Optimización del rendimiento y minimización del consumo de la climatización mediante la utilización integrada de estructuras termoactivas en los edificios

La utilización de las estructuras de los edificios como recurso inercial de almacenamiento e intercambio de energía, vinculado por una poderosa interacción termodinámica con los usuarios, abre todo un campo de calidad y eficiencia en la climatización, fundamentado en la gestión equilibrada de la transferencia de calor entre el hombre y su envolvente y la independencia de los sistemas que garantizan la calidad del aire y aquellos que garantizan la más eficiente temperatura operativa.

Latinoamérica es una de las regiones del mundo donde la pobreza y la desigualdad se han reducido más decididamente en las últimas décadas y, sin embargo, no consigue dejar de liderar los rankings de pobreza y disparidad entre los países en desarrollo.

En este contexto parece importante reflexionar sobre las posibilidades que a principios del siglo XXI tienen los países latinoamericanos para desarrollar modelos energéticos mucho más equilibrados que los tradicionalmente basados en la centralización de la producción, el transporte, la distribución y la comercialización especulativa.

Son muchos los contextos latinoamericanos donde se pone en evidencia la necesidad de nuevos modelos para el sistema energético en los que se hibriden la distribución de la generación y el consumo, la descentralización y la solidaridad en la disponibilidad de recursos con la producción centralizada, el transporte y la distribución según planteamientos estratégicos territoriales. En la base del modelo debe estar la cobertura de las necesidades fundamentales de los ciudadanos, entre ellas la climatización, que garantice la supervivencia, la operatividad y el confort. Fuente. Grupo de Apoyo al Sector Rural. Departamento de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). El Peruano.

Los modelos tradicionales de cobertura de las necesidades energéticas han demostrado sus debilidades y límites en los países más desarrollados: son sistemas insolidarios, insostenibles en contextos geográficos de baja densidad, y que además son una muy mala referencia para actuar en territorios extensos, por desarrollar social, económica y energéticamente, y con intensidades de demanda y densidad humana muy variables, como son los de muchos países latinoamericanos.

Aun cuando olvidásemos, como desgraciadamente pasa a menudo, los ámbitos periféricos, rurales, y nos centrásemos en el contexto de las ciudades, no haríamos sino ver la otra cara de esa misma realidad, la de la pobreza energética asociada al desplazamiento de la población forzado por la necesidad y a la tugurización energética coexistiendo con la opulencia y el desperdicio.

Podemos pensar que poco o nada tiene que ver la climatización de la edificación con esta realidad energética, con el desequilibrio a escala territorial y la oportunidad de plantear nuevos modelos por hibridación; y estaríamos incurriendo en un error inducido por insistir en una concepción reduccionista que define el modelo energético como un sistema orientado en exclusiva a la producción, el transporte, la distribución y la comercialización, y sólo viabilizado por la densidad y la concentración de la demanda. Un modelo macro que deja sin cobertura vastos territorios latinoamericanos y que, cuando en los ámbitos con cobertura desciende a la escala del usuario, propicia modelos de dependencia, especulación e ineficiencia, cuando no de pobreza energética o de inaccesibilidad.

En la medida en que una parte importante de esa energía primaria, tan desigualmente distribuida, se consume en resolver la refrigeración y el calentamiento de las personas, la calidad del aire que respiran, el factor higrotérmico vinculado a su confort y la disponibilidad y calidad de la luz; y si hacemos una reflexión fundamentada en el hombre, que debe ocupar el centro del sistema energético, y no un extremo, nos concentraremos en la cualificación de la demanda y en las prestaciones del sistema. Parece muy necesario que el modelo de cobertura energética se construya desde las escalas en las que se determinan los criterios básicos, fisiológicos, económicos, sociales, sobre la cobertura y la satisfacción de las necesidades de las personas, y también se considere la enorme oportunidad de integrar la captación y recuperación de los recursos energéticos del medio en cada contexto y su utilización local, según modelos de naturaleza distribuida, estructurados en redes flexibles y eficientes, en gran parte auto sustentados, modelos que se pueden hibridar con el modelo centralizado, y que permiten eliminar gran parte de las cargas del transporte y la distribución, cambiando radicalmente y enriqueciendo los paradigmas de la comercialización y mutando hacia conceptos solidarios de intercambio abierto y auto equilibrio.

Este enfoque, sostenible, entronca con la técnica de la climatización, y nos lleva a plantear el interés de desarrollar y utilizar sistemas de captación, almacenamiento e intercambio de recursos de energía térmica de baja intensidad y moderada temperatura, presentes en todos los contextos y las ubicaciones y a todas las escalas; accesibles a toda la población si se les dan recursos para ello y modelos de gestión y uso adecuados.

El contexto de la eficiencia: bajo coste y alto rendimiento, en la aplicación de sistemas termoactivos, es el edificio de bajo impacto y bajo consumo. Cuando se ponen en juego una arquitectura de baja demanda y la integración del intercambio geotérmico y los sistemas de climatización termoactivos, estos contribuyen a incrementar la eficiencia integral y proyectada en el tiempo. Centro Empresarial en Oliveira de Azemeis. Portugal. Concepto Energético Integral Eneres. Fuente. Eneres.

En los últimos años, Latinoamérica ha visto imprescindible la reorientación firme de las directrices de sostenibilidad hacia modelos de utilización de la energía orientados a la reducción de la demanda y la eficiencia energética. Además de la generación y el uso de energía a partir de fuentes que pertenecen al ciclo cerrado de la biosfera, se pone en valor la reducción del consumo y el uso de técnicas de climatización que potencien la mejora de la calidad y salubridad del medio habitado.

Como parte de los recursos que permiten esta aproximación sostenible al desarrollo de un modelo energético para la eficiencia en el continente, planteamos la utilización de las estructuras de los edificios vinculada al terreno como medio de acumulación y de transferencia de energía térmica a temperatura moderada y baja potencia, lo que abre todo un campo en el ámbito del aprovechamiento y la utilización para la climatización de recursos energéticos procedentes de fuentes renovables, bioclimáticas y microclimáticas, de la recuperación de energía que se desperdicia con el aire y las aguas residuales, y la incorporación al ciclo de uso de nuestros edificios de energías del medio natural y antrópico que suponen una valiosa fuente gratuita de recursos primarios.

La utilización de las estructuras de los edificios como recurso inercial de almacenamiento e intercambio de energía, vinculado por una poderosa interacción termodinámica con los usuarios, abre todo un campo de calidad y eficiencia en la climatización fundamentado en la gestión equilibrada de la transferencia de calor entre el hombre y su envolvente y la independencia de los sistemas que garantizan la calidad del aire y aquellos que garantizan la más eficiente temperatura operativa.

El uso integrado de las estructuras como recurso termoactivo permite por tanto resolver la climatización en ambos frentes conjugando los beneficios de la mejor gestión de los recursos energéticos disponibles con la reducción de la demanda y la optimización de la calidad de la climatización.

Las estructuras termoactivas son un campo de integración de los sistemas de los edificios con las estrategias energéticas y abren numerosas e innovadoras posibilidades a la Arquitectura como instrumento fundamental de la eficiencia.

Hoy, en el actual contexto disciplinar, la Arquitectura está más que nunca atacada por un proceso de desintegración disciplinar que desnaturaliza la rica complejidad y la eficiencia inherente a la materialización arquitectónica. La necesidad de la eficiencia nos redirige hacia principios básicos de integración que, como éste de las estructuras termoactivas, plantean esa integridad en el marco de la relación, de la interacción del hombre con el medio a través de la edificación.

Oficinas de la Administración del Estado en un palacete protegido en el Barrio de Chamberí de Madrid. Estados previo y posterior a la rehabilitación de la envolvente exterior del edificio, que integra sistemas de pretratamiento pasivo del aire, geotermia y estructuras termoactivas para la climatización, en un contexto de rehabilitación muy exigente. Arquitecto: Ignacio Mendaro. Concepción energética: Eneres. Fuente: Eneres / Fernández Molina Obras y Servicios.

En un edificio eficiente las posibilidades de mejora de la eficiencia a través de la reducción de la demanda están integradas con las que resultan de la mejora tecnológica, de la misma manera que lo simple coexiste con lo complejo, en un único sistema donde datos, información, programas y estrategias orientan el control, la operación y el mantenimiento para la eficiencia, sostenida en el tiempo, de la Arquitectura.

Éste es el contexto de la utilización para la eficiencia de las estructuras de los edificios que están en contacto termodinámico con el medio:

1. Con el medio habitado, losas, forjados, muros, vigas, para intercambiar energía, absorbiendo calor del aire y de los usuarios para refrigerar o cediendo calor al aire y a los usuarios, para calefactar y refrigerar.
2. Con el terreno, losas, muros, pilotes, que actúan como intercambiadores de calor geotérmicos, y lo utilizan como medio de extracción y almacenamiento de energía.

Hay edificios donde se obtiene un elevado confort interior evitando costosas inversiones en equipamiento, y esto es posible mediante una adecuada combinación de medidas y estrategias, cuidadosamente combinadas con los siguientes elementos básicos: aislamiento y control solar, capacidad de almacenamiento térmico en el edificio, y estanqueidad en la envolvente, vinculada a la ventilación, y a una renovación del aire orientada a la salubridad y a la recuperación de energía. La utilización de recursos gratuitos del medio sólo es posible si los edificios son cuidadosamente concebidos para que el diseño estructural, las necesidades de los ocupantes y el equipamiento técnico formen parte de un sistema integrado de gestión de la energía.

Se trata de hacer edificios que empleen soluciones sostenibles y eficientes caracterizadas por una reducción considerable de la demanda y con instalaciones y equipos de reducidas dimensiones y bajos costes operativos, en calefacción, refrigeración, ventilación, iluminación y mantenimiento. Edificios que en las condiciones de un entorno cambiante aseguren el confort, la salubridad y la ergonomía. Utilizando sistemas termoactivos la refrigeración y la calefacción de los edificios se resuelven con recursos térmicos almacenados e intercambiados con el terreno o el agua subterránea y no necesariamente el aire exterior, algo que tiene un gran interés tanto en términos energéticos como económicos.

La eficiencia termodinámica del agua y el aire como mecanismos para la captura y canalización de la energía trasciende los factores fisiológicos y operacionales, porque al ser el agua mucho más densa que el aire, los sistemas hidrónicos requieren una fracción del volumen que ocupan los sistemas térmicos basados en el aire. Gracias a la densidad del agua, la energía consumida en bombear agua en un sistema hidrónico es menos que la consumida por los ventiladores que mueven la misma cantidad de energía a través de sistemas de aire forzado. No sólo se recupera espacio, se gana en flexibilidad y se minimizan los problemas de coordinación y uso del espacio por parte de los sistemas y redes de instalaciones. En muchas ocasiones estos ahorros de espacio resultan en el aumento de la superficie útil de los edificios, al reducir el volumen de conductos, al integrar los sistemas de climatización en las losas, al reducir el peso y la cantidad de materiales y las cargas estructurales.

Mientras los sistemas tradicionales de aire acondicionado absorben un tercio y a veces hasta la mitad del presupuesto de construcción o rehabilitación de un edificio, para algunas tipologías, los sistemas termoactivos redirigen los recursos económicos, el tiempo, la coordinación y el trabajo lejos del paradigma del aire acondicionado y reinvierte esos recursos del presupuesto, formales e intelectuales, en la activación térmica del propio edificio, lo que le imbuye de un papel activo en la relación con el entorno y el usuario.

Las estructuras termoactivas, también denominadas TABS (Thermally Activated Building Structures), y las cimentaciones termoactivas, están vinculadas e integran la construcción y la envolvente de los edificios, son medios de intercambio de calor, en la climatización, constituyen parte importante de las redes de transporte de energía, son, y ésta es una característica importantísima para la capacidad de gestión que permite la eficiencia, recursos inerciales de almacenamiento de calor con capacidad de transferencia en periodos cortos, diarios, o largos, estacionales. Asociadas a recursos técnicos para la absorción cíclica y reversible de calor, bombas de calor, las estructuras termoactivas son un recurso de generación de calor y frío a partir de energía térmica intercambiada con el medio y permiten reducir significativamente el consumo de energía primaria, electricidad o gas.

La clave de su utilidad es la integración, en todos estos aspectos, en los edificios. El factor que de entrada las hace eficientes es que se perfeccionan al activar el potencial térmico de elementos inerciales que ya existen, y que, concebidos con naturaleza estructural pueden además realizar una importante función termodinámica. Para ello se dota a los elementos estructurales en contacto con el terreno de circuitos cerrados, sin afección térmica o mecánica a la capacidad estructural de muros, pantallas o pilotes, por los que circula un fluido que cede o absorbe calor a un terreno respectivamente más frío o caliente, y lo transporta hasta un intercambiador donde este calor absorbido y transportado se transfiere al agua que circula por otros circuitos que, embebidos en las estructuras que están en contacto con espacios habitados, forjados, losas, muros o vigas, transfieren el calor a un medio y a unos usuarios más fríos o absorbe calor de un medio y unos usuarios más calientes.

La interacción entre los sistemas termoactivos geotérmicos y los sistemas termoactivos para la climatización se da dentro de la estructura del edificio. Es por tanto un proceso distribuido de generación y uso eficiente de energía térmica, en el que la mayor parte del proceso de obtención y el uso del recurso energético se produce en el propio edificio.

Trabajamos con la técnica de intercambiar calor estacionalmente entre el edificio y el terreno o entre el terreno y el edificio, transfiriendo calor de un ámbito al otro mediante el intercambio entre circuitos por los que circula el agua que porta el calor. El diseño de los sistemas termoactivos se orienta hacia el equilibrio en el intercambio, a reducir las pérdidas en la transferencia de la energía captada y almacenada, y a que la energía se transfiera del medio exterior al interior y viceversa con el menor consumo de energía primaria.

La naturaleza de este intercambio de energía es la de la baja presión, la baja velocidad, la baja intensidad y la temperatura moderada, y esto permite incorporar al sistema la energía procedente de muchas de las fuentes renovables del medio natural, y energías residuales de los sistemas antrópicos, que tienen esta misma naturaleza moderada. Los recursos que proceden de la recuperación de calor en el agua residual, los gases y el aire, los de los sistemas urbanos que expulsan calor, los de las fuentes renovables solares, los del intercambio nocturno con el aire exterior, se almacenan en el terreno y se transfieren estacionalmente a los ocupantes y usuarios de los edificios a través de sus estructuras, preferentemente de los elementos horizontales, que están en contacto con los usuarios en todo el espacio habitable.

Este intercambio entre el terreno y el edificio sigue un ritmo estacional equilibrado que se ajusta con precisión a la cobertura de la demanda en cada momento en virtud de la utilización de un recurso de ajuste, interpuesto en el flujo de calor entre un medio y el otro. La bomba de calor geotérmica, un sencillo dispositivo de intercambio entre los dos circuitos de agua que permite realizar los ajustes de temperatura que cada día, a lo largo de cada estación y de cada año, precise el agua que porta el calor hacia o desde el interior del edificio.

La clave del diseño del sistema es el equilibrio en el comportamiento de los dos medios a lo largo del ciclo climático y a lo largo de los años, en los ciclos de extracción de energía del edificio y carga del terreno, almacenamiento en el terreno y descarga del terreno para inyectar energía al edificio.

La capacidad del terreno para acumular energía en volúmenes discretos y confinados de manera natural lo convierte en un importante y poderoso recurso para la gestión de todo tipo de energías del medio, y éste es uno de los principales mecanismos de reducción de la demanda en los edificios eficientes.

El terreno es un recurso de almacenamiento distribuido a disposición de todos y en todas las ubicaciones. Especialmente adecuado a los múltiples recursos energéticos de moderada intensidad que deben ser recuperados y consumidos localmente, en modo distribuido, pues no soportan el transporte ni la centralización. La transformación de estos recursos térmicos en los edificios para ser fuente de refrigeración o calefacción está también al alcance de todos. La interacción con recursos de almacenamiento inerciales, que ya están en la naturaleza, la forma y la construcción de los edificios, permite implementar estrategias de eficiencia que retoman en parte el sentido común de las tradiciones vernáculas y en parte responden a las posibilidades que ofrecen nuevos materiales, técnicas y tecnologías.

La posibilidad de aprovechar el potencial energético del subsuelo a través de elementos de cimentación depende de las condiciones del suelo y las exigencias estructurales del edificio que se construye. Cuando se utilizan como cimentación pilotes ejecutados in-situ o muros pantalla, ya están dadas las condiciones necesarias para un aprovechamiento efectivo de la geotermia: estos elementos por lo general se sumergen hasta niveles en que pueden activar un gran volumen de tierra para el intercambio de energía. Se ofrecen otras posibilidades en zanjas de cimentación, soleras, colectores, etc.

En los pilotes u otros elementos de cimentación se introducen tubos formando circuitos estancos y sellados de tubo de polietileno. Por estos tubos circula en circuito cerrado el líquido de absorción que transporta la energía a la central térmica del edificio. Dependiendo de las condiciones, este líquido puede ser agua con aditivos anticongelantes. El sistema de tuberías se integra en las jaulas de las armaduras, ya sea a pie de obra o en los talleres del fabricante. Las armaduras dotadas de tuberías se colocan entonces en las estructuras y se rellenan con hormigón.

A continuación, los circuitos de tuberías de las cimentaciones termoactivas se conectan al distribuidor mediante conductos horizontales de interconexión. Estos conductos se instalan en su mayor parte bajo la solera y en las paredes exteriores del edificio que tienen contacto con el terreno.

Los forjados inerciales o termoactivos son un nuevo desarrollo que constituye el sistema ideal para la climatización de edificios con estructura inercial mediante su acoplamiento a la geotermia. También son denominados ‘concrete core systems’, sistemas de refrigeración y calefacción que utilizan la masa de hormigón.

Los intercambiadores tubulares de calor se integran directamente en la masa de hormigón. Se trata de tubos multicapa de polietileno, PE, y aluminio que se usan como intercambiadores. Los tubos tienen un diámetro de 15 a 20 mm, y se colocan a intervalos entre 10 y 30 centímetros, dentro de las losas, a una altura intermedia, más o menos a la altura de la zona neutra de la losa estructural.

En función de la posición de los intercambiadores y de la posición en que están dentro de las losas, se pueden realizar distintas variantes de intercambio térmico en distintos momentos. Es muy importante que los acabados y revestimientos de los techos y suelos estén resueltos con materiales y soluciones que no comprometan la transferencia térmica.

Al contrario de lo que sucede con los sistemas de climatización por suelo radiante, en el caso de los sistemas termoactivos la instalación de los circuitos de intercambio tubulares se integra en el proceso de ejecución de la estructura, armado, encofrado y vertido del hormigón. Antes de ser embebidos en las losas y forjados, los tubos se revisan para detectar pérdidas mediante inspección visual y puesta a presión. Los tubos deben ser colocados cuidadosamente para evitar daños y posteriores reparaciones.

Por estos circuitos fluye el agua que es el medio de transferencia de calor que transporta la energía al interior del edificio. Con esta tecnología, se aprovecha la capacidad de almacenaje de calor del hormigón, que es ideal para amortiguar las cargas de calor y frío.

En un sistema termoactivo, hidrónico, basado en la circulación de agua, el reto es intercambiar energía a través de las superficies que delimitan el espacio. Las superficies termoactivas no enfrían el espacio, más bien impiden que se vaya calentando. Si un edificio no se sobrecalienta no necesita ser refrigerado. Es un cambio de paradigma en las teorías de climatización.

El techo y el suelo son las mejores superficies para instalar sistemas termoactivos. En la configuración de refrigeración o absorción de energía las superficies termoactivas absorben las ganancias de calor del espacio. Estas ganancias incluyen las del cuerpo humano, equipos, iluminación, ganancias solares, ganancias a través de la envolvente y de la ventilación. En este proceso, el aire caliente asciende y se produce convección. Adicionalmente el calor radiante de los objetos calientes como los cuerpos humanos o los ordenadores, se transfiere electromagnéticamente a los paramentos activos debido a su menor temperatura. El agua del sistema hidrónico captura finalmente ese calor en las superficies termoactivas y lo extrae del espacio y del edificio. En todos los casos si la temperatura superficial del elemento termoactivo está por debajo de la del aire, el cuerpo y otros objetos de la habitación, la superficie termoactiva estará absorbiendo y extrayendo calor del espacio. Es importante visualizar que el flujo de calor es siempre desde los objetos con altos niveles de energía térmica hacia aquellos objetos que tienen niveles más bajos de energía.

Para conseguir abordar por completo la cuestión del confort humano, los cálculos térmicos tienen que incluir las superficies que delimitan el espacio. Durante gran parte del siglo XX las temperaturas superficiales no estaban incluidas en las técnicas de cálculo por temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, como evidencia el diagrama psicrométrico de Carrier. En la actualidad se usa la Temperatura Operativa (un promedio de varias temperaturas radiantes del aire y del medio) para calcular el rendimiento y el confort térmico.

Más que un mero factor de confort térmico, los efectos de las superficies termoactivas se extienden mucho más allá de lo fisiológico. Una propiedad única de los sistemas termoactivos es su capacidad de realizar calefacción de baja temperatura y una refrigeración de alta temperatura. En los sistemas basados en la transferencia radiante el objetivo es la modulación de la temperatura superficial.

Relación entre el consumo energético del cuerpo humano (W/m²), temperatura del aire, y temperatura radiante media de los paramentos. Hay una combinación óptima de temperatura del aire y temperatura media radiante de la que resulta el mínimo consumo y el confort óptimo. Fuente: Lowex / Eneres.