Una ventana de guillotina con dos hojas que se pueden ajustar para controlar los flujos de aire y las temperaturas.
El enfriamiento ventilativo es el uso de ventilación natural o mecánica para enfriar espacios interiores. [1] El uso de aire exterior reduce la carga de refrigeración y el consumo de energía de estos sistemas, manteniendo al mismo tiempo unas condiciones interiores de alta calidad; El enfriamiento por ventilación pasiva puede eliminar el consumo de energía. Las estrategias de refrigeración por ventilación se aplican en una amplia gama de edificios y pueden incluso ser fundamentales para lograr edificios nuevos o renovados de alta eficiencia y edificios de energía cero (ZEB). [2] La ventilación está presente en los edificios principalmente por razones de calidad del aire . Se puede utilizar además para eliminar el exceso de calor, así como para aumentar la velocidad del aire y ampliar así el rango de confort térmico . [3] El enfriamiento ventilatorio se evalúa mediante índices de evaluación a largo plazo. [4] La refrigeración por ventilación depende de la disponibilidad de condiciones externas adecuadas y de las características físicas térmicas del edificio.
Fondo
En los últimos años, el sobrecalentamiento en los edificios ha sido un desafío no sólo durante la etapa de diseño sino también durante la operación. Las razones son: [5] [6]
Estándares energéticos de alto rendimiento que reducen la demanda de calefacción en climas dominados por la calefacción. Se refieren principalmente al aumento de los niveles de aislamiento y a la restricción de las tasas de infiltración .
La aparición de temperaturas exteriores más altas durante la temporada de enfriamiento, debido al cambio climático y al efecto isla de calor, no considerado en la fase de diseño.
Las ganancias de calor interno y el comportamiento de ocupación no se calcularon con precisión durante la fase de diseño (brecha en el rendimiento).
En muchos estudios de confort posteriores a la ocupación, el sobrecalentamiento es un problema frecuentemente reportado no sólo durante los meses de verano sino también durante los períodos de transición, también en climas templados.
Potenciales y limitaciones
Muchos investigadores han investigado la eficacia del enfriamiento por ventilación y se ha documentado en muchos informes de evaluaciones posteriores a la ocupación. [7] [8] [9] La eficacia de refrigeración del sistema (ventilación natural o mecánica) depende del caudal de aire que se pueda establecer, de la capacidad térmica de la construcción y de la transferencia de calor de los elementos. Durante los períodos fríos el poder refrescante del aire exterior es grande. El riesgo de corrientes de aire también es importante. Durante el verano y los meses de transición, la potencia de refrigeración del aire exterior podría no ser suficiente para compensar el sobrecalentamiento interior durante el día y la aplicación de refrigeración por ventilación se limitará sólo durante el período nocturno. La ventilación nocturna puede eliminar eficazmente las ganancias de calor acumuladas (internas y solares ) durante el día en las construcciones de los edificios . [10]
Para la evaluación del potencial de enfriamiento del lugar se han desarrollado métodos simplificados. [11] [12] [13] [14] Estos métodos utilizan principalmente información sobre las características de los edificios, índices de rango de confort y datos climáticos locales. En la mayoría de los métodos simplificados se ignora la inercia térmica .
Las limitaciones críticas para el enfriamiento ventilatorio son:
Los requisitos de refrigeración por ventilación establecidos en las normativas son complejos. Los cálculos de rendimiento energético en muchos países del mundo no consideran explícitamente la refrigeración por ventilación. Las herramientas disponibles utilizadas para los cálculos de rendimiento energético no son adecuadas para modelar el impacto y la eficacia del enfriamiento ventilatorio, especialmente mediante cálculos anuales y mensuales. [15]
Estudios de caso
Ya se han construido en todo el mundo un gran número de edificios que utilizan estrategias de refrigeración por ventilación. [16] [17] [18] La refrigeración por ventilación se puede encontrar no sólo en la arquitectura tradicional previa al aire acondicionado, sino también en edificios temporales europeos e internacionales de bajo consumo energético . Para estos edificios las estrategias pasivas son prioridad. Cuando las estrategias pasivas no son suficientes para lograr el confort, se aplican estrategias activas. En la mayoría de los casos, durante el período estival y los meses de transición se utiliza ventilación natural controlada automáticamente. Durante la temporada de calefacción, se utiliza ventilación mecánica con recuperación de calor por motivos de calidad del aire interior . La mayoría de los edificios presentan una elevada masa térmica . El comportamiento del usuario es un elemento crucial para el éxito del método.
Componentes de construcción y estrategias de control.
Los componentes constructivos de la refrigeración por ventilación se aplican en los tres niveles del diseño de edificios sensibles al clima, es decir, diseño del sitio, diseño arquitectónico e intervenciones técnicas. A continuación se presenta una agrupación de estos componentes: [1] [19]
Componentes de ventilación que guían el flujo de aire ( ventanas , claraboyas, puertas , compuertas y rejillas, ventiladores , aletas, rejillas, rejillas de ventilación con efectos especiales)
Componentes del edificio de ventilación que mejoran el flujo de aire ( chimeneas , atrios, ventiladores venturi, captadores de viento, torres y palas de viento, fachadas dobles, paredes ventiladas )
Componentes de refrigeración pasiva del edificio (componentes convectivos, componentes evaporativos, componentes de cambio de fase)
Las estrategias de control en soluciones de refrigeración por ventilación tienen que controlar la magnitud y la dirección de los flujos de aire en el espacio y el tiempo. [1] Las estrategias de control eficaces garantizan altos niveles de confort interior y un consumo mínimo de energía . Las estrategias en muchos casos incluyen el control de la temperatura y del CO 2 . [20] En muchos edificios en los que los ocupantes habían aprendido a operar los sistemas, se logró una reducción del uso de energía. Los principales parámetros de control son la temperatura operativa (aire y radiante) (tanto pico, real o promedio), ocupación, concentración de dióxido de carbono y niveles de humedad. [20] La automatización es más eficaz que el control personal. [1] El control manual o la anulación manual del control automático son muy importantes ya que afectan positivamente la aceptación y apreciación del clima interior por parte del usuario (también el costo). [21] La tercera opción es dejar el funcionamiento de las fachadas al control personal de los habitantes, pero el sistema de automatización del edificio proporciona información activa y consejos específicos.
Métodos y herramientas existentes
El diseño del edificio se caracteriza por diferentes niveles de diseño detallado. Para apoyar el proceso de toma de decisiones hacia soluciones de refrigeración por ventilación, se utilizan modelos de flujo de aire con diferente resolución. Dependiendo de la resolución de detalle requerida, los modelos de flujo de aire se pueden agrupar en dos categorías: [1]
Herramientas de modelado en etapa inicial, que incluyen modelos empíricos, modelos monozona, modelos de redes de flujo de aire bidimensionales; y
Herramientas de modelado detalladas, que incluyen modelos de redes de flujo de aire, modelos BES-AFN acoplados, modelos zonales, dinámica de fluidos computacional y modelos CFD-BES-AFN acoplados.
La literatura existente incluye revisiones de métodos disponibles para modelar el flujo de aire. [9] [22] [23] [24] [25] [26] [27]
Anexo 62 del EBC de la AIE
El Anexo 62 'refrigeración ventilativa' fue un proyecto de investigación del Programa de Energía en Edificios y Comunidades (EBC) de la Agencia Internacional de Energía (AIE), con una fase de trabajo de cuatro años (2014-2018). [28]
El objetivo principal era hacer de la refrigeración por ventilación una solución de refrigeración atractiva y energéticamente eficiente para evitar el sobrecalentamiento tanto de edificios nuevos como renovados . Los resultados del Anexo facilitan mejores posibilidades de predicción y estimación de la eliminación de calor y del riesgo de sobrecalentamiento, tanto para fines de diseño como para el cálculo del rendimiento energético. El rendimiento documentado de los sistemas de refrigeración ventilativa a través del análisis de casos de estudio tuvo como objetivo promover el uso de esta tecnología en futuros edificios convencionales y de alto rendimiento. [29]
Para cumplir el objetivo principal, el Anexo tenía los siguientes objetivos para el trabajo de investigación y desarrollo:
Desarrollar y evaluar métodos y herramientas de diseño adecuados para la predicción de la necesidad de refrigeración, el rendimiento de la refrigeración por ventilación y el riesgo de sobrecalentamiento en los edificios.
Desarrollar directrices para una reducción energéticamente eficiente del riesgo de sobrecalentamiento mediante soluciones de refrigeración por ventilación y para el diseño y funcionamiento de la refrigeración por ventilación en edificios residenciales y comerciales .
Desarrollar directrices para la integración de la refrigeración por ventilación en los métodos y regulaciones de cálculo del rendimiento energético, incluida la especificación y verificación de indicadores clave de rendimiento.
Desarrollar instrucciones para mejorar la capacidad de enfriamiento ventilativo de los sistemas existentes y para el desarrollo de nuevas soluciones de enfriamiento ventilativo, incluidas sus estrategias de control.
Demostrar el rendimiento de las soluciones de refrigeración por ventilación mediante el análisis y la evaluación de estudios de casos bien documentados.
El trabajo de investigación del Anexo 62 se dividió en tres subtareas.
La subtarea A "Métodos y herramientas" analiza, desarrolla y evalúa métodos y herramientas de diseño adecuados para predecir la necesidad de refrigeración, el rendimiento de la refrigeración por ventilación y el riesgo de sobrecalentamiento en los edificios. La subtarea también proporcionó directrices para la integración de la refrigeración por ventilación en los métodos y regulaciones de cálculo del rendimiento energético, incluida la especificación y verificación de indicadores clave de rendimiento.
La subtarea B "Soluciones" investigó el rendimiento de refrigeración de los sistemas y tecnologías de ventilación mecánica, natural e híbrida existentes y las soluciones típicas de control de confort como punto de partida para ampliar los límites de su uso. Con base en estas investigaciones, la subtarea también desarrolló recomendaciones para nuevos tipos de soluciones de enfriamiento por ventilación flexibles y confiables que crean comodidad en una amplia gama de condiciones climáticas.
La subtarea C "Estudios de casos" demostró el rendimiento del enfriamiento ventilatorio mediante el análisis y la evaluación de estudios de casos bien documentados.
^ abcde P. Heiselberg, M. Kolokotroni. "Enfriamiento ventilativo. Revisión del estado del arte". Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Aalborg, Dinamarca. 2015
^ venticool, la plataforma internacional para refrigeración ventilatoria. “¿Qué es el enfriamiento ventilatorio?”. Consultado en junio de 2018.
^ F. Nicol, M. Wilson. "Una descripción general de la norma europea EN 15251". Actas de la conferencia: Adaptación al cambio: nuevas ideas sobre la comodidad. Cumberland Lodge, Windsor, Reino Unido, 9 a 11 de abril de 2010.
^ S. Carlucci, L. Pagliano. “Una revisión de índices para la evaluación a largo plazo de las condiciones generales de confort térmico en los edificios”. Energía y Edificaciones 53:194-205 · Octubre 2012
^ AECOM “Investigación del sobrecalentamiento en viviendas”. Departamento de Comunidades y Gobierno Local, Reino Unido. ISBN 978-1-4098-3592-9 . julio 2012
^ Fundación NHBC. “Sobrecalentamiento en casas nuevas. Una revisión de la evidencia”. ISBN 978-1-84806-306-8 . 6 de diciembre de 2012.
^ H. Awbi. “Sistemas de Ventilación: Diseño y Rendimiento”. Taylor y Francisco. ISBN 978-0419217008 . 2008.
^ M. Santamouris, P. Wouters. “Ventilación de edificios: el estado del arte”. Rutledge. ISBN 978-1844071302 . 2006
^ ab F. Allard. “Ventilación natural en edificios: un manual de diseño”. Publicaciones Earthscan Ltd. ISBN 978-1873936726 . 1998
^ M. Santamouris, D. Kolokotsa. "Técnicas de disipación de enfriamiento pasivo para edificios y otras estructuras: el estado del arte". Energía y Edificación 57: 74-94. 2013
^ C. Ghiaus. "Potencial de free-cooling mediante ventilación". Energía Solar 80: 402-413. 2006
^ N. Artmann, P. Heiselberg. "Potencial climático para la refrigeración pasiva de edificios mediante ventilación nocturna en Europa". Energía Aplicada. 84 (2): 187-201. 2006
^ A. Belleri, T. Psomas, P. Heiselberg, por. "Herramienta de evaluación del potencial climático para la refrigeración ventilativa". 36º Congreso AIVC "Ventilación efectiva en edificios de altas prestaciones", Madrid, España, 23-24 de septiembre de 2015. p 53-66. 2015
^ R. Yao, K. Steemers, N. Baker. "Método estratégico de diseño y análisis de ventilación natural para refrigeración estival". Construir tecnología de resolución de ingeniería de servicio. 26 (4). 2005
^ M. Kapsalaki, FR Carrié. "Resumen de las disposiciones para la refrigeración por ventilación dentro de ocho normativas europeas de eficiencia energética de edificios". venticool, la plataforma internacional para el enfriamiento ventilatorio. 2015.
^ P. Holzer, T. Psomas, P. O'Sullivan. "Base de datos internacional de aplicaciones de refrigeración por ventilación". CLIMA 2016: Actas del 12.º Congreso Mundial REHVA, 22-25 de mayo de 2016, Aalborg, Dinamarca. 2016
^ venticool, la plataforma internacional para refrigeración ventilatoria. “Base de datos de aplicaciones de refrigeración por ventilación”. Consultado en junio de 2018.
^ P. O'Sullivan, A. O'Donovan. Estudios de casos de refrigeración ventilativa. Universidad de Aalborg, Dinamarca. 2018
^ P. Holzer, T. Psomas. Libro de consulta sobre refrigeración ventilativa. Universidad de Aalborg, Dinamarca. 2018
^ ab P. Heiselberg (ed.). “Guía de diseño de refrigeración por ventilación”. Universidad de Aalborg, Dinamarca. 2018
^ RG de querido, GS Brager. "Confort térmico en edificios con ventilación natural: revisiones a la norma ASHRAE 55". Energía y Edificación. 34 (6).2002
^ M. Caciolo, D. Marchio, P. Stabat. "Estudio de los enfoques existentes para evaluar y diseñar la ventilación natural y la necesidad de futuros desarrollos" 11ª Conferencia Internacional IBPSA, Glasgow. 2009.
^ P. Chen. "Predicción del rendimiento de la ventilación para edificios: descripción general del método y aplicaciones recientes". Construcción y Medio Ambiente, 44(4), 848-858. 2009
^ A. Delsante, TA Vik. "Ventilación híbrida: revisión del estado del arte", Anexo 35 de IEA-ECBCS. 1998.
^ J. Zhai, M. Krarti, MH Johnson. "Evaluar e implementar modelos de ventilación natural e híbrida en simulaciones energéticas de edificios completos", Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, Universidad de Colorado, ASHRAE TRP-1456. 2010.
^ A. Foucquier, S. Robert, F. Suard, L. Stéphan, A. Jay. "Lo último en modelado de edificios y predicción del rendimiento energético: una revisión", Reseñas de energías renovables y sostenibles, vol. 23. págs. 272-288. 2013.
^ J. Hensen "Simulación integrada del flujo de aire del edificio". Simulación de construcción avanzada. págs. 87-118. Taylor y Francisco. 2004
^ Programa de energía en edificios y comunidades de la Agencia Internacional de Energía, "EBC Anexo 62 Ventilative Cooling Archivado el 17 de marzo de 2016 en Wayback Machine ", obtenido en junio de 2018
^ venticool, la plataforma internacional para refrigeración ventilatoria. “Sobre el Anexo 62”. Consultado en junio de 2018.
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