Confort térmico y eficiencia energética en espacios con alta carga interna climatizados: aplicación a espacios docentes no universitarios en Andalucía

Abstract

A la hora de seleccionar el sistema de climatización para resolver el acondicionamiento higrotérmico y de calidad del aire de los edificios, normalmente aparece la incertidumbre sobre cuál será el comportamiento real del sistema de difusión/emisión de energía en los recintos tratados, así como la eficiencia energética del mismo frente a otros sistemas alternativos de similares prestaciones. Existen multitud de mediciones, simulaciones y comprobaciones de la forma de trabajar de cada uno de estos sistemas HVAC en locales genéricos, pero existe también un cierto desconocimiento sobre si es correcto el uso de la energía del edificio, , así como de la eficiencia de la difusión en recintos habitables considerados como espacios tridimensionales, con ocupantes, mobiliario, equipos y otras fuentes de calor que intervienen activamente en el sistema. Para poder predecir el comportamiento de estos sistemas de intercambio, es necesario realizar mediciones en edificios ya existentes para su posterior comparación, y recurrir a la dinámica de fluidos computacional (CFD), rama de la mecánica de fluidos aún poco aplicada a la edificación.

0.1 Metodología de trabajo Dentro de este contexto general, este trabajo propone situar la investigación en el ámbito de las edificaciones escolares andaluzas, ya que se presentan como uno de los tipos edificatorios más comunes y extendidos, con un uso constante, la presencia de cargas internas importantes (ocupación, iluminación y, especialmente, equipos informáticos), que generan distorsiones de la distribución de energía, y las exigencias de bienestar e higiene que requieren sus ocupantes. Con los resultados obtenidos de un conjunto de parámetros térmicos, tanto a partir de mediciones in situ y distribución de encuestas como de simulaciones informáticas, se pretende generar una metodología de trabajo en la que, mediante la aplicación de una serie de indicadores de confort térmico, entre los que destacan el método Fanger y el método del confort adaptativo de Matías (2010), se establezca un estudio comparativo del que se pueda extraer una serie de pautas de diseño de los sistemas de HVAC, con el fin de obtener unas mejores condiciones de confort junto a una mayor eficiencia energética en las instalaciones de los centros docentes no universitarios andaluces.

Dicha metodología comprende las siguientes etapas: - Elección de la muestra de estudio. - Caracterización térmica de la muestra de las aulas docentes no universitarias del territorio andaluz. - Generación de modelos informáticos de cálculo. - Aplicación de herramientas de análisis de confort térmico.

0.1.1 Elección de la muestra de estudio Se plantea el tomar como muestra de estudio un aula polivalente de centro docente andaluz, por ser el modelo de recinto educativo más extendido por la geografía, y que con unas dimensiones de 50 m2, y al menos 3 metros de altura, está diseñado para albergar a 30 alumnos con su docente, con pupitres que dejan la ventana a la izquierda, para así disponer de iluminación natural que facilite la escritura. El estudio se realiza tanto en recintos reales como virtuales, seleccionando en cada caso la siguiente muestra de estudio: - Estudio de condiciones térmicas en recintos reales: Se seleccionan de uno a tres centros docentes de tipología exenta por cada una de las cuatro zonas climáticas andaluzas más representativas (zonas A4, B4, C3 y C4). - Estudio mediante simulación informática: Tomando el IES Juan Antonio Pérez Mercader de Aljaraque (Huelva) como referencia, centro elegido inicialmente en el proyecto I+D Academia. Se elige una de sus aulas docentes con orientación norte y situada en una planta intermedia. Dicho aula se ubica en las zonas climáticas más extendidas de Andalucía (A4, B4 y C3), tanto en un día tipo de invierno como en otro de entretiempo.

0.1.2 Caracterización térmica de la muestra de las aulas docentes no universitarias del territorio andaluz Para realizar el estudio del confort térmico existente en las aulas docentes, fue preciso tomar una muestra de estudio de entre los centros docentes de las principales zonas climáticas andaluzas, en los que se realizó una toma de datos, tanto objetivos (parámetros físicos) como subjetivos (opinión de los ocupantes), mediante una serie de equipos de medición previamente calibrados y la realización de una encuesta de elaboración propia. Sobre esta información obtenida en bruto se elaboró finalmente un proceso estadístico y un filtrado para obtener datos analizables y establecer una correlación entre mediciones y encuestas.

0.1.3 Generación de modelos informáticos de cálculo Para poder evaluar el comportamiento térmico del recinto, tanto con un sistema de ventilación mecánica como con un conjunto de diferentes variantes de sistemas HVAC, es preciso utilizar una o varias herramientas informáticas que permitan: - Caracterizar las condiciones de contorno del local en función del entorno climático y del uso del mismo (cálculo nodal); - Calcular el movimiento del aire en el interior del recinto ya caracterizado mediante dinámica de fluidos computacional (CFD).

Con este fin se han de efectuar las siguientes tareas: - Proceso de elección de las herramientas nodal y CFD: Design Builder 2.4.2.026. - Calibración de la herramienta informática por comparación con modelos reales. - Calibración de la herramienta CFD.

Una vez comprobada la fiabilidad de la herramienta informática, se procede a generar cada uno de los diferentes modelos de cálculo mediante las siguientes variables: - Emplazamiento del edificio. - Estación climatológica de cálculo. - Zona climática de la ubicación. - Orientación. - Envolvente según zona climática. - Cargas internas del recinto. - Nivel de ocupación. - Equipos informáticos. - Evolución diaria. - Sistemas HVAC. - Recinto en libre evolución, con y sin ventilación natural. - Sistemas que sólo solventan la demanda energética, con o sin ventilación natural. - Sistemas que sólo resuelven la ventilación del recinto. - Sistemas que resuelven tanto la ventilación como la demanda energética del recinto, tanto por separado como conjuntamente.

0.1.4 Aplicación de herramientas de análisis de confort térmico Con el fin de evaluar todos los resultados obtenidos de las mediciones y de las simulaciones anteriormente descritas, es preciso recurrir a los siguientes mecanismos de análisis: - Definición de la zona ocupada. - Indicadores numéricos de confort térmico: - Método Fanger. - Incomodidad térmica local. - Índice WBGT. - Aislamiento de la vestimenta requerido. - Gráficas lineales de variación térmica.

0.2 Análisis y conclusiones A partir del análisis de los diferentes indicadores de confort térmico utilizados, tanto para las aulas medidas in situ como para los modelos simulados informáticamente, se concluye que: - Las aulas docentes no universitarias andaluzas mayoritariamente resuelven la calefacción mediante radiadores de agua caliente, solventando la ventilación a través de infiltraciones incontroladas por la envolvente y apertura de ventanas. Estos sistemas de calefacción no tratan adecuadamente las cargas térmicas de los recintos, hecho que sucede en todas las zonas climáticas estudiadas. - Únicamente algunos centros tienen sistema de refrigeración, compuestos por unidades de expansión directa tipo split, normalmente añadidas posteriormente. - La disposición estándar de los pupitres y sillas en dichas aulas no se adecúa a lo que el RITE (2013) establece como zona ocupada, con lo que no es posible garantizar el confort térmico fuera de esta área. - La sensación térmica media de los ocupantes en las aulas andaluzas en invierno es de neutralidad térmica, mientras que, en entretiempo, la sensación térmica es de ambiente moderadamente cálido, fuera de rango. En ambos casos, la desviación de opinión entre los ocupantes es elevada (subjetividad de la percepción), no siendo además equivalente en muchos casos a la preferencia térmica expresada. - Los ocupantes perciben un fenómeno generalizado de estratificación, tanto en invierno como en entretiempo, no considerándolo aceptable. - El grado medio de rechazo al ambiente térmico encontrado en los centros docentes andaluces es muy bajo y con un carácter homogéneo. - Se puede considerar más fiable el uso del indicador de confort adaptativo de Matias (2010) que los indicadores de confort estáticos, tipo PMV o PPD, dado que estos subestiman la sensación térmica real en más de 1.5 puntos en su escala térmica de -3 a +3. - El suelo radiante es el sistema que, en condiciones de invierno en territorio andaluz, realiza el intercambio energético de forma más eficiente con el recinto y que mejores resultados de confort térmico obtiene, tanto vinculado a ventilación natural como a ventilación mecánica pasiva con recuperación de calor, incluso a pesar de ser el que menos energía térmica requiere, al ser dimensionado para alcanzar una temperatura del aire interior de 20 ºC (temperatura de consigna). - El sistema Todo-Aire exterior es el siguiente mejor sistema para solventar la demanda térmica en invierno junto con la exigencia de calidad de aire interior, seguido por los sistemas de radiadores con ventilación mecánica pasiva con recuperación de calor. - No se recomienda utilizar en invierno un sistema de ventilación mecánica pasiva, con o sin recuperación de calor, si no va acompañado de tratamiento térmico, en ninguna de las zonas climáticas existentes en Andalucía. - En condiciones de entretiempo en territorio andaluz, es suficiente el empleo de un sistema de ventilación mecánica pasiva para solventar la demanda térmica, dotado de recuperación de calor si el centro está ubicado en la zona C3 y sin necesidad de él si se ubica en la zona B4. - La localización más óptima para los elementos de impulsión de aire es en conducto dispuesto sobre la ventana, realizando el aporte de aire de renovación exterior a la sala con un ángulo de 0º con respecto de la horizontal.