low Energy Cooling”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. EMPA, Switzerland, 1998.

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