Guía básica para diseñar sistemas de refrigeración pasiva

Guía básica para diseñar sistemas de refrigeración pasiva 

Seleccionando la estrategia pasiva de refrigeración correcta

Antes de la aparición de la tecnología de refrigeración, la gente mantenía el frío usando métodos naturales: brisa circulando a través de las ventanas, agua evaporándose de fuentes y gran cantidad de piedra absorbiendo el calor del día. Estas ideas fueron desarrolladas a lo largo de miles de años como parte integral del diseño de edificios. A todas estas técnicas se las denomina hoy refrigeración pasiva. La refrigeración pasiva se considera hoy una alternativa a la refrigeración mecánica que requiere sistemas más complicados.   Empleando refrigeración pasiva moderna podemos eliminar o al menos reducir el tamaño y coste del equipo.

La refrigeración pasiva se basa en la interacción entre el edificio y los alrededores. Antes de adoptara una estrategia de refrigeración pasiva, debemos estar seguros de que se acopla al clima local.

Se han descrito cuatro estrategias de refrigeración pasiva: (1) ventilación natural, (2) refrigeración evaporativa, (3) masa térmica alta y (4) masa térmica alta con ventilación nocturna. Todas estas estrategias de refrigeración pasiva dependen de cambios en temperatura y humedad relativa. Podemos identificar las estrategias apropiadas para un sitio usando un diagrama bioclimático.

Este diagrama bioclimático define cuatro estrategias de refrigeración pasiva basada en la temperatura y humedad relativa. Podemos usar este diagrama para determinar que estrategias de refrigeración pasiva son apropiadas según el clima donde va a construirse el edificio.

En primer lugar, encontraremos información climática local para cada uno de los meses del año:

·         Temperatura máxima promedio.

·         Temperatura mínima promedio.

·         Humedad relativa máxima promedio.

·         Humedad relativa mínima promedio.

En un diagrama bioclimático, se representan dos puntos para cada mes. El primer punto es la temperatura mínima y la humedad relativa máxima (RH). El segundo punto es la temperatura máxima y la humedad relativa máxima (RH). El segundo punto es la temperatura máxima y la RH mínima. Conectaremos estos puntos con una línea. Trazaremos una línea similar para cada mes. (ver imagen con la que abrimos este artículo=

    

El diagrama bioclimático define cuatro estrategias de refrigeración pasiva basado en la temperatura y humedad relativa. Podemos usar este diagrama para determinar que estrategias de refrigeración pasivas son apropiadas para el sitio donde está el edificio.

Los conceptos de refrigeración pasiva están dirigidos a librarse del calor que se acumula en los edificios. Por supuesto, desearemos reducir la ganancia de calor en primer lugar utilizando altos niveles de aislamiento, ventanas para bloquear el calor, orientación solar apropiada y buen sombreado de elementos de la construcción y vegetación.

El calentamiento solar pasivo puede también dirigirse usando un diagrama bioclimático.  El calentamiento solar pasivo es usualmente una estrategia apropiada cuando las líneas trazadas caen bajo la zona de confort.

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Aislamiento

Una de las estrategias de enfriamiento más interesantes de refrigeración pasiva es dotar a la vivienda de un buen aislamiento. Si una casa no está bien aislada perderemos calor hacia el exterior en invierno y ganaremos calor no deseado en verano.

Sombreado

Una de las formas más simples y efectivas de bloquear el calor que entra en la casa es el sombreado. Hay muy diferentes métodos disponibles para proporcionar sombreado tanto al exterior como al interior de la vivienda. La mayoría son muy simples y pueden ser fácilmente reacondicionadas en una estructura existente. En general, el sombreado exterior es más efectivo que el interior debido a que bloquea el calor antes de que entre en la casa.  El sombreado interior, es efectivo al bloquear la luz del sol de entrar en la casa, donde es atrapado entre la sombra y la ventana. Adicionalmente, algunos tipos de sombreado exterior pueden usarse para sombrear las paredes y el techo, así como las ventanas, reduciendo así su temperatura y transmisión de calor al interior. El sombreado interior, sin embargo, tiene las ventajas de ser fácilmente controlado por los ocupantes de la casa mientras no están expuestos al viento y lluvia. Una combinación tanto de sombreado interior como exterior maximiza tanto la reducción de calor como la controlabilidad.

Sombreado exterior

El paisajismo es un medio efectivo para proporcionar sombreado en una casa. Un paisaje planificado de forma efectiva bloqueará el sol cálido del verano, ayudará a que el sol entre en la casa en invierno, desviará los vientos fríos de invierno, y canalizará las brisas para enfriar en verano.

Salientes en tejados

Los salientes o voladizos en el tejado son una característica arquitectónica simple que puede usarse en el lado sur de la casa para bloquear la luz directa en verano sin reducir la luz del sol disponible en invierno. El motivo es que el sol se desplaza en verano por las partes más altas del cielo que en invierno, por lo que los salientes en el tejado bloquean la luz directa del sol, mientras que en invierno el sol está más bajo y es bloqueado en menor medida por el saliente. Los salientes no trabajan de forma tan efectiva en orientaciones distintas al sur.

Un punto importante a recordar sobre los salientes es que bloquean la luz directamente. Durante el verano, en climas templados sólo el 45 % de la luz del sol brillando en una ventana es luz directa del sol. El 55 % restante es luz difusa y luz del sol reflejada, que no es bloqueada por los salientes. Esto no implica que los salientes no son útiles; lo cual implica que se usan en conjunción con alguna otra estrategia de enfriamiento, tal como el sombreado interior, para ser efectivo.

Toldos

Los toldos tienen la misma función general que los salientes en el tejado, pero su aplicación es más sensible. Fabricados en materiales ligeros tales como aluminio, lona, acrílico, o láminas de polivinilo, es posible espaciarlos a una cierta distancia sin necesidad de apoyo extra, así que es posible proporcionar una sombra adecuada incluso en el este o el oeste.

Los toldos pueden hacerse a medida para el cliente para acoplarse al exterior de la casa, obteniendo un diseño atractivo.

Pantallas de sombra exterior

Las pantallas de sombra solar son una opción muy efectiva de sombreado. Están fabricadas en malla espesa de fibra de vidrio espesa que absorbe la luz del sol, y son efectivas contra la luz difusa y reflejada, además de la luz del sol directa. En consecuencia, son capaces de bloquear hasta un 70 % de toda la luz del sol entrante antes de entrar en la ventana. Debido a que la mayoría de las variedades sirven también como pantallas de insecto, también permiten el uso de ventilación natural, distinto a otras opciones de sombreado (tales como las sombras de interior o exterior) que bloquean el flujo de aire.

Barreras radiantes

En los techos que no tienen sombra, las barreras radiantes proporcionan otra forma de bloquear calor entrando en una casa. Una barrera radiante es una capa de aluminio situada situada en un espacio de aire entre una superficie de calor radiante (el techo de la casa) y una superficie de absorción de calor (el aislamiento del suelo del ático). Trabaja para reducir el calor entrando en la casa de dos formas: su superficie reflexiva refleja la mayor parte del calor radiante que la golpea, y en si misma emite muy poco calor.

Las barreras radiantes vienen en muy diferentes formas: láminas con un lado o doble lado, aislamiento enfrentado a la lámina, sistema de lámina multicapa con espacios de aire. Cualquiera de estos productos trabaja bien si se instala apropiadamente, así que el coste del producto y su facilidad de instalación ayudarán a tomar decisión en la selección del producto.

Para trabajar apropiadamente, el lado más brillante de la barrera de aire debe enfrentarse a un espacio de aire. En un ático, esto se hace grapando la barrera radiante, el lado brillante hacia abajo. La orientación de la superficie brillante no es un problema, se reflejará calor igualmente bien si apunta hacia arriba o hacia abajo. Lo importante es que la superficie quede brillante. Colgando la barrera radiante con su lado brillante hacia abajo se previene la acumulación de polvo en la superficie que reduzca la capacidad para reflejar calor.

Minimización del calor generado

No todo el calor en el hogar en verano procede del sol; mucho viene de los ocupantes de la casa y de los aparatos que usan. Debemos ser cuidadosos seleccionando aparatos y tiempos de usos, los miembros del hogar pueden ayudar a mantener la casa más fría.

El primer paso para minimizar el calor generado en la casa es elegir aparatos eficientes energéticamente a través de la casa, desde grandes aparatos como refrigeradores a los más pequeños, como las bombillas. Cuanto menos eficiente es un aparato, más residuos genera: así, su ineficiencia supone dos problemas: la energía extra que cuesta hacer funcionar el aparto, y las penalidades en refrigeración que vienen de quitar el calor extra que se genera.

La mayoría de los aparatos tienen etiquetas de guía energética que muestran cuanta energía usará el aparato, y comparar su uso energético con el de productos similares.

Esto es especialmente verdad en iluminación. Consideremos una bombilla incandescente de 60 vatios proporcionará luz durante aproximadamente 1000 horas antes de quemarse. Para conseguir 10.000 horas podemos usar lámparas fluorescentes.  La rentabilidad de adquirir este tipo de iluminación es cuatro veces superior a la de las incandescentes.

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Usar aparatos sabiamente

Los aparatos de cocina y lavandería, por diseño, producen calor. Sustituyendo por alternativas menos calientes, o planificando su uso en las mañanas más frías o por la noche. Así la carga en la casa puede minimizarse.

En la cocina, debemos usar un horno microondas más pequeño que un gran horno siempre que sea posible es una buena idea durante el verano. También es preferible preparar preferentemente comidas frías en el verano.

Ventilación para extraer y mover el aire

La ventilación natural es la estrategia de enfriamiento pasivo más simple y si tenemos suerte con la casa también la más efectiva. Pero debido a la variabilidad de la velocidad y dirección del viento, puede también ser menos fiable. Sin embargo, la selección cuidadosa de las ventanas y su posicionado puede ayudar a realzar las posibilidades de la ventilación natural de la casa.

Cuando determinemos el tipo de ventana que se usará en la casa, la apariencia será sólo un factor, y debe considerarse el potencial de ventilación e infiltración. La superficie disponible para la ventilación en una ventana puede ir del 45 % en las deslizantes al 90 %.

Para que la ventilación natural tenga éxito, debe haber entrada y salida del aire. En otras palabras, deben abrirse ventanas en la dirección del viento a ambos lados de la casa para promover el aire. Si no hay salida para el aire, la casa llegará a estar presurizada añadiendo aire entrante. Una vez que la casa se presuriza, el viento verá la ventana abierta de la casa como otro obstáculo a ser sobrepasado, antes que una puerta a entrar.

Ventiladores de techo

Todos los ventiladores de la casa permiten usar el aire del exterior por enfriamiento incluso cuando la brisa no está soplando. Los ventiladores de techo quitan el aire caliente del techo y lo sacan a través de las ventanas del ático. Al mismo tiempo, extrae aire de alimentación más frío a través de las ventanas.

Una norma general para dimensionar ventiladores es que el ventilador es capaz de proporcionar entre 0,5 y 1 cambios de aire por minuto. Por ejemplo, consideremos una casa de 2000 ft² con techos a 8 ft. El volumen de la casa es igual al área de suelo por la altura del techo, o 16.000 ft³. Es por ello que necesitamos un ventilador que proporcione entre 8000 y 16000 ft³ por minuto (CFM). Podemos encontrar valioso elegir un ventilador en la parte superior de este rango.  De esta forma, frecuentemente seremos capaces de operar el ventilador a baja velocidad, por lo que será más silencioso y consumirá menos energía. La instalación de ventiladores también es conveniente, así que el ventilador puede apagarse automáticamente durante la noche.

El ventilador de techo da la percepción de que la temperatura es alrededor de 4 ºC más baja de lo que actualmente es. Si disponemos de aire acondicionado y ventilador podremos subir la temperatura del aire acondicionado entre 2 y 6 ºC.

Para ser más efectivos, los ventiladores deben localizarse en toda la casa. Si se localizan solo en algunas habitaciones en las otras el confort será menor.

Extractores

La cocina y el baño vienen equipados con ventiladores extractores diseñados para extraer aire caliente y húmedo de estas zonas. Su operación apropiada es importante no solamente para confort, sino para prevenir el crecimiento de moho.

Instalar un control de tiempo en el ventilador, así que el ventilador se encenderá después de una ducha o un baño, y lo hará solamente para quitar el exceso de humedad de la habitación, sin tener que depender que nos lo recuerden.

Ventilación de techos y áticos

La ventilación apropiada entre el techo y el aislamiento es importante todo el año. En invierno, ayuda a prevenir la acumulación de humedad que puede dañar el aislamiento y otros materiales del edificio; en verano, reduce las temperaturas del techo y así se ahorran costes de enfriamiento.

La ventilación de los áticos puede hacerse mediante ventilador eléctrico o natural. En general, sin embargo, los ventiladores de ático eléctricos consumen tanta electricidad al operar como el ahorro conseguido en aire acondicionado, y sólo se requieren si no es posible implantar medios pasivos.

Aire acondicionado sólo si es necesario

Después de seguir las técnicas de refrigeración pasiva, en muchas localidades todavía se requerirá aire acondicionado para proporcionar el nivel de confort que buscamos. En una casa diseñada para enfriamiento pasivo, sin embargo, se requerirá aire acondicionado en menor cantidad y menor número de días.

Debemos estar seguros que la unidad de aire acondicionado central está apropiadamente dimensionada para la aplicación. No deben comprarse unidades sobredimensionadas porque actualmente son menos efectivas para hacer las casas confortables. Parte del trabajo del acondicionador de aire es deshumidificar el aire. Para conseguir un nivel de humedad confortable, los propietarios tienden a disminuir el ajuste del termostato, y consumen así más energía que la necesaria y la casa a veces acaba fría.

Debemos estar seguros en los trabajos en los conductos están adecuadamente sellados y aislados.

Si disponemos de ventiladores de techo y se usan con el aire acondicionado podremos subir la temperatura y los costes de aire acondicionado caerán entre un 3 y un 8 %

Tubo enfriador subterráneo

El pozo provenzal, pozo canadiense, tubo enfriador subterráneo, o intercambiador aire-suelo es un intercambiador geotérmico de muy baja energía utilizado para refrescar el aire de ventilación de los edificios en verano. Se llama pozo canadiense cuando sirve para precalentar el aire de ventilación en invierno.

Es un método de ventilación estival y calentamiento invernal muy utilizado en las casas pasivas.

El pozo provenzal consiste en proveer aire fresco para una edificación después de haberlo hecho circular por un conducto subterráneo que, de acuerdo a las condiciones climáticas, lo puede enfriar o calentar utilizando la inercia térmica de la tierra. El aire sirve como conductor térmico mientras que el tubo sirve como intercambiador térmico al mismo tiempo que lleva el aire hasta la construcción.

Principalmente utilizado como sistema de climatización natural, el pozo provenzal puede ser utilizado en invierno para precalentar el aire entrante o para mantener descongelada una habitación.

Se basa en el hecho de que la temperatura subterránea:

• Es diferente de la temperatura superficial.
• Su variación puede ser modelada como la suma de dos funciones oscilantes, la primera estacional (verano/invierno) y la segunda diaria (día/noche).
• La variación de la media anual será menor a una mayor profundidad.
• Su variación diaria, a menor profundidad, es desfasada en el tiempo respecto a la variación del aire superficial debido a la inercia térmica de la tierra.

Estos hechos también deben de considerar las siguientes condiciones:

• La profundidad del suelo a partir de la que la temperatura se considera no gélida es de aproximadamente 60 cm en plano en las latitudes francesas metropolitanas.
• La temperatura media estacional subterránea a partir de los dos metros de profundidad se aproxima a la temperatura de confort (18-26°C) tanto en verano como en invierno.
• Las variaciones en la temperatura estacional no intervienen a partir de una profundidad de 10/15 metros, la temperatura permanece casi-constante a lo largo de todo el año.

Generalmente el tubo se enterrará a, al menos, 1,5 metros de profundidad para que:

·         Esté protegido contra las heladas.

·         La variación de temperatura diaria sea diferente a la de la temperatura superficial.

·         La temperatura promedio mensual varía de acuerdo a las estaciones.                                                                                                                                                                                                                                                    

Chimenea solar

Otro concepto que ganó popularidad durante los setenta fue la chimenea solar o térmica. Básicamente, la chimenea térmica es como un pequeño colector solar en el techo que conecta al aire en el interior de la casa a través de una apertura en el techo o pared. Ya que el aire en el interior de la chimenea está caliente, se eleva y sale a través de la parte superior de la chimenea, extrayendo aire del interior de la casa para reemplazarlo, que será reemplazado por aire fresco que entra a través de las ventanas abiertas de la casa.

El mayor problema con la chimenea térmica es el tiempo. Lamentablemente, el momento en que la chimenea solar mejor trabaja es el mediodía cuando el sol está brillando. En la mañana más fría y al atardecer, cuando el aire del exterior es deseable, la chimenea no es capaz de producir bastante tiro como para arrastrar el aire más frío.

Refrigeración evaporativa

El concepto de refrigeración evaporativa ha sido conocido e implementado con éxito desde hace siglos. Cuando el vapor de agua se evapora, arrastra calor del aire que pasa por él, produciendo aire frío y húmedo. Es un concepto atractivo en climas áridos, pero menos adecuado en lugares con climas húmedos en verano.

Bibliografía:

• Sun, Wind and Light, G.Z. Brown
• Wikipedia