Keep cool and carry on: Experiencias en refrigeración de viviendas Passivhaus en clima cálido

Con el aumento de las temperaturas globales y las olas de calor en verano cada vez más frecuentes, mantener los edificios Passivhaus frescos se ha convertido en un tema candente.

Bromas aparte, el sobrecalentamiento puede ser mortal: en Francia el pico de mortalidad que produjo la ola de calor de 2003 fue más alto que el pico durante la primera ola de COVID en 2020, como se muestra en la Figura 1 [Parienté et al 2021].

La refrigeración activa en los climas templados-cálidos parece que se convertirá en necesaria. La pregunta es: para climas templados-fríos, ¿es suficiente la refrigeración pasiva, o es inevitable la refrigeración activa? ¿Cuáles son los pros y los contras de los diferentes sistemas? ¿Llamarán los clientes en la próxima ola de calor quejándose?

El artículo presenta el análisis técnico y las lecciones aprendidas de 10 años de experiencia aplicando estrategias de enfriamiento pasivo y activo en edificios Passivhaus residenciales en Catalunya. Se comparan 6 sistemas de refrigeración activa diferentes que han sido diseñados e instalados en viviendas unifamiliares Passivhaus, evaluando la simplicidad o complejidad del diseño, instalación y puesta en marcha; costos iniciales; facilidad de uso, robustez y comodidad; impacto ambiental de los refrigerantes para sistemas de enfriamiento activos; y el resultado final: comportamiento medido y datos de monitorización.

Refrigeración pasiva

Un diseño cuidadoso, aberturas de tamaño moderado con protección solar exterior, la consideración de la climatología local y unos usuarios activos parecen ser algunas de las claves para que la refrigeración pasiva sea eficaz. La reducción de las ganancias internas es primordial, con electrodomésticos eficientes y sistemas de Agua Caliente Sanitaria (ACS) compactos en diseño, que eviten la necesidad de recirculación. Si la recirculación es inevitable, las tuberías deben tener un alto nivel de aislamiento, con un control sobre el caudal de impulsión del agua, a la menor temperatura posible – siempre y cuando sea compatible con la prevención de la Legionela. La ultrafiltración y la desinfección química son alternativas prometedoras a la solución convencional de alta temperatura de suministro de ACS y prevención por choque térmico.

La protección solar exterior móvil es esencial, idealmente mediante persianas exteriores de lamas graduables y apilables motorizadas, ya sea controladas por el usuario o automatizadas. Incluso las ventanas orientadas al norte necesitan sombreamiento: la alta constante de tiempo de los edificios Passivhaus significa que incluso la radiación solar difusa puede causar sobrecalentamiento. Si sólo se pueden implementar elementos de sombra fijos, entonces se deben tratar soluciones concretas y apropiadas para cada orientación, con especial atención a las orientaciones este y oeste, que reciben más radiación solar en verano que la orientación sur (Figura 2). Los voladizos horizontales profundos en las aberturas a sur funcionan mejor (o a norte, en el caso del hemisferio sur), en cambio, para este y oeste se recomiendan los salientes verticales.

La ventilación nocturna combinada con la inercia térmica funciona bien cuando las temperaturas nocturnas son lo suficientemente bajas. Los colores exteriores claros, un alto nivel de aislamiento en cubiertas, el acoplamiento con el terreno y los ventiladores de techo también son estrategias efectivas. La Figura 3 muestra un ejemplo de datos medidos para una vivienda unifamiliar que emplea muchas de esas estrategias (pero con poca inercia térmica).

La refrigeración pasiva es generalmente sencilla, de bajo coste, fácil de instalar, mantener y puede ofrecer un buen nivel de confort. Sin embargo, las estrategias de refrigeración pasiva son altamente dependientes del clima y del comportamiento de los usuarios. En los lugares donde las temperaturas medias del aire y los niveles de radiación solar son altos, las temperaturas mínimas nocturnas no bajan de ~ 20 ºC y la temperatura nocturna del cielo y la humedad del aire exterior son altas, la refrigeración pasiva no funcionará. La Figura 4 y la Figura 5 muestran un ejemplo durante una semana de la ola de calor en Barcelona en Julio del 2015. En este caso, la refrigeración activa es inevitable para mantener el confort interior.

Refrigeración activa

Se comparan 6 sistemas de refrigeración diferentes que han sido diseñados e instalados en Passivhaus residenciales, evaluando 6 criterios a través de un simple sistema de puntuación de 1 a 5 puntos, que se muestra en la Tabla 1. Se presentan datos de monitorización para los sistemas Sistema 1, 2, 5, y 6.

Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen un alto nivel de confort y eficiencia, pero son más complejos de diseñar, instalar y poner en marcha, con un mayor coste. El control de la humedad y la potencia de refrigeración pueden dar problemas en climas cálidos y húmedos, donde los usuarios entran y salen del edificio (jardín, balcón, etc.). La Figura 6 muestra los datos de monitorización de un sistema de refrigeración por suelo radiante. La figura 7 muestra los datos de monitorización de un sistema de refrigeración por techo radiante.

Los radiadores de baja temperatura (instalados en el suelo o pared) ofrecen un equilibrio razonable entre simplicidad de instalación, coste, eficiencia y comodidad. Son equipos con menor potencia de refrigeración que los fan-coils y splits, por lo que requieren un mayor número de unidades para cubrir la misma carga que un sistema de fan-coil/split de conductos (donde 1 unidad interior puede refrigerar varias habitaciones). La Figura 8 muestra los datos monitorizados de este tipo de sistema.

Según las experiencias de refrigeración mediante el aire de la ventilación, ésta puede ser problemática, debido a la potencia de refrigeración limitada, consecuencia de tratar el aire exterior en lugar de recircular el aire interior, la baja tasa de caudal y las ganancias de calor a lo largo del recorrido de los conductos. La potencia se puede aumentar utilizando la recirculación parcial, pero los datos de monitorización de la Figura 9 muestran que la temperatura y la humedad relativa sobrepasan el rango de confort extendido a menudo. Las ventajas de este sistema son la simplicidad y el bajo coste, pero la potencia de refrigeración limitada significa que las medidas de refrigeración pasivas deben ser robustas: una vez que el sobrecalentamiento se ha establecido, el sistema tendrá dificultades para eliminar el calor del interior del edificio.

La experiencia con los diferentes sistemas analizados arriba muestra que las soluciones convectivas convencionales a través de la recirculación de aire interior, es decir, sistemas de fan-coil/split, son los más robustos. Por lo general, son fáciles de diseñar, instalar y poner en marcha, tienen un coste menor que los sistemas radiantes y permiten una modulación de potencia para hacer frente a las cargas máximas de una ola de calor. Aun así, son menos confortables que los sistemas radiantes. Los sistemas de split con refrigerante ofrecen una mayor potencia de deshumidificación (debido a la temperatura más baja del refrigerante en comparación a la del agua) con una respuesta más rápida que los fan-coil, basados en agua. Sin embargo, el Potencial de Calentamiento Global (GWP) del refrigerante y el riesgo de fugas debido a la manipulación in situ es una consideración importante. La Figura 10 muestra los datos monitoreados para el sistema de splits por conductos. Las temperaturas que se extienden fuera del rango de confort se dan durante las horas en que la casa no estaba ocupada, y los clientes reportan un alto nivel de confort térmico.

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