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.
Con el funcionamiento de 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.
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 (ideal Loads) ) 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.
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, ERR), ), 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:
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 Design Builder (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.
Esta 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:
imagen: . Ejemplo de interfaz para definir sistemas HVAC detallados (
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.