El importante ahorro energético que esconden los pequeños detalles

¿Cómo optimizar los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado para que respondan al uso real, ahorren energía y proporcionen un entorno saludable y confortable a los ocupantes de los edificios?

La energía dentro de los edificios
El ahorro de energía es uno de los temas más importantes para muchas empresas del sector de la construcción. Dado que la climatización representa 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 de cómo ahorrar energía. Los productos de ventilación, calefacción y refrigeración son cada vez más eficientes, impulsados por la legislación y el desarrollo de nuevas tecnologías en los componentes. Pero, al tiempo que se avanza hacia nuevas tecnologías eficientes, hay que asegurarse de que la tecnología existente se utiliza de la forma más inteligente y eficiente. 

Normalmente, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado se diseñan para el peor uso posible del edificio. Los sistemas de refrigeración se diseñan para los picos de temperatura del verano y la luz solar, los de calefacción para los días más fríos del año y los de ventilación para los niveles máximos de ocupación. Esto es estupendo para diseñar edificios resistentes, preparados para todas las condiciones. Pero, ¿es así como se utilizan? 
Los sistemas diseñados para cargas máximas rara vez se utilizarán a estos niveles de diseño, si es que se utilizan alguna vez. La mayor parte de su vida útil funcionarán a una fracción de la carga de diseño. Esta disparidad entre las cargas máximas de diseño y las cargas reales de funcionamiento es muy grande y, como veremos, no hace más que aumentar.

La diferencia de rendimiento actual y futuro
Dos factores harán que la diferencia entre los puntos máximos de diseño y funcionamiento sea aún más extrema. 

Hoy en día, los edificios se utilizan de forma más flexible, sobre todo los de oficinas y comerciales, ya que se ofrecen a las empresas y a los empleados posibilidades de trabajo flexible. Un sistema de ventilación y refrigeración de un edificio de oficinas diseñado para una ocupación plena en el año 2020, rara vez verá la misma ocupación en 2023 y años posteriores. 

El calentamiento global ya está teniendo un impacto en el clima extremo, e incluso con cambios sustanciales en los factores contribuyentes, se esperan más fenómenos meteorológicos extremos en el futuro. Es probable que Europa se enfrente a veranos más calurosos y secos. Esto, en combinación con el efecto de isla de calor urbano que agrava la temperatura estival con condiciones de calor elevado en las zonas donde se ubican muchas oficinas y edificios comerciales, así como la consideración sobre cómo diseñar la mitigación del calor a nivel de ciudad y de calle, significará probablemente que las cargas máximas para las que se diseñan los sistemas de construcción se alejen aún más del funcionamiento diario de los edificios.

Los arquitectos e ingenieros tienen que integrar la nueva forma de utilizar los edificios, así como los riesgos futuros de fenómenos meteorológicos extremos, en el diseño actual de los edificios, ya sea en fase de desarrollo o de rehabilitación. 

Encontrar la eficiencia en la brecha de rendimiento
Encontrar la eficiencia en la brecha de rendimiento
Cuando un sistema de climatización funciona a carga parcial, suele ser más eficiente. Las unidades de tratamiento de aire (UTAs) que funcionan a la mitad de la velocidad del ventilador consumen menos de una cuarta parte de la potencia de entrada. Una enfriadora o una bomba de calor funcionando a carga parcial aprovecha al máximo su intercambiador de calor para funcionar con mayor eficiencia. Sin embargo, ¿es esto lo que se puede conseguir con la tecnología de que disponemos?
 
Si podemos controlar nuestras UTAs para que sólo suministren la cantidad de aire que necesitamos para los ocupantes del interior del edificio, utilizando la ventilación controlada a demanda (DCV), las baterías de frío y calor que están dimensionadas para funcionar a plena capacidad pueden controlar la temperatura del aire fresco utilizando mucha menos energía. 

Las baterias de los fan-coils o vigas frías que dan servicio a los espacios interiores tampoco necesitan funcionar a plena carga, ya que estas unidades suelen seleccionarse para plena ocupación y en condiciones de máxima demanda en verano o invierno.

Entonces tenemos que tomar una decisión con respecto a estas baterías que no necesitan toda su capacidad. La vía tradicional sería reducir el caudal de líquido refrigerante o de calefacción mediante una válvula. Esta es una forma sencilla de control local y es estándar en casi todos los sistemas. Pero si tenemos algo más de inteligencia en la conexión entre la enfriadora/bomba de calor y la batería podemos, además, optimizar la temperatura del líquido que sirve a la batería. Una batería de refrigeración diseñada para utilizar agua a 6 grados centígrados, al 100% de su capacidad, no necesita esa temperatura al 50% de su capacidad.

La razón para cambiar la temperatura del agua que llega a los serpentines es aumentar la eficacia de la enfriadora/bomba de calor. Aumentar un grado la temperatura del agua que sale de una enfriadora la hace un 3% más eficiente. El funcionamiento de una bomba de calor un grado más fría aumenta su eficacia en una proporción similar. 

Así pues, cuando analizamos la demanda de las baterías que controlan el confort de las habitaciones, ya sea en la UTA o en el espacio, éstas pueden funcionar a una temperatura del agua optimizada durante la inmensa mayoría del tiempo. De hecho, cálculos recientes de UTAs 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 la energía de refrigeración y más del 30% de la energía de calefacción. Todo ello simplemente controlando el sistema de forma más inteligente.

Este tipo de control de la capacidad sigue proporcionando un gran confort ambiental, además de ventajas energéticas, al reducir las oscilaciones de temperatura y las corrientes de aire en la habitación, cuando se controla adecuadamente.

Refrigeración pasiva y libre
Si disponemos de free-cooling en la enfriadora, la optimización de las temperaturas del agua tiene un efecto aún mayor en la eficiencia. Se habla de free-cooling cuando el circuito de agua de refrigeración es enfriado directamente por el aire exterior en lugar de utilizar el circuito de refrigeración DX de la enfriadora. Normalmente se dispone de algo de free-cooling cuando la temperatura del aire ambiente es un grado centígrado inferior a la temperatura del agua de retorno. La cantidad de free-cooling aumenta cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura ambiente y la del agua, hasta que la enfriadora puede proporcionar toda la refrigeración necesaria utilizando su función de free-cooling. Cada grado que aumentamos la temperatura del agua de refrigeración, el número de horas que podemos obtener free-cooling aumenta considerablemente, ahorrando enormes cantidades de energía.

También podemos utilizar la refrigeración natural del suelo con una bomba de calor/enfriadora geotérmica. Los sistemas geotérmicos recogen el calor de bajo grado de la tierra mediante un bucle de fluido entubado y lo multiplican utilizando una bomba de calor para producir una calefacción eficaz y eficiente para nuestros espacios. Muchas bombas de calor también pueden funcionar en modo refrigeración, proporcionando un enfriamiento eficiente al rechazar el calor en la tierra a través del bucle de fluido subterráneo. Este tipo de sistema es perfecto para la refrigeración pasiva en una situación de carga parcial, evitando la bomba de calor y enfriando el sistema directamente utilizando la temperatura más baja del suelo es una forma extremadamente eficiente de refrigeración. Al igual que con el free-cooling, la optimización de las temperaturas del agua en el funcionamiento a carga parcial permite que el sistema esté en refrigeración pasiva el máximo tiempo posible, ahorrando la mayor cantidad de energía.

Control e inteligencia
Para lograrlo, necesitamos un control del sistema que pueda reconocer la carga requerida en la(s) batería(s) y utilizar esta información para optimizar las temperaturas de la enfriadora/bomba de calor en consecuencia. Se necesita inteligencia integrada en las enfriadoras, las bombas de calor, las unidades de tratamiento de aire y las unidades terminales. Es esencial conocer los límites de los distintos productos, así como sus límites de funcionamiento y saber cuándo no se debe optimizar. Además, un sistema de control de alto nivel debe comunicarse eficazmente entre todas estas partes del sistema. Aparte de eso, el ahorro de energía se consigue utilizando las partes normales del sistema, no invirtiendo en equipos más eficientes en particular, sino controlando lo que tenemos de forma más inteligente.

Tanto si los sistemas con los que trabajamos son sistemas ya instalados en un proyecto de renovación como si se trata de un nuevo desarrollo que utiliza nuevos productos eficientes de última generación, los principios de ahorro de energía adicional en el funcionamiento a carga parcial siguen siendo válidos como forma eficaz y sostenible de reducir los costes operativos. 

Obten más información sobre nuestros  sistemas de control y optimización  y leer más sobre eficiencia energética en los sistemas de HVAC.