En los edificios que funcionan en modo mecánico, los sistemas de calefacción y refrigeración se suelen controlar mediante consignas de temperatura, la cual se mide con termostatos ubicados en una o más zonas climatizadas. Las consignas de temperatura indican a los sistemas de climatización cual es el rango de temperaturas que deseamos mantener. Por ejemplo, si establecemos una consigna de 21 ºC para la calefacción y otra de 25 ºC para la refrigeración, los sistemas tratarán de mantener la temperatura interior dentro de esos límites, que conforman lo que podemos llamar rango de confort. Si el termostato indica que la temperatura baja de los 21 ºC se activa la calefacción, si indica que supera los 25 ºC se activa la refrigeración. Dentro del rango de confort ninguno de los dos sistemas estará activo.

Ahora bien, cuando llevamos a cabo simulaciones energéticas de edificios en modo mecánico o mixto hay un criterio que debemos establecer, siempre y cuando el programa de simulación nos de la opción: si las consignas de temperatura se refieren a la temperatura del aire, a la temperatura operativa o a otro tipo de temperatura. Como veremos más adelante, esta decisión puede tener un impacto significativo en los resultados que obtendremos y en como los usaremos para identificar las mejores soluciones de diseño.

Antes de continuar, recordemos que la temperatura del aire es un concepto relativamente fácil de entender, mientras que la temperatura operativa requiere una explicación más detallada. En un espacio determinado, la temperatura operativa representa aproximadamente el promedio entre la temperatura del aire y la temperatura radiante, que a su vez depende de la temperatura de las superficies que delimitan dicho espacio. Dado que la temperatura operativa se aproxima más a la que sienten los ocupantes del espacio, cuando las temperaturas radiantes son inferiores o superiores a la del aire pueden afectar la sensación de confort.

Nota 1: La velocidad del aire también puede influir en el cálculo de la temperatura operativa, especialmente cuando la velocidad del aire es superior a 0.1 m/s.

Nota 2: En el ámbito de las simulaciones energéticas “estándar”, la temperatura del aire suele considerarse homogénea en el espacio, mientras que la temperatura radiante se refiere a la temperatura radiante media. Para analizar con más detalle la distribución de temperaturas en el espacio es necesario desarrollar simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).

La Figura 1 muestra dos ejemplos hipotéticos, uno en verano y otro en invierno. En el primer caso, el sistema de refrigeración mantiene la temperatura del aire en 25 ºC, pero la elevada temperatura de algunas superficies produce una temperatura radiante media de 29 ºC. La temperatura operativa (la que sentirán las personas) es de 27 ºC. En el segundo caso se invierte la situación. El sistema de calefacción mantiene la temperatura del aire en 21 ºC, pero la temperatura radiante media es de 17 ºC. Como resultado, la temperatura operativa será cercana a los 19 ºC.

Figura 1. Ejemplos de temperaturas operativas en verano (arriba) e invierno (abajo).

Nota: Además de la temperatura, para controlar los sistemas de climatización se pueden emplear otro tipo de consignas. Por ejemplo, si se incluyen sistemas de humidificación o deshumidificación se puede usar higrostatos para manejar consignas de humedad relativa.

Modelado de consignas con temperatura del aire

En el ámbito del modelado energético las consignas basadas en la temperatura del aire son las más usadas, ya que es la que registran los termostatos comunes. Sin embargo, sabiendo que la temperatura operativa es la que más se acerca a la sensación térmica de los ocupantes, hay al menos dos situaciones en las que los resultados de simulación nos pueden “engañar” respecto al desempeño real del edificio:

a) Si los ocupantes no pueden modificar las consignas de temperatura (no tienen acceso a los termostatos ni a los controles del sistema) y hay temperaturas radiantes muy altas o bajas, es bastante común que se presenten problemas de disconfort. Volviendo al ejemplo de la Figura 1, aunque los sistemas de climatización están acondicionando el aire a temperaturas de confort (25 ºC en verano y 21 ºC en invierno), las temperaturas radiantes modifican de manera significativa las temperaturas operativas.

b) Si los usuarios pueden cambiar las consignas (por ejemplo manipular el termostato), existen temperaturas radiantes muy altas o bajas, y los sistemas tienen la capacidad suficiente, es posible que el edificio tenga más consumos energéticos que los estimados por las simulaciones. Siguiendo el ejemplo anterior, en un día cálido los ocupantes tenderán a bajar la temperatura de control en el termostato para compensar las elevadas temperaturas radiantes, lo cual incrementará los consumos del sistema de refrigeración. De manera similar, en un día frío los ocupantes incrementarán la consigna para compensar las temperaturas radiantes demasiado bajas, aumentando los consumos del sistema de calefacción.

Teniendo en cuenta lo anterior, en el modelado energético es recomendable emplear consignas basadas en la temperatura del aire cuando los termostatos son de ese tipo y los ocupantes no pueden manipularlos, pero en esos casos es muy importante que además de las demandas energéticas se revisen las horas de disconfort, calculadas mediante procedimientos como el método gráfico para edificios climatizados del estándar ASHRAE 55. En otras palabras, debemos buscar soluciones que reduzcan los consumos energéticos pero que mantengan un número de horas de disconfort suficientemente bajo (por ejemplo menos de 300 al año).

Modelado de consignas con temperatura operativa

Algunos programas de simulación permiten especificar las consignas de control de los sistemas de climatización con base en la temperatura operativa. Esta opción tiene dos efectos principales en los resultados de simulación:

a) Por decirlo de alguna manera, “obligamos” a los sistemas de climatización a conseguir condiciones de confort “verdaderas”. Si los sistemas de climatización funcionan con la impulsión de aire, este efecto se logra subiendo o bajando la temperatura del aire para compensar las temperaturas radiantes. Volviendo al ejemplo de la Figura 1, si el día de verano la temperatura radiante media es de 29 ºC, para cumplir la consigna de 25 ºC (ahora temperatura operativa), el sistema tiene que poner el aire a 21 ºC (ya que 25 es el promedio entre 29 y 21). De esa manera, no es necesario poner especial cuidado en los niveles de confort, a menos que la potencia de los equipos no esté bien dimensionada.

b) Al incrementar o reducir la temperatura del aire para compensar las temperaturas radiantes, los sistemas de climatización deberán “trabajar” más, y por lo tanto los consumos energéticos serán más elevados. Este efecto será más notorio conforme la temperatura radiante se desvíe de la temperatura del aire, lo que suele suceder en edificios mal diseñados, por ejemplo con pobre aislamiento o sin protecciones solares adecuadas.

El uso de la temperatura operativa puede ser útil para considerar la implementación de termostatos que realmente puedan medir la temperatura operativa (no son muy comunes, pero existen en el mercado). También, cuando el edificio real funcionará con termómetros normales, nos puede servir para considerar la manipulación de las consignas por parte de los ocupantes para conseguir condiciones de confort “verdaderas”, aunque en ese caso es difícil establecer una relación precisa entre los resultados de simulación y la intervención de los ocupantes.

Finalmente, cabe señalar que si lo que más nos interesa es comparar la eficiencia de diferentes soluciones de diseño arquitectónico, y no requerimos consumos energéticos tan realistas, usar consignas con temperatura operativa puede ser una buena alternativa. En ese caso, el uso de la temperatura operativa nos puede ofrecer mayor sensibilidad a la hora de comparar la eficiencia de diferentes soluciones arquitectónicas exclusivamente a partir de las demandas o consumos energéticos, sin preocuparnos tanto por los resultados de confort.

Modelado de consignas con otro tipo de temperatura

Algunos programas de simulación permiten establecer consignas con base en temperaturas que no son del aire ni operativas, sino algún valor intermedio. Es el caso de DesignBuilder, que ofrece la posibilidad de establecer la fracción radiante de la temperatura de control. Por ejemplo, si establecemos una fracción de 0.50 la temperatura considerada sería equivalente a la operativa (o casi), mientras que si establecemos una fracción de 0.25 estaremos considerando una temperatura en la que la radiación tiene efecto pero éste es pequeño.

Esta opción no es muy usada en estudios y análisis regulares pero puede ser útil en proyectos de investigación donde se requiera modelar controles avanzados, o evaluar el efecto de la radiación en la sensación de confort de las personas.

Referencias

[1] V. Jain, V. Garg, J. Mathur, and S. Dhaka, “Effect of operative temperature based thermostat control as compared to air temperature based control on energy consumption in highly glazed buildings,” presented at the Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Nov. 2011.

[2] J. Kolarik, J. Toftum, B. W. Olesen, and K. L. Jensen, “Simulation of energy use, human thermal comfort and office work performance in buildings with moderately drifting operative temperatures,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 11, pp. 2988–2997, Nov. 2011, doi: 10.1016/j.enbuild.2011.07.008.

[3] Maria.Kapsalaki, “Using energy simulation to operative temperature evaluation,” AIVC, Jun. 18, 2014. https://www.aivc.org/resource/using-energy-simulation-operative-temperature-evaluation (accessed Feb. 02, 2021).

[4] J. Niu and J. Burnett, “Integrating radiant/operative temperature controls into building energy simulations,” in ASHRAE Transactions, Dec. 1998, vol. 104, no. 2, pp. 210–217, Accessed: Feb. 02, 2021. [Online]. Available: https://research.polyu.edu.hk/en/publications/integrating-radiantoperative-temperature-controls-into-building-e.

[5] ASHRAE, Handbook 2009: Fundamentals. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2009.

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