Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- David Mencías Carrizosa, Investigador, ETSAM – UPM
- Margarita Arroba Fernández, Profesora Titular, IE Universidad
- José Antonio Meneses Navarro, Investigador, ETSAM – UPM
- Jorge de Andrés Marcos, Profesor Asociado, IE Universidad
Resumen
La optimización en el gasto energético depende de múltiples parámetros que el usuario o propietario desconoce en gran medida. Algunos de ellos, dependen de características constructivas del edificio así como de su régimen de usos, que están perfectamente definidas. Otras variables son de carácter higrotérmico así como climáticas, que pueden ser conocidas en tiempo real. La combinación ellas, junto con las características de los equipos productores, permite prever el momento óptimo para la realizar la producción de energía para climatización o calefacción. Se presentan las bases para la obtención de un algoritmo que determine el horario óptimo de funcionamiento de los equipos para reducir el gasto de la energía y asimismo su coste económico.
Introducción
Dependiendo del tipo de instalación térmica de que esté dotado un local, ésta debe conectarse un determinado tiempo antes de que comience el uso del local para que éste haya alcanzado el confort en ese momento, pero es difícil, sobre todo para un profano, estimar cuanto tiempo antes del uso debe procederse a la puesta en marcha de la instalación. Asimismo, determinadas instalaciones tienen suficiente inercia térmica para permitir su desconexión antes de finalizar el periodo de uso del local y seguir manteniendo el confort en el mismo el tiempo suficiente para concluir el periodo de utilización.
En momentos de abundancia energética, podría estimarse en exceso ese tiempo para estar seguros de alcanzar y mantener el confort, pero en estos momentos en que el ahorro energético es crítico, el ajuste de los tiempos debería ser también lo más exacto posible, por lo que nuestro grupo de investigación está intentando desarrollar un algoritmo que pueda estimar en cualquier situación los momentos óptimos de conexión y desconexión de las instalaciones térmicas.
Como primer paso para el desarrollo de dicho algoritmo, se han establecido los parámetros que se deben contemplar en el mismo, que son los que pretenden incluirse en esta comunicación.
Cuando se dice que una instalación térmica debe “entrar en régimen” antes de alcanzar su eficacia, la mayor parte de los técnicos analizan únicamente la propia instalación térmica, pero deben incluirse asimismo otra serie de parámetros relacionados con el uso y el sistema constructivo del edificio.
Como primera opción debemos analizar las variables que intervienen en el confort térmico, para después analizar las variables de la posible instalación térmica.
Variables de Confort Térmico
Debemos tener en consideración las siguientes variables:
- Temperatura Operativa.
- Humedad Relativa.
- Calidad del aire.
- Velocidad del aire en la zona ocupada.
- Presión diferencial entre diversas zonas del edificio.
- Nivel metabólico o de actividad.
- Características del vestido.
Sobre estas variables hay que indicar que en la primera es muy importante considerar el uso del edificio y el sistema constructivo, así como el tipo de instalación (convectiva o radiante), resultando además afectada por el nivel metabólico ocasionado por el grado de actividad en el local y por las características de la vestimenta, mientras que en las demás hay que analizar detenidamente el sistema de ventilación.
En condiciones de confort, la temperatura operativa es aproximadamente la media aritmética entre la temperatura seca del aire y la temperatura media radiante de los cerramientos. Si ambas temperaturas difieren en más de 3ºC puede darse disconfort, aunque también puede ser beneficioso ya que los paramentos calientes en invierno o frescos en verano permitirán ponderar al temperatura seca que debe mantenerse para el confort (en función de qué paramento se trate).
Si los trasdosados interiores (desde la capa de aislamiento térmico hacia el interior, siempre que dicho aislamiento térmico esté correctamente dimensionado, ya que en caso contrario habrá que considerar la totalidad del espesor del cerramiento) son de alta inercia térmica, deberá invertirse energía y tiempo en calentarlos o enfriarlos. Si el uso del edificio es continuado, esta inversión no será elevada, ya que sólo se efectuará en pocas ocasiones al año, pero si es intermitente, deberá realizarse cada vez que se encienda la instalación térmica por primera vez en cada uso.
Obviamente, según la capacidad calorífica y la inercia térmica de los materiales utilizados en el trasdosado, el calor o frío se mantendrá más o menos tiempo tras desconectar dicha instalación térmica, por lo que deberá preverse su desconexión un cierto tiempo antes de cesar el uso del local, tiempo variable en función de dicha inercia y dicha capacidad térmica, es decir, en función del material y el espesor del trasdosado. También habrá que considerar el tiempo de intermitencia del uso de la instalación térmica, ya que, si los cerramientos presentan alta inercia térmica, no se tardará lo mismo en alcanzar el régimen tras un periodo sin uso de pocas horas que tras un periodo de días o semanas.
A este respecto, puede ser muy interesante considerar el uso de PCMs (materiales de cambio de fase), aunque su actual precio y los problemas de inflamabilidad que presentan los hace casi inviables en la mayor parte de los casos.
Asimismo, la alta inercia térmica de la cara interior de los cerramientos, prolongará el tiempo en que la temperatura media radiante se mantiene dentro de los márgenes del confort, incluso después de la desconexión de la instalación térmica, lo que nos permitirá adelantar dicha desconexión a la finalización del uso del local.
También habrá que verificar la temperatura radiante de los paramentos acristalados y la radiación solar directa que penetra a través de ellos que puede hacerlos funcionar como paramentos radiantes fríos o calientes. Asimismo, debe analizarse si el tipo y grosor de la vestimenta habitual en el local afecta al intercambio radiante con los paramentos del mismo, ya que podría modificarse la importancia de la temperatura media radiante.
Por el contrario un incremento de la actividad metabólica significaría que se necesitaría menor temperatura seca en el local, por lo que se incrementaría el tiempo de puesta a régimen de una instalación de refrigeración y se decrementaría dicho tiempo en una instalación de calefacción. Las variaciones de humedad relativa son percibidas por los seres humanos como variaciones de temperatura, según demostraron los experimentos de Fanger, pero deben darse oscilaciones considerables para causar un grado determinante de disconfort.
Para garantizar la humedad relativa y la calidad del aire se usa la ventilación, con la que se juega para permitir presiones diferenciales entre las diversas áreas del edificio (las zonas más contaminadas deben estar depresionadas con respecto a las más limpias), sin embargo, los caudales mínimos fijados por la normativa pueden suponer un despilfarro energético en los periodos en que –por falta de uso o por realizar actividades con poca emisión de contaminantes– exceden a los necesarios. Hoy en día en que el valor de las sondas de calidad del aire y de humedad es reducido es absurdo no actuar sobre estos caudales adecuándolos a lo estrictamente necesario. Para esto no es necesario tiempo, ya que la respuesta de la instalación de ventilación puede ser lo suficientemente rápida como para efectuarlo en tiempo real.
Por el contrario, en climas cálidos, estos caudales son manifiestamente insuficientes para realizar una refrigeración con ventilación cruzada diurna o enfriamiento nocturno y la disposición de las aperturas de entrada y salida de aire tampoco es la más adecuada. Igual ocurre con la velocidad del aire dentro de la zona ocupada, que –en caso de refrigeración por ventilaciones cruzadas– deberá incrementarse considerablemente con respecto a lo recomendado para la ventilación utilizada estrictamente para garantizar la calidad del aire.
Obviamente, si no existe un problema de humedad relativa o calidad del aire en el local vacío, debería anularse la ventilación hasta que comience el uso del local ya que su existencia únicamente contribuirá a prolongar el tiempo necesario para alcanzar el confort. La temperatura exterior sólo afectará si existe ventilación, si existen paramentos acristalados (tanto más cuanto mayores sean estos paramentos) o si el aislamiento térmico es incorrecto. Dado que la existencia de paramentos acristalados es casi universal en locales ocupados, es un dato que sin duda deberá incluirse en el algoritmo.
La velocidad del aire en la zona ocupada, en principio, no afecta al tiempo necesario para la puesta a régimen de un local bien climatizado e igual sucede con la presión diferencial necesaria para evitar que la contaminación se extienda de una zona más contaminada a otra menos contaminada, aunque en pocos casos, podría necesitarse un tiempo para evacuar las posibles filtraciones de contaminación generadas por la ausencia de ventilación, pero su incidencia en el algoritmo puede considerarse, en principio, despreciable.
Variables de la instalación térmica
Debemos controlar las siguientes variables:
- Tipo de instalación (fundamentalmente si es convectiva o radiante).
- Temperatura de operación.
- Inercia térmica de la instalación.
Las instalaciones de tipo convectivo actúan fundamentalmente sobre la temperatura seca del aire, mientras que las radiantes actúan en primer lugar sobre la temperatura media radiante, por lo que su puesta a régimen es más lenta que en las primeras. Cuanto más alta sea la temperatura de operación tanto más se tardará en alcanzarla en todos los puntos de la misma.
De igual manera, si la instalación presenta una alta inercia térmica, tanto en sus elementos terminales (como por ejemplo con utilización de radiadores de fundición en lugar de los de aluminio o con un suelo radiante con gran grosor de mortero sobre las tuberías, frente a un suelo radiante de los denominados “mini” con un espesor mínimo de mortero sobre las tuberías) como en el trazado de tuberías, grandes circuitos, incorporación de depósitos de inercia, etc., tardará más tiempo en adquirir el régimen y conservará más tiempo un alto calor residual, por lo que deberá conectarse bastante antes de comenzar el uso del local y desconectarse algún tiempo antes de su finalización si buscamos una correcta eficiencia energética.
Conclusiones
Analizando los anteriores aspectos, vemos que los parámetros que deben considerarse para la realización de un algoritmo que permita estimar el tiempo necesario para la entrada a régimen de una instalación térmica son muy superiores a los que comprende la propia instalación térmica e incluyen:
- Temperatura seca exterior.
- Temperatura Operativa interior, con especial atención al componente radiante de la misma.
- Humedad Relativa interior y exterior.
- Calidad del aire.
- Nivel metabólico o de actividad a desarrollar en el local.
- Características del vestido a utilizar en el local.
- Características constructivas de los paramentos del local, incluyendo su inercia térmica y capacidad calorífica, así como la existencia o no de paramentos acristalados, su tamaño y orientación.
- Intermitencia en el uso del local.
- Tipo de instalación.
- Temperatura de operación.
- Inercia térmica de la instalación.
Y podemos concluir que los aspectos más críticos en la consideración de los tiempos de conexión y desconexión de una instalación térmica son fundamentalmente los que afectan a la temperatura radiante y a la inercia térmica tanto de la instalación como del edificio, incluyendo en los mismos tanto los que corresponden a la instalación –tipo de instalación e inercia térmica de los mismos– como los que corresponden al local objeto de la misma –intermitencia en su uso, características constructivas de sus cerramientos y existencia de paramentos acristalados–, siendo estos últimos normalmente más determinantes que los primeros en la necesidad de tiempo previo de conexión, excepto en los casos en que la instalación consigue modificar la temperatura de grandes zonas y prolongarla en el tiempo, como ocurre con los suelos radiantes o los techo fríos de alta inercia, en los que se prolonga considerablemente el tiempo necesario para la puesta a régimen del local, pero que permiten también la desconexión de la instalación bastante antes de finalizar el periodo de uso de dicho local.