Analisis energetico y de confort termico de estrategias sostenibles de acondicionamiento termico de edificios basadas en sistemas radiantes

Resumen

Actualmente, la edificación es responsable de aproximadamente un 40 % del consumo de energía final en la Unión Europea. Además, el sector evoluciona junto al resto de la sociedad hacia la mejora de las condiciones de bienestar de las personas, buscando proporcionar la máxima calidad de los ambientes interiores, lo cual está ligado, a priori, a un nuevo incremento de las necesidades energéticas. Sin embargo, al mismo tiempo, la evolución del diseño, construcción y operación de los edificios ha de adaptarse a la actual situación de crisis generalizada existente en el ámbito económico, energético y ambiental. En tal contexto, la mejora de la eficiencia en la utilización de la energía, así como el aprovechamiento de recursos renovables, se plantean como medidas prioritarias dentro del sector. En estos términos, los sistemas de acondicionamiento radiante representan una tecnología alternativa de interés de cara al cumplimiento de los actuales requerimientos de sostenibilidad en los sistemas de calefacción y refrigeración de edificios. Tales sistemas atesoran un gran potencial de cara a la mejora de la eficiencia energética de los procesos de generación y transferencia de calor, así como la capacidad de proporcionar niveles de confort térmico elevados a través de la reducción de corrientes de aire y el establecimiento de un entorno térmico más homogéneo. Su implantación se encuentra notablemente extendida en países de la mitad norte del continente europeo. Sin embargo, en países meridionales como España, donde las necesidades de refrigeración son importantes, su penetración es, por el momento, más escasa. Frente a los sistemas radiantes de baja y media inercia térmica (sistemas de paneles y sistemas superficiales tradicionales), la tipología TABS (Thermally Activated Building Systems), a través de su integración en la propia estructura del edificio, es capaz de aprovechar su capacidad de acumulación y desacoplar producción y demanda, mostrándose actualmente como la alternativa más prometedora a pesar de su nivel de desarrollo más tardío. Partiendo de este contexto, el trabajo de tesis doctoral aquí presentado aborda diversos análisis acerca del comportamiento de los sistemas radiantes. Como punto de partida se muestran los resultados derivados de la caracterización experimental de un sistema de paneles dispuesto en una cámara climática. De este modo es posible profundizar en el entendimiento de la transferencia de calor entre la superficie radiante y el entorno, dando explicación a algunos aspectos tratados con cierta ambigüedad en la literatura existente. A su vez, se demuestra la garantía de unos adecuados niveles de confort térmico bajo condiciones de operación realistas. Una vez afianzada la base de conocimiento del proceso de disipación fundamental, el trabajo desarrollado se centra en la evaluación de aspectos más específicos asociados a la tecnología TABS. Por un lado, haciendo uso del enfoque matemático propuesto por el denominado `modelo EMPA¿, se llevan a cabo una serie de estudios teóricos que determinan la influencia de diversos parámetros constructivos y operacionales sobre el comportamiento estacionario y transitorio de una losa activada planteada como sistema de acondicionamiento. Dicha información proporciona una valiosa guía práctica para establecer el diseño de un sistema TABS, que hasta la fecha supone una etapa obviada en muchas ocasiones. Por otra parte, esta tesis también recoge, en la medida de lo posible, resultados derivados de la aplicación de esta tecnología en edificios comerciales reales. En particular, la monitorización de variables de confort y energía en el edificio sede de IDOM-ACXT en Madrid, constituye un caso de estudio de éxito que demuestra la viabilidad y las grandes prestaciones proporcionadas a través de la integración de conceptos energéticamente eficientes centrados en torno a un diseño TABS. No obstante, pese a la simplicidad del concepto de los sistemas hidráulicos embebidos en los elementos estructurales del propio edificio, el control del sistema y las interacciones energéticas entre este y su entorno engloban una amplia variedad de aspectos técnicos de interés y posibles alternativas de operación que abren un extenso campo de investigación futuro. En este sentido, y dada la escasez de proyectos de demostración a escala real en el área climática considerada, resulta complicado analizar todas esas variantes a través de un enfoque experimental. Por ello, la parte final de esta tesis centra su atención en la simulación energética como herramienta de utilidad que permita acometer esta tarea con un importante ahorro de los recursos requeridos y sin el inconveniente de afectar a un ambiente térmico real sobre el que rigen otros intereses prioritarios. En base a ello, en primer lugar se lleva a cabo el desarrollo e identificación de un modelo de simulación en el entorno TRNSYS correspondiente a un edificio real equipado con TABS situado en la ciudad de Kassel, Alemania. A partir de los resultados obtenidos se aporta la evidencia suficiente para justificar el adecuado comportamiento de un modelo de capa activa ya existente en su aplicación dentro de un modelo de simulación integrado más general. Esta parte del trabajo se sirve de los datos monitorizados en el edificio para crear el modelo y proporcionar conclusiones de interés acerca de los parámetros de entrada de mayor relevancia para el proceso. Finalmente, se describe un estudio de simulación que analiza el comportamiento de sistemas de enfriamiento radiante por techo (especialmente TABS) en términos de energía consumida y niveles de confort global. En él se considera la influencia de distintas condiciones climatológicas, diferentes esquemas de operación, así como la integración del sistema con diversas alternativas de generación. Los resultados obtenidos proporcionan valores de operación optimizados en cada uno de los casos de estudio para diferentes grados de confort admitidos, permitiendo proponer algunas recomendaciones para la aplicación de los sistemas. Además, a partir de esta tarea se detectan posibles debilidades, que abren la puerta al desarrollo de una línea de investigación inmediata centrada en el estudio específico de tales aspectos. Igualmente, las conclusiones derivadas pueden tomarse como información preliminar para determinar qué alternativas (y cuáles no) sería interesante trasladar e implantar a escala real en un futuro para ser sometidas a un análisis más detallado de su comportamiento.