Surfeando la ola (de calor). ¿Cómo puedo utilizar el PHPP para dimensionar un equipo de refrigeración
Con olas de calor cada vez más frecuentes, prolongadas, y una creciente necesidad de refrigeración activa en los edificios residenciales Passivhaus, un correcto dimensionamiento de los equipos de frío activo es clave si queremos mantener el confort térmico de los usuarios, con un consumo energético mínimo.
Surfeando la ola (de calor). ¿Cómo puedo utilizar el PHPP para dimensionar un equipo de refrigeración
Un correcto dimensionamiento de los equipos de frío activo es clave si queremos mantener el confort térmico
Un dimensionamiento inadecuado provocará problemas de confort, expectativas fallidas y una brecha de rendimiento
Con olas de calor cada vez más frecuentes, prolongadas, y una creciente necesidad de refrigeración activa en los edificios residenciales Passivhaus, un correcto dimensionamiento de los equipos de frío activo es clave si queremos mantener el confort térmico de los usuarios, con un consumo energético mínimo. El sobredimensionamiento de un equipo de aire acondicionado encarece la instalación y genera consumos más altos de lo necesario, aumentando a la vez la presión sobre las redes eléctricas que intentan satisfacer los picos de demanda, especialmente en condiciones de ola de calor. Un dimensionamiento inadecuado provocará problemas de confort, expectativas fallidas y una brecha de rendimiento que los edificios Passivhaus han demostrado eliminar. Dado que se invierten horas en la creación del modelo de cálculo en PHPP, ¿podemos utilizar la herramienta con garantías para dimensionar un equipo de refrigeración?
El artículo analiza el uso del PHPP para dimensionar equipos de refrigeración y compara los resultados con cálculos multi-zona mediante simulación dinámica, basándose en un sencillo ejemplo práctico de una vivienda Passivhaus terminada y certificada en zona climática 5-Cálida. La investigación fue impulsada por las (dolorosas) lecciones aprendidas hace algunos años, cuando se utilizó el PHPP para dimensionar equipos de refrigeración en viviendas de bajo consumo con componentes Passivhaus, sin una modificación adecuada de las condiciones de contorno. Aún refrigeración activa las viviendas sufrían problemas de sobrecalentamiento y quejas de los usuarios.
¿Cómo calcula el PHPP la carga de refrigeración?
El PHPP calcula la carga de refrigeración sensible y latente como la potencia de refrigeración media diaria máxima necesaria para mantener la consigna de temperatura operativa, proporcionando una carga media para todo el edificio, basada en la temperatura media diaria máxima del aire exterior, el punto de rocío, la temperatura del cielo y la radiación solar. Las ganancias de ocupación suelen basarse en un valor por defecto (por ejemplo, para SRE = 150 m², ratio de ocupación = 51 m²/p, ocupación = 2,9 personas).
¿Cómo calcula una herramienta de simulación dinámica la carga de refrigeración?
Las herramientas de simulación dinámica permiten un cálculo multi-zona, basado en datos climáticos horarios, un perfil de ocupación detallado, y una programación horaria de los equipos consumidores, proporcionando un cálculo de alta resolución de las cargas de refrigeración para cada hora del día. Normalmente, las ganancias solares se calculan cada hora y las ganancias por ocupación se calculan dinámicamente, de forma que las ganancias latentes aumentan y las sensibles disminuyen a medida que aumenta la temperatura operativa interior (la gente empieza a sudar más a medida que aumenta la temperatura interior…). ¿Es realmente necesario este nivel de precisión, o podemos utilizar el PHPP para dimensionar la potencia del equipo de refrigeración?
¿Qué tipo de herramienta debo utilizar para dimensionar los equipos de refrigeración?
Encontrar la respuesta adecuada a esta pregunta implica plantearse algunas de las siguientes cuestiones: ¿de qué tipología de edificio se trata? ¿Cuáles son las condiciones climáticas locales a corto plazo, a lo largo de 24 horas, durante los días más calurosos? ¿Cuál es la densidad de ocupación del edificio, cuáles son las ganancias internas de calor y las ganancias solares, y en qué momento del día se producen? Lógicamente, una herramienta de cálculo en estado cuasi estacionario para una única zona térmica, como es el PHPP, quedará limitado en el caso de edificios grandes y/o aquellos con ganancias pico a corto plazo derivadas de la radiación solar, la ocupación concentrada en cierto horario y/o el uso de equipos, especialmente si varían mucho de una zona del edificio a otra.
Ejemplo de cálculo: PHPP vs. simulación dinámica para el cálculo de la carga de refrigeración en una vivienda unifamiliar Passivhaus
La Figura 3 muestra los resultados de la carga de refrigeración por zona, para una Passivhaus unifamiliar certificada en Mallorca (Figura 1), con un SRE de 170m², comparando un cálculo dinámico multi-zona utilizando DesignBuilder/EnergyPlus, con los resultados unizona del PHPP. El archivo climático del PHPP para los cálculos de balance energético es ES0022b-Palma de Mallorca, pero las condiciones de contorno del archivo climático se han ajustado en el PHPP para las condiciones de día cálido, mostradas en la Figura 2 (derivadas de un fichero climático horario generado con Meteonorm v.7), con una temperatura del aire exterior de 38,1ºC y una temperatura del punto de rocío de 27,2ºC (tomada de la humedad relativa media en 24 horas del 54% @ 38,1ºC de temperatura del aire seco).
Figura 1: Vivienda unifamiliar Passivhaus Classic en Mallorca. Fuente: Àlvaro Martínez; Arquitectura: KLARQ
Figura 2: Condiciones meteorológicas para el cálculo de la carga de refrigeración
También se realizaron los siguientes ajustes en el PHPP: se aumentó la ocupación a máximos, en este caso 10 personas, se redujo la temperatura de consigna de refrigeración a 24ºC y se aumentó el factor solar del acristalamiento en un 5% (para eliminar el factor de suciedad por defecto incluido en la pestaña “Ventanas”), en línea con las condiciones de contorno utilizadas en el cálculo dinámico, y conforme el uso previsto de la vivienda en el momento más desfavorable.
Los resultados mostrados en la Tabla 1 indican una diferencia mínima del 1% en los resultados de la carga de refrigeración media total del cálculo dinámico multi-zona y el cálculo en PHPP. Se concluye que- siempre y cuando se modifican las condiciones de contorno del PHPP de las condiciones por defecto que se usan para la certificación- la herramienta puede utilizarse con seguridad para dimensionar equipos de refrigeración para pequeños edificios residenciales. Esta metodología se ha usado en muchos proyectos de este tipo durante varios años, sin quejas de sobrecalentamiento.
Sin embargo, si nos fijamos en las cargas máximas de refrigeración de una zona a otra (Figura 3), varían entre +68% (WC) y -58% (pasillo). Aunque, en general, esto no ha supuesto un problema en la práctica en viviendas unifamiliares (y tampoco en el caso concreto de la vivienda usada como caso práctico en este estudio) implica que hay que tener cuidado con edificios más grandes o con las zonas de edificios más pequeños que cuentan con picos de ganancias internas a corto plazo (por radiación solar, ocupación o equipos). Además, el sistema terminal o de distribución de la refrigeración debe diseñarse y calcularse cuidadosamente, para garantizar que se elimine el calor de cada zona de manera adecuada, y evitar que determinadas zonas no se sobrecalienten.
Figura 3: Resultados del cálculo dinámico vs. PHPP
Tabla 1: Resultados del cálculo dinámico vs. PHPP
Por último, el correcto dimensionamiento de los equipos de refrigeración es importante por lo siguiente:
- Los equipos de refrigeración sobredimensionados producen consumos más altos que los necesarios, y por tanto, facturas energéticas excesivas.
- Si la potencia de refrigeración es mucho mayor que la necesaria, se llega antes a temperatura de consigna y el equipo se apaga (bajo órdenes de un termostato, que sólo considera temperatura, no humedad). Esto puede dar pie a problemas de confort, por un nivel de humedad interior excesivamente alto.
