Sistemas radiantes y edificios de consumo casi nulo

Los sistemas radiantes son cada vez más utilizados en las construcciones ya que consiguen un elevado confort térmico, superior al de otros sistemas convencionales, son "invisibles" al estar integrados en la construcción, trabajan a baja temperatura, por tanto, su consumo energético es más reducido, son más respetuosos con el medio ambiente y son compatibles con energías renovables. Un sistema, por tanto, idóneo para lograr viviendas de consumo casi nulo.

El modelo económico actual se basa en la sobreexplotación del medio natural y sus recursos. Es obvio que este modelo no es sostenible. Por tanto, estamos obligados a utilizar la energía de forma eficiente y a hacer un uso mucho mayor de las energías renovables.

Afortunadamente, la Unión Europea trabaja en esta dirección desde hace muchos años. Podemos encontrar las últimas estrategias referentes al clima y la energía de la Unión Europea en la siguiente página web:

https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050_en

Como ejemplo de objetivos a largo plazo podemos subrayar los siguientes:

• La UE aspira a ser "climáticamente neutra" en 2050, una economía con cero emisiones de gases de efecto invernadero.
• Los objetivos clave para 2030 son:
  1. al menos un 40% de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (con respecto a 1990)
  2. al menos un 32% de cuota de energías renovables
  3. al menos un 32,5% de mejora de la eficiencia energética

Todas las estrategias de ahorro energético de la Unión Europea se materializan a través de directivas de obligado cumplimiento que, cada vez más, elevan el listón del ahorro energético.

Un ejemplo de lo anterior es la directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética en edificios. No debemos olvidar que existe un gran potencial de ahorro en las edificaciones donde, más de un tercio de la energía primaria mundial se utiliza para alimentar los sistemas de calefacción, refrigeración, iluminación y otras instalaciones técnicas.

Dicha Directiva define los edificios de consumo casi nulo en su artículo 2 como: “edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto que se determinará de conformidad con el anexo I. La cantidad casi nula o muy baja de energía requerida deberá estar cubierta, en muy amplia medida, por energía de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno”.

La directiva 2010/31/UE también indica en su artículo 9 que, a más tardar, el 31 de diciembre de 2020, todos los edificios nuevos serán de consumo de energía casi nulo. Los edificios ocupados de propiedad pública deben cumplir con dicha exigencia desde el 31 de diciembre de 2018.

Las necesidades máximas de energía exigibles en la construcción de obra nueva en España aparecen en el Real Decreto 732/2019 publicado el 20 de diciembre de 2019 que modifica el Código Técnico de la Edificación al que pertenece el Documento Básico HE referente al ahorro de energía.

Este nuevo Documento Básico define, entre otros, los siguientes requisitos:

• Los consumos máximos de energía primaria en los espacios contenidos en la envolvente de un edificio entre 50 y 86 Kw·h / m²·año, dependiendo de la zona climática, para uso residencial privado de nueva construcción.
• El máximo admisible de energía primaria no renovable será el 50% de los valores anteriores.

El consumo de energía primaria incluye el de las instalaciones de calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria, ventilación, iluminación y otras instalaciones técnicas, como, por ejemplo, la deshumidificación.

Distintos estudios demuestran que conseguiremos una reducción más eficiente de los consumos de la energía primaria cuando actuamos a la vez en distintos frentes, por ejemplo:

• Una orientación del edificio eficiente. Protección solar en verano y aprovechamiento del calor solar en invierno.
• Buen aislamiento del edificio, cerramientos de buena calidad.
• Aislamiento de las instalaciones de agua caliente sanitaria.
• Instalaciones de ventilación eficientes con recuperación de la energía
• Instalaciones de calefacción y refrigeración eficientes.

No obstante, en este artículo, nos centraremos sólo en las instalaciones de calefacción y refrigeración.

Si queremos utilizar energías renovables o gratuitas, debemos considerar el uso de sistemas que puedan funcionar con fuentes de baja temperatura para calefacción, por ejemplo 35-45 °C, y fuentes de alta temperatura para refrigeración, por ejemplo 12-18°C.

Los sistemas que cumplen estas condiciones se llaman de baja exergía y los más conocidos son el suelo radiante, los paneles radiantes y los forjados activos. Estos sistemas consisten en circuitos de tuberías plásticas por los que circula agua integrados en diferentes elementos constructivos.

Los sistemas radiantes son cada vez más utilizados en las construcciones por sus ventajas:

• Consiguen un elevado confort térmico, superior al de otros sistemas convencionales. El frio o el calor se reparte uniformemente por toda la superficie de los locales, sin ruidos ni corrientes de aire molestas.
• Los elementos emisores radiantes son “invisibles” al estar integrados en la construcción. La ausencia de elementos “vistos” de la instalación permite una mayor libertad de decoración y mayor superficie útil.
• Permiten utilizar agua con niveles térmicos bajos que se pueden alcanzar con sistemas de generación térmica o de frío más respetuosos con el medio ambiente y con energías renovables.
• El consumo energético es más reducido que el de otros sistemas de climatización convencionales lo que conlleva, en muchos casos, una mejora de la calificación energética del edificio.

Mostramos abajo varios ejemplos de las mejoras del rendimiento en la generación de energía. Animamos a los técnicos a que hagan la misma comparativa con ayuda de las curvas de rendimiento de los equipos que seleccionen:

Caldera de condensación. Ahorro 11%

Bombas calor, Carrier XP Energy 7 KW. Ahorro en refrigeración 42%

Bombas calor, Carrier XP Energy 7 KW. Ahorro en calefacción 81%

La mayoría de diseños de sistemas radiantes responden a tres tipologías fundamentales:

Suelos radiantes: (Ver figuras 1.1. y 1.2.) La configuración más habitual consiste en:

• circuitos de tuberías plásticas con barrera anti-difusión de oxígeno,
• capa niveladora de mortero que embebe las tuberías,
• el aislante térmico que suele incluir también el acústico

Paneles radiantes: (Ver figura 1.3.) Habitualmente se componen de:

• una superficie metálica de aluminio, preferentemente, o placa de yeso,
• circuito de tuberías por los que circula el agua,
• capa de aislamiento en la parte posterior para reducir las pérdidas de calor.

Se utilizan fundamentalmente en techos de grandes espacios abiertos de oficinas, almacenes, etc. o como sistemas de apoyo de sistemas de suelo o forjados activos para permitir un comportamiento dinámico más rápido.

Forjados activos: o elementos estructurales activados (en inglés TABS, Thermal Activated Builiding Systems) que están basados en tuberías plásticas de agua con barrera anti-difusión de oxígeno embebidas directamente en la propia estructura del edificio. Sus características permiten desacoplar la producción y la demanda energética empleando la estructura como elemento de almacenamiento térmico.

Se usan cada vez más en edificios de oficinas o con usos comerciales.

En cualquier caso, todos los conceptos presentados anteriormente se rigen por los mismos fenómenos físicos de transferencia de calor.

Las siguientes normas contienen los métodos de cálculo:

• UNE EN 11855 Diseño ambiental de edificios, diseño, dimensionamiento, instalación y control de sistemas de calefacción radiante y de refrigeración integrados en superficies.
• UNE EN 1264, Sistemas de calefacción y refrigeración de circulación de agua integrados en superficies. Parte 2: Suelo radiante: Métodos para la determinación de la emisión térmica de los suelos radiantes por cálculo y ensayo.

A continuación, mostramos en la tabla 1.1 las fórmulas para calcular la potencia de acuerdo a la UNE-EN 11855-2, en función de la diferencia de temperaturas entre la superficie radiante y el ambiente:

En las relaciones anteriores q es la potencia térmica total transferida en W/m², θ_i es la temperatura ambiente en el interior del local y θ_s,m es la temperatura media superficial de la superficie radiante en cuestión.

Las potencias de los sistemas radiantes son generalmente suficientes tanto para calefactar como para refrigerar edificios que cumplan las exigencias constructivas actuales.

Un tema que es necesario puntualizar es que, en los casos en que exista una elevada humedad en el ambiente y sea necesario deshumidificar el aire, se pueden usar tanto deshumidificadores como recuperadores de energía entálpicos.

El punto de rocío del aire de ventilación debe estar, como mínimo, unos 5°C por debajo de la temperatura de la superficie del suelo.

En el interior de la Península Ibérica, un suelo radiante con un buen control es suficiente para calefactar y refrigerar viviendas, la deshumidificación del aire de la ventilación solo sería necesario en el caso de islas o zonas costeras. En edificios terciarios sería necesario evaluar si la carga latente es elevada o no para decidir en consecuencia.

Finalmente, mostramos la siguiente tabla basada en la EN15377-1 donde podemos ver un resumen de las potencias límite por cada superficie radiante y las temperaturas límites superficiales.