Sistemas de climatización en edificios de oficinas. Propuestas de ahorro energético y análisis de opciones

Los edificios corporativos de oficinas tienen unos requerimientos específicos que se deben considerar cuando se abordael diseño de sus instalaciones de climatización. Son edificios patrimoniales,  representativos, con unos niveles de exigencia de calidad elevados, que se diseñan con un planteamiento a largo plazo y en los que las consideraciones de consumo energético son importantes, pues repercuten sobre la propia cuenta de explotación de la entidad que construye el edificio. En este entorno, los criterios de ahorro energético cobran especial importancia, así como el acierto en el diseño del sistema de acondicionamiento de los diferentes espacios. Estos sistemas deberán garantizar el adecuado nivel de confort ambiental de los usuarios, pero también deberán satisfacer otros requisitos, como la optimización de los costes de explotación y de mantenimiento, o la minimización de los espacios ocupados, tanto a nivel de planta (salas de máquinas y patios) como en sección (alturas de falsos techos).

Sistemas de climatización en edificios de oficina

En el diseño de estos edificios deberemos tratar de incorporar medidas que tiendan a reducir en lo posible la carga frigorífica necesaria para acondicionarlos.

También propondremos, en un segundo escalón, soluciones que permitan “aplanar” la curva de consumos del edificio, pues ello nos permitirá instalar equipos frigoríficos de menor potencia y que trabajarán mayor número de horas a plena carga, con un mejor rendimiento.

2.1. Medidas para la reducción de la carga frigorífica

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El primer conjunto de medidas tendería a reducir la carga frigorífica necesaria para acondicionar los edificios. La carga frigorífica de un edificio de oficinas viene forzada por estos tres conceptos principales:

- Las cargas internas o aportaciones internas de calor, debidas a la iluminación artificial, maquinaria de oficina y las propias personas que ocupan el edificio.

- La necesidad de renovación de aire en el edificio, para garantizar la correcta calidad de aire interior, que hace necesario acondicionar este aire que se introduce.

- Las acciones externas sobre el edificio, fundamentalmente la radiación solar sobre fachadas (vidrios y paredes) y la transmisión de calor por los diferentes cerramientos.2

Sobre estos tres grupos podemos plantear acciones concretas tendentes a reducir la carga que provocan:

a) Respecto a las cargas internas, se pueden diseñar oficinas con niveles generales de iluminación reducidos (350 lux en vez de los normales 500 lux), que podrían ser complementados localmente con alumbrados de sobremesa donde fueran necesarios.

También se pueden incorporar sondas de luminosidad en el interior, de modo que se apaguen las luces cuando la luz natural proporciona un nivel suficiente, evitando de este modo la superposición de carga por iluminación artificial y por radiación solar. La viabilidad de estos sistemas (regulación del alumbrado artificial en función del nivel de iluminación exterior) dependerá en gran medida de la distribución en planta de los edificios (si son o no profundos) y de la distribución interior final de los mismos (ubicación de despachos y zonas diáfanas). Si los despachos están en zonas interiores y las zonas diáfanas en fachada, será posible implantar un sistema de este tipo para estas zonas diáfanas. Si son los despachos cerrados los que están en fachada, un sistema automático tendría poca aceptación  (por la pérdida de control manual que significa) y quizás sería más adecuado plantear sistemas de apagado automático en despachos no ocupados durante un periodo de tiempo. Otro tipo de medidas a proponer al promotor sería el de utilización de equipos ofimáticos  de bajo consumo (como pantallas de ordenador de plasma), aunque esto requiere un compromiso firme del promotor en la adopción de estos equipos.

b) Respecto a la renovación de aire, se pueden plantear sistemas de recuperación de calor entre el aire viciado que se lanza al exterior y el aire de renovación que se introduce en el edificio. En espacios con una ocupación máxima elevada pero intermitente y variable (en aulas,comedores o salones de actos),es conveniente incorporar sondas de análisis de calidad de aire, que reducirían la aportación máxima de aire exterior cuando ésta no sea necesaria.

c) Finalmente, respecto a las acciones externas, las acciones más importantes son las tendentes a reducir la entrada de radiación solar en los edificios. En este sentido se pueden plantear:

- Adopción de protecciones solares exteriores, especialmente en las fachadas sur y oeste, mediante sistemas de toldos o pantallas o brise-soleil.

- Utilización de vidrios de control solar de alta calidad, vidrios dobles de baja emisividad (con coeficientes de transmisión de calor de 1,7 W/m2°C frente a los 2,7 W/m2°C de los vidrios convencionales con cámara) y factores solares del orden del 35% (respecto a vidrios convencionales con factores solares del 70 y 80%), cuidando especialmente las fachadas sur y oeste del edificio.

Mediante este tipo de acciones se pueden conseguir reducciones en cargas frigoríficas del orden del 15 ó 20% de las que se tendrían con materiales y soluciones más convencionales.

2.2. Medidas para la  “redistribución” de la carga frigorífica

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La carga frigorífica de los edificios de oficinas tiende a seguir una curva diaria con mucha diferencia entre su máximo (hacia las 12 ó 13 horas, máxima ocupación e insolación) y sus mínimos (a primera hora de la mañana o la última de la tarde). Esto hace que se dimensionen centrales de climatización que sólo trabajen al 100% de su capacidad durante muy pocas horas al día, siendo esto muy poco eficiente desde el punto de vista energético.

Se pueden plantear un conjunto  de medidas que provoquen un “aplanamiento” o redistribución de la curva diaria de  carga frigorífica, permitiendo así la implantación de centrales de climatización de potencia más reducida y que funcionan un mayor número de horas a su máxima potencia y rendimiento.

En este sentido, se pueden plantear algunas soluciones constructivas y de instalaciones:

- Explorar, conjuntamente con el arquitecto, la viabilidad de una fachada “pesada”, con masa, que actuaría como una trampa de calor, introduciendo una demora importante de tiempo (inercia) en la re-radiación al interior del edificio del calor recibido y absorbido por radiación solar, y liberándolo así a los espacios de oficinas tiempo después de que haya pasado el periodo punta de cargas térmicas (coincidencia de máxima ocupación y radiación solar).

- Utilización de sistemas de climatización de tipo radiante (techos fríos), que pueden preenfriar los locales y forjados de modo que disponen de una cantidad de energía frigorífica acumulada que sirve para hacer frente a las puntas de carga sin tener que disponer de equipos sobredimensionados. El sistema de techos radiantes fríos precisa además de un sistema de renovación de aire controlado que cumple también la función de suplementar la refrigeración del local en periodos muy desfavorables.

2.3. Aprovechamiento de “enfriamientos gratuitos”

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Además de los conceptos expuestos, se pueden considerar otros criterios tendentes a aprovechar al máximo las posibilidades de enfriamiento del edificio utilizando directamente el aire exterior (cuando las condiciones de este son favorables, esto es, su temperatura (entalpía) es inferior a la que queremos mantener en el interior del edificio).

Estos sistemas no reducen la carga punta frigorífica del edificio, pues esta será la misma en un día muy desfavorable (días muy calurosos), pero sí permitirán un ahorro en el consumo energético del edificio  ara la climatización, pues los equipos podrán funcionar menos horas al tener una parte de su trabajo cubierto con el enfriamiento gratuito.

Dentro de este grupo de sistemas podemos plantear:

- Instalación de ventanas practicables que permitan ventilaciones cruzadas en el edificio, circulando el  ire fresco desde una fachada en sombra a través de edificio y saliendo por la ventana de la fachada en sol.

Frente a soluciones más complejas (ventanas con apertura y cierre automáticos), pensamos que es más viable la incorporación de ventanas de accionamiento manual, que provoquen la parada del sistema de climatización local cuando estén en posición abierta.

- Utilización de “forjados ventilados”, forjados prefabricados  que incorporan unas partes huecas que forman unos conductos circulares de uno a otro extremo del forjado. Por el interior de estos conductos se hace circular aire exterior, de forma natural o asistida por ventiladores, cuando las condiciones del aire  exterior son favorables, de modo que se enfría la parte maciza del forjado, acumulándose energía frigorífica que se liberará cuando  es necesaria, varias horas más tarde.

- Sistemas de climatización con opción de free-cooling, en los que se puede trabajar con un 100% de aire exterior en condiciones favorables (temperatura exterior baja y necesidades de refrigeración en el interior del edificio). Estos sistemas son plenamente efectivos con soluciones de climatización del tipo “todo aire”, pero en el caso de techos fríos o fan-coils puede  igualmente aplicarse al sistema de renovación de aire, dando entonces un rendimiento parcial.

3. Sistemas de volumen de aire variable

Volumen aire variable

Mediante este sistema, una o varias unidades climatizadoras enfrían o calientan el aire y lo distribuyen a los espacios mediante conductos verticales y derivaciones a cada planta. La regulación de temperatura de cada local en las plantas se realiza con compuertas de regulación que modularán la cantidad de aire que pasa en función de la temperatura de la propia sala.

Existirá un sistema complementario de tratamiento de las cargas térmicas de fachada, que puede ser mediante radiadores perimetrales o mediante un sistema de volumen de aire constante.

Las unidades climatizadoras podrían colocarse en cubierta, para facilitar la renovación de aire de las mismas.

Las ventajas de un sistema de este tipo son:

- Proporciona control individual de temperatura en locales cerrados, aunque no es posible suministrar frío a un local y calor al local adyacente.

- El mantenimiento y los posibles ruidos están limitados a las salas de máquinas del edificio.

- No existen tuberías de agua dentro de los espacios de oficinas.

- Relativa facilidad de adaptación a futuros cambios en la distribución de despachos.

- Muy eficiente desde el punto de vista energético: disponibilidad de enfriamiento gratuito por aire exterior (free-cooling) y bajo consumo eléctrico cuando se opera a cargas parciales.

Tiene sin embargo algunas

desventajas que se deben tener en cuenta:

- Cantidad de espacio necesario para los conductos, tanto en montantes verticales como en los propios falsos techos (previsión de unos 75-80 cm libres en el falso techo)

- Sistema relativamente difícil de regular y poner en marcha.

- Precisa un sistema adicional de tratamiento de cargas térmicas en fachadas.

- Es un sistema no muy conocido por los futuros usuarios.

4. Sistema de fancoil a cuatro tubos

Sistema fancoils

Las unidades fancoil acondicionan las diferentes dependencias a partir de las tuberías de agua fría y caliente que se distribuyen por el edificio. Los equipos se colocan en falsos techos o antepechos de ventana. La renovación de aire se realiza con un sistema centralizado de distribución de aire. Cada fancoil dispone de su propio sistema de regulación de temperatura. El falso techo necesario con esta opción es de unos 55-60 cm libres.

Las ventajas de este sistema son:

- Sistema conocido y familiar para los usuarios.

- No hay necesidad de un sistema perimetral adicional para tratamiento específico de las fachadas.

- Proporciona un control individual de temperatura, permitiendo generar calor en una dependencia

y frío en la dependencia  anexa.

Como desventajas o limitaciones podemos enumerar:

- Existencia de tuberías de agua que recorren las áreas de trabajo, con riesgos de averías y goteras.

- Mantenimiento muy distribuido de cientos de filtros y ventiladores.

- Ruido ambiente debido a los ventiladores.

- Limitada eficiencia energética, limitada a las posibilidades de free-cooling parcial del aire de renovación y al teórico aprovechamiento de calor con equipos frigoríficos con recuperación.

5. Sistemas de techos radiantes fríos

Sistema techos radiales

En esta instalación se hace circular agua fría por pequeñas tuberías plásticas integradas en los falsos techos, que proporcionan un efecto de refrigeración radiante (60–70 W/m2), que podrá combatir el 60-70% de las cargas térmicas del edificio. El resto se consigue con la capacidad frigorífica del aire de renovación del edificio. Este aire de renovación podría ser circulado por el interior de los forjados del edificio, permitiendo así el pre-enfriamiento de los mismos.

Dado que con este sistema la cantidad de potencia frigorífica está limitada (pues existe un diferencial máximo de temperatura entre el agua fría que se circula y la temperatura de la sala, para evitar la aparición de condensaciones en los falsos techos), es muy importante optimizar el comportamiento “pasivo” del edificio, minimizando las ganancias de calor en el edificio.

El control de temperatura individualizado (despachos) se realiza con sondas de ambiente que accionan válvulas que modulan el caudal de agua fría a cada espacio.

El espacio libre necesario en el falso techo es para esta opción de unos 55-60 cm.

Las ventajas que podemos evidenciar en este sistema son:

- Sistema muy silencioso.

- Mínimo riesgo de corrientes de aire molestas en los espacios.

- Eficiencia energética (la relativamente alta temperatura del agua enfriada permite un elevado rendimiento en el funcionamiento de las enfriadoras asociadas; costes de transporte energético reducidos). La potencia eléctrica necesaria para generación y transporte de energía frigorífica es del orden del 70% respecto a un sistema convencional.

- Sistema “moderno”. Tiene el sistema algunos inconvenientes que hemos de considerar:

- Riesgo de condensación en superficie del falso techo si no se controla el nivel de humedad interior.

- No es conveniente permitir la apertura de ventanas por la posibilidad de subidas bruscas de humedad que provoquen condensaciones.

- No es muy fácil adaptar la instalación a futuros cambios de distribución.

- Existencia de tuberías de agua en los espacios de oficinas.

- No es un sistema muy conocido por los usuarios (sistema “moderno”).

6. Comparativo económico de sistemas

Se plantea a continuación un estudio comparativo económico entre los tres sistemas, partiendo de un supuesto de cargas térmicas idénticas (el mismo edificio). Los costes se dan en Euros por m2, pero han sido obtenidos desde un edificio “tipo” de 20.000 m2.

Deberemos analizar los costes de inversión asociados a los tres sistemas, y las diferencias en los costes de explotación, para poder analizar si existen retornos de inversión a tener en cuenta en alguno de los sistemas.

Dentro de los costes de inversión hemos de contemplar tanto los costes propios de la instalación de climatización como los mayores costes asociados  a necesidades de habilitación de espacios para las instalaciones.

En los costes de explotación contemplaremos los propios de los consumos energéticos y los asociados al mantenimiento de instalaciones.

Los valores que se presentan son valores válidos a efectos decomparar los diferentes sistemas.

Su validez como valores absolutos de coste es limitada, pues dependerá de muchos factores que escapan a este artículo, como la proporción entre despachos y zonas cerradas, el tamaño del edificio, su ubicación, la situación del mercado de instalaciones en ese momento, el tipo de promotor y contrato que se plantee, etc.

a) Costes de inversión de las instalaciones de climatización:

Se consideran aquí sólo los estrictos de la instalación. No se han considerado el resto de instalaciones asociadas (eléctrica, fontanería), pues se considera que tienen la misma importancia relativa para los tres sistemas.

- Volumen aire variable: 145 €/m2

- Fancoils a 4 tubos:132 €/m2

- Techo radiante frío:180 €/m2

b) Otros costes de inversión asociados:

Todos ellos relacionados con el sistema de volumen de aire variable, pues es el que precisa  de mayor espacio tanto en falso techo (80 cm frente a 60 cm en las otras dos opciones), como en salas de máquinas (en las otras dos opciones los equipos están repartidos en los falsos techos de las plantas), como en patios de conductos de aire (en las otras dos opciones son sólo para el aire de renovación).

- Repercusión de sobrecoste por 20 cm más de fachada por planta, contando un precio de fachada de 900 €/m2, su repercusión sobre superficie en planta es de 14 €/m2.

- Sobrecoste por ocupación de superficie para salas de máquinas.

Contando una repercusión de 30 m2 por cada 1.000 m2

de oficinas, y un precio de sala de máquinas de 300 €/m2 (suponiendo situadas en cubierta o sótanos, no ocupando espacios que podrían ser valorados como oficinas), representa una repercusión de 9 €/m2.

- Sobrecoste por reserva de espacio de oficinas para patios de conductos: se precisan unos 30 m2 de patios por cada 1.000 m2 de oficinas. En este caso, hemos de considerar un coste de “ocupación” asociado de 600 €/m2, pues sí se trata de destinar a espacio de instalaciones una superficie que podría ser de oficinas. Esta reserva representa un sobrecoste de la instalación de Volumen de Aire Variable de 19 €/m2.

c) Costes de explotación:

Podemos considerar que los sistemas de fancoils y techos radiantes fríos tendrán un coste de explotación, por consumo energético, equivalente. El posible ahorro de los techos radiantes en producción de frío  (pues se producirá agua fría a más temperatura y por ello aumentará el rendimiento del equipo frigorífico) puede quedar compensado por las mayores ineficiencias del sistema –respecto al de fancoils- en el proceso de seguir las evoluciones de la carga frigorífica.

La diferencia sustancial del sistema de Volumen de Aire Variable estará en su posibilidad de utilizar el enfriamiento gratuito del edificio por aire exterior (free-cooling), cuando las condiciones exteriores sean favorables.

Para un edificio situado en Barcelona, hemos realizado diferentes cálculos, que se pueden resumir en:

• 6 meses de free-cooling/ año x 20 días/mes x 5 horas/día = 600 h de free-cooling/año

• 0,150 kW frío/m2 x 1/3 (COP) x 0,7 carga máxima x 0,06 €/kWh = 0,0021 €/h m2

• 0,0021 €/h m2 x 600 h – año = 1,26 €/m2 – año.

Se podría considerar un ahorro secundario adicional en los sistemas VAV, que sería el menor consumo energético de los ventiladores trabajando a cargas parciales, pero no lo hemos considerado pues se pueden plantear soluciones parecidas en los sistemas de agua, como bombas de caudal de agua variable.

d) Costes de mantenimiento:

En este último aspecto, consideramos que el factor significativo  estará en el incremento de horas de mantenimiento asociadas a la instalación de fancoils que se deben atender, purgando y limpiando filtros, de una manera periódica. Si consideramos una repercusión de una unidad fancoil cada 30 m2, y una atención necesaria de 4 horas de mantenimiento al año, el sobrecoste de la instalación de fancoils

por este concepto resulta ser:

1 Fancoil/30 m2 x 4 h/año x 18 €/hora = 2,4 €/m2

Con todos los datos anteriores, podemos construir la Tabla I simplificada (no tiene en cuenta los tipos de interés) de inversiones y amortizaciones.

Ahorro energetico

7. Conclusiones

La opción de la instalación de fancoils es inicialmente la más económica, pero el promotor de un edificio corporativo de oficinas debería analizar también otros aspectos de la explotación de la instalación, como son el mayor confort y menor mantenimiento y consumo energético de los sistemas de VAV y techos radiantes, antes de tomar una decisión.

En cualquiera de los tres casos, debe realizarse un serio planteamiento previo de las condiciones generales de diseñodel edificio, que permita optimizar la potencia frigorífica a suministrar al edificio.

fuente: http://www.reutilizando.com/