La búsqueda de confort climático es una necesidad que se ha procurado desde siempre. La tecnología y las investigaciones han conducido a desarrollar equipos que funcionen de manera diversa para conseguir estos objetivos, pero también aprovechando lo que la naturaleza ofrece
Por Agustín Torres y David Morillón, Fotografía: Cortesía de los autores
Através del tiempo, el hombre siempre ha buscado calentarse en climas fríos y enfriar o refrescarse en climas cálidos, para lograr el confort. En el caso del calentamiento, primero lo hizo por medio del descubrimiento y uso del fuego y después utilizando vestimentas de piel de animales o de telas hechas de diferentes materiales, como algodón, seda, etcétera. En lo referente al enfriamiento, primero fue mediante el uso del hielo y ventilación natural, y después con la invención y aplicación del aire acondicionado (AA), gracias a Willis Carrier en 1902.
Los edificios en climas extremadamente fríos no han quedado de lado, como lo demuestran las viviendas de los esquimales, que funcionan como sistemas aislantes y evitan que el calor interno se pierda. Para el caso del enfriamiento, se tiene como ejemplos el enfriamiento evaporativo en el desierto de Egipto, las torres de viento en la arquitectura musulmana, el muro Trombe, en sus inicios como sistema de calentamiento de aire, y más recientemente para la descarga de calor, evitando el efecto de la inercia térmica.
Estas estrategias son conocidas como sistemas pasivos de climatización, pero con el paso del tiempo y el avance de la tecnología, han aparecido y fomentado la utilización de sistemas HVAC artificiales de los edificios, también conocidos como activos para la climatización. En México y gran parte del mundo, la energía utilizada para ponerlos en operación es de origen fósil, con los consecuentes problemas ambientales.
Actualmente, la necesidad del confort higrotérmico de los ocupantes en las construcciones, tanto en climas templados como extremosos ha ido en aumento, debido a diseños y materiales no adecuados, o bien, al cambio climático; de ahí que la sustentabilidad energética se haya convertido en un tema de gran trascendencia. Entre otros motivos por el constante incremento en los costos de la energía eléctrica y el gas, utilizados para el uso del aire acondicionado, calefacción y ventilación mecánica, lo que ha incrementado las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) a la atmósfera.
El camino hacia la sustentabilidad
La sustitución de los sistemas antiguos por nuevos, que demanden menos combustibles fósiles, es la ruta que se debe seguir para llegar a la sustentabilidad. Esto como parte de un programa para el ahorro de energía y la mitigación de GEI. El camino debe ser integral, considerar estrategias y equipos para el acondicionamiento de los inmuebles, con un enfoque energéticamente sustentable, sin menoscabo del confort térmico.
El objetivo principal será lograr la climatización de los edificios con sistemas pasivos, activos e híbridos. Las posibilidades y combinaciones se explican a continuación.
La propuesta se compone de tres estrategias:
1 Sistemas pasivos
La primera consiste en sólo utilizar sistemas pasivos, cuyo potencial depende del clima del lugar donde se ubique el edificio y del diseño del mismo. Estas soluciones se caracterizan por no requerir energía convencional, como la electricidad y el gas natural o L.P. para su funcionamiento. En el caso del clima semifrío y templado es posible llegar a la sustentabilidad energética con la climatización pasiva, como en las ciudades de México, Toluca, etcétera, donde con permitir la ventilación natural y protección solar en primavera y otoño, así como el calentamiento directo por las áreas transparentes y el almacenamiento térmico en los materiales de construcción durante el invierno y parte del verano, será suficiente.
2 Sistemas pasivos y activos
La segunda estrategia consiste en utilizar sistemas pasivos y completarla, si es necesario, con sistemas activos (HVAC de alta eficiencia energética). Sin lugar a dudas, con esta combinación se logrará el ahorro de energía y la mitigación de GEI. Para lograr la sustentabilidad energética en la climatización será necesario que los sistemas activos se alimenten con energías renovables, como la solar, eólica, geotérmica, etcétera, hasta obtener cero energía convencional en el acondicionamiento del edificio. Esto aplica a los climas cálidos, secos y húmedos.
3 Sistemas pasivos e híbridos
Como tercera alternativa, se podrían utilizar sistemas pasivos e híbridos (HVAC). Estos últimos son aquellos cuyo diseño o parte del sistema aprovechan las energías renovables, dando como resultado la sustentabilidad energética en la climatización.
Figura 1
Las estrategias se presentan esquemáticamente en la figura 1.
La estrategia que utiliza sistemas pasivos de climatización brinda ahorro de energía convencional. Esto verificado con un análisis de las ganancias o pérdidas de calor que el sistema pasivo puede aportar o retirar del edificio (figura 2). De este modo, es necesario realizar un balance entre la carga térmica de enfriamiento o calentamiento con sistemas pasivos, o sin éstos; o bien, si los sistemas pasivos cubren las ganancias o pérdidas de calor necesarias para el confort. Durante el horario en que no se presenta confort para los ocupantes del inmueble será necesario pasar a la segunda estrategia: utilizar sistemas activos de climatización, con la particularidad de que éstos deberán ser de alta eficiencia, es decir, que requieran poca energía para su funcionamiento, lo que permitiría brindar comodidad de forma económica mediante energía renovable.
Entre los sistemas activos existen en el mercado equipos certificados por normas o sellos de alta eficiencia energética, caracterizados por la Potencia Eléctrica Consumida en refrigeración (EER, por sus siglas en inglés) y un Factor de Rendimiento Estacional en Calefacción (HSPF, por sus siglas en inglés) más elevado.
La última estrategia parte de cubrir el complemento de climatización (después de la propuesta de sistemas pasivos) mediante sistemas hibridos, cuya característica es que en su diseño o sistema se alimentan con energías renovables; por ejemplo, las bombas de calor, que permitirán el calentamiento del edificio directa o indirectamente en un proceso de enfriamiento.
Figura 2. Sistemas pasivos para el enfriamiento
Los pasos que componen estas estrategias pueden ser consultadas en la tesis de doctorado Metodología para la sustentabilidad energética en la climatización de edificios con sistemas pasivos, activos e híbridos, publicada por la UNAM.
Entre los beneficios más importantes de la implementación de estas estrategias, está la disminución de la capacidad de los sistemas HVAC; en consecuencia, reducir el consumo de electricidad (6 200 TWh para enfriamiento y 1 400 TWh para calentamiento) de los edificios para 2050, así como las emisiones de GEI relacionadas con el uso de la energía, de acuerdo con las proyecciones de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés) y la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE). En la figura 3, se muestra el enfriamiento de espacios con el mayor consumo de electricidad en los inmuebles, seguido de las aplicaciones y las cargas internas.
Figura 3. Escenarios del consumo de electricidad por uso sistemas de climatización
El mayor beneficio energético y ambiental se tendría en los inmuebles de estados como Sonora, Nuevo León, Sinaloa, Tamaulipas y Baja California que reportaron los más altos consumos de electricidad (figura 4).
Además, este tipo de estrategias contribuirán al ahorro de energía eléctrica, ya que se podrán mitigar 2 mil 70 millones de toneladas de CO2 que la IEA y la OCDE estiman que se emitirán para 2050 por concepto del enfriamiento de los edificios.
Consumo de electricidad por el enfriamiento de casas y edificios en los estados del país en 2015
Agustín Torres
Ingeniero mecánico-electricista, maestro en Diseño Bioclimático y doctor en Arquitectura por la UNAM. Cuenta con más de 25 años de experiencia en el diseño e instalación de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado en edificios.
David Morillón
Ingeniero por la Universidad de Guadalajara, maestro en Diseño Bioclimático por la Universidad de Colima y doctor en Ingeniería por la UNAM. Cuenta con más de 30 años de experiencia en temas de diseño bioclimático y sustentable. Investigador en el Instituto de Ingeniería de la UNAM, consultor del BID y el PNUD, en los temas de ahorro de energía y edificación sustentable.
