Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autoras
- Maite Gil Báez, Arquitecto MSc, Dirección de Obras y Construcciones Educativas, Agencia Pública Andaluza de Educación (APAE), Consejería de Educación
- Carmen Roldán Vendrell, Arquitecto, Directora de Obras y Construcciones Educativas, Agencia Pública Andaluza de Educación (APAE), Consejería de Educación
- Ángela Barrios Padura, Doctor Arquitecto, Universidad de Sevilla
- Marta Molina Huelva, Doctor Arquitecto, Universidad de Sevilla
Resumen
Los Sistemas de Ventilación Natural pueden garantizar la Calidad del Aire Interior de los espacios sin consumir electricidad, operando por la acción del viento y las diferencias de presiones generadas en el edificio. Según el estudio teórico realizado en edificios de uso escolar en el ámbito territorial de Andalucía, con base en simulaciones termodinámicas y de CFD (Computational Fluid Dynamics), estos sistemas permiten la efectiva renovación del aire interior del aula con posibles ahorros anuales de hasta el 26% de energía final y el 49% de emisiones de CO2 en comparación con sistemas de ventilación mecánica, constituyendo una alternativa factible, viable, sostenible y rentable. Así mismo, su uso permite reducir los costes de inversión inicial entre 8-10% y evitar problemas de funcionamiento. Presentamos el proyecto de un colegio de educación infantil y primaria que se utilizará como test para estudiar el funcionamiento y prestaciones de un Sistema de Ventilación Natural en comparación con un Sistema de Ventilación Mecánica. En cuanto al ahorro estimado de electricidad estimado en este caso es del entorno de 25.988 kWh por año en energía final y de 35,3 T de CO2. Estos sistemas son igualmente viables en otro tipo de edificios y destacable como estrategia de refrigeración pasiva en Edificios de Consumo casi Nulo.
Introducción
Según la Directiva Europea 2002/91/CE [1] relativa a la eficiencia energética de los edificios, el 40% de la energía consumida en la UE es debida al funcionamiento de los edificios, siendo el 60% de este consumo debido a los sistemas de HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado). Visto lo anterior, cumplir con los objetivos marcados por las Directivas Europeas y los edificios de consumo casi nulo, pasa por trabajar en la reducción del consumo de energía para el acondicionamiento interior. Diferentes estudios y publicaciones analizan el potencial de los sistemas de ventilación natural para garantizar adecuados niveles de Calidad del Aire Interior (CAI) y de confort con un consumo mínimo de energía eléctrica. Como ejemplo de su interés, se han identificado más de 90 publicaciones en Scopus en los últimos 10 años relacionadas con el tema. En este trabajo se presenta el proceso de diseño y aplicación práctica de un Sistema de Ventilación Natural (SVN) en un edificio escolar en Andalucía, como alternativa y para evitar los problemas y limitaciones de los sistemas de ventilación mecánica utilizados desde la publicación de la última versión de 2007 del Reglamento de Instalaciones Térmicas (RITE) [2].
Los edificios escolares: marco y particularidades
Los edificios escolares constituyen un grupo importante dentro del sector de la edificación. En el ámbito Mediterráneo hay más de 80.000 escuelas. Su consumo de energía es importante, estimándose sólo en España según algunas publicaciones que este sector consume el 4% de la energía del sector comercial. Sólo en Andalucía el parque público de edificios escolares está compuesto actualmente por unos 4.500 centros, y más de 5.000 edificios.
El interés en investigar la mejora de la eficiencia en edificios de uso docente se refleja en numerosas publicaciones y proyectos internacionales de investigación [3] [4]. Estos edificios constituyen un sector único, muy diferente de otros, presentando tipologías específicas y patrones de uso particulares. Así mismo, les diferencia el tipo de instalaciones y el modo de usar la energía. En líneas generales, son destacables los siguientes aspectos: a) diseño basado en una organización racional de los espacios con clases que se suelen agrupar en torno a un pasillo. Disponen de grandes ventanales para favorecer la iluminación natural, así como montantes acristalados al pasillo interior para favorecer la ventilación e iluminación cruzadas. b) Demanda de calefacción reducida tanto por el clima como por las cargas internas de ocupación. Demanda de ventilación constante a lo largo de todo el año para garantizar la CAI. c) Están en uso sólo la mitad de los días del año (175 de media), con jornadas medias de 6 horas de ocupación efectiva. d) Las aulas son espacios de ocupación no permanente, (descansos entre lecciones y cambios de clase) y alta densidad de ocupación.
En diversas publicaciones se relaciona la calidad del aire interior en aulas con el rendimiento académico, así como con la salubridad, dada la alta densidad de ocupación de este espacio.
Calidad del ambiente interior. Problemas de los SVM
En las construcciones de uso educativo la calidad del aire interior se ha garantizado tradicionalmente con estrategias de ventilación natural [5] [6]. Con la publicación del Código Técnico de la Edificación (CTE) se incrementó la hermeticidad de las edificaciones para reducir el consumo de energía, lo cual llevó también a tener que regular el aspecto de la ventilación para evitar condensaciones, mohos, etc… El CTE reguló este asunto en el DBHS para edificios de viviendas, remitiendo al RITE 2007 para otros usos “no vivienda”, grupo en el cual se incluía a los de uso educativo junto con otros muy dispares de los anteriores.
Al aumentarse la hermeticidad y reducirse las infiltraciones, se limitó la posibilidad de considerarlas en el cálculo de la renovación del aire del interior de los espacios, que era posible según el RITE anterior de 1998 (RD 1571/1998 de julio), describiendo el RITE 2007 en sus IT sólo el diseño de sistemas centralizados de tratamiento del aire (UTAs). Debido a una interpretación extremadamente literal del mismo, en la última década se ha extendido la solución de ventilación mecánica en los edificios de uso educativo en Andalucía. Esto ha trasladado numerosos problemas al uso educativo, siendo el primero de ellos no poder aprovechar el potencial del clima, seguido de utilizar elevadas cantidades de energía eléctrica en movilizar un aire que bien podría introducirse en el edificio sin gasto energético, y haciéndolo a través de conductos, condicionando la salubridad al mantenimiento. Desde un enfoque económico, cabe señalar el coste de la electricidad en el funcionamiento en adición a los requerimientos de mantenimiento y reposición de piezas junto con la inversión inicial. Todo lo anterior ha hecho necesario buscar una solución alternativa, en aras de una mejor utilización de los recursos públicos, así como el mejor cumplimiento de las directrices de reducción del consumo de energía.
Ventilación Natural: antecedentes, fundamentos y estrategias y normativa de referencia
Está demostrado que la utilización de Sistemas de Ventilación Natural mejoran la CAI a la vez que permiten reducir el consumo energético de ventilación y refrigeración [7]. Su funcionamiento se fundamenta en la mecánica de fluidos, en la acción del viento y la diferencia de presiones sobre la edificación y a través del mismo así como el efecto chimenea, describiéndose el proceso de uno u otro modo por las ecuaciones de Navier-Stokes.
No deben confundirse en ningún caso con infiltraciones no controladas, ya que estos sistemas se diseñan y calculan hoy en día con mucha exactitud gracias al desarrollo de los programas de cálculo de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) aplicados al diseño arquitectónico (Fluent, Designbuilder…). En cuanto al tipo de admisión en fachada, estas se clasifican en 3 tipos: a) a una cara, b) ventilación cruzada y c) efecto chimenea. De este modo, el diseño de SVN debe estar presente desde el primer momento del diseño de los edificios, dificultándose su implementación en edificios ya configurados arquitectónicamente. Su inclusión en los edificios escolares es sencilla, dados los esquemas de diseño generalizados y relacionados íntimamente con la forma de funcionamiento de los edificios.
Existen numerosos ejemplos internacionales de sistemas de ventilación natural en escuelas (UK, Australia, Alemania), así como en otros tipos de edificio. Actualmente su potencial de utilización se está evaluando también en países de la cuenca mediterránea como Italia [6], y Portugal [8].
Estos sistemas están especialmente estudiados en UK por las Universidades de Nottingham y Brunel. Así mismo, el organismo CIBSE, tiene una división especializada en ventilación natural [9] y el Departamento de Educación inglés una guía específicamente orientada al estudio de la ventilación en edificios de uso educativo [10], siendo una exigencia su utilización preferente frente a otros sistemas.
Todo ello identifica los SVN como una alternativa factible viable y sostenible a implementar en los edificios escolares andaluces en lugar de los actuales SMV. En adición a lo anterior, cabe señalar que tradicionalmente se incorporaban SVN en las aulas de los edificios escolares andaluces, basados en el efecto chimenea y con un resultado óptimo en su funcionamiento, tal como se recoge en el artículo [5].
Metodología del proyecto
La metodología se ha desarrollado en dos etapas: a) análisis y cálculo, b) aplicación práctica, c) test de resultados
Análisis y cálculo
En primer lugar, se analiza la normativa de referencia, así como se estudian y analizan ejemplos y casos prácticos de diseño expuestos en la misma. Vista la extensa aplicación en otras geografías como la inglesa, se analiza la viabilidad de su aplicación en Andalucía para cumplir con las exigencias técnicas del RITE español, tras lo cual se estudian las posibilidades que ofrecen los programas de cálculo de CFD, así como las herramientas existentes en el mercado. Una vez comprobada la factibilidad de diseño y cálculo de un SVN en escuelas en Andalucía como alternativa a los mecánicos, se procede al diseño y dimensionamiento utilizando el programa Designbuilder, realizando tanto cálculos termodinámicos como del comportamiento del aire en el aula como un fluido, simulado con el módulo de CFD del propio programa informático.
Paralelamente a lo anterior, se llevan a cabo ensayos y la monitorización de un centro escolar con un SVN operativo, con resultados altamente positivos [5]. Para el diseño del modelo de cálculo se han tomado de base tanto las experiencias inglesas como los antiguos SVN utilizados en Andalucía. El objetivo era comprobar la viabilidad de utilización de estos utilizando herramientas de cálculo actuales, dimensionándolos en base a las mismas, y mejorándolos en su funcionamiento con la tecnología actual.
Se utiliza como referencia para el diseño y cálculo la normativa desarrollada por los organismos antes mencionados: “Natural Ventilation in non-domestic buildings” CIBSE Applications Manual AM10. ISBN 1 903287 56 1; “Building Bulletin 101. Ventilation of School Buildings” CIBSE. Regulations Standards. Design Guidance. ISBN 011-2711642; “Integrated School Design” CIBSE TM-57. ISBN 978-906846-52-7. Como modelo de cálculo se utiliza un edificio prototipo representativo de la tipología más extendida (figura 3), en el que se diseñan sendos sistemas de ventilación mecánica y natural para analizarlas comparativamente. Ambos se incluyen en aulas y espacios de alta densidad de ocupación.
El SVM se compone de UTAS con recuperación de calor con dos redes de conductos para la impulsión y la extracción del aire. El SVN tiene como esquema la admisión a través de aperturas motorizadas ubicadas en la parte superior del cerramiento y la extracción través de shunts dispuestos en la pared opuesta a fachada y conectados con la cubierta. El aire circula entrando a través de las admisiones barriendo el espacio y produciéndose la expulsión a través de cubierta. La operación se encuentra automatizada con sondas de CO2 que operan las aperturas cuando se alcanzan las 1.000 ppm (figura 6). En ambos casos el sistema de calefacción es por radiadores de agua caliente con producción de calor centralizada en caldera. Se utilizan distintos tipos de combustible según la zona climática de simulación (5 en total para Andalucía).
Se obtienen como resultados los consumos de energía final en cada una de las zonas climáticas andaluzas para cada tipo de sistema (SVN vs SVM), realizándose en total 10 simulaciones termodinámicas del edificio a lo largo de todo el curso escolar. Estas se complementan con simulaciones en CFD para comprobar la efectiva circulación del aire a través del espacio. Se observa el ahorro de energía y la adecuada circulación del aire en todas ellas en todos los casos, tal como se muestra en las imágenes a continuación:
El edificio consume menos energía en cómputo global anual operando con sistemas de ventilación natural que con sistemas de ventilación mecánica, aún cuando estos últimos dispongan de recuperadores de calor, demostrándose que la utilización de los SVN son una alternativa factible, viable y sostenible de garantizar la calidad del aire interior en los edificios escolares en Andalucía. El ahorro se debe fundamentalmente a la electricidad que consumen las UTAS en su funcionamiento. En los resultados, el programa de cálculo ha tenido en consideración la ventilación en ambos casos como una pérdida de carga en invierno. Ahora bien, en épocas en que no es necesaria la calefacción, el ahorro de SVN es del 100% de electricidad, ya que la Calidad del Aire Interior se garantiza sin consumo eléctrico.
Aplicación práctica
Con los resultados obtenidos se diseña un sistema estándar para los nuevos edificios escolares.
Test de resultados
En 2017 se construye el primer edificio con este SVN estándar que servirá como test para analizar comparativamente el funcionamiento, consumo y prestaciones de ambos sistemas y validar la operación del SNV. Para ello, también se incluye un SVM compuesto por 6 UTAS en cubierta (500 W; 2×1500 W and 3×11000 W). Se ubica en Mairena del Aljarafe, Sevilla, zona B4, en una zona suburbana a 8 km del centro de la capital con una calidad del aire exterior adecuada y no contaminada. Es un centro de educación infantil y primaria (3-12 años), con 27 aulas y una ocupación de 25 niños máximo más el profesor. Las clases se desarrollan de 9:00 a 14:00 horas. El comedor de 14:00 a 16:00. Podrá haber alguna actividad extraescolar por la tarde, entre octubre y mayo, en su caso, que normalmente suelen ser actividades deportivas. El edificio tiene planta baja más primera y 4.300 m2 construidos.
Según los datos del proyecto, la potencia térmica instalada es de 250,2 kW. La potencia eléctrica es de 294,5 kW, debido fundamentalmente al funcionamiento del sistema de ventilación mecánica. Por este motivo además se ha tenido que instalar un centro de transformación específico para el centro. El coste total de construcción era de 4.464.839,49 €, con un importe dedicado al capítulo de 59.000 € para el Sistema de Ventilación Natural y de 230.105 € para la Ventilación Mecánica, suponiendo esta última el 5,54% del coste total de construcción del edificio.
Si se consideran 178 días lectivos y el SVM funcionando una media de 4 horas netas al día, los ahorros en electricidad esperados podrían ser del entorno de 25.988 kWh al año. Incluso considerando el incremento en el gasto por calefacción debido a la operación del SVN cuando está funcionando, los ahorros estimados en términos de energía primaria y de emisiones de CO2 estarían en el entorno de 52.770 kWh al año y 35,3 toneladas de CO2 respectivamente. Además, se debe considerarse la reducción de los gastos de mantenimiento y la mejora del confort interior (actuando como refrigeración pasiva).
Conclusiones
Los edificios de uso educativo constituyen un sector único con características particulares muy diferenciadas de otras tipologías, que los identifica como grupo y los separa de otros tipos de edificios. Todo ello debe ser tenido en cuenta tanto en el propio diseño de los edificios e instalaciones como en cualquier estrategia o innovación normativa que se realice que pueda afectar a los mismos. Los Sistemas de Ventilación Natural pueden ser utilizados en edificios escolares en clima templado para garantizar la calidad del aire interior, resultando una alternativa factible, viable, sostenible y rentable y cumpliendo las indicaciones de las directivas europeas en materia energética de modo mucho más eficiente que utilizando sistemas de ventilación mecánica. Según los resultados obtenidos para Andalucía, pueden obtenerse ahorros anuales de hasta el 26% de energía final y el 49% de emisiones de CO2. Adicionalmente, al no estar sometidos a requerimiento de mantenimiento exhaustivo, cambio de filtros, etc… garantizan de modo más fiable la salubridad en los espacios de uso educativo.
En el edifico test en construcción se han estimado posibles ahorros de energía primaria de 52.770 kWh al año y 35,3 toneladas de CO2. Estos sistemas de ventilación natural deben ser tenidos en consideración para el diseño de edificios de bajo consumo energético en otras tipologías edificatorias, por su potencial como estrategias de refrigeración pasiva.
Agradecimientos
Este estudio se desarrolla como parte del proyecto ClimACT (SOE1/P3/P0429EU) dentro del programa Interreg Sudoe Programme, financiado por los Fondos Europeos de Desarrollo Regional. Agradecemos a la Agencia Pública Andaluza de Educación y a todos los implicados en el proyecto su colaboración.
Referencias
- [1] European Parliament, “Directive 2012/27/EU of the European Parliament and of the Council of 25 October 2012 on energy efficiency,” Off. J. Eur. Union Dir., no. October, pp. 1–56, 2012.
- [2] E. Y. T. Ministerio de Industria, “Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios,” p. 137, 2013.
- [3] “ClimAct. Transition to a low carbon economy in schools,” 2017. [Online]. Available: http://www.climact.net/.
- [4] “Promoting renovation of schools in a Mediterranean climate up to nearly Zero-energy buildings | ZEMedS.” [Online]. Available: http://www.zemeds.eu/. [Accessed: 23-Mar-2017].
- [5] M. Gil-Baez, M. Molina-huelva, and R. Chacartegui, “Natural ventilation systems in 21st-century for near zero energy school buildings,” 2017.
- [6] L. Stabile, M. Dell, A. Frattolillo, A. Massimo, and A. Russi, “Effect of natural ventilation and manual airing on indoor air quality in naturally ventilated Italian classrooms,” Build. Environ., vol. 98, pp. 180–189, 2016.
- [7] Y. Chen, Z. Tong, and A. Malkawi, “Investigating natural ventilation potentials across the globe: Regional and climatic variations,” Build. Environ., vol. 122, pp. 386–396, 2017.
- [8] U. De Lisboa, “Classroom ventilation with manual opening of windows: Findings from a two-year-long experimental study of a Portuguese secondary school,” vol. 124, pp. 118–129, 2017.
- [9] “CIBSE – Natural Ventilation Group.” [Online]. Available: http://www.cibse.org/networks/groups/natural-ventilation. [Accessed: 22-Mar-2017].
- [10] Department for Education and skills, Building Bulletin 101 Ventilation of School Buildings, no. July. Department for Education and skills, 2006.