La innovación en equipos e investigaciones, así como la sinergia entre las distintas disciplinas que conforman a la industria de la construcción ha generado una tendencia en el diseño de sistemas HVAC: el equilibrio entre sistemas pasivos y activos. Se trata de un aspecto que cada día cobra mayor popularidad por el éxito de diversos proyectos
Por Verónica Ledesma, Alejandro Baeza, Alan Cabral, Eduardo Sánchez Aguilar, César Ulises Treviño
De acuerdo con un estudio realizado en 2014 por la compañía norteamericana The Freedonia Group Inc., a nivel global se espera un crecimiento del 5.7 por ciento anual en la demanda de sistemas de HVAC, esto, dentro de la industria de la edificación, pudiendo alcanzar un mercado de 120 billones de dólares para 2018, lo cual ha sido posible, en gran medida, gracias al incremento en el ingreso per cápita en países como India, Indonesia y China; pero México no se queda atrás, ya que el sector de la construcción con sistemas HVAC se ha beneficiado gracias al crecimiento de la industria inmobiliaria. Tan sólo en ese año, la Asociación Mexicana de Profesionales Inmobiliarios (AMPI) pronosticó un crecimiento del 7 por ciento al año 2015, rubro directamente relacionado con la demanda de climatización en los edificios.
Este desarrollo puede considerarse como una oportunidad para afrontar los retos que involucra la reducción del consumo energético asociado a la operación de los sistemas HVAC, sin comprometer la operación del edificio desde un enfoque sustentable, lo que garantiza un ambiente interior confortable para los ocupantes.
En años recientes, se ha demostrado que, aproximadamente, 30 por ciento de la energía producida a nivel mundial es consumida por el ambiente construido, y que en muchas regiones del mundo, la demanda de sistemas HVAC puede representar hasta el 40 por ciento de la energía consumida por el edificio.
Partiendo del concepto de los parámetros de diseño, que tienen una gran influencia en el aspecto térmico de los edificios y una respuesta de ahorro sin la necesidad de sacrificar la comodidad de los usuarios, puede encontrarse en la correcta combinación y aplicación de sistemas pasivos y activos que trae consigo la edificación sustentable.
Para conocer más acerca de ellos, se hará una revisión acerca de los avances tecnológicos actuales junto con sus beneficios en ahorro, eficiencia energética y sustentabilidad a aquellos proyectos en los que se han aplicado.
Antecedentes
En los siglos pasados, la relativa falta de recursos para construir y mantener los edificios significaba que los materiales debían producirse localmente y tener un bajo consumo energético. Desde la época romana hasta el siglo XIX, sólo las clases más privilegiadas podían permitirse tener acceso a alternativas más sofisticadas. Fue a partir de la Revolución Industrial, especialmente desde el siglo XX, que sucedieron dos fenómenos paralelos:
- La mayor distribución de la riqueza
- El relativo abaratamiento de la energía, con lo que se ha producido un aumento generalizado del consumo energético
Esto, a su vez, trajo consigo la disminución del coste proporcional y la mayor asequibilidad, características que no sólo afecta a la energía, también a los materiales que se producen o transportan utilizando energía. Por tanto, el coste de construcción y mantenimiento de los edificios ha disminuido significativamente. Cabe destacar que durante algunas décadas fue innecesario considerar el proyecto desde el punto de vista energético.
Para 1970, a raíz de la crisis energética, la sociedad occidental, en general, y una parte importante del mundo de la arquitectura descubrió con sorpresa que las energías “convencionales” que soportaban a la sociedad no eran un bien ilimitado y que podía explotarse sin ninguna prevención, lo cual era capaz de provocar problemas de magnitudes incontrolables. En aquel momento, algunos arquitectos replantearon consecuentemente el concepto de edificio moderno, tanto en su concepción funcional como en su concepción estética.
Sistemas pasivos
Son de los primeros aspectos que más llaman la atención en la arquitectura, sobre todo para buscar estrategias de ahorro de energía en un edificio, ya que una de sus características es que su consumo de energía es despreciable o nulo. Su implementación va desde el muro de Trombe-Michel, diseñado en 1881, el cual aprovecha la orientación del muro, la densidad del aire y el principio de convección para lograr el confort higrotérmico en el interior, hasta estrategias de control más elaboradas y tecnologías de sensado más complejas, que son capaces de permitir o restringir el flujo de calor a la envolvente del edificio con el propósito de responder a variables externas de ganancia de calor e internas de confort. Por citar un ejemplo, las persianas de baja emisividad, persianas aislantes operables y materiales de cambio de fase son algunos de los mecanismos más usuales que se pueden encontrar sobre este rubro.
Enfriamiento
Los sistemas pasivos se consideran un método de diseño implementado, principalmente, en la arquitectura sustentable, cuya finalidad es lograr el acondicionamiento de un edificio utilizando a su favor los recursos y variables del diseño arquitectónico, como son: orientación del edificio, envolvente, materiales de construcción, el sol, brisas, viento, entre otras. Su objetivo es minimizar el uso de los principales sistemas consumidores de energía (aire acondicionado e iluminación, por ejemplo).
Generalmente, involucran el aprovechamiento de la energía solar a través de la orientación de muros y ventanas; en climas fríos, para reducir la demanda de calefacción, y en climas extremos, para el almacenamiento de energía en la masa térmica de los materiales de construcción, lo que a su vez representa ahorros considerables en la capacidad y el consumo de aire acondicionado.
Debido a que gran parte del calor o del frío se transfiere a través del techo, los muros y las fachadas, una de las principales estrategias consideradas en la implementación de sistemas pasivos es la utilización de aislante térmico, con baja conductividad térmica para que sea efectivo.
El uso adecuado de la vegetación es otro elemento para regular la relación con el medio. Los llamados techos verdes o muros verdes consisten en soportes para vegetación en forma de jardineras o mallas especiales para su instalación, actuando como aislantes térmicos, filtros solares y humidificadores del aire, brindando sombra y enfriamiento por evaporación, además de que agregan un valor estético al edificio.
Actualmente, existen sistemas de envolventes que buscan la eficiencia energética y reducir las ganancias de calor con la implementación de aleros móviles, lo que permite la captación directa del sol y su regulación conforme varía la luz solar. Es por medio de dichos elementos móviles que se han logrado la automatización y el control de asolamiento a lo largo del año, incluso, de un día, con un consumo de energía despreciable.
La evolución tecnológica dicta una tendencia en la que los muros son sistemas complejos, compuestos por equipos combinables, con la capacidad de diferenciar las orientaciones y la envolvente del edificio para generar las condiciones de luz, sombra, aislamiento y ventilación deseadas.
Una vez conocidas todas las opciones de sistemas pasivos disponibles en el mercado, es de gran importancia llevar a cabo los estudios necesarios del proyecto y su ubicación, para saber cuáles son las estrategias más convenientes por elegir. No hay un sistema mejor que otro: todos funcionarán de manera óptima siempre y cuando se apliquen tomando en cuenta el contexto de cada obra en particular y se tenga una combinación correcta de ellos, respecto del resto de la construcción.
Ahora bien, el enfriamiento se produce por la transmisión de calor entre dos sistemas (aire-agua, aire-aire, aire-suelo) que intercambian energía mediante diferentes mecanismos: evaporación, conducción, convección o radiación. Las posibilidades de enfriamiento pasivo son limitadas, pero aplicadas conjuntamente con las técnicas de ventilación pasiva pueden dar óptimos resultados.
Para el diseño de sistemas de enfriamiento pasivo se consideran varios factores de calor naturales:
- La absorción de calor asociada al proceso de evaporación: Enfriamiento evaporativo. La absorción de calor por el agua permite generar una disminución de las temperaturas y una mayor sensación de confort por incremento de la humedad relativa
- La bóveda celeste, de carácter frío, especialmente en noches claras: Enfriamiento radiante.
- Las temperaturas frías del terreno: Enfriamiento conductivo. El mecanismo de transferencia térmica entre el terreno y la edificación es la conducción (intercambio energético sólido-sólido)
- El aire frío de la noche: Enfriamiento convectivo. La convección del aire frío nocturno a través de la edificación o de los componentes del edificio refrigerará la masa térmica en climas con grandes variaciones de temperatura entre el día y la noche
Enfriamiento evaporativo. Consiste en hacer circular una corriente de aire en contacto con una masa de agua, de modo que la evaporación del agua produce una disminución de las temperaturas de ambos. El aire enfriado contribuye a refrescar el edificio. La efectividad del enfriamiento evaporativo es muy alta, pero tiene grandes limitaciones: es necesario un ambiente suficientemente seco y exponer el agua a una corriente de aire. La temperatura menor que puede alcanzarse por este procedimiento es igual a la temperatura del bulbo húmedo del aire, que varía en función de la humedad relativa del aire: cuanto menor sea ésta, menor será la primera. Dicha técnica puede materializarse de diversas formas: estanques y fuentes interiores o en patios, cubiertas inundadas, aspersión de agua en las cubiertas, etcétera.
El uso del agua en estrategias de refrigeración evaporativa puede considerarse como un sistema de tratamiento del aire previo a su introducción en la edificación:
- Tratamiento del ambiente exterior mediante el uso de vegetación, ya sea con la incorporación de parques y jardines, pues la vegetación sombrea el entorno y baja la temperatura del suelo y del aire, al evaporar agua a través de las hojas y aportar agua a través de sus sistemas de raíces
- Incorporación de fuentes y vegetación en patios interiores. Los patios pueden estar sombreados la mayor parte del día, permitiendo el enfriamiento radiativo y convectivo durante la noche
- Enfriamiento directo de elementos de la envolvente. Tiene dos objetivos fundamentales, disminuir su calentamiento y reducir la transmisión de calor desde el exterior, así como crear un entorno microclimático más favorable mediante la reducción de las temperaturas y el aumento de las humedades relativas
- Torres de viento, por las que desciende el aire y circula por depósitos, estanques o pequeños recipientes llenos de agua, enfriándose al evaporarla
Enfriamiento radiante. Puede obtener una fuente de enfriamiento natural gracias a la transferencia de calor por radiación. Puede producirse mediante techos fríos, cubiertas húmedas, patios y fachadas radiantes
- Techos fríos: la superficie exterior de la cubierta radiará hacia la bóveda celeste, fundamentalmente durante la noche, enfriándose. Si se hace circular aire por ella, se conseguirá un fluido en condiciones para utilizarse para el acondicionamiento
- Cubiertas húmedas: aprovecha la radiación nocturna durante el resto del día, utilizando el agua confinada en bolsas negras y dispuestas sobre la cubierta
- Patios: El patio es un fenómeno bioclimático excepcional capaz de intervenir directa o indirectamente en el acondicionamiento de los edificios. Éste ha sido el gran descubrimiento climático de la arquitectura tradicional de los climas áridos al generar ventilación, incluso, en épocas de calma. Para que funcione eficazmente, es conveniente que en su interior se cultiven plantas y se coloque una pequeña fuente o estanque; la evaporación que originan las plantas y el agua hace descender la temperatura del patio, creando una zona de altas presiones que succiona el aire que se encuentra por encima de él. Para completar el flujo de aire, se abren ventanas o rejillas que permitan el paso del aire fresco del patio al interior de la vivienda y a continuación hacia el exterior. Además, en verano, el patio es un microclima que acondiciona el cálido aire exterior, enfriándolo y humedeciéndolo antes de conducirlo al interior de la casa. En invierno, cuando la temperatura exterior es más baja que la del patio, éste proporciona un lugar más cálido que el exterior de la vivienda.
- Fachadas radiantes: las fachadas resultan menos eficaces durante el enfriamiento por radiación, ya que no se enfrentan correctamente hacia la bóveda terrestre y es común que se encuentren con obstrucciones frente a ellas; sin embargo, se utilizan como complemento refrigerante, tanto en los muros Trombe, como en los invernaderos, manteniéndolos descubiertos durante la noche
Enfriamiento conductivo. Se produce cuando los cuerpos pierden calor por conducción, para lo que es necesario contar con superficies frías en torno a alguno de los cerramientos.
- Construcciones enterradas constituidas por muros fríos. Debido a que la temperatura del terreno está sometida a la influencia de las condiciones climáticas exteriores en las primeras decenas de metros y a la temperatura del centro de la tierra en las capas profundas. De las capas superficiales, las exteriores se ven afectadas por las variaciones diarias, mientras que las que se ubican a continuación sólo se ven perjudicadas por las variaciones anuales. Un edificio enterrado es el edificio bioclimático por excelencia, ya que se protege de las inclemencias del clima y de las fluctuaciones de temperatura y los consumos energéticos son significativamente bajos (las temperaturas son más favorables que las exteriores y estables); sin embargo, presenta un inconveniente, es difícil que se acepte un edificio que no se verá nunca
- Conductos enterrados. Se basan en aprovechar la inercia del terreno y la temperatura baja y estable que se alcanza a poca profundidad. Se hace pasar una corriente de aire durante suficiente tiempo por un conducto enterrado, con lo que ésta alcanzará la temperatura del terreno y podrá impulsarse refrigerado al interior del edificio. Tiene una serie de limitaciones, como son la necesidad de un espacio exterior, en el cual enterrar el conducto, y un ventilador, que impulse el aire a una velocidad estable
Enfriamiento convectivo. Se alcanza empleando directamente masas de aire frío. Un ejemplo es la entrada de aire en las grandes cuevas naturales que se embolsa y enfría espontáneamente y las poblaciones situadas sobre ellas, que toman ese aire frío a través de rejillas. Otro son los sistemas de enfriamiento nocturno que aprovechan, por un lado, el enfriamiento por radiación nocturna (originado por la radiación térmica de las superficies del edificio hacia el exterior) y, por otro, la menor temperatura del aire nocturno (ventilación inducida nocturna), o la combinación de ambos. Este sistema se usa para enfriar el edificio o una masa de almacenamiento térmico, de manera que estén preparados para aceptar parte del calor que se genere durante el día. La ventilación nocturna consigue el enfriamiento directo del aire, su acumulación en la masa del edificio e incluso la reducción de la sensación de calor de 2 grados centígrados (efecto de pared fría) con relación al muro convencional. Este sistema de enfriamiento nocturno puede actuar de manera combinada con el enfriamiento evaporativo y algunos de ejemplos de aplicación son:
- Patios interiores: durante la noche, los patios y las construcciones que los rodean ceden calor hacia el firmamento por radiación, enfriándose con la ayuda adicional de mecanismos de enfriamiento nocturno y evaporativo, originándose una bolsa de aire enfriado que contribuye a refrescar el propio patio y las estancias que lo rodean.
- Cubiertas inundadas: cubiertas planas en las que se acumula agua, ya sea cerrada en recipientes o abierta a modo de estanque. En verano son más efectivos los estanques o masas de agua con una cubierta impermeable y aislante. Durante la noche, se retira la cubierta impermeable y el agua se enfría absorbiendo calor del edificio. A lo largo del día, se cubre la masa de agua con una protección para minimizar el calentamiento diurno del agua. Se trata de un sistema efectivo en climas cálidos y secos con noches claras.
Sistemas activos
Después de tener un diseño pasivo optimizado, se define un diseño activo, en el que el objetivo central será definir un sistema HVAC eficiente. Hoy en día, los sistemas HVAC más eficientes de un edificio se encuentran en los sistemas de agua helada, los cuales tienen chillers, equipos de bombeo, torres de enfriamiento y unidades manejadoras de aire, entre otros. Tales sistemas han sido el estándar en edificios de grandes dimensiones y alto desempeño, debido a su capacidad de entregar niveles de aire a la temperatura deseada de forma segura, operando eficientemente cuando se encuentran bien dimensionados. Aunque, debido a los altos costos, sobre todo en edificios pequeños o medianos, se han desarrollado nuevas tecnologías alternativas. Un caso particular ha sido el de sistemas del tipo de volumen de refrigerante variable (VRF).
Los sistemas VRF son sistemas relativamente nuevos en el continente americano, a pesar de tener más de 20 años. El término volumen de refrigerante variable refiere a la capacidad del sistema de variar la cantidad de refrigerante que fluye hacia los evaporadores, lo que permite conectar a éstos últimos en distintas capacidades.
Su uso empieza a ser cada vez más popular, debido a las considerables ventajas que presenta respecto de los sistemas tradicionales de agua helada: básicamente consisten en un sistema de expansión directa de funcionamiento parecido a los minisplit, pero con una capacidad mucho mayor. Esto permite la conexión de varias unidades interiores a una sola exterior.
Al igual que los sistemas de agua helada con vigas frías, los VRF tienen la particularidad de no necesitar ductos, pues la transferencia de calor necesaria para enfriar / calentar el espacio se hace directamente con evaporadores ubicados cerca del espacio, en lugar de los sistemas convencionales que requieren mover aire, de donde surge la necesidad de tener sistema de ductos.
Un sistema VRF es muy eficiente en aplicaciones donde se requieran de varias condiciones de confort diferentes en distintos tipos de espacios. Debido a que son sistemas más pequeños y pueden subdividirse, el ahorro energético de estos sistemas es considerablemente mayor y al no requerir todo un sistema trabajando a carga plena de forma individual. Hay que considerar que no reemplazan a los sistemas de agua helada tradicional, ya que existen aplicaciones en las que no resultan tan convenientes. El chiller enfriado por agua y variador de frecuencia con bombeo variable es, en la mayoría de los casos, en edificios grandes, el sistema comercial más eficiente en la actualidad.
Asimismo, existen otras nuevas tecnologías de climatización para edificios de alto desempeño que, dependiendo de la zona climática, pueden proveer múltiples beneficios en términos de la huella de carbono del edificio.
Basándose en el tipo de clima de cada proyecto, existen diversas opciones, como sistemas de evaporadores para climas más cálidos y secos, que pueden representar ahorros significativos. En climas con bajo contenido de humedad en el aire, los sistemas de vigas frías representan ahorros en la distribución de aire y en la instalación de ductos. En zonas con alta radiación solar, los sistemas de absorción presentan potencial al generar la energía térmica para el funcionamiento del equipo a un costo más bajo de inversión, menor área de colectores solares. De manera análoga, en edificios que operan 24 / 7 pueden beneficiarse de sistemas de generación eléctrica en cogeneración, donde la energía térmica residual es utilizada para proveer la climatización.
Pero estas tecnologías no han sido adoptadas ampliamente en el mercado mexicano, por lo cual se tienen, hasta la fecha, altos costos de mantenimiento e inversión que afectan la factibilidad económica de éstos, aun con ahorros considerables de energía.
Es importante recordar que el costo mínimo de energía del sistema HVAC no lo dicta la tecnología o la dimensionamiento del equipo, sino que es un balance entre los factores que afectan su desempeño. Así como los fabricantes de equipos HVAC tuvieron que producir equipos menos eficientes al eliminar los clorofluorocarbonos como refrigerantes de trabajo, por el impacto que tenían en la capa de ozono, también el costo mínimo del sistema de HVAC lo define la cantidad de aire exterior necesaria para cumplir con la salud y bienestar de los ocupantes.
Un edificio de alto desempeño, y en particular que aspire a una certificación LEED®, no puede juzgarse únicamente por la huella de carbono del sistema HVAC del edificio, sino es una visión integral que implica analizar su impacto en la calidad de vida de los ocupantes. No obstante, un edificio de alto desempeño, con o sin certificación LEED®, tampoco puede ignorar el hecho de que en México cada MWh de energía consumida por ineficiencias en el sistema representa casi 0.7 toneladas de bióxido de carbono emitidas, las cuales tendrán un impacto en el equilibrio de todo el planeta.
[author ]Bioconstrucción y Energía Alternativa
Firma consultora líder y pionera en edificación sustentable en México. Cuenta con un equipo de Agentes de Commissioning altamente capacitado y especializado en estudios y análisis para ofrecer las mejores soluciones de sistemas pasivos y activos, adaptadas a las necesidades de cada proyecto en particular, ayudando a alcanzar las metas de eficiencia energética y llevando, en muchos casos, a obtener certificaciones como LEED en diferentes bienes inmuebles.[/author]
