Soluciones HVAC + ACS para viviendas Passivhaus ¿Qué criterios de diseño seguir?

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Las viviendas Passivhaus destacan por su alto nivel de confort, ya que tenemos una temperatura invariable en toda la vivienda, manteniendo el calor deseado en la vivienda en invierno y el calor no deseado fuera en verano.

Además la baja demanda de energía primaria que requieren, hace que sea fácil el uso de energías renovables para su cobertura. El estándar Passivhaus tiene su propia herramienta de cálculo para las instalaciones mecánicas: PHPP. Obviamente el diseño final de los sistemas HVAC + ACS debe asumir la normativa propia del estándar y, en el caso de España, las indicaciones del CTE y el RITE..

• Sistemas de ventilación
• Sistemas de climatización
• Sistemas de producción de ACS
• Sistemas “todo en uno”

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Sistema de ventilación en Passivhaus

El sistema utilizado en el estándar es la ventilación con recuperación de calor por vivienda. No todos los sistemas de ventilación con recuperación de calor son válidos para Passivhaus, se deben conseguir una serie de hitos a nivel de eficiencia, construcción y confort que obliga a un diseño de equipo dedicado a conseguir la validación de su certificado, condición “sine qua non” para seguir adelante con el proceso.

Vamos a resumir los hitos:

• Recuperación de calor mayor/igual al 75% con una temperatura exterior de -10º y una temperatura de aportación mayor/igual a 16,5º.
• Consumo total del equipo (excepto la protección anti-hielo) con una presión externa de 100 Pa que sea menor/igual a 0,45Wh/m3.
• Estanqueidad del equipo dentro de los caudales certificados, no debe exceder el 3%.
• A nivel de confort: los equipos no deben exceder de 35dB(A) de presión sonora si está instalado en el cuarto de instalaciones, 30dB(A) si está en zona de paso de instalaciones y 25dB(A) en el caso de espacios habitables. Si se exceden estos valores hay que instalar silenciadores.

Una vez realizadas todas las pruebas con resultado satisfactorio, se otorga la certificación de unos rangos de caudales donde se valida todo lo anterior. Por lo que cuando hablamos de producto certificado, se debe corroborar que los caudales de diseño de la instalación deben estar dentro de los caudales certificados, para poder acreditar el cumplimiento que exige el estándar. Podemos estar delante de un modelo certificado pero que los caudales de diseño del proyecto están fuera de los caudales certificados, por lo que en este caso no se obtendría la validación por parte de la persona competente en el cumplimiento del estándar. 

Sistemas de climatización

Volviendo al reto: confort Vs consumo. En este punto el estándar ayuda a conseguir este hito, debido a que la demanda de climatización en Passivhaus es muy baja, el ratio máximo es de 10W/m2. No obstante la adecuación de este ratio de carga, recomienda las instalaciones a medida, ya que en el mercado existen pocas soluciones de emisores que se puedan adaptar a este criterio de cargas. No debemos trabajar con soluciones interiores que excedan de la potencia requerida en base a la eficiencia energética y confort interior. Todos sabemos que el mejor sistema de climatización es el que no se percibe, ni por defecto ni por exceso. En este sentido soluciones como la batería de post calentamiento/enfriamiento de los equipos de ventilación y soluciones de suelo radiante-refrescante, aparecen con fuerza en esta tipología de edificación. Vamos a tratarlas con algo más de detalle:

Batería de post calentamiento/enfriamiento:

Se ubica en la salida del equipo de ventilación que va hacia la vivienda. Debido a que han de ceder la energía a un caudal pequeño, estamos hablando de ventilación residencial, tienen una potencia que oscila entre 600-1500W. Si estuviéramos delante de una edificación tradicional, a todas luces sería un aporte insuficiente, pero el Passivhaus no es una solución tradicional. Con el ratio máximo estaríamos hablando de que esta solución podría llegar a abarcar viviendas entre 60 y 150 m2, por lo que estamos delante de una solución viable técnicamente.

La batería de post calentamiento/enfriamiento aporta una serie de bondades que le hace fuerte en su elección:

• No es necesaria una instalación adicional para la climatización. Esta solución utiliza los conductos de ventilación para hacer el aporte necesario de frío/calor en la vivienda.
• En términos de regulación, la mayoría de equipos de ventilación con la certificación Passivhaus, permiten la gestión de la batería desde los mismos dispositivos o App’s, recomendando el modo automático para la gestión de la misma. Además nos ahorramos un elemento de control físico dentro de la vivienda, una acción cada vez más demandada desde un punto de vista de diseño de interiores.
• Máximo confort interior. El trabajar la climatización con el caudal de ventilación evita los fenómenos siguientes:

Ruido por turbulencias en difusores.
Corrientes de aire frío/caliente
Deshumectación en exceso del aire de la vivienda

Suelo radiante-refrescante:

Debido a que es una solución que está presente en toda la superficie de la vivienda, nos permite trabajar con temperaturas de diseño moderadas, lo cual ya va a permitir un ahorro importante en la producción sea cual sea su naturaleza, y minimiza las pérdidas que aparecen en los cerramientos de la vivienda debido al diferencial de temperatura entre exterior-interior. Además esta solución sólo climatiza la zona habitable, en referencia a la altura, por lo que tenemos un ahorro adicional en no cubrir áreas no esenciales. Es el emisor que aporta mayor confort, sobre todo en refrescamiento, debido a:

• Temperatura moderada y uniforme en toda la vivienda.
• No hay corrientes de aire.
• No hay ruido.
• No deshumecta el aire.
• Es una solución embebida en la vivienda, no requiere de un espacio interior para su instalación.

A estas alturas estoy convencido de que muchos estaréis dudando de la idoneidad de este sistema en verano. Tal y como le pasaba a la primera solución, el ratio de potencia cedido por el suelo refrescante muchas veces está en duda. Es cierto que en viviendas anteriores al CTE actual su instalación requería de una serie de condicionantes. Pero en la edificación actual y Passivhaus, el aporte de energía de la solución cubre con total garantía las demandas térmicas requeridas. A continuación se muestran unas gráficas donde aparece el ratio W/m2 que aporta el suelo refrescante:

T: paso entre tubos. Hemos seleccionado un paso habitual en vivienda Passivhaus.
Eje de ordenadas: ratio W/m2. Eje de abscisas: diferencial de temperatura entre el interior de la vivienda y el tubo.
Los colores de las gráficas corresponden a la terminación del suelo: azul-gres, amarillo-madera (si, con madera se puede hacer suelo radiante-refrescante!)
Vamos a suponer que tenemos como temperatura interior 26º y 16º en el tubo. Debemos ir a la abscisa con valor 10:

Como se puede apreciar, el suelo refrescante en estas condiciones puede aportar entre 25-40W/m2. Os recordamos que Passivhaus tiene el límite en 10W/m2.

Este sistema necesita de una regulación que contemple la situación de posible condensación. Para ello es necesario una regulación que monitorice en todo momento:
- Temperatura del sistema de suelo refrescante.
- Temperatura y Humedad relativa interior.

Con estas 3 medidas vamos a saber en todo momento en qué situación estamos respecto a la condensación y vamos a poder actuar en base a 3 escenarios, recordamos que estamos en una instalación Passivhaus donde hay un equipo de ventilación con recuperación de calor:

Primer escenario: estamos lejos de Tª de rocío, Tª donde empieza la condensación. El sistema trabaja con toda normalidad.

• Suelo radiante-refrescante: gestión en base a temperatura de consigna.
• Ventilación: funcionamiento en base a las necesidades ambientales.

Segundo escenario: nos acercamos a Tª de rocío.

• Suelo radiante-refrescante: gestión en base a temperatura de consigna.
• Ventilación: forzamos máxima velocidad y activamos batería (si el estudio la requiere por condiciones de proyecto)

Tercer escenario: estamos en Tª de rocío (con un coeficiente de seguridad).

• Suelo radiante-refrescante: se fuerza su apagado
• Ventilación: se mantiene máxima velocidad y activación batería (si el estudio la requiere por condiciones de proyecto)

Cuando se revierten las condiciones pasamos del tercer escenario, al segundo y luego al primero. El objetivo de esta actuación es la de mantener el máximo tiempo posible el suelo refrescante activado, pero teniendo un cuenta un “modo seguro” que es el que representa el tercer escenario. Para llevarlo a cabo no es necesario un gran desarrollo de control, en el mercado existen soluciones sencillas que permiten la gestión de los escenarios con prácticamente las mismas partidas requeridas en una solución de suelo radiante.

Cualquiera de las dos soluciones encaja perfectamente con equipos bomba de calor de baja potencia, por lo que el consumo de energía primaria va a ser mínimo, requisito fundamental en Passivhaus, pero también en la nueva edificación basada en el CTE. Volver a insistir en que esta situación facilita el uso de energía renovable, en este caso fotovoltaica, para su correcto funcionamiento. 

Sistemas de producción de ACS

Esta partida permanece inmóvil ante una vivienda eficiente. Los usos que hacemos del ACS permanecen inalterables. No por estar en una vivienda eficiente nos vamos a duchar menos o con menos temperatura en el agua caliente. La tendencia en los usos cada vez va más en aumento, debido a que los usuarios instalamos elementos de mayor confort, que repercuten en un mayor aumento de ACS, como duchas efecto lluvia, columnas, bañera de hidromasaje…

Esta situación sí que comporta hacer un estudio concienzudo con el fin de no sobrepasar los ratios de consumo de energía primaria, ya que en el proceso de producción de ACS obligamos a los equipos a trabajar cerca de sus límites de funcionamiento, donde los rendimientos ya no son los habituales en climatización. Esta situación aparece tanto en CTE como en Passivhaus. Por todo lo anterior quiero romper una lanza a favor de las soluciones tan injustamente estigmatizadas como las Solares Térmicas. Los por qué son claros:

- Conciencia medioambiental
- Uso de energías renovables
- Disponibilidad del recurso. Estamos en el país del Sol.

Como solución técnica es perfecta dentro del ecosistema actual de sistemas de producción de ACS:

• 100% renovable. Producción “gratuita” de ACS.
• Aporte del 100% de las necesidades en períodos cada vez más grandes.
• Ayuda a mejorar el rendimiento de la producción de ACS, cuando el sistema Solar Térmico no llega a cubrir el 100% de las necesidades.
• Aumenta la vida útil del sistema auxiliar.

La energía solar que llega a la tierra en 20 minutos es el consumo mundial de un año.

Como en cualquier sistema mecánico, la solución Solar Térmica tiene que venir soportada por un estudio donde se dimensione en base a necesidades de la obra y normativa. Se tienen que respetar las actuaciones de mantenimiento que define el proveedor y la normativa actual. Si se sigue lo anterior estaremos delante de un sistema que sólo nos va a aportar beneficios, remarcar que los dos puntos la norma ya los acoge.

En la actualidad ya existen soluciones que afrontan las partes negativas de los sistemas Solares Térmicos tradicionales:

• Instalación de componentes y su regulación.
• Espacio ocupado dentro de la vivienda.
• Mantenimiento y robustez.

Además las soluciones Solares Térmicas, como el resto del uso de renovables, sirven para ganar puntuación tanto en el certificado Passivhaus como en nuestra actual normativa.

Como resumen de este apartado, en el caso en concreto que estamos tratando, el hecho de bajar el consumo primario es crítico, en ACS aparecen consumos importantes. Las soluciones Solares Térmicas son las mejores soluciones renovables para mitigar ese valor, pero además de aportar las mejoras comentadas en el ecosistema de la solución, estamos contribuyendo a dejar un mundo mejor para nosotros y los que nos sigan. Como culpables de la situación actual de cambio climático, lo deberíamos tener en cuenta.  

Sistemas “todo en uno”

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Hasta ahora nos queda claro que, en referencia a los sistemas HVAC y ACS el estándar Passivhaus nos obliga a:

• Sistema de ventilación ultra-eficiente.
• Sistemas de climatización de bajo consumo pero que aporten un alto confort.
• Producción de ACS que nos penaliza el ratio de consumo de energía primaria.

Cuando se le pregunta a Wolfgang Feist sobre el futuro del estándar, en referencia a los sistemas HVAC+ACS, él responde que la tendencia es a la convergencia. Debido a los condicionantes que hemos comentado y con el uso de las soluciones que conocemos, el llevarlo a cabo no supone la concepción de una nueva tecnología, si no el ordenar las soluciones de manera inteligente, que se complementen unas con otras y que se ubiquen en un único equipo, ahí es nada. Los seguidores de Wolfgang Feist dirán que él incluso va más allá, llevando esta idea a una solución embebida, permitidme en este caso “de momento” ser un poco escéptico.

En el mercado van apareciendo soluciones con este perfil: unión de los sistemas HVAC+ACS en un único elemento. Los podemos encontrar que unen climatización+ACS, ventilación+ACS, calefacción+ACS, calefacción+ventilación+ACS…. Pero está claro que la mejor opción es la solución que pueda aportar las 4 instalaciones que aquí estamos comentando:

• Ventilación
• Calefacción
• Refrigeración
• Producción de ACS

Además esta solución debe responder a los diferentes condicionantes y certificados del estándar.

Como bonus-track si además permite el uso de manera fácil de energías renovables, soluciones solares y fotovoltaicas, y aporta un plus de confort, diríamos que estamos delante de la solución “perfecta”.

Gracias a la combinación de la ventilación con recuperación de calor y la bomba de calor, estos sistemas son una realidad. Pero además de aportar las necesidades que requiere el estándar, mejoran aspectos clave tales como la eficiencia energética y el confort para el usuario. Vamos a analizar esta combinación con este esquema:

Esquema completo de la solución VMC con recuperación de calor y 2 bombas de calor (ACS+Climatización)

Vamos a desgranar las instalaciones integradas en la solución:

Ventilación con recuperación de calor

El equipo funciona como una unidad de ventilación con recuperación de calor, siguiendo el circuito del aire desde el exterior:

Captamos el aire del exterior, filtramos, pasamos por el recuperador y obtenemos energía con el aire de extracción y vamos dentro de la vivienda. Retorno de la vivienda, filtramos, pasamos por el recuperador donde cedemos energía con el aire de aportación y vamos al exterior de la vivienda.

Free-cooling: enfriamiento gratuito con el aire exterior

Se puede ver cómo el aire de extracción, a través de un Bypas, no pasa por recuperador y no aumenta la temperatura del aire exterior, mejorando el aprovechamiento.

Ventilación & climatización

En la solución de ventilación incluimos la bomba de calor de climatización, donde la batería exterior está dentro del equipo (no es necesaria la unidad exterior física) en el flujo del aire de extracción (aire climatizado de la vivienda) y la batería interior está en el flujo del aire de aportación  colocada previa a la boca de salida. Esta batería interior es la encargada de ceder la potencia calorífica/frigorífica dentro de la vivienda.

Este punto es importante ya que es donde se produce la máxima eficiencia de la solución. Utilizamos el aire de extracción de la vivienda, que está a temperatura interior, para tratar la batería exterior de la vivienda. Esta actuación se llama recuperación frigorífica. Cualquier bomba de calor que trabaje con pequeños diferenciales entre temperatura exterior-interior, va a aportar el mayor rendimiento posible, debido a que el compresor va a tener que trabajar muy poco para llegar a las temperaturas deseadas en la vivienda.

Ventilación & ACS

El equipo permite trabajar en este modo, por lo que se puede ver la incorporación de la Bomba de Calor de ACS, donde nuevamente la batería exterior de la misma se sitúa dentro del equipo, realizando el intercambio con aire de la vivienda en condiciones normales. En el caso de que la Bomba de Calor de ACS necesite el 100% de sus necesidades y dentro de la vivienda tengamos poco caudal (debido a que se está en una condición óptima o de vivienda inhabitada), en este caso utilizamos un bypass para poder trabajar con una parte de aire exterior y así no hacer un aporte extra de ventilación dentro de la vivienda, ya que en ese caso estaríamos penalizando el confort interior y añadiríamos un consumo extra en la vivienda.

Ventilación & Climatización & ACS

Situación donde la vivienda requiere ventilación, producción de climatización y producción de ACS. Es una situación habitual y recomendable, ya que evidencia el uso de las bombas de calor a cargas parciales, por lo que vamos a estar aportando el mejor rendimiento en todo momento.

En la actualidad las Bombas de Calor ya permiten la gestión con sistemas fotovoltaicos, cambiando sus consignas interiores para poder almacenar en el depósito de ACS agua a más temperatura y/o modificar las temperaturas de climatización para hacer un “almacenaje” en la vivienda del excedente que puede venir por una instalación fotovoltaica.

Como hemos visto anteriormente, la integración de la Bomba de Calor con soluciones Solares Térmicas tiene muchos beneficios. Además utilizar el excedente en ACS para alimentar diferentes sistemas de calefacción, con la intención de aumentar el confort interior, se realiza de manera fácil.

Una vez en este punto, este artículo ha pretendido compartir información sobre las particularidades que el estándar Passive House aporta a los sistemas HVAC+ACS. Como en cualquier instalación, no existe la instalación única que sea la mejor ante cualquier escenario. La mejor solución será la que se adapte lo mejor posible a las necesidades técnicas, económicas y de uso que el proyecto y usuario demande. ¡A partir de aquí sólo os puedo desear una buena elección!

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