La simulación térmica dinámica (STD) se ha consolidado en los últimos años. Avalada por numerosos sellos ambientales, como los programas Edificios Sostenibles, HQE o BREEAM, esta metodología permite tanto aproximar al máximo los consumos reales como diseñar la envolvente y los sistemas del edificio para mejorar el confort en verano.
No obstante, la STD sigue siendo una modelización y no garantiza un confort térmico perfecto en la realidad.
Entre las herramientas disponibles destacan TRNSYS e IESVE, aunque el módulo STD COMFIE de Pleiades es reconocido como la herramienta más utilizada en Francia por los despachos de ingeniería.
En este artículo, nos centraremos en el software STD de Izuba Énergies para mostrar cómo aprovecharlo al máximo, específicamente en relación con las problemáticas de los ventiladores de techo y el confort en verano.
Las imágenes provienen de la actualización de octubre de 2023. Las versiones anteriores del software presentan, por tanto, un aspecto diferente.
Recomendamos encarecidamente, antes de leer el texto que sigue, revisar primero nuestra publicación: «Confort thermique estival et brasseurs d’air : peut-on quantifier notre ressenti ?»
Es importante precisar que este artículo no pretende ser un tutorial alternativo a la documentación del editor del software Pleiades, sino ofrecer información específica sobre los ventiladores de techo en un contexto de STD.
Finalmente, observamos un desarrollo creciente en el uso de la modelización mediante dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés, Computational Fluid Dynamics), que permite simular con gran precisión las velocidades del aire. Esta técnica, distinta de la STD, sigue siendo costosa y, por el momento, está reservada a una minoría de proyectos; por ello no se aborda en la publicación que sigue.
Parámetros de confort: ¿Qué datos de entrada?
Datos generales
La siguiente ilustración resume los datos de entrada para el análisis de confort, que examinaremos por bloques.
Figura 1: vista general de los parámetros de confort
Categoría de ambiente
Figura 2: bloque de categoría de ambiente
Pleiades se basa en las normas EN 15251 (Criterios de ambiente interior) y EN 7730 (Ergonomía de los ambientes térmicos)[i]. La herramienta solicita, en primer lugar, elegir una categoría de ambiente.
La elección de la categoría de ambiente determina el nivel máximo de PPD y PMV. Estos conceptos de evaluación del confort térmico se describen en el artículo recomendado en la introducción.
El nivel I de la categoría de ambiente es el más exigente: el porcentaje de insatisfechos se fija en 6%. Luego pasa al 10% en el nivel II y al 15% en el nivel III.
Generalmente se recomienda el nivel II.
Temperaturas límite de confort
Luego es posible ingresar una temperatura mínima y una temperatura máxima de confort que se usarán para la zona. 28 °C es un valor alto normalmente adoptado. Se puede optar por ignorar los incomodos por frío marcando la casilla « Solo incomodidad por calor ».
Es importante señalar que los límites de confort se pueden redefinir en las tablas de resumen de los resultados de confort después de la simulación.
Método de cálculo del indicador GH
El indicador GH, derivado de la normativa RE 2020, también está disponible en STD. Este indicador, calculado de la misma manera que en la normativa, evalúa las desviaciones entre la temperatura del edificio y una temperatura de confort (temperatura adaptada según las temperaturas de los días anteriores, que varía entre 26 y 28°C).
Su valor representa la acumulación de todas las situaciones de incomodidad ponderadas a lo largo del año.
El modo de cálculo varía entre edificios terciarios y residenciales. Para estos últimos, no se tiene en cuenta el confort adaptativo durante la noche, y la temperatura límite permanece en 26°C.
El indicador GH permite valorar los ventiladores de techo. En presencia de circulación de aire, el límite superior de confort se ajusta automáticamente para tener en cuenta el movimiento del aire. Por lo tanto, se debe dejar tal como está, sin modificar, la temperatura Tmax.
La velocidad del aire se toma de la “Velocidad del aire verano” introducida a nivel de las zonas. Esta puede modificarse directamente en la tabla de la figura 12 a continuación para recalcular los indicadores.
Velocidad del aire “verano”
Esta velocidad del aire se utiliza para la evaluación durante el período veraniego de los indicadores GH, y de la temperatura interior aceptable en zonas no climatizadas (EN 15251). La herramienta solo permite ingresar valores en incrementos de 0,5 m/s.
La velocidad del aire varía según el tipo de ventilador de techo utilizado (con palas o sin palas) y según la ubicación del ocupante dentro de un espacio determinado.
Es en este punto donde las representaciones visuales de la velocidad del aire muestran su pertinencia.
Para utilizar correctamente las representaciones anteriores, aquí están las alturas aproximadas de las diferentes partes del cuerpo humano en posición sentada:
| Parte del cuerpo | Cabeza | Torso | Cintura | Tobillos |
|---|---|---|---|---|
| Altura (m) | 1,40 | 1,00 | 0,60 | 0,10 |
También hay que tener en cuenta que la velocidad del aire se reduce debido a la presencia de mobiliario. Así, en el marco de una campaña de medición en un centro educativo, observamos una disminución de la velocidad media del aire del 25% en presencia del mobiliario escolar, lo que ofrece una idea aproximada.
La proximidad del ventilador de techo, la presencia de mobiliario y la posición de los usuarios son variables; por ello, la velocidad del aire no es homogénea en toda la zona.
Se trata, por tanto, de tomar una aproximación de la velocidad válida para la mayoría de los ocupantes.
Se debe introducir en el campo «velocidad del aire por encima de 25 °C» la velocidad correspondiente a la situación de caudal máximo. Según nuestra experiencia, una velocidad superior a 1 m/s parece muy optimista fuera de un laboratorio.
Además, como ha demostrado el programa BRASSE[ii], el efecto beneficioso de la velocidad del aire se traduce en un enfriamiento de 1,5 °C ya a 0,2 m/s.
Un buen calepinaje[iii], con una densidad suficiente de ventiladores de techo que permita a todos los ocupantes alcanzar la velocidad de aire prevista, es indispensable.
A continuación se presentan nuestras mediciones de velocidad media del aire, en 5 puntos y en 3 alturas diferentes (cabeza, torso, cintura), en una habitación cerrada y sin mobiliario.
| Velocidad de aire medida (m/s) | Volumen cerrado (habitación), calepinaje 1 ventilador/12 m², habitación sin mobiliario |
|---|---|
| Exhale (sin aspas) | 0,65 |
| Samarat (monobloque tripala) | 0,80 |
Metabolismo y velocidad del aire
El metabolismo (MET) corresponde a la actividad de los ocupantes: la gama de opciones aparece en la figura 9, y cada nivel de actividad metabólica se asocia a un valor. Para una actividad de oficina, se seleccionará “reposo sentado”, MET=1. Para un docente, se podrá elegir “actividad ligera de pie”, MET=1,6. El aumento del valor MET refleja el gasto energético del cuerpo, que por lo tanto necesitará refrescarse.
Esta es, por ejemplo, la razón de ser de un ventilador de aire específicamente destinado al docente, instalado verticalmente sobre su puesto de trabajo.
La velocidad del aire también se introduce en este apartado de generalidades. Se trata de un dato básico anual, y no de la velocidad del aire veraniega; por ello, recomendamos un valor comprendido entre 0 y 0,1.
Durante la temporada de calefacción, el efecto beneficioso de los ventiladores de techo en términos de desestratificación y ahorro energético no se tiene en cuenta en Pleiades. Por esta razón, no abordamos la temporada de invierno y nos centramos en la temporada de verano.
Ropa para el cálculo de los indicadores PPD/PMV
El valor a tener en cuenta para la vestimenta debe ajustarse a las prácticas habituales en los locales considerados. Es evidente que cuanto más ligera sea la vestimenta, más fácil será soportar temperaturas elevadas sin recurrir al aire acondicionado.
Es posible afinar aún más los cálculos jugando con la modulación de la ropa para la misma zona, es decir, que los ocupantes pueden añadir o quitar capas de ropa dentro de la misma estación.
Diagramas de confort térmico
Al finalizar esta configuración, es necesario iniciar los cálculos y luego seleccionar «confort» en el menú desplegable en el encabezado del resumen de resultados.
Este resumen permite acceder a todos los indicadores de confort.
Horas de incomodidad
La tabla anterior permite observar, zona por zona, las horas de incomodidad y el porcentaje de tiempo de incomodidad por debajo del límite inferior y por encima del límite superior. Estos límites se pueden modificar directamente en la tabla para recalcular los indicadores.
Diagrama de Givoni
Este visual muestra las zonas de confort térmico estival, teniendo en cuenta la temperatura, la velocidad del aire y la humedad relativa.
Debido a su claridad y carácter didáctico, este diagrama ha tenido un gran éxito, especialmente entre los promotores y propietarios de proyectos.
No obstante, no considera la reacción individual de cada persona frente a un contexto térmico y de humedad específico. Además, no integra la adaptación progresiva del cuerpo humano a las temperaturas; la dinámica de adaptación no se toma en cuenta.
Confort adaptativo
Se observan a continuación los límites de las zonas definidas teniendo en cuenta la categoría de ambiente (aquí, categoría II). Los puntos que se encuentran fuera de estos límites corresponden a horas de incomodidad. En este caso, todos los puntos están por debajo del límite superior.
En condiciones de confort estival (temperaturas operativas interiores > 25 °C) y cuando hay mezcla de aire, de acuerdo con la norma (parte de confort adaptativo), los límites superiores del gráfico siguiente se incrementan unos grados.
PMV/PPD
Los cálculos de PMV/PPD estivales se aplican exclusivamente a los espacios climatizados durante la temporada de verano (y a todos los locales calefaccionados en invierno). Estos conceptos de evaluación del confort térmico se describen en el artículo recomendado en la introducción.
El gráfico PMV/PPD que se muestra a continuación corresponde a la única temporada de climatización. Durante esta temporada, el límite azul de insatisfacción del 10% (escala de la izquierda) prácticamente nunca se supera. No se tiene en cuenta la posible velocidad del aire proporcionada por los ventiladores de techo.
De igual forma, los límites rojos establecidos para el voto medio en 0,5 (escala de la derecha) casi no se superan durante la temporada. Como recordatorio, +1 corresponde a “ligeramente caliente” y -1 a “ligeramente frío”.
Acoplamiento de aire acondicionado y ventiladores de techo: integrar las ganancias de consumo
En el contexto de un acoplamiento entre aire acondicionado y ventiladores de techo, es posible estimar las ganancias de consumo mediante la SED, cálculo de consumos con sistemas.
Así, en una primera simulación, el técnico procederá a un cálculo estándar con aire acondicionado. En un segundo cálculo, integrará a la vez:
- El aumento de la consigna del aire acondicionado (por ejemplo, pasando a 28°C), teniendo en cuenta la ganancia de temperatura percibida relacionada con el uso de ventiladores de techo. Se puede inspirar en el diagrama del Guide de Ventilation Woods (ver nuestro artículo sobre confort térmico estival).
- La reducción del periodo de uso del aire acondicionado, considerando el impacto de los ventiladores de techo en media temporada.
STD con Pleiades: hacia una herramienta aún más eficiente
El módulo STD COMFIE de Pleiades es justamente apreciado por tratar cuestiones de confort estival. Se basa en normas reconocidas, muestra valores importantes (número de horas de incomodidad), permite tener en cuenta los ventiladores de techo, facilita el diseño bioclimático del edificio…
No obstante, la historia no termina aquí, y creemos que algunas mejoras merecen ser integradas en futuras ediciones del software para optimizar la consideración de los ventiladores de aire:
- Integración de la norma europea EN 16798, que reemplaza a la norma EN 15251;
- Integración de la norma estadounidense ASHRAE 55-2020;
- Como consecuencia, ampliación del rango de velocidades de aire posibles en verano;
- Actualización de los gráficos, por ejemplo basándose en los trabajos de código abierto del Centre for the Built Environment de la Universidad de Berkeley en California (PMV y Confort Adaptativo).
- Ahorro energético asociado a la desestratificación invernal (cerca del 30% en locales de gran altura).
En resumen, el uso de la STD para mejorar el diseño de edificios, especialmente para afrontar altas temperaturas estivales, ofrece perspectivas muy prometedoras.
[i] La norma NF EN 15251 ha sido reemplazada por la norma NF EN 16798 (Rendimiento energético de los edificios).
Cabe destacar que estas normas evolucionan con menor frecuencia que su equivalente estadounidense, ASHRAE 55-2020, considerada actualmente la más relevante.
De hecho, ya presentamos previamente estas dos normas en el artículo « Confort thermique estival et brasseurs d’air : peut-on quantifier notre ressenti ? »
[ii] Apoyado por ADEME, este programa de investigación es implementado por un consorcio que incluye Surya Consultants, líder del proyecto (consultoría, investigación y desarrollo / Térmica – energía – medio ambiente – modelización); LASA (laboratorio privado de acústica); ISEA (sociólogo independiente); Laboratorio PIMENT – Universidad de La Reunión (Ingeniería de la Vivienda e ingeniería térmica); Laboratorio Eiffel aerodinámica, filial del grupo CSTB (aerodinámica – experimentación); EnvirobatBDM (centro de recursos y enfoque de edificios sostenibles mediterráneos). Este programa fue ganador de la convocatoria de proyectos de investigación Edificios Responsables 2020.
[iii] El tema de la disposición de ventiladores se trata aquí: Ventiladores de techo: ¿cuáles son las reglas de distribución?