¿Cómo optimizamos los sistemas HVAC para responder al uso real, ahorrar energía y brindar un entorno saludable y confortable para los ocupantes del edificio?
Energía dentro de los edificios
El ahorro energético es uno de los temas más importantes para muchas empresas del sector de la construcción. Dado que la climatización (HVAC) representa una parte considerable del consumo energético de los edificios a lo largo de su vida útil, la tecnología especificada y utilizada en ellos debe ser la clave del ahorro energético. Los productos de 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 avanzar hacia nuevas tecnologías eficientes, es necesario garantizar que la tecnología existente se utilice de la forma más inteligente y eficiente.
Normalmente, los sistemas de climatización (HVAC) se diseñan para el uso más desfavorable del edificio. Los sistemas de refrigeración se diseñan 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 excelente para diseñar edificios resilientes, preparados para cualquier condición. Pero, ¿es así como se utilizan?
Los sistemas diseñados para cargas pico rara vez se utilizarán a estos niveles de diseño, o nunca. Durante la mayor parte de su vida útil, operarán a una fracción de la carga de diseño. Esta disparidad entre las cargas pico de diseño y las cargas operativas reales es muy grande y, como veremos, sigue aumentando.
La brecha de desempeño presente y futura
Dos factores harán que la diferencia entre el diseño máximo y los puntos de operación sea aún más extrema.
Hoy en día, los edificios se utilizan de forma más flexible, especialmente en oficinas y comercios, ya que se ofrece a empresas y empleados la posibilidad de trabajar de forma flexible. Un sistema de ventilación y refrigeración de un edificio de oficinas diseñado para una ocupación completa en 2020 rara vez alcanzará la misma ocupación en 2023 y años posteriores.
El calentamiento global ya está teniendo un impacto en los fenómenos meteorológicos extremos, e incluso con cambios sustanciales en los factores que contribuyen, se esperan más fenómenos meteorológicos extremos en el futuro. Es probable que Europa se enfrente a veranos más calurosos y secos. Esto, sumado al efecto de isla de calor urbana, que agrava las temperaturas estivales con altas temperaturas en las zonas donde se ubican numerosas oficinas y edificios comerciales, así como la consideración sobre cómo diseñar la mitigación del calor a nivel de ciudad y calle, probablemente significará que las cargas pico para las que están diseñados los sistemas de edificación estarán aún más alejadas del funcionamiento diario de los edificios.
Los diseñadores de edificios deben integrar la nueva forma de utilizar los edificios, así como los riesgos futuros de condiciones climáticas extremas, en el diseño actual de los edificios, ya sea en la fase de desarrollo o de remodelación.
Encontrar las eficiencias en la brecha de rendimiento
Cuando un sistema de climatización (HVAC) 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 potencia 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 disponible?
Si podemos controlar nuestras unidades de tratamiento de aire (UTA) para que solo proporcionen la cantidad de aire que necesitamos para los ocupantes dentro del edificio, mediante el uso de ventilación controlada por demanda (DCV), las bobinas de enfriamiento y calefacción que están dimensionadas para su capacidad máxima pueden controlar la temperatura del aire fresco utilizando mucha menos energía.
Las bobinas dentro de los fan-coils o vigas frías que sirven a los espacios interiores tampoco necesitan funcionar a plena carga, ya que estas unidades generalmente se seleccionan para ocupación total y en condiciones pico de verano o invierno.
Debemos tomar una decisión con respecto a estos serpentines que no necesitan plena capacidad. La solución tradicional sería reducir el flujo de líquido refrigerante o calefactor mediante una válvula. Esta es una forma sencilla de control local y es estándar en casi todos los sistemas. Sin embargo, si la conexión entre la enfriadora/bomba de calor y el serpentín es un poco más inteligente, podemos optimizar la temperatura del líquido que lo alimenta. Un serpentín de refrigeración diseñado para usar agua a 6 °C, al 100 % de su capacidad, no necesita esa temperatura al 50 %.
El motivo para cambiar la temperatura del agua que llega a los serpentines es aumentar la eficiencia del enfriador/bomba de calor. Aumentar la temperatura del agua que sale del enfriador en un grado la hace aproximadamente un 3 % más eficiente. Operar una bomba de calor un grado más fría aumenta su eficiencia en proporciones similares.
Así, al analizar la demanda de las baterías que controlan el confort en las habitaciones, ya sea en la UTA o en el espacio, estas pueden funcionar a una temperatura del agua optimizada la mayor parte del tiempo. De hecho, cálculos recientes de UTA conectadas a bombas de calor muestran que la temperatura del agua puede 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 controlando el sistema de forma más inteligente.
Este tipo de control de capacidad aún brinda gran comodidad en la habitación, así como beneficios energéticos, reduciendo las oscilaciones de temperatura y las corrientes de aire en la habitación, cuando se controla adecuadamente.
Refrigeración pasiva y gratuita
Si disponemos de refrigeración gratuita en la enfriadora, optimizar la temperatura del agua tiene un efecto aún mayor en la eficiencia. La refrigeración gratuita consiste en enfriar el circuito de agua directamente con el aire exterior, en lugar de utilizar el circuito de refrigeración DX de la enfriadora. Normalmente, se puede disfrutar de cierta refrigeración gratuita cuando la temperatura ambiente es un grado Celsius inferior a la del agua de retorno. La cantidad de refrigeración gratuita aumenta cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura ambiente y la del agua, hasta que la enfriadora puede proporcionar toda la refrigeración necesaria mediante la función de refrigeración gratuita. Por cada grado que aumentamos la temperatura del agua de refrigeración, aumenta considerablemente el número de horas de refrigeración gratuita, lo que supone un gran ahorro energético.
También podemos aprovechar la refrigeración natural del suelo mediante una bomba de calor/enfriadora geotérmica. Los sistemas geotérmicos captan el calor de baja temperatura de la tierra mediante un circuito de fluido canalizado y lo multiplican mediante una bomba de calor para generar una calefacción eficaz y eficiente en nuestros espacios. Muchas bombas de calor también pueden funcionar en modo de refrigeración, proporcionando una refrigeración eficiente al transferir el calor al suelo a través del circuito de fluido. Este tipo de sistema es perfecto para la refrigeración pasiva en situaciones de carga parcial, ya que desviar la bomba de calor y refrigerar el sistema directamente aprovechando la temperatura más baja del suelo es una forma extremadamente eficiente de refrigeración. Al igual que con el free-cooling, optimizar la temperatura del agua en funcionamiento a carga parcial permite que el sistema funcione en refrigeración pasiva durante el máximo tiempo, ahorrando así la mayor cantidad de energía posible.
Control e inteligencia
Para lograr esto, necesitamos un sistema de control que pueda reconocer la carga requerida en el/los serpentín(es) y utilizar esta información para optimizar las temperaturas de la enfriadora/bomba de calor en consecuencia. Se requiere inteligencia integrada en las enfriadoras, bombas de calor, unidades de tratamiento de aire y unidades de ambiente. Es esencial comprender las limitaciones de cada producto, así como sus límites de funcionamiento y saber cuándo no optimizar. Además, un sistema de control de alto nivel debe comunicarse eficazmente entre todos estos componentes. Además, el ahorro energético se logra utilizando los componentes habituales del sistema, sin invertir en equipos más eficientes, sino controlando lo que ya tenemos de forma más inteligente.
Ya sea que los sistemas con los que trabajamos sean sistemas existentes instalados en un proyecto de remodelación o un nuevo desarrollo que utiliza productos nuevos y eficientes de última generación, los principios de ahorrar más energía en el funcionamiento con carga parcial aún se aplican como una forma eficaz y sostenible de reducir los costos operativos.
Hora de publicación: 26 de abril de 2023
