31
Enero
2021

Modo de funcionamiento de los edificios: mecánico, pasivo y mixto

Una decisión importante, cuando desarrollamos el modelo de un edificio para evaluar su desempeño energético y ambiental, es sobre si considerar su funcionamiento en modo mecánico, pasivo o mixto. Esta decisión afectará en gran medida las opciones y los datos del modelo, así como el tipo de resultados que deberíamos evaluar. Además, debemos tener en cuenta que una solución arquitectónica que resulta óptima con un modo de funcionamiento no necesariamente es la óptima con otro. Por ejemplo, es posible que un elevado nivel de masa térmica tenga mayor impacto cuando el edificio funciona en modo pasivo que cuando lo hace en modo mecánico. Algo similar sucede con la distribución y posición de las aberturas (tanto internas como externas): su efecto en los patrones de ventilación natural será importante cuando el edificio funcione en modo pasivo o mixto, pero no cuando funcione en modo mecánico.

A veces la selección del modo de funcionamiento resulta un tanto difícil, pues no tenemos certeza absoluta sobre cómo se usará el edificio durante su vida útil. Por ejemplo, hay edificios que fueron diseñados para funcionar en modo pasivo, pero los propietarios terminan implementando sistemas mecánicos de climatización. O bien, hay edificios que se diseñan para funcionar principalmente en modo mecánico, pero los usuarios dejan las ventanas abiertas mientras los sistemas mecánicos están activos, lo que puede generar importantes derroches energéticos. Estos problemas tienen que ver más con la operación del edificio, pero es importante tenerlos en cuenta desde la etapa de diseño. Por ejemplo, si el funcionamiento en modo pasivo no garantiza condiciones de confort todo el tiempo, quizá es mejor dejar las preparaciones pertinentes para que se pueda instalar algún sistema mecánico en caso de que se requiera.

En los siguientes apartados trataremos de definir estos tres modos de funcionamiento, centrándonos en su aplicación en el campo del modelado energético.


Modo mecánico

Con el funcionamiento en modo mecánico se asume que durante los periodos ocupados las condiciones de confort internas serán logradas exclusivamente por medio de sistemas mecánicos de climatización. Estos sistemas incluyen la ventilación mecánica y, dependiendo de la zona climática y las características del edificio, equipos de calefacción y/o refrigeración.

Un criterio de modelado típico es que la ventilación mecánica introduce aire exterior para conseguir las tasas de renovación requeridas (con el objeto de mantener una adecuada calidad del aire), mientras que la calefacción y la refrigeración se activan solo cuando la temperatura interior sobrepasa unas consignas prestablecidas. Por ejemplo, que la calefacción se enciende cuando la temperatura interior baja de 21 ºC, tratando de mantener esa temperatura, en tanto que la refrigeración se enciende cuando la temperatura interior supera los 25 ºC. Cuando la temperatura interior está entre las dos consignas, lo que se puede denominar rango de confort, ninguno de los dos sistemas se activa. Así, desde el punto de vista energético el principal objetivo de diseño es que el edificio se mantenga el mayor tiempo posible dentro del rango de confort para reducir al mínimo el uso de los sistemas de calefacción y refrigeración.

Los principales indicadores para evaluar el desempeño de los edificios en modo mecánico son las demandas y los consumos energéticos, aunque cada vez es más común considerar también las emisiones de carbono y los costos asociados a los consumos. Sin embargo, es importante tener en cuenta un hecho que sucede tanto en la vida real como en los modelos de simulación (cuando estos son suficientemente realistas): mantener unas estrictas condiciones de confort siempre y en todos los espacios del edificio resulta más difícil de lo que se suele asumir. En ese sentido, los programas de simulación más avanzados también permiten evaluar las condiciones ambientales conseguidas por los sistemas mecánicos, por ejemplo calculando el número de horas de disconfort con base en el método gráfico para edificios climatizados del estándar ASHRAE 55.

Nota: Se suele pensar que instalar sistemas de climatización en los edificios garantizará que estos tengan siempre estrictas condiciones de confort. Pero en la vida real eso es más difícil de lo que parece, ya sea por deficiencias en el diseño del edificio y/o de los propios sistemas, o bien por desajustes entre los requerimientos de los ocupantes y los elementos de control de los sistemas.

Hay dos grandes aproximaciones para modelar los sistemas de climatización, que podemos definir como simple y detallada. Prácticamente todos los programas de simulación energética de edificios incluyen la primera opción, pero solo los más avanzados y completos ofrecen también la segunda. Veamos cuales son las diferencias entre ambas.

Aproximación simple

En la aproximación simple los sistemas de climatización no se modelan de manera explícita, sino que los programas de simulación se limitan a calcular las demandas energéticas del edificio, es decir, los requerimientos de ventilación, calefacción y refrigeración. Un ejemplo destacado de esta aproximación es el método Cargas Ideales (IdealLoads) de EnergyPlus, denominado así porque se asume que hay un sistema “ideal” que es capaz de cubrir las cargas de climatización requeridas por el edificio para mantener adecuadas condiciones de confort.

Algunos programas, como DesignBuilder, permiten luego dividir las demandas calculadas por coeficientes de desempeño estacionales (SCOP, SEER), con el objeto de estimar de manera aproximada los consumos energéticos asociados a los sistemas de climatización. Esos coeficientes de desempeño generalmente se pueden tomar de la información proporcionada por los fabricantes de equipos de calefacción y refrigeración (ver nota más abajo).

Por su propia naturaleza, la aproximación simple no nos permite comparar diferentes sistemas de climatización entre sí. Sin embargo, al calcular las demandas energéticas del edificio teniendo en cuenta el clima, las características geométricas y constructivas, las condiciones de uso y las necesidades de confort, representa una excelente alternativa para evaluar el impacto energético y ambiental de diferentes estrategias y soluciones de diseño arquitectónico. En otras palabras, si solo estamos interesados en la parte “arquitectónica” del desempeño energético y ambiental del edificio, la aproximación simple suele ser suficiente, sobre todo en las etapas iniciales del proyecto.

NOTA SOBRE LOS COEFICIENTES DE DESEMPEÑO:

Hace algunos años, para caracterizar la eficiencia de los sistemas de calefacción y refrigeración se empleaba el Coeficiente de Desempeño, también conocido como Coeficiente de Rendimiento (Coefficient of Performance, COP), y el Factor de Eficiencia Energética (Energy Efficiency Ratio, EER), respectivamente. Estos indicadores expresan cuantos kW de energía térmica, ya sea calor o frío, nos dará el equipo por cada kW de energía consumida, y se calculan de la siguiente manera:

COP = Potencia calorífica / Potencia consumida por el sistema de calefacción

EER = Potencia frigorífica / Potencia consumida por el sistema de refrigeración

Por ejemplo, si la potencia térmica aportada por el equipo es igual a la potencia consumida, el COP/EER es de 1.0, mientras que si el equipo consume 2.4 kW de energía y aporta 6.8 kW de energía térmica el COP/EER es de 3.2 (6.8 / 2.4 = 3.2).

El gran problema con estos indicadores es que usan valores instantáneos y consideran el funcionamiento de los equipos exclusivamente con carga completa (100% de su capacidad), sin tener en cuenta aspectos como su funcionamiento con cargas parciales. Ante esa situación, en los últimos años se ha optado por sustituirlos por el Coeficiente de Desempeño Estacional (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP) y el Factor de Eficiencia Energética Estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio, SEER):

SCOP = Energía calorífica aportada / Energía consumida por el sistema de calefacción

SEER = Energía frigorífica aportada / Energía consumida por el sistema de refrigeración

El SCOP y el SEER se calculan para periodos específicos (por ejemplo el inverno, el verano o el año completo), teniendo en cuenta aspectos como los consumos cuando el equipo está apagado o en espera; el funcionamiento con carga total y cargas parciales (por ejemplo 100%, 74%, 47% y 21% de la potencia nominal); y el uso de energía complementaria. Así, por ejemplo, si durante todo el verano un equipo de refrigeración cubre una demanda de 47,000 kWh y consume 16,000 kWh de energía eléctrica, entonces tiene un SEER de 2.94.

Aunque no son indicadores perfectos, pues puede haber diferencias importantes respecto al desempeño de los sistemas en edificios reales, el SCOP y el SEER son ampliamente reconocidos como mejores que sus antecesores. Algunos programas de simulación, como DesignBuilder (donde se usa el término genérico CoP), permiten emplear estos indicadores para calcular los consumos asociados a los sistemas de climatización a partir de las demandas energéticas. Por ejemplo, si sabemos que el SCOP de un sistema de calefacción con bomba de calor es de 2.3, y durante el invierno calculamos una demanda de calor de 28,000 kWh, entonces podemos asumir un consumo de energía eléctrica de 12,174 kWh.

Aproximación detallada

La aproximación detallada implica modelar de manera explícita los sistemas de climatización, incluyendo sus componentes principales, como enfriadoras, calderas, baterías de calor y frío, ventiladores, bombas y elementos de control. Este nivel de detalle nos permite modelar los sistemas HVAC existentes en el mercado, e incluso, con programas como EnergyPlus y TRNSYS, modelar sistemas avanzados y/o experimentales.

Esta aproximación es indispensable cuando, además de evaluar las características arquitectónicas de los edificios, requerimos cumplir objetivos como los siguientes:

  • Predecir con mayor precisión los consumos energéticos asociados a los sistemas de climatización.
  • Comparar la eficiencia energética de diferentes sistemas HVAC, por ejemplo un sistema basado en unidades terminales de aire acondicionado contra un sistema de caudal de aire variable (VAV) con unidad central de tratamiento de aire.
  • Evaluar diferentes estrategias de control para optimizar el funcionamiento del sistema de climatización y su acople con el edificio.
  • Estimar los beneficios de implementar energías renovables acopladas a los sistemas de climatización, por ejemplo solar fotovoltaica, solar térmica, eólica o geotérmica.

DesignBuilder HVAC Detallado Fan Coil

Figura 1. Ejemplo de interfaz para definir sistemas HVAC detallados (DesignBuilder).

Dado que la definición de los sistemas HVAC es por naturaleza compleja, debido a la cantidad de componentes involucrados, las relaciones entre ellos y las numerosas especificaciones técnicas requeridas, resulta fundamental usar programas de simulación que faciliten esa tarea mediante interfaces amigables. Es lo que ofrecen actualmente programas como TRNSYS, DesignBuilder, IESVE y OpenStudio.


Modo pasivo

En las simulaciones en modo pasivo se asume que el edificio no cuenta con sistemas mecánicos de climatización, por lo que el confort se debe conseguir solo mediante los recursos naturales disponibles en el sitio. Eso suele involucrar la implementación de una o más estrategias de diseño pasivo como las siguientes:

  • El calentamiento solar pasivo, que implica el aprovechamiento de la radiación solar para calentar los espacios internos durante los periodos fríos.
  • La ventilación natural, que implica el uso del aire exterior para enfriar los espacios internos y lograr adecuadas condiciones de confort durante los periodos cálidos.
  • El control solar, que implica un cuidadoso diseño de la geometría del edificio, así como el uso de dispositivos de sombreado, para evitar el sobrecalentamiento de los espacios internos.

La eficiencia de esas estrategias, sobre todo las dos primeras, suele requerir una adecuada definición de los niveles de aislamiento y masa térmica, además de otras consideraciones de diseño. Por ejemplo, de poco sirve tener buenas ganancias solares si no podemos retenerlas debido a un pobre aislamiento.

Nota: Algunos autores hablan de edificios semi-pasivos, los cuales no cuentan con sistemas mecánicos de calefacción y refrigeración pero usan componentes mecánicos auxiliares. Un ejemplo sería el uso de ventiladores para mover el aire calentado en un invernadero hacia los espacios habitables del edificio.

A diferencia de los programas que pueden simular edificios en modo mecánico, el número de los que pueden simular de manera detallada y precisa el desempeño de los edificios pasivos se reduce notablemente. Un aspecto crucial es que sean capaces de modelar la ventilación natural y su efecto en el desempeño energético y ambiental de los edificios.

Uno de los motores de simulación más reconocidos al respecto es EnergyPlus, que incluye el modelo Airflow Network. Este permite simular los flujos de aire a través de aberturas (ventanas, puertas, rejillas, grietas) en edificios con múltiples zonas, considerando las presiones generadas por la velocidad y dirección del viento, así como por la posición y orientación de las aberturas. También es capaz de considerar el “efecto chimenea” producido por el aumento de la temperatura del aire. Como muestra la Figura 2, el modelo Airflow Network se basa en nodos que representan las condiciones exteriores, las zonas térmicas internas y las aberturas. Aunque no es capaz de predecir los flujos de aire y las condiciones ambientales en diferentes puntos del espacio, como hacen los programas CFD, el modelo Airflow Network es suficientemente potente para evaluar de manera detallada el efecto de la ventilación natural en los edificios.

EnergyPlus Airflow Network

Figura 2. Esquema conceptual del modelo Airflow Network implementado por EnergyPlus.

Además del modelado de la ventilación natural, para evaluar correctamente el desempeño de edificios pasivos es necesario que los programas de simulación ofrezcan otras funciones importantes, entre las que podemos señalar las siguientes:

  • Calcular la transferencia de calor y humedad propiciada por el intercambio de aire entre zonas, así como entre éstas y el exterior.
  • Además de la transmisión de calor por conducción, considerar los fenómenos radiantes y convectivos que afectan las temperaturas superficiales, las condensaciones y las condiciones de confort.
  • Incluir el efecto de la masa térmica en las condiciones ambientales interiores, tanto en el corto como en el mediano y largo plazo.
  • Modelar de manera dinámica los intercambios térmicos entre el edificio y el terreno, especialmente cuando se evalúa edificios que tratan de sacar provecho de la masa térmica proporcionada por este último.
  • Modelado avanzado de las ventanas y otras aberturas, incluyendo el control de su apertura, dispositivos de sombreado ajustables (manual o automáticamente) y sistemas de acristalamiento complejos.

Respecto a la evaluación del desempeño de los edificios pasivos, dado que no hay consumos energéticos asociados a sistemas mecánicos de climatización, en este caso se suele considerar los niveles de confort logrados: un edificio pasivo tendrá un buen desempeño si consigue adecuadas condiciones de confort durante los periodos en los que se encuentra ocupado. Para ello se suele emplear indicadores como los siguientes:

a) El número de horas por arriba o por debajo de unas temperaturas fijas. Por ejemplo, la Guía A de CIBSE establece que los espacios de oficinas y escuelas, así como las áreas de estar de las viviendas, no deben tener más del 1% de las horas ocupadas durante el año con temperaturas operativas de más de 28 ºC. Un limite similar establece para los dormitorios, pero considerando un límite de 26 ºC.

b) El número de horas en que los espacios interiores se mantienen dentro de unos rangos de temperaturas de confort, las cuales varían de acuerdo con la evolución de las temperaturas exteriores. Un ejemplo de esta aproximación es el método de confort en edificios pasivos del estándar ASHRAE 55, que emplea una ecuación de confort adaptativo basada en la temperatura exterior media predominante para definir dos rangos dinámicos de temperaturas de confort, a los que denomina como de 90% y 80% de aceptabilidad (ver Figura 3). El estándar EN 15251 ofrece un método similar para edificios sin sistema de refrigeración, aunque desde nuestro punto de vista es menos realista que el anterior.

La Figura 3 muestra las temperaturas interiores en uno de los espacios de un edificio, ploteadas sobre un diagrama que se basado en el método de confort en edificios pasivos del estándar ASHRAE 55. De esa manera podemos evaluar visualmente el nivel de confort conseguido. Se observa que cuando la temperatura exterior media se encuentra entre 23 y 28 ºC hay evidentes condiciones de sobrecalentamiento. Esta gráfica fue generada con la herramienta ConfAdapt-ASH55, que además permite contabilizar aspectos como el número de horas dentro y fuera de las zonas de confort.

FSTM Confort Adaptativo ASHRAE 55 Grafica

Figura 3. Condiciones de confort de acuerdo con el método adaptativo del estándar ASHRAE 55.


Modo mixto

El modo mixto representa una aproximación en la que el edificio puede funcionar tanto en modo pasivo como mecánico. En su concepción más básica, se puede afirmar que el modo mixto se da incluso cuando en un edificio sólo se cuenta con sistema mecánico para un tipo de demanda (frío o calor), mientras que el otro tipo de demanda se cubre de manera pasiva. Por ejemplo:

  • El edificio solo cuenta con sistema mecánico de refrigeración. Cuando hay demanda de calor funciona en modo pasivo, principalmente mediante calefacción solar. Suele suceder en zonas con inviernos benignos, como algunos climas tropicales (por ejemplo la ciudad de Miami).
  • El edificio solo cuenta con sistema mecánico de calefacción. Cuando hay sobrecalentamiento funciona en modo pasivo, principalmente mediante ventilación natural. Suele suceder en zonas con veranos benignos, como en algunos países del norte de Europa.

Sin embargo, la definición más común del modo mixto, al menos en el campo del modelado energético, hace referencia a la combinación de ventilación natural y sistemas mecánicos de refrigeración. En esa línea, y con base en el enfoque del Centro para el Entorno Construido (CBE, por sus siglas en inglés), un edificio bien diseñado que funciona en modo mixto permite el uso de aire acondicionado donde y cuando es necesario, mientras que hace uso de la ventilación natural cuando es factible para maximizar el confort de los ocupantes y reducir los consumos energéticos anuales. De acuerdo con la misma fuente, los sistemas mixtos se pueden dividir en tres categorías:

a) Concurrente (mismo espacio, mismo tiempo). La ventilación natural (apertura de ventanas) y el sistema de aire acondicionado funcionan simultáneamente en el mismo espacio. El sistema de climatización ofrece ventilación (mecánica) y refrigeración de respaldo, al tiempo que los usuarios tienen libertad para abrir las ventanas de acuerdo con sus preferencias individuales. Un ejemplo típico puede ser un espacio de oficinas de planta abierta con sistema de aire acondicionado VAV y ventanas practicables, en el que la ventilación mecánica se puede redecir al mínimo en las zonas perimetrales en las que un sensor indique que se ha abierto una ventana. Esta estrategia solo se recomienda cuando se puede garantizar que el uso simultáneo de la ventilación natural y los sistemas mecánicos no generará derroches energéticos.

Ventilacion Modo Mixto Concurrente

Figura 4. Modo mixto concurrente.

b) Alternante (mismo espacio, diferente tiempo). El edificio cambia entre ventilación natural y aire acondicionado de forma estacional o incluso horaria. El sistema de automatización del edificio puede determinar, mediante sensores, el modo de funcionamiento de acuerdo con la temperatura exterior, la ocupación o la apertura de ventanas. Algunos ejemplos son las oficinas individuales en las que el sistema de climatización independiente se desactiva cuando un sensor detecta que se ha abierto una ventana, o bien el uso de rejillas de ventilación automáticas que se abren cuando el sistema HVAC está en modo economizador (free cooling), y se cierran cuando el sistema está en modo de refrigeración o calefacción. Otra opción interesante es aquella en la que el sistema de climatización se desactiva automáticamente cuando un sensor indica que las condiciones del aire exterior (temperatura, humedad) son adecuadas para la ventilación natural, mientras que un sistema de alerta indica a los ocupantes que deben abrir las ventanas.

Ventilacion Modo Mixto Alternante

Figura 5. Modo mixto alternante.

c) Zonificado (diferentes espacios, mismo tiempo). Se da cuando en un mismo edificio hay zonas con diferentes estrategias de acondicionamiento. Es el caso, por ejemplo, de edificios de oficinas ventilados de manera natural, pero que cuentan con sistemas de aire acondicionado en determinados espacios, como las salas de reuniones.

Ventilacion Modo Mixto Zonificado

Figura 6. Modo mixto zonificado.

Es importante diferenciar el modo mixto como una estrategia encaminada a reducir los consumos energéticos e incrementar el confort y bienestar de los ocupantes, y el modo mixto como una falla en el funcionamiento del edificio, que suele producir el efecto contrario. Es el caso de edificios que fueron “pensados” para funcionar en modo pasivo, pero en los que los ocupantes terminan instalando algún sistema para tratar de mejorar las malas condiciones internas; o los edificios en los que los ocupantes se ven obligados a abrir ventanas para tratar de subsanar fallas de los sistemas mecánicos, como una ventilación insuficiente.

Desde el punto de vista del modelado energético, la evaluación del desempeño de edificios en modo mixto implica, obviamente, que los programas sean capaces de simularlos tanto en modo mecánico como pasivo. Sin embargo, en este caso resulta fundamental que además se cuente con elementos de control adecuados para regular la interacción entre ambos modos. Al respecto, nuevamente el modelo Airflow Network de EnergyPlus ofrece prestaciones sobresalientes, ya que permite controlar la apertura de las ventanas, tanto en el nivel zona como de manera individual, de acuerdo con las condiciones ambientales internas y/o externas, la activación de los sistemas mecánicos o la acción directa de los ocupantes. Esto permite modelar con relativa facilidad los tres tipos de modo mixto descritos arriba.

En cuanto a los indicadores para evaluar el desempeño de los edificios en modo mixto, se puede optar por los que se usan para evaluar los edificios en modo mecánico o en modo pasivo, previamente descritos. Sin embargo, dado que hay sistemas mecánicos que tienen como objetivo tratar de garantizar unas adecuadas condiciones de confort internas, lo más recomendable es usar como indicador principal alguno de los usados para edificios en modo mecánico.


Referencias

[1] A. Al-janabi, M. Kavgic, A. Mohammadzadeh, and A. Azzouz, “Comparison of EnergyPlus and IES to model a complex university building using three scenarios: Free-floating, Ideal air load system, and Detailed,” Journal of Building Engineering, vol. 22, Dec. 2018, doi: 10.1016/j.jobe.2018.12.022.

[2] L. Gu, “Airflow network modeling in energyplus,” IBPSA 2007 - International Building Performance Simulation Association 2007, Jan. 2007.

[3] V. Olgyay, Arquitectura y clima: Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Barcelona: Editorial Gustavo Gili, S.L., 1998.

[4] B. Widera, “Bioclimatic architecture,” Journal of Civil Engineering and Architecture Research, vol. 2, pp. 567–578, Apr. 2015.

[5] “About Mixed-Mode.” https://cbe.berkeley.edu/mixedmode/aboutmm.html (accessed Feb. 02, 2021).

[6] “Engineering Reference — EnergyPlus 9.4.” https://bigladdersoftware.com/epx/docs/9-4/engineering-reference/index.html (accessed Feb. 02, 2021).


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Autor: Arturo Ordóñez García Última actualización: Miércoles, 03 Febrero 2021 Categorias: Modelado energético, Tipos de análisis

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