Una ventana de guillotina con dos hojas que se pueden ajustar para controlar los flujos de aire y las temperaturas.
La refrigeración ventilatoria 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 condiciones interiores de alta calidad; la refrigeración ventilatoria pasiva puede eliminar el consumo de energía. Las estrategias de refrigeración ventilatoria se aplican en una amplia gama de edificios e incluso pueden ser fundamentales para lograr edificios renovados o nuevos 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 adicionalmente para eliminar tanto las ganancias de calor en exceso como para aumentar la velocidad del aire y, por lo tanto, ampliar el rango de confort térmico . [3] La refrigeración ventilatoria se evalúa mediante índices de evaluación a largo plazo. [4] La refrigeración ventilatoria depende de la disponibilidad de condiciones externas apropiadas y de las características físicas térmicas del edificio.
Fondo
En los últimos años, el sobrecalentamiento de los edificios ha sido un problema no solo durante la etapa de diseño sino también durante la operación. Las razones son: [5] [6]
Estándares de alto rendimiento energético que reducen la demanda de calefacción en climas donde predomina la calefacción. Se refieren principalmente al aumento de los niveles de aislamiento y 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 de isla de calor, no se consideraron en la fase de diseño.
Las ganancias de calor internas y el comportamiento de ocupación no se calcularon con precisión durante la fase de diseño (brecha en el rendimiento).
En muchos estudios de confort post-ocupación, el sobrecalentamiento es un problema que se informa con frecuencia no sólo durante los meses de verano, sino también durante los períodos de transición, incluso en climas templados.
Potenciales y limitaciones
La efectividad de la refrigeración ventilatoria ha sido investigada por muchos investigadores y ha sido documentada en muchos informes de evaluaciones posteriores a la ocupación. [7] [8] [9] La efectividad de la refrigeración del sistema (ventilación natural o mecánica) depende del caudal de aire que se pueda establecer, la capacidad térmica de la construcción y la transferencia de calor de los elementos. Durante los períodos fríos, el poder de enfriamiento 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 puede no ser suficiente para compensar el sobrecalentamiento en interiores durante el día y la aplicación de la refrigeración ventilatoria estará limitada solo durante el período nocturno. La ventilación nocturna puede eliminar de manera efectiva las ganancias de calor acumuladas (internas y solares ) durante el día en las construcciones de edificios . [10]
Para la evaluación del potencial de refrigeración de la ubicación se han desarrollado métodos simplificados. [11] [12] [13] [14] Estos métodos utilizan principalmente información sobre las características del edificio, 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 la refrigeración ventilatoria son:
Los requisitos de refrigeración ventilada en las reglamentaciones son complejos. Los cálculos de rendimiento energético en muchos países del mundo no consideran explícitamente la refrigeración ventilada. Las herramientas disponibles que se utilizan para los cálculos de rendimiento energético no son adecuadas para modelar el impacto y la eficacia de la refrigeración ventilada, especialmente a través de cálculos anuales y mensuales. [16]
Estudios de caso
En todo el mundo ya se han construido numerosos edificios que utilizan estrategias de refrigeración ventilatoria. [17] [18] [19] La refrigeración ventilatoria no solo se encuentra 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 prioritarias. Cuando las estrategias pasivas no son suficientes para lograr el confort, se aplican estrategias activas. En la mayoría de los casos, durante el período de verano y los meses de transición, se utiliza la ventilación natural controlada automáticamente . Durante la temporada de calefacción, se utiliza la ventilación mecánica con recuperación de calor por razones 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 de construcción de la refrigeración ventilatoria se aplican en los tres niveles de 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] [20]
Componentes de ventilación que guían el flujo de aire ( ventanas , tragaluces, puertas , compuertas y rejillas, ventiladores , aletas, rejillas de ventilación, respiraderos de efectos especiales)
Componentes de ventilación que mejoran el flujo de aire en edificios ( chimeneas , atrios, ventiladores Venturi, captadores de viento, torres y tomas de aire, fachadas dobles, paredes ventiladas )
Componentes pasivos de refrigeración de edificios (componentes convectivos, componentes evaporativos, componentes de cambio de fase)
Las estrategias de control en las soluciones de refrigeración ventilatoria tienen que controlar la magnitud y la dirección de los flujos de aire en el espacio y el tiempo. [1] Las estrategias de control efectivas garantizan altos niveles de confort interior y un consumo mínimo de energía . En muchos casos, las estrategias incluyen el control de la temperatura y el CO2 . [ 21] 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 (del aire y radiante) (tanto la máxima, real o media), la ocupación, la concentración de dióxido de carbono y los niveles de humedad. [21] La automatización es más efectiva que el control personal. [1] El control manual o la anulación manual del control automático son muy importantes, ya que afectan positivamente a la aceptación y apreciación del clima interior por parte del usuario (también al coste). [22] La tercera opción es que el funcionamiento de las fachadas se deje al control personal de los habitantes, pero el sistema de automatización del edificio proporciona una retroalimentación activa y consejos específicos.
Métodos y herramientas existentes
El diseño de edificios se caracteriza por diferentes niveles de detalle. Para respaldar el proceso de toma de decisiones en cuanto a soluciones de refrigeración ventilatoria, se utilizan modelos de flujo de aire con diferentes resoluciones. Según la resolución de detalle requerida, los modelos de flujo de aire se pueden agrupar en dos categorías: [1]
Herramientas de modelado de 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 los métodos disponibles para el modelado del flujo de aire. [9] [23] [24] [25] [26] [27] [28]
Anexo 62 del EBC de la AIE
El Anexo 62, «refrigeración ventilatoria», 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). [29]
El objetivo principal era hacer de la refrigeración ventilatoria una solución de refrigeración atractiva y energéticamente eficiente para evitar el sobrecalentamiento de los edificios nuevos y renovados . Los resultados del Anexo facilitan mejores posibilidades de predicción y estimación de la eliminación de calor y el riesgo de sobrecalentamiento, tanto para fines de diseño como para el cálculo del rendimiento energético. El rendimiento documentado de los sistemas de refrigeración ventilatoria a través del análisis de estudios de casos tenía como objetivo promover el uso de esta tecnología en futuros edificios convencionales y de alto rendimiento. [30]
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 refrigeración ventilatoria y el riesgo de sobrecalentamiento en edificios.
Desarrollar directrices para una reducción energéticamente eficiente del riesgo de sobrecalentamiento mediante soluciones de refrigeración ventilatoria y para el diseño y funcionamiento de refrigeración ventilatoria en edificios residenciales y comerciales .
Desarrollar directrices para la integración de la refrigeración ventilatoria en los métodos y regulaciones de cálculo del rendimiento energético, incluyendo la especificación y verificación de indicadores clave de rendimiento.
Desarrollar instrucciones para la mejora de la capacidad de enfriamiento ventilatorio de los sistemas existentes y para el desarrollo de nuevas soluciones de enfriamiento ventilatorio, incluidas sus estrategias de control.
Demostrar el rendimiento de las soluciones de enfriamiento ventilatorio a través del 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 las necesidades de refrigeración, el rendimiento de la refrigeración ventilada y el riesgo de sobrecalentamiento en los edificios. La subtarea también proporcionó directrices para la integración de la refrigeración ventilada en los métodos de cálculo y la reglamentación del rendimiento energético, incluidas 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 del confort como punto de partida para ampliar los límites de su uso. Basándose en estas investigaciones, la subtarea también desarrolló recomendaciones para nuevos tipos de soluciones de refrigeración ventilatoria flexibles y fiables que generen confort en una amplia gama de condiciones climáticas.
La subtarea C “Estudios de casos” demostró el rendimiento del enfriamiento ventilatorio a través del análisis y la evaluación de estudios de casos bien documentados.
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