Introducción. Contexto y situación
Desde hace muchos años, la legislación obliga y exige una ventilación adecuada a la actividad humana y el uso del edificio, sin embargo, ha sido una pandemia mundial la que ha calado profundamente en la sociedad cogiendo ésta, una conciencia sobre la necesidad de una ventilación para garantizar la seguridad de las personas dentro del edificio.
Mas allá de esta circunstancia, mediante la ventilación se consigue una adecuada dilución del aire interior, reduciendo el número de gérmenes en el aire. En edificios especialmente sensibles como son los hospitales se conoce bien que la morbilidad (número de personas que padece una enfermedad en un espacio determinado en un tiempo) disminuye con una buena calidad de aire interior, así como la trasmisión de enfermedades nosocomiales.
¿Por qué sin embargo se sigue obviando en muchas instalaciones el aire de ventilación? ¿Por qué no se aprovecha el sistema de climatización necesario para proporcionar una ventilación adecuada?
En primer lugar, como ya se ha mencionado anteriormente, el caudal de aire de ventilación a introducir en cada edificio está regulado por ley (RITE) y es obligatorio en todos los locales de publica concurrencia, con lo que no deberíamos en ningún caso obviarlo, pero lamentablemente todavía existe y es aceptada la creencia de que el aire exterior supone un consumo extra de energía, llegándose a parar las Unidades de Tratamiento del Aire con la intención de conseguir ese ahorro de energía. Pero ¿Cuál es la realidad?
La realidad está clara, desde el punto de vista de la salubridad no da lugar a duda y es que la ventilación es imprescindible y su efecto es siempre positivo. Desde el punto de vista del consumo energético se nos pueden dar diferentes casuísticas: por un lado, vamos a tener un porcentaje de horas al año en las cuales las condiciones exteriores extremas de frío o calor aportarán una carga neta negativa o positiva que tendremos que combatir con un aporte adicional de calefacción o refrigeración.
Sin embargo, si tenemos en consideración la variación de temperatura a lo largo del día, vemos hay un porcentaje de horas al año muy superior, especialmente en climas mediterráneos, en las cuales las condiciones exteriores no son tan extremas. Cuando las condiciones exteriores no son extremas (por ejemplo, entre 15ºC y 25ºC) puede darse el caso que las cargas interiores positivas debidas a la ocupación, iluminación, equipos electrónicos o incluso la radiación solar que entra a través de los ventanales sea superior a las cargas negativas debidas a las pérdidas a través del edificio.
En esta circunstancia es necesaria la refrigeración aun estando en el a una temperatura inferior a la que se está dentro del edificio. Una forma de enfriar el edificio seria poner el sistema de refrigeración con el consiguiente consumo de energía y otra forma más eficiente y saludable sería aprovechar que el aire exterior está frío para introducirlo dentro del edificio, aprovechando la ventilación y enfriarlo sin ningún coste de producción térmica. Esto es lo que se conoce como enfriamiento gratuito o freecooling.
De esta forma se consigue una doble ventaja, se mejora la calidad de la ventilación y ahorra energía.
Enfriamiento Gratuito con la ventilación y Recuperación de Calor del Aire de Extracción
Este artículo se centra sobre la ventilación e intenta concienciar sobre la necesaria reflexión de cuándo la ventilación supone un coste energético o un ahorro. Como ya hemos dicho, cuando las condiciones exteriores nos sean favorables para la climatización, aprovecharemos el aire fresco de ventilación para climatizar gratuitamente gracias el ENFRIAMIENTO GRATUITO. Sin embargo, ¿Qué haremos cuando las
condiciones exteriores no nos sean favorables, es decir, esos momentos de frío o calor extremos?
La idea en este momento no favorable sería introducir únicamente el aire de ventilación estrictamente necesario y aprovechando que el aire interior ya está en unas condiciones térmicas adecuadas ceder esa energía del aire que se está extrayendo al aire nuevo, de manera que el coste de la ventilación sea el mínimo posible. Esto se realiza incorporando en las unidades de tratamiento de aire un sistema de RECUPERACIÓN DE CALOR del aire de extracción, que utiliza un intercambiador gracias al cual el aire que se extrae cede su energía al aire que se introduce.
Como se ha mencionado anteriormente la legislación (Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, RITE) establece el aire mínimo de ventilación requerido por criterio de salubridad. Pero igualmente establece que este aire de ventilación debe ser recuperado y la eficiencia mínima del sistema de recuperación, que acorde con la modificación del RITE de 2021 debe ser acorde a la directiva UE 1253/2014 (Directiva 2009/125/CE) de diseño Ecológico, que establece que debe establecerse que el sistema de Recuperación de Calor en Unidades de Tratamiento de Aire, con intercambiadores de placas o rotativos debe tener una eficiencia mínima del 73%. Igualmente, dicho reglamento establece también que todas las unidades de tratamiento de aire que dispongan de un sistema de extracción del aire interior (bidireccionales) deben incorporar forzosamente un sistema que permita realizar el enfriamiento gratuito o freecooling cuando las condiciones exteriores sean favorables.
En resumen Enfriamiento Gratuito o Freecooling y Recuperación son dos conceptos que si bien están intrínsecamente ligados a la ventilación, son antagónicos, ya que haremos Recuperación de Calor del aire de extracción cuando las condiciones externas NO sean favorables y para ello lo primero que haremos es introducir el mínimo aire de ventilación necesario por criterio de salubridad y además introducirlo de manera eficiente, es decir recuperando la energía del aire de extracción y cediéndola al aire exterior introducido. Y, por otro lado, tendremos el concepto del Enfriamiento Gratuito cuando las condiciones externas SI sean favorables y lo que haremos es utilizar el máximo aire de ventilación disponible en de Tratamiento de Aire para conseguir enfriar gratuitamente el local sin necesidad de consumo de energía.
Con la recuperación de calor lo que se consigue es que el aporte de energía al edificio debido a la ventilación sea mínimo, y sin embargo con el freecooling, no solo no hay aporte de energía, sino que ayuda directamente a reducir el consumo de energía del edificio.
Caso de Estudio
Evidentemente, como se ha comentado con anterioridad, la naturaleza del edificio y su uso va a ser clave, con lo cual, lo que se muestra a continuación, no sirve para ser extrapolado a otros edificios. No tiene nada que ver lo que va a ocurrir en un edifico bien aislado con una gran cantidad de carga interna, como puede ser un restaurante, un cine, teatro, auditorio, los locales comerciales en el interior de una galería comercial, que un local con fachada a la calle o un local de baja ocupación con mucha superficie exterior (una vivienda, por ejemplo). En casa caso habrá que estudiar la carga interna y uso del edificio y el peso de la ventilación será diferente en cada caso.
Para el caso de estudio, se ha tomado un Salón de Actos, de 400 m2, con una ocupación de 348 personas (asientos disponibles) y la ventilación necesaria acorde al RITE, para mantener la calidad de aire interior requerida (IDA3) es de 10.000 m3/h (8 dm3/s/persona).
Para esta ventilación del edificio, se ha elegido una unidad de tratamiento de Aire, 100% de aire exterior, con un sistema de recuperación de calor mediante un intercambiador de calor rotativo de ADSORCIÓN para el caudal de y un sistema de control de la Unidad de Tratamiento de aire que en función de las condiciones interiores del local y de las condiciones exteriores, hace que la UTA esté recuperando o haciendo freecooling. En este caso el recuperador tiene una eficiencia del 75,8 % medida según EN308. El recuperador de adsorción, además de recuperar calor sensible (temperatura), recupera también calor latente, lo cual se traduce en unas mejores condiciones higrométricas en el interior del local en invierno y un mayor ahorro de energía en verano.
Teniendo en cuenta el sistema de recuperación de calor, en nuestro caso del 75,8%, se ha simulado que parte de la energía que aporta el aire exterior kW se recupera (verde) y que parte es la que supondrá un consumo de calefacción en invierno y de refrigeración en verano.
Como se puede intuir cuando la diferencia de temperaturas entre el exterior e interior es mayor también es mayor la energía recuperada (en verde) haciendo de este modo que la energía necesaria que tenemos que dar para terminar de adecuar el aire a nuestras condiciones interiores sea muy inferior a la que correspondería si no hubiera ventilación. Conforme disminuye el salto, la energía recuperada es mucho menor, sin embargo, tampoco es significativo el aporte debido al aire exterior.
Como lugar de referencia se ha tomado Madrid y se han tomado como datos de temperatura exterior la media de los tres últimos años contados desde septiembre 2021 hasta septiembre de 2023. Datos: Madrid, Barajas Spain; 3.56W 40,47N; https://www.degreedays.net/
A continuación, se muestra gráficamente, el número de horas/año en función de la temperatura desde -5ºC hasta 35ºC y se comprueba que hay un número de horas relativamente bajo al año en la cual se está a bajas temperatura y un número relativamente bajo también a altas temperaturas. Si bien cuando se está en temporada de verano no se va ha hacer nunca enfriamiento gratuito, se buscará la recuperación de calor máxima para que la carga debida al aire exterior sea la mínima posible.
Igualmente se muestra en función de la temperatura exterior la carga del edificio (transmisión+carga interna), las cargas debidas a la ventilación (una vez recuperada la energía) y la carga total como suma de la del edificio y la de ventilación.
Viendo el perfil de cargas, se observa que en la franja de temperaturas exteriores entre 15ºC y 25ºC va ha haber un gran número de horas al año en el cual la carga interior es positiva y por tanto vamos a poder realizar la refrigeración gratuita del edifico gracias al aporte de ventilación del aire exterior (enfriamiento gratuito)
Como se puede observar en el siguiente gráfico, la contribución del aire exterior a la carga total del edificio es muy pequeña y en la zona en la que haremos freecooling, lo que se hará es dejar de recuperar calor para que toda la energía del interior del edificio pueda ser extraída y se enfríe gratuitamente.
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones y multiplicando por el número de horas en cada caso, obtenemos el siguiente perfil de consumos anual:
Como podemos apreciar, dado que el número de horas de temperaturas extremas es inferior que el de temperaturas moderadas, se aprecia en la gráfica que el consumo hW·h debido a la ventilación recuperada es relativamente pequeño en comparación al consumo de energía total de climatización del edificio. Igualmente, el ahorro de energía neto debido a la ventilación es superior en este caso al consumo debido a la ventilación, con lo que debemos considerar en este edificio el balance de energía favorable a la ventilación.
Conclusión
Finalmente, si representamos por separado el consumo total de energía debida al aire de ventilación junto con el ahorro de energía que tenemos al aire de ventilación obtenemos el siguiente gráfico:
Como conclusión, vemos que en este edificio el sistema de ventilación no solo mejora la calidad de aire, la salubridad y protege a las personas, sino que además en el cómputo total del balance de energía puede suponer un ahorro de energía en lugar de un consumo extra.
Como ya se recalcó desde el principio, este caso no es extrapolable a todos los edificios y debemos considerar cada caso como diferente, pero si se pretende concienciar que, en muchos casos, dada la climatología la ventilación no tiene por qué suponer un coste, sino que puede ser un ahorro importante de energía y en los casos en los que no se pueda utilizar la ventilación para ahorrar energía, con un adecuado sistema de recuperación de calor, el aporte de energía exterior se ve drásticamente reducido en más del 70%.
