Ventilación de edificios, ¿consumo extra o ahorro de energía?

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 haciendo que se adquiera una conciencia mayor sobre la necesidad de una buena ventilación para garantizar la seguridad de las personas en el interior del edificio.

Mas allá de esta circunstancia, mediante la ventilación se consigue una adecuada dilución del aire interior, reduciendo el número de patógenos 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.

Dilución del aire interior debido a la ventilación

¿Por qué -sin embargo- se sigue obviando en muchas instalaciones el aire de la 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 pública 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 térmica, llegándose a detener 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 hay lugar a dudas, y es que la ventilación es imprescindible y su efecto es siempre positivo. Desde el punto de vista del consumo energético térmico, 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 a una temperatura inferior a la que se está dentro del edificio. Una forma de enfriar el edificio sería 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 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 se ahorra energía.

Enfriamiento Gratuito con la ventilación y Recuperación de Calor del Aire de Extracción

Unidad de Tratamiento de Aire con Recuperador de Calor

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 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 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 de acuerdo 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 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.

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, un teatro, un auditorio o los locales comerciales del interior de una galería comercial, con lo que ocurrirá en un local con fachada a la calle o un local de baja ocupación con mucha superficie exterior (una vivienda, por ejemplo). En cada caso habrá que estudiar la carga interna y uso del edificio, y el peso de la ventilación será diferente en cada uno.

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).

UTA con Recuperador de Calor, Freecooling y postcalentamiento/enfriamiento

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 definido 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 qué parte de la energía que aporta el aire exterior kW se recupera (verde) y qué parte es la que supondrá un consumo extra 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 que la energía necesaria que tenemos que suministrar 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 de temperaturas, 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 a 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.

Perfil horario de Temperaturas Madrid Sep. 2021-Sep 2023 vs carga térmica edificio

Viendo el perfil de cargas, se observa que en la franja de temperaturas exteriores entre 15 ºC y 25 ºC va a 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 bypasear el recuperador calor para que toda la energía del interior del edificio pueda ser extraída y se enfríe gratuitamente.

Demanda Anual energía vs demanda debida a la ventilación

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, y multiplicando por el número de horas en cada caso, obtenemos el siguiente perfil de consumo térmico anual:

Como podemos apreciar en la gráfica, dado que el número de horas de temperaturas extremas es inferior que el de temperaturas moderadas, la demanda en  kW·h debido a la ventilación recuperada es relativamente pequeño en comparación a la demanda 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 que en este edificio el balance de energía es favorable a la ventilación.

No hace falta decir, que en todo momento hemos hecho referencia al consumo y demanda térmica del edificio; el consumo eléctrico dependerá del rendimiento del sistema de climatización aplicado.

Conclusión

Finalmente, si representamos por separado la demanda total de energía debida al aire de ventilación, junto con el ahorro de energía que tenemos debido al aire de ventilación, obtenemos el siguiente gráfico:

Consumo de energía del aire de ventilación vs ahorro de energía gracias al aire de ventilación

Como conclusión, vemos que, en este edificio, el sistema de ventilación no solo mejora la calidad de aire y la salubridad, protegiendo a las personas, sino que además, en el cómputo total del balance de energía supone un ahorro energético 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. Sin embargo, se pretende concienciar del hecho 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 lograr este ahorro, con un adecuado sistema de recuperación de calor, el aporte de energía exterior se ve drásticamente reducido en más del 70%.