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Confort y Energía. Soluciones integradas Low-Ex

Las soluciones de climatización englobadas en el concepto “Low-Ex” o de baja exergía para el cumplimiento de los objetivos de la Directiva 2010/31/UE.

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El confort en su sentido más general constituye el objetivo de los sistemas de climatización. No se debe olvidar que las tendencias actuales relativas al ahorro de energía, que por razones de necesidad forman parte de las políticas actuales, especialmente en Europa, son una consecuencia del peso específico que estas instalaciones presentan en la demanda energética global. No obstante el consumo se reduce fácilmente a expensas del confort.

Debido a las políticas energéticas mencionadas, al incremento de costos que la energía presenta actualmente y a la previsible evolución al alza de estos costes, los técnicos del sector y los responsables de Facilities Management, tienden a considerar que entre el 60% y el 70% del costo de un edificio de oficinas a lo largo de su ciclo de vida corresponde a la Energía y los gastos de Mantenimiento.

Las maniobras que penalizan el confort no tienen en cuenta, que si en un edificio de oficinas, introducimos el costo de personal (salarios, absentismo, etc.) en el análisis del ciclo de vida del edificio, los gastos en mantenimiento y energía pierden peso de forma drástica, ya que los costos de personal pueden suponer un 90% del total, incluido el costo de construcción, los impuestos, el mantenimiento y la energía.

Ciertos estudios apuntan a una pérdida importante de productividad con temperaturas superiores a 25ºC e inferiores a 22ºC. En cualquier caso, para un análisis correcto de la situación de confort, deberían tenerse en cuenta otros parámetros relativos al confort que matizan el valor de la temperatura seca.

Introducción al concepto de confort higrotérmico

Con un criterio más amplio de confort, si bien aun quizás incompleto, utilizaremos el estándar EN-ISO-7730 como base para realizar un análisis del consumo energético global en relación al grado de confort.

En una breve aproximación a la norma se puede señalar que además de la temperatura seca, el confort está determinado por la temperatura media radiante, la humedad relativa, el grado de actividad, la velocidad residual del aire y la indumentaria de los ocupantes de un ambiente. El peso de la velocidad residual del aire y la humedad en oficinas es mínimo, por tanto, la combinación de la temperatura seca y la temperatura media radiante, deben de ser analizadas como un conjunto en su relación con la eficiencia energética.

Tabla I. Variación del confort en función de la fluctuación de la componente radiante para una situación estándar de oficina en invierno.

Tabla I. Variación del confort en función de la fluctuación de la componente radiante para una situación estándar de oficina en invierno.

En la tabla se puede apreciar en una situación de invierno de oficina, como el porcentaje de personas insatisfechas (PPD) disminuye cuando evoluciona la temperatura media radiante, manteniendo una temperatura seca de 21ºC. Se comprueba asimismo que el disconfort que existe es en todos los casos por situación de frío, ya que el Voto Medio Previsto (PMV) presenta valores negativos.

La influencia del confort en el consumo

En situaciones normales, si el usuario tiene un acceso al termostato el manejo de las instalaciones acostumbra a presentar sobreconsumos importantes, respecto a los valores considerados en los modelos de simulación, debido a situaciones de disconfort.

El siguiente ejemplo muestra un recinto de oficinas situado en la climatología de Valladolid, orientado al oeste con una fachada mediocre y un vidrio convencional (30% de la superficie de fachada), con una actividad, cargas internas y horario típicos de oficina. A efectos de cálculo, el modelo, considera el resto de superficies del cerramiento como “cuasi” adiabáticas.

Vidrio:

  • Factor solar: 0,568
  • Transmisión solar directa: 0,474
  • Transmisión luminosa: 0,745
  • U-Value s/EN 673: 1,761 W/m2K

Figura 1. Imagen y propiedades de la fachada. El recinto es de 20m.(fachada) x 5m. x 3m.  

Fachada opaca:

  • Coeficiente de transmisión térmica global (U): 0,714 W/m2K
  • Coeficiente de convección superficie interior (hi): 2,152 W/m2K
  • Coeficiente radiante equivalente (sup. Interior) (hri): 5,540 W/m2K

El sistema de aire acondicionado consiste en una instalación simple de tipo split, con un complemento de ventilación a caudal constante. Los resultados de un análisis comparativo de consignas de temperatura seca a 21ºC en modo calefacción y 24ºC en refrigeración (caso A) respecto a una consideración de temperatura operativa de 21ºC en calor y 24ºC en frío (caso B) se pueden apreciar en las siguientes tablas.

Tabla II. Consumo energéticos en función de la consigna impuesta al sistema de control.

Tabla II. Consumo energéticos en función de la consigna impuesta al sistema de control.

Por otra parte el equipo del caso A debe estar sobredimensionado para poder atender la temperatura operativa de invierno en las primeras horas del día, lo que produce un consumo eléctrico comparado en términos homogéneos un 45% superior que en el caso A considerando el consumo global anual de calefacción, refrigeración, ventiladores e iluminación. Este sobreconsumo presenta una variación cuadrática cuando se incrementa la superficie de vidrio.

Figura 2. Análisis comparativo del consumo energético anual (ordenadas) en función de la consigna interior y la superficie de vidrio en fachada (abcisas)

Figura 2. Análisis comparativo del consumo energético anual (ordenadas) en función de la consigna interior y la superficie de vidrio en fachada (abcisas).

Los valores comprados del análisis del confort son los siguientes:

Tabla III. Evaluación de confort para los dos casos modelados.

Tabla III. Evaluación de confort para los dos casos modelados.

En el caso B, se aprecia una mejora significativa del confort a expensas de un importante incremento del consumo anual. La siguiente gráfica muestra la situación en un día extremo de invierno cuando se regula de acuerdo a las consignas del caso A.

Figura 3. Gradiente de temperatura generado en el interior del local durante un día de invierno.

Figura 3. Gradiente de temperatura generado en el interior del local durante un día de invierno.

Si bien la temperatura seca del aire se mantiene a 21ºC a lo largo de la jornada, el valor de la temperatura operativa es significativamente más bajo debido a la influencia de la fría superficie interior del vidrio que condiciona una temperatura media radiante entre 15ºC y 20ºC a lo largo del día. La pérdida de confort es importante. Para combatir el disconfort el usuario actúa sobre la temperatura seca, aumentándola en invierno y reduciéndola en verano. De acuerdo a la simulación el efecto es más pernicioso en la temporada fría.

Las posibilidades de los sistemas de baja exergía en las instalaciones de climatización

Las instalaciones de baja exergía trabajan con temperaturas próximas a las del ambiente, obteniendo un mayor rendimiento en los sistemas de producción y facilitando la combinación con fuentes de energía renovable. Entre las diferentes tipologías destacan aquellas que posibilitan el control de la componente radiante.

La Figura 2. muestra el elevado consumo energético al definir la consigna de regulación a partir de la temperatura operativa sin establecer un control apropiado del rango de variación de la temperatura radiante. Para demostrar las capacidades de los sistemas “Low-Ex” se ha implementado en el modelo de simulación un sistema radiante convencional (CASO C) con una consigna idéntica al CASO B, anteriormente expuesto.

Tabla IV. Evaluación de confort en un recinto climatizado mediante un sistema convencional (CASO B) y un sistema Low-Ex (CASO C). Regulación por temperatura operativa.

Tabla IV. Evaluación de confort en un recinto climatizado mediante un sistema convencional (CASO B) y un sistema Low-Ex (CASO C). Regulación por temperatura operativa.

A efectos comparativos, a continuación se representan los datos de temperaturas y confort obtenidos para el mismo día que aparece en la Fig. 4.

Figura 4. Gráficas representativas del confort y las temperaturas interiores con sistemas radiantes regulados por temperatura operativa

Figura 4. Gráficas representativas del confort y las temperaturas interiores con sistemas radiantes regulados por temperatura operativa

Se puede comprobar que el control de la temperatura no es tan preciso, debido a las inercias del sistema; pero el confort mejora de forma evidente. Por otra parte el consumo en modo calefacción (1.613 kWh/año), incluso controlando la temperatura operativa, resulta ligeramente inferior al del caso A. No se ha realizado una comparación en modo refrigeración, donde también se esperan mejoras.

Conclusiones

El análisis de capacidades de los sistemas “Low-Ex” alta temperatura de refrigeración y baja temperatura de calefacción permite establecer las siguientes conclusiones:

  • Los responsables de las instalaciones de acondicionamiento no deben perder de vista el principal objetivo para el que han sido implementadas, el confort. Una vez garantizado, los esfuerzos deben dirigirse a la gestión de los recursos energéticos.
  • Una situación de disconfort generalizada conlleva una modificación de las consignas en los termostatos por parte de los usuarios, con la consiguiente penalización energética. Sin embargo no debe obviarse que el descenso de la productividad tiene una mayor influencia sobre el ciclo de vida del edificio, especialmente en oficinas.
  • El control de la componente radiante mediante un diseño constructivo y pasivo adecuado y la optimización de la envolvente debe ser prioritario. Asegurar el confort, sin regular el impacto que tiene las fluctuaciones de la temperatura media radiante, “dispara” el consumo. Los sistemas de baja exergía controlan esta variable, empleando niveles térmicos próximos a los del ambiente.
  • Las instalaciones “Low-Ex” aseguran niveles elevados de confort de acuerdo a la Norma ISO 7730 y aumentan rendimientos en los equipos de producción. De esta forma facilitan la reducción de consumos y la consecución de los objetivos de eficiencia propuestos por la Directiva 2010/31/UE.
  • Estas instalaciones permiten además una interesante combinación con fuentes de energías renovables y por otra parte presentan elevadas posibilidades de ser combinadas con sistemas inerciales de acumulación de energía, que permiten desacoplar la oferta y la demanda y reducir los consumos en horas punta.

Comunicación presentada al I Congreso EECN por parte de J. Zubiaurre, D. Irusta, E. Velasco y M.A. Chicote de IDOM. Ingeniería, Arquitectura y Consultoría.

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