Sobrecalentamiento en aulas en Barcelona: Simulación HVAC
Estudio con EnergyPlus sobre sobrecalentamiento en aulas en Barcelona, confort térmico, orientación solar y estrategias HVAC para colegios.
Sobrecalentamiento en aulas en Barcelona: Simulación HVAC
Por qué importa el sobrecalentamiento en aulas
A medida que el cambio climático intensifica las olas de calor, prevenir el sobrecalentamiento en aulas se ha convertido en un reto prioritario para los edificios educativos en ciudades mediterráneas como Barcelona. Los colegios deben garantizar condiciones interiores saludables y confortables, al mismo tiempo que reducen el consumo energético y la complejidad operativa.
Este artículo presenta un estudio de simulación termodinámica que evalúa el riesgo de sobrecalentamiento en dos aulas de una escuela primaria en Barcelona. El análisis utiliza DesignBuilder con el motor de cálculo EnergyPlus para comprobar si un sistema HVAC centralizado con 100% aire exterior puede mantener el confort térmico durante el horario lectivo entre mayo y septiembre.
El estudio es especialmente relevante para arquitectos, ingenieros, gestores de centros educativos y administraciones públicas que buscan estrategias basadas en datos para mejorar el confort térmico en colegios, especialmente cuando la refrigeración se aporta mediante una unidad de tratamiento de aire centralizada.
* Las escuelas en España cierran desde finales de junio hasta septiembre. Sin embargo, para las simulaciones se incluyeron julio y agosto para obtener resultados bajo condiciones climáticas más exigentes. Esto también se debe a que el archivo climático se basa en datos históricos. En la actualidad, condiciones meteorológicas que solían darse en julio suelen presentarse en mayo.
Objetivos del estudio
La simulación se planteó para responder a tres preguntas prácticas relacionadas con el sobrecalentamiento, la temperatura de impulsión y el efecto de la orientación solar.
- ¿Cuántas horas lectivas superan una temperatura operativa de 27°C aunque se impulse aire frío a 14°C?
- ¿Qué relación entre temperatura exterior y temperatura de impulsión permite evitar tanto el sobrecalentamiento como el sobreenfriamiento?
- ¿Cómo se comportan de forma diferente las aulas orientadas al este y al oeste, y qué implica esto para el control HVAC?
Herramientas de simulación y modelo del edificio
La simulación dinámica se realizó con DesignBuilder utilizando el motor EnergyPlus. El modelo representa dos aulas idénticas situadas en la tercera planta de una escuela primaria en Barcelona: una orientada al este y otra al oeste, con un pasillo norte-sur entre ambas.
Para las condiciones climáticas se utilizó el archivo IWEC II de Barcelona-Aeropuerto desarrollado por ASHRAE. Aunque los colegios en España suelen cerrar durante julio y agosto, estos meses se incluyeron en la simulación para someter el sistema a condiciones más exigentes y evaluar su resiliencia climática.
Los forjados y particiones interiores se modelaron como adiabáticos. Los parámetros de la envolvente cumplen los requisitos mínimos del CTE HE1 para la zona climática C. Las ventanas son de doble acristalamiento, con Ug = 1,80 W/m²K, transmitancia visible del 79% y factor solar del 59%. El muro exterior tiene U = 0,49 W/m²K, la cubierta U = 0,40 W/m²K y la permeabilidad al aire es n50 = 3 ren/h.
Cada aula incorpora dispositivos fijos de sombreamiento exterior con un factor de reducción del 50%, representando una malla metálica expandida tipo deployé. Este sombreado reduce las ganancias solares, pero no elimina el efecto de la orientación.
Cargas internas y configuración HVAC
Cada aula tiene una superficie de 60 m² y está ocupada por 31 alumnos y un docente adulto durante el horario escolar. Las cargas de iluminación y equipos funcionan durante el horario lectivo, de lunes a viernes de 08:00 a 18:00, aunque la iluminación se considera apagada en verano.
La ventilación se realiza mediante una unidad de tratamiento de aire central que suministra 100% aire exterior a 45 m³/h por persona, equivalente a 1.395 m³/h por aula. El sistema incorpora recuperación de calor con una eficiencia sensible del 79% y latente del 62%.
La refrigeración se produce mediante una bomba de calor aire-agua que genera agua fría a 7°C para la batería de frío de la UTA. Durante el horario escolar de verano, la temperatura de impulsión se considera constante a 14°C a nivel de aula. En la práctica, las ganancias térmicas y pérdidas de presión en conductos pueden provocar que la temperatura y el caudal entregados difieran de la hipótesis de simulación.
En mayo y septiembre se aplica una estrategia de doble consigna para reducir el riesgo de sobreenfriamiento: cuando la temperatura exterior es inferior a 16°C, el aire se impulsa a 20°C; cuando supera los 17°C, se impulsa a 14°C.
Criterios de confort térmico
El confort térmico se evaluó mediante umbrales de temperatura operativa durante el horario escolar. El rango de confort se definió entre 22°C y 27°C, con objetivos de humedad relativa interior entre el 30% y el 60% a 26°C. Las condiciones por debajo de 22°C se clasificaron como demasiado frías, y las superiores a 27°C como demasiado cálidas.
La temperatura operativa proporciona una evaluación más representativa de la sensación térmica que la temperatura del aire por sí sola, ya que considera tanto la temperatura del aire como la temperatura radiante de las superficies interiores.
Resultados clave: riesgo de sobrecalentamiento y sobreenfriamiento
El análisis muestra que el sistema HVAC centralizado mantiene generalmente el confort en las aulas durante la mayor parte del horario lectivo. Sin embargo, los resultados también demuestran que la orientación, las ganancias solares y el control de la temperatura de impulsión son factores decisivos para el rendimiento real.
El aula orientada al este presenta el mayor riesgo de sobrecalentamiento, especialmente en julio y septiembre, porque las ganancias solares matutinas coinciden con el inicio de la ocupación y el aumento de la temperatura exterior. En julio, el aula este supera los 27°C durante aproximadamente el 7% de las horas lectivas, pese a impulsarse aire a 14°C.
El aula orientada al oeste se comporta ligeramente mejor frente al sobrecalentamiento, con una proporción reducida de horas por encima de 27°C en septiembre. Sin embargo, muestra una mayor tendencia al sobreenfriamiento en las mañanas de meses intermedios, ya que la exposición solar diferida de la tarde no compensa el aire frío impulsado durante las primeras horas.
Este resultado ilustra un reto habitual en el diseño HVAC de colegios: una estrategia centralizada puede funcionar correctamente de media, pero generar resultados de confort distintos en zonas con orientaciones diferentes.
Por qué la orientación solar importa en el confort de las aulas
La orientación solar influye significativamente en el riesgo de sobrecalentamiento. Las aulas orientadas al este reciben radiación solar directa por la mañana, justo cuando llegan los alumnos y el aula ya está ocupada. Esto puede elevar rápidamente la temperatura operativa antes de que el sistema de refrigeración compense completamente la carga solar.
Las aulas orientadas al oeste reciben radiación más tarde. Esto puede reducir el riesgo de sobrecalentamiento a primera hora, pero genera un perfil térmico diferente por la tarde. En la simulación, el aula oeste también presentó mayor riesgo de ligero sobreenfriamiento en mayo y septiembre.
Para edificios escolares en Barcelona y otros climas mediterráneos, la orientación de fachada debe analizarse conjuntamente con el diseño HVAC. Dos aulas idénticas pueden requerir estrategias de control distintas aunque tengan la misma superficie, ocupación y envolvente.
Estrategias recomendadas para prevenir el sobrecalentamiento en aulas
La simulación confirma que el control HVAC es importante, pero debe combinarse con medidas pasivas para crear edificios educativos resilientes. El enfoque más eficaz consiste en reducir primero las ganancias térmicas y después utilizar sistemas mecánicos eficientes para gestionar la carga restante.
Comisionar cuidadosamente los caudales y temperaturas de impulsión a nivel de aula, no solo en la UTA.
Mejorar el sombreamiento exterior, especialmente en fachadas este y oeste, donde la radiación solar de bajo ángulo es más difícil de controlar.
Optimizar las prestaciones del acristalamiento, especialmente el factor solar, la transmitancia visible y el comportamiento del marco.
Mejorar la estanqueidad y el aislamiento térmico para reducir transferencias no deseadas y aumentar la predictibilidad del sistema.
Reducir las cargas internas asociadas a iluminación, equipos y horarios de uso.
Considerar ventilación nocturna o estrategias de free-cooling cuando las condiciones climáticas, acústicas y de seguridad lo permitan.
Lecciones de diseño HVAC para colegios
En sistemas con 100% aire exterior que sirven a varias aulas, el diseño de conductos y la puesta en marcha son críticos. Los recorridos largos pueden introducir pérdidas de presión y ganancias térmicas, reduciendo el caudal y aumentando la temperatura del aire en las rejillas de impulsión. Estos efectos son especialmente relevantes cuando el diseño depende de aire frío para cubrir cargas sensibles.
El estudio también pone de relieve el valor de una lógica de control sencilla pero inteligente. Una estrategia de doble consigna basada en la temperatura exterior puede reducir el sobreenfriamiento en meses intermedios sin añadir demasiada complejidad. Aun así, puede ser necesario monitorizar o equilibrar zonas cuando las aulas tienen orientaciones muy diferentes.
La simulación energética con herramientas como EnergyPlus y DesignBuilder permite probar estas estrategias antes de la construcción o rehabilitación. Esto facilita mejores decisiones, reduce la brecha de rendimiento y ayuda a alinear confort térmico y eficiencia energética.
Conclusiones
Los resultados indican que un sistema HVAC centralizado con 100% aire exterior puede mantener condiciones aceptables de confort en aulas de Barcelona durante la mayor parte del horario lectivo, pero no elimina completamente el riesgo de sobrecalentamiento. El aula orientada al este sigue siendo más vulnerable, especialmente en julio, mientras que el aula oeste presenta mayor tendencia al sobreenfriamiento leve en mañanas de temporada intermedia.
Prevenir el sobrecalentamiento en aulas requiere una estrategia integrada: simulación energética precisa, diseño pasivo adaptado a la orientación, controles HVAC robustos y una puesta en marcha cuidadosa. Para colegios mediterráneos sometidos a condiciones climáticas cada vez más cálidas y variables, este enfoque es esencial para la salud, el confort, el rendimiento educativo y la eficiencia energética.
Preguntas frecuentes sobre sobrecalentamiento y confort térmico
¿Qué causa el sobrecalentamiento en aulas?
El sobrecalentamiento en aulas se produce por la combinación de altas temperaturas exteriores, ganancias solares a través de ventanas, cargas internas de alumnos y equipos, sombreamiento insuficiente y control HVAC poco ajustado.
¿Cómo se puede prevenir el sobrecalentamiento en colegios?
La estrategia más eficaz combina medidas pasivas, como sombreamiento exterior, mejores acristalamientos y reducción de cargas internas, con estrategias HVAC como control adaptativo de la temperatura de impulsión y una puesta en marcha rigurosa.
¿Cuál es una temperatura confortable en un aula?
En este estudio, el rango de confort se definió entre 22°C y 27°C de temperatura operativa durante las horas de ocupación escolar.
¿Por qué usar EnergyPlus en estudios de sobrecalentamiento?
EnergyPlus permite realizar simulaciones dinámicas horarias de clima, ocupación, ganancias solares, envolvente y funcionamiento HVAC, por lo que resulta adecuado para evaluar riesgos de sobrecalentamiento antes de tomar decisiones de diseño.