Internacional. El cambio climático está provocando un aumento persistente del número de días calurosos de verano. Las oficinas y los hogares se están volviendo más calurosos, y las noches brindan poco respiro del calor. En este contexto, se prevé un aumento significativo de las instalaciones de nuevos sistemas de refrigeración, lo que a su vez dará lugar a un mayor consumo energético.
Una posible alternativa rentable es utilizar los sistemas de calefacción existentes. Según un análisis del Instituto Fraunhofer de Física de la Construcción IBP, las bombas de calor de estos sistemas se pueden operar en sentido inverso para proporcionar una refrigeración eficaz.
El consumo mundial de energía de los sistemas de aire acondicionado sigue aumentando. Según información de la Agencia Internacional de Energía (AIE), la energía total utilizada para enfriar edificios residenciales y de oficinas en 2016 fue de alrededor de 2.000 teravatios hora. Eso es aproximadamente el 10 por ciento del consumo total de energía del mundo. Esta cantidad podría triplicarse para 2050: para entonces, se venderán diez sistemas de aire acondicionado por segundo. En Alemania, los expertos esperan que el consumo de energía para la refrigeración de edificios residenciales se duplique durante los próximos 20 años. Para los edificios no residenciales, la Agencia Alemana de Medio Ambiente espera un aumento del 25 por ciento.
¿Cómo se puede prevenir este aumento esperado en las nuevas instalaciones de sistemas de enfriamiento?
Este es el problema que está abordando un equipo de investigadores de Fraunhofer IBP. “En los edificios existentes, si una bomba de calor, es decir, el generador de calor, que ya está instalada se puede operar en sentido inverso para proporcionar aire acondicionado, el mismo sistema que ya se está usando para calefacción podría usarse también para enfriar”, dice Sabine Giglmeier, científico de Fraunhofer IBP. Esto eliminaría la necesidad de comprar nuevos sistemas de refrigeración y ahorraría energía.
Evaluación del potencial de radiadores y sistemas de suelo radiante
Para evaluar en qué medida se puede utilizar esta tecnología para evitar el sobrecalentamiento en verano, la ingeniera y su equipo evaluaron el potencial de dos sistemas de calefacción: investigaron si los radiadores y los sistemas de calefacción por suelo radiante (distribuidores de calor) podrían reemplazar las unidades de aire acondicionado que están siendo utilizadas a menudo en edificios existentes. Estas unidades disipan su calor residual por medio de un tubo o a través de la ventana o por una abertura en la pared.
“Estos sistemas de aire acondicionado no solo consumen mucha energía, también son ruidosos y crean corrientes de aire. También pueden causar problemas de higiene si no se mantienen adecuadamente ”, explica la investigadora.
Simulaciones con WUFI® Plus
Para determinar si las bombas de calor se pueden combinar con radiadores o sistemas de calefacción por suelo radiante para su uso como sistema de refrigeración, la investigadora y su equipo realizaron pruebas iniciales en condiciones de laboratorio en la cámara climática con radiadores y sistemas de calefacción por suelo radiante. Luego, se probaron los gemelos digitales de los sistemas de calefacción utilizando el software de simulación de edificios WUFI® Plus para determinar si las mediciones de laboratorio coincidían con los cálculos del software.
“Podemos utilizar los gemelos digitales para producir una representación válida de la realidad y calcular el efecto del sistema general en una amplia gama de escenarios de aplicación. Esto nos permite identificar las áreas específicas donde las bombas de calor más los radiadores o los calentadores de suelo son más efectivos ".
El software de simulación crea un vínculo (higrico) entre el calor y la humedad en el cálculo. Las simulaciones se pueden escalar a cualquier tipo de edificio, teniendo en cuenta una serie de parámetros como el tamaño de la habitación y la ventana, el tamaño de los elementos calefactores, la temperatura exterior y el diseño y número de ventanas. Los investigadores pueden examinar otros parámetros, como los requisitos energéticos y el confort. Esto permite una evaluación completa de los sistemas de calefacción y refrigeración.
Las pruebas encontraron que tanto los radiadores como los sistemas de calefacción por suelo radiante tienen el potencial de reducir significativamente la temperatura del aire ambiente en el verano y producir un agradable efecto de enfriamiento en espacios de oficinas con un tamaño estándar de 16 m2, ventanas de hasta 3 m2 y dos trabajadores, sin que se forme condensación no deseada en superficies frías. La temperatura de entrada del sistema debe regularse en función del punto de rocío de la temperatura ambiente para evitar daños estructurales por condensación.
“La temperatura del punto de rocío es una cifra crítica que debemos tener en cuenta en nuestros cálculos. Esto se debe a que la humedad se condensa en una superficie cuando la superficie está más fría que la temperatura del punto de rocío del aire. Por eso es importante considerar la temperatura del punto de rocío al enfriar. En otras palabras, si la temperatura del punto de rocío es de 13 grados Celsius, el agua que alimentamos a través del sistema de calefacción no puede ser más fría que eso, de lo contrario, el agua del aire se condensará en el elemento calefactor y las líneas de suministro, causando humedad ”.
Reducción de hasta un 65 por ciento en grados-hora de exceso de temperatura
Otro criterio importante para los cálculos es la sobretemperatura en grados-hora. Esta unidad de medida se refiere al número de horas y kelvin por encima de la temperatura límite de la habitación, que es de 26 grados Celsius, en el año. Se permite un máximo de 1.200 grados horas de sobrecalentamiento por año en edificios residenciales y solo 500 en oficinas. Los cálculos de los investigadores mostraron una reducción de más del 40 por ciento en los grados-hora de sobretemperatura para los radiadores que miden 70 cm por 1 m. Para radiadores que duplican ese tamaño, se puede lograr una reducción del 65 por ciento en comparación con una habitación sin refrigeración.
“En general, demostramos que el rendimiento de refrigeración logrado con radiadores es suficiente con una participación moderada de la superficie de la ventana. Sin embargo, una mayor parte del área de la superficie de la ventana requiere un área de enfriamiento más grande para lograr condiciones climáticas interiores agradables. Esta área se puede proporcionar mediante sistemas de calefacción por suelo radiante, que también producen un efecto de enfriamiento significativamente mayor, como han demostrado nuestras pruebas”, dice Giglmeier en resumen. Las bombas de calor con funciones de refrigeración podrían ser una alternativa a los sistemas de refrigeración de los edificios existentes.
Queda por investigar hasta qué punto el sistema general afecta la comodidad del usuario, por ejemplo, si los pisos se enfrían demasiado o si los cambios de temperatura afectan los revestimientos del piso y otros materiales de la habitación.
La evaluación del potencial realizada por los investigadores del IBP fue patrocinada por el Fraunhofer High-Performance Center Mass Personality.
Fuente: Fraunhofer Institute for Building Physics IBP.
