Cómo Mantenerse Caliente en una Casa Fría

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Combinar los viejos métodos de calentamiento con los modernos sistemas de calefacción radiante y conductiva puede disminuir el consumo de energía, mejorar la salud, e incrementar el confort térmico. Esto es especialmente cierto para edificios sin aislamiento, donde calentar el aire tiene claras desventajas. Las fuentes de calor localizado pueden ser aplicadas por sí solas, pero también pueden combinarse con los de calentamiento de aire. Sin embargo, esto podría implicar redefinir nuestros estándares de confort térmico.

Ilustración de Diego Marmolejo.

La calefacción es una enorme fuente de consumo de combustibles fósiles en los climas fríos. En los Países Bajos, por ejemplo, ocupa de un 20 a un 25% del gasto total de energía primaria, a pesar de tener inviernos relativamente benignos. Esto implica que las fuentes de calentamiento engullen tanto combustible como el sector de transporte. [1] Muchos concuerdan en que la solución para reducir el gran gasto energético de los sistemas de calefacción yace en mejorar las estrategias de aislamiento térmico.

Un edificio bien aislado puede disminuir el uso de energía de forma espectacular, al punto de no necesitar un sistema de calefacción: la energía producida por las personas, aparatos eléctricos y el Sol bastan para asegurar el confort térmico. Orientar un edificio (o toda la ciudad) hacia el Sol en otro elemento de diseño que puede convertir la calefacción en algo redundante. Para los edificios modernos, el diseño y la orientación son factores más importantes para su eficiencia energética que la elección del sistema de calefacción, si es que hiciera falta.

Sin embargo, cuando hablamos de edificios existentes las cosas lucen muy diferentes. Hay varios métodos para aislar edificaciones viejas, pero su efecto sobre el uso de la energía suele ser limitado al compararlo con lo que se puede lograr en una construcción nueva. Además, el aislar edificios existentes puede causar otros problemas, como la aparición de grietas, daños por heladas, moho y putrefacción. [1] Y, claro está, no es fácil volver a orientar un edificio hacia el Sol.

Si nos concentramos en el aislamiento, la energía solar y la arquitectura sustentable, nos tomaría mucho tiempo solventar el problema de gran gasto de energía de los edificios. Basados en el número de nuevas edificaciones construidas anualmente en los Países Bajos, tomaría 88 años antes de lograr que los todos sus edificios satisfagan los estándares actuales. [1] Y eso no incluye la energía necesaria para la demolición de los edificios antiguos y la erección de otros nuevos. [2] Si nos vamos a tomar en serio la reducción de nuestra dependencia de los combustibles fósiles tendremos que conseguir soluciones asequibles para reducir el consumo energético de los edificios actuales a corto plazo

Calentamiento Localizado Como Una Alternativa al Aislamiento

Una de las soluciones discutidas previamente es la vestimenta. Aislar el cuerpo humano es más eficiente que aislar un edificio, y la ropa interior térmica es sumamente efectiva. En éste artículo discutiremos otra opción, que puede aplicarse por sí misma o en combinación con el vestido: el calentamiento localizado.

Al contrario del calentamiento de aire, el cual distribuye el calor por todo el espacio, los sistemas de calefacción radiante y conductiva actúan de modo localizado; pueden lograr que las personas se sientan cómodas sin tener que calentar toda la estancia. Los sistemas de calentamiento radiante transfieren energía mediante ondas electromagnéticas (de un modo similar a la energía que viene del Sol), las cuales se convierten en calor al ser absorbidas por la piel. Los sistemas de calentamiento conductivo logran calentar el cuerpo mediante el contacto físico directo.

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Imagen térmica infrarroja mostrando las pérdidas de calor de un vivienda. Fuente.

Aunque los sistemas de calentamiento localizado pueden mejorar el confort térmico y la eficiencia energética en casi cualquier edificio, son especialmente ventajosos en edificaciones antiguas carentes de aislamiento. Esto se debe a que pueden proveer confort con el aire a menor temperatura, disminuyendo las pérdidas de calor y, por lo tanto, convirtiendo al aislamiento en un factor menos importante.

Si queremos que los edificios actuales ahorren energía de forma rápida y sustancial, los sistemas de calentamiento localizado merecen nuestra atención.

El aislamiento puede mejorar la eficiencia energética y el confort térmico de los sistemas de calentamiento radiante y conductivo, así que no se trata de ignorar los beneficios del aislamiento. Pero si queremos que muchos edificios actuales ahorren energía de forma rápida y sustancial, los sistemas de calentamiento localizado merecen nuestra atención. Cambiar el énfasis puesto en los sistemas de calentamiento de aire hacia los radiantes y conductivos, o combinarlos entre sí, puede aportar ahorros energéticos que son al menos tan importantes cono el aislar por completo al edificio.

Sistemas Híbridos: ¿Lo Mejor de Ambos Mundos?

En un reporte para “Historic Scotland” titulado “Mantener el Calor en una Casa Fría” (PDF en inglés), el investigador Michael Humphreys recomienda retomar los viejos métodos de calentamiento y combinarlos con sistemas actuales de calefacción en los edificios históricos de Escocia, los cuales representan casi un 20% del total de viviendas disponibles. Humphreys argumenta que éste método debe ser preferido antes que el instalar aislamiento, dado que éste último es más costoso y suele cambiar el carácter arquitectónico original. [3]

Él propone un sistema híbrido en el cual un sistema de calentamiento de aire entrega una “temperatura de fondo” de unos 16ºC (61ºF), lo suficiente para realizar labores domésticas. Para actividades sedentarias como leer, estudiar o ver televisión, los sistemas de calentamiento localizado pueden crear microclimas de 21-23ºC (70-73ºF) mediante fuentes de calor radiante.

Un sistema híbrido ofrece ventajas interesantes. Como calentar el aire es muy poco eficiente –hay que calentar todo el volumen contenido en la estancia– se pueden lograr grandes ahorros de energía si el termostato se ajusta a una temperatura levemente menor. Al mismo tiempo, la temperatura de fondo creada por el sistema de calefacción mejora el confort térmico porque disminuye la diferencia de calor entre los puntos calientes locales y el resto del espacio (la “asimetría de la temperatura radiante”).

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Una silla encapuchada puede proteger el cuerpo de las partes más frías de la habitación. “Ahrend Kaigan Chair“, Marijn van der Pol

El aislamiento localizado, como el de una silla encapuchada o un biombo, puede proteger el cuerpo de las partes más frías de la habitación, mejorando el confort de un sitio sin aislamiento. Finalmente, en un sistema híbrido no hace falta que las fuentes de calor localizado sean calculadas para períodos excepcionalmente fríos, y el sistema de calefacción de aire puede ser de menor capacidad. [3]

Ahorros de Energía

Por cada 1ºC (1.8ºF) que se baja el ajuste del termostato, se puede ahorrar 7-10% de la energía empleada para calentar. [4] Si la temperatura del espacio se hace descender desde 21 hasta 16ºC (70 a 61ºF), el ahorro de energía puede llegar s ser del 35-50%. Las fuentes de calor que producen microclimas cálidos también consumen energía, que naturalmente han de tomarse en cuenta.

Según Humphreys, el calentamiento localizado puede ahorrar 30-40% de la energía si se compara con un sistema que sólo caliente el aire, y eso tomando en cuenta el consumo de las fuentes de calor localizado. Para un viejo edificio escocés sin aislamiento, él calculó que una fuente radiante instalada verticalmente necesita 425 vatios por persona para lograr el microclima deseado con una temperatura de fondo de 16ºC (61ºF). [3]

Al usar un aislamiento localizado –una silla encapuchada antigua– la energía necesaria se reduce a 340 vatios por persona, lo cual puede ser provisto por un panel radiante de sólo 60×60 cm. En sus experimentos, Humphreys utilizaba sistemas obsoletos de calor radiante de los años 1970, así que sus cifras podrían ser algo conservadoras. [3]

El calentamiento localizado puede ahorrar 30-40% de energía si se compara con un sistema que sólo caliente el aire

Los sistemas de calentamiento conductivo pueden ser aún más eficientes. Según un estudio reciente, una silla de oficina con calefacción puede mantener cómodos al 92% de los sujetos (con ropa de un valor de aislamiento de 0.8 clo) a una temperatura operativa de 18ºC (64ºF), mientras que el 74% siguen sintiéndose cómodos incluso a 16ºC (61ºF). La silla sólo consume 16 vatios (unos 30-40 vatios de energía primaria si la electricidad es generada por combustibles fósiles), demostrando la efectividad de la transferencia del calor por conducción. [5]

Los números conseguidos por Humphreys son análogos a los arrojados por las investigaciones sobre la comodidad en oficinas durante los meses veraniegos, los cuales mostraron que los ventiladores y otros dispositivos personales para refrescarse eran preferibles al aire acondicionado, además de consumir menos energía.

Poca Gente, Mucho Espacio

Aunque los sistemas de calentamiento localizado tienen el potencial de ser más sustentables y ahorrar mucho dinero, tal efecto no está garantizado. Hay situaciones en las cuales el calentamiento localizado consumirá más energía que el calentar el aire. La cantidad exacta de energía empleada depende de muchos factores: el volumen de la habitación, la cantidad de personas que hay en ella, cuán frecuentemente es ocupada, el nivel de aislamiento del edificio, los requisitos de ventilación, la eficiencia del sistema de calentamiento de aire y la del sistema de calentamiento localizado.

Los factores más importantes son el volumen del espacio y la cantidad de personas que lo están ocupando. Obviamente, cuanto mayor sea el espacio y menor la ocupación, el calentamiento localizado será más atractivo que un sistema de calefacción de aire. Los sistemas de calentamiento localizado también son ventajosos en lugares con techos altos. El aire caliente se eleva, lo cual reduce la eficiencia de los calentadores de aire. No es coincidencia que las iglesias de los países nórdicos hayan sido calentadas durante siglos por enormes estufas de ladrillo.

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Ilustración de Diego Marmolejo.

Otro factor es la fuente que alimenta al sistema de calefacción localizado. Un calefactor radiante no está atado a una fuente de energía primaria. Por ejemplo, el agua caliente utilizada por un panel radiante hidrónico puede ser suministrada por un colector solar, un calentador eléctrico, una bomba de calor (geotérmica), o un calentador a gas, carbón o leña. Naturalmente, la elección de la fuente de energía primaria afectará la eficiencia energética del sistema de calefacción. El uso de paneles radiantes eléctricos puede ser visto con desconfianza, porque se suele creer que la calefacción eléctrica no es sustentable: quemar combustibles fósiles para producir electricidad y volverlo a convertir en calor tiene grandes pérdidas por la conversión de energía, lo cual podría evitarse usando directamente el calor del combustible para calentar la habitación.

Sin embargo, nada es tan simple como parece. Los paneles calentadores eléctricos pueden ahorrar energía aún si la electricidad es producida mediante combustibles fósiles, ya que les toma menos de cinco minutos producir su máximo nivel de calor, y así ser usado sólo cuando y donde sean necesarios. Los sistemas de calentamiento de aire, estufas de ladrillo, o las superficies de construcción termoactivas necesitan mucho más tiempo para calentar el espacio a una temperatura cómoda, así que deben trabajar durante casi todo el día (o ser sobredimensionados) para poder brindar confort térmico de un modo más expedito.

La cantidad de energía que puede ahorrarse depende de –entre otras cosas– el volumen interior de un espacio, la cantidad de personas que alberga, y cuán frecuentemente es utilizado dicho espacio.

¿Pueden las ventajas de los paneles eléctricos de calefacción superar sus desventajas? Eso depende principalmente de cuán frecuentemente es utilizado el espacio. Su eficiencia es un ventaja en habitaciones que no son utilizadas muy a menudo. Muchos sitios sólo son ocupados de manera intermitente, y éstos son los que se pueden beneficiar más de los paneles eléctricos de calor radiante. Por otra parte, si tales paneles se usan continuamente a lo largo del día, su capacidad de calentar con prontitud no brinda ninguna ventaja y pueden terminar usando más energía que un sistema de calentamiento de aire. [6]

Abrir Las Ventanas

La calefacción localizada puede brindar un clima interior más saludable que un sistema de calentamiento de aire. La contaminación del aire dentro de los edificios es un problema creciente por dos razones importantes. En primer lugar, la gente pasa cada vez más tiempo a puertas cerradas: hasta el 90% de sus vidas en el hemisferio occidental. En segundo lugar, los materiales de construcción y los artículos del hogar cada vez son más contaminantes. Compuestos químicos perjudiciales pueden ser despedidos de los muebles, productos de limpieza y hasta de los materiales de la construcción del propio edificio; otros contaminantes pueden ser generados por actividades humanas (como cocinar o fumar), además de los que puedan venir del ambiente exterior. [7]

La calefacción localizada puede combinarse mejor con la ventilación natural que con un sistema de calentamiento de aire. Cuando calentamos el aire de una habitación, almacenamos el calor en el mismo medio que provee la ventilación. Los métodos que mejoran la eficiencia del sistema de calentamiento de aire, como crear un edificio hermético, tienen un impacto negativo para la salud de sus ocupantes. Asimismo, las medidas que promueven un ambiente más saludable para los habitantes del edificio, como abrir las ventanas, atentan contra la eficiencia y el confort del sistema de calefacción.

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Ilustración por Diego Marmolejo.

Con la calefacción localizada, el aire ya no almacena el calor, pues el calor es transferido directamente a las personas. Toda fuente de calor conductiva o radiante también calienta el aire, así que algo de la energía se pierde al abrir las ventanas para admitir aire fresco. Sin embargo, dado que el calentamiento localizado puede brindar confort térmico con el aire a menor temperatura, sigue siendo provechoso dejar entrar algo de aire fresco. Es una alternativa a los costosos y complejos sistemas de ventilación forzada, que funcionan bien si son instalados, usados y mantenidos con rigor, pero si no es así pueden agravar el clima del interior.

La calefacción localizada también disminuye la circulación continua del aire que es habitual en los sistemas que lo calientan: el aire calentado sube, al rato se enfría y baja, y así sucesivamente. Ésta turbulencia causa una circulación de partículas de polvo que puede agravar las alergias o infecciones de las mucosas respiratorias. Si se logra reducir la temperatura el aire, tales efectos son minimizados. Asimismo, una temperatura interior más baja aminora la presencia de ácaros. [3][7]

Mejorando el Confort Térmico

La desventaja más obvia de la calefacción localizada es que las personas quedan limitadas a estar en un sector donde puedan sentirse cómodas. La gran ventaja de calentar el aire –aunque lo logre mediante un gran gasto de energía– es que su calor impregna todo el espacio interior, al menos en el plano horizontal; así que se puede lograr un buen confort sin importar el lugar. Sin embargo, el hecho de que la calefacción localizada nos mantenga confinados a un sitio específico no es tan inconveniente como podría parecer, y de hecho brinda un beneficio inesperado: un mayor confort, al menos en espacios compartidos.

La temperatura más cómoda según el estándar internacional es de 23.3ºC (74ºF) –con un factor de ropa aislante de 1 clo- se corresponde al de una persona sentada en reposo (nivel de actividad de 1 “met”). Usando la Herramienta de Confort Térmico del CBE (Centro del Ambiente Construido de la Universidad de Berkeley, California), vemos que incrementar la actividad física tiene un efecto notable sobre el confort. Si el metabolismo se incrementa desde 1 hasta 2.2 met (“sentado, con fuertes movimientos de las extremidades”) o bien 2.7 met (“limpieza del hogar”), la temperatura ideal llega hasta los 13ºC (55ºF) y 9ºC (48ºF), respectivamente. Incluso una actividad ligera de 1.1 met (“escribir con teclado”) permite bajar la temperatura desde los 23.3 hasta los 22.4ºC (74 a 72ºF).

Cada persona es distinta, usa diferente ropa, y realiza actividades variadas; mientras que al calentar el aire se crea un ambiente idéntico para todos.

En un espacio cuya atmósfera sea calentada a 23.3ºC, alguien que esté sentado viendo TV puede estar cómodo, quien esté escribiendo en la computadora podría estar un poco más cálida, pero quienes estén teniendo una conversación animada o limpiando el cuarto podrían estar sudando. En una habitación calentada con fuentes de calor radiante y conductivas , todos podrían encontrar un sitio donde se sientan cómodos mientras realizan sus respectivas actividades.

Aunque esto implique que habría que permanecer en cierto sitio para estar cómodos realizando ciertas actividades o descansando, aún en ambientes donde la temperatura del aire sea la misma es bastante común quedarse en un sólo lugar durante largos períodos de tiempo: el sofá, el escritorio o la mesa de la cocina. En toda habitación hay sitios en donde no permanecemos en reposo, así que no hace falta calentarlos tanto.

Un “kotatsu” moderno: una mesa típica de Japón con calefacción eléctrica en lugar del combustible tradicional. Fuente: Rakuten.

Un “kotatsu” moderno: una mesa típica de Japón con calefacción eléctrica en lugar del combustible tradicional. Fuente: Rakuten.

La gente no sólo tiene diferentes actividades, sino diferentes ropas y personalidades. Haciendo tareas similares y usando ropas parecidas, varias personas pueden reportar sentirse cómodas en temperaturas que pueden variar hasta en 5ºC. [8][9] En un lugar donde usen calentamiento de aire, todos están condenados a tolerar un único clima. Éste es un hecho tan conocido que los estándares internacionales de confort definen que la temperatura “perfecta” es aquella en donde no más del 80% de los ocupantes estarán cómodos. En otras palabras: aún con los sistemas más modernos de climatización, una de cada cinco personas se sentirá muy fría o muy caliente, y eso en el mejor de los casos. [3]

En un espacio calentado por fuentes de calor localizado, quienes sean más activos o estén más abrigados pueden conseguir un lugar más fresco, mientras quienes estén en reposo, tengan ropas más ligeras o sean más sensibles al frío podrán hallar un sitio más calentito. Así, el 100% de los ocupantes podrá hallar un ambiente ideal. El control personal del ambiente puede organizarse de dos maneras: todos regulan su comodidad usando una fuente personal de calor radiante o conductiva, o cada uno busca un punto donde pueda sentirse cómodo dentro de una habitación calentada mediante un dispositivo central emisor de calor radiante. Ambos métodos pueden combinarse como se hacía antaño.

Estudios Sobre el Confort en Edificios de Oficinas

El rendimiento de los sistemas de calor conductivo y radiante, combinado con una temperatura de fondo menor provista por el calentador de aire, ha sido investigado ampliamente en ambientes de oficina. La mayor parte de tales estudios concluyen que los sistemas de calefacción personalizados pueden reducir el consumo de energía al mismo tiempo que mejoran la comodidad y el rendimiento laboral. [9][10] En las oficinas, muchas personas comparten el mismo espacio durante largos períodos de tiempo, con un escaso control sobre la temperatura de su ambiente. Las investigaciones han demostrado que casi la mitad de los empleados están inconformes con la temperatura de su oficina. [11]

En las oficinas, los sistemas de calentamiento personal pueden reducir el consumo de energía al mismo tiempo que mejoran la comodidad y el rendimiento laboral.

Al suministrar fuentes de calor personal a cada empleado, cada quien puede ajustar su ambiente a una temperatura en la cual se sienta cómodo. Los sistemas estudiados suelen ser paneles radiantes eléctricos o hidrónicos, los cuales pueden instalarse en las paredes de los cubículos, colgados del techo justo sobre las personas, o anclados bajo los escritorios.

Éstos dispositivos pueden combinarse con elementos de calentamiento eléctrico insertadas en los muebles. Los que calientan las manos y los pies suelen funcionar mejor, porque son las partes del cuerpo más sensibles al frío. Dado que pueden producir calor con rapidez, pueden ser apagados automáticamente cuando el trabajador se retira del escritorio, activándolo sólo cuando se necesite.

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Ilustración de Diego Marmolejo.

Claro que para poder ser ventajosa, el consumo energético de las fuentes de calor personales debe ser menor al logrado al ajustar el termostato a una temperatura más baja. De otro modo, se mejoraría la comodidad de los empleados pero no habrían ahorros en los costos de energía. Esto puede ocurrir cuando el sistema de calentamiento de aire no tiene suficiente capacidad (en tal caso es de esperarse que se necesite más energía); pero también es posible que los ocupantes comiencen a usar ropas más ligeras debido al uso de fuentes de calor personales, lo cual podría incrementar el consumo de energía.

Confort Térmico Adaptable

Rescatar el viejo concepto de “calentar las personas, no el edificio” requiere una nueva definición del confort térmico. A pesar de todas sus ventajas, el uso de sistemas de calefacción localizada no es aceptable según los estándares internacionales de confort debido a que la temperatura promedio de la habitación no alcanza los valores mínimos recomendados. Como se discutió en un artículo anterior, ocurre lo mismo con el extremo opuesto: un espacio enfriado por sistemas de refrescamiento localizados (como los ventiladores) excede la temperatura máxima recomendada para mantener el confort durante el verano.

Según escribieron Humphreys y dos de sus colegas en “Confort Térmico Adaptable: Principios y Prácticas [4], los estándares de confort modernos no reconocen la libertad de moverse dentro de la habitación para buscar un sitio con una temperatura más cómoda, a pesar de las profundas consecuencias que podría tener desde el punto de vista del consumo energético necesario para mantener el confort térmico. Hemos sido condicionados por la idea de que el confort implica tener una temperatura estable a lo largo del espacio, pero ésa es una característica intrínseca de los sistemas de climatización modernos, no una condición para poder sentirse cómodo.

Tener una temperatura estable a lo largo del espacio, es una característica intrínseca de los sistemas de climatización modernos, no una condición para poder sentirse cómodo.

En realidad, siempre nos estamos adaptando a la temperatura del ambiente que nos rodea, no sólo al movernos entre zonas de diferente temperatura sino también al cambiar de ropa o por nuestras actividades, al abrir o cerrar ventanas o cortinas, consumir bebidas calientes o frías, cambiar de postura, etc. Los estudios de campo han demostrado que las personas pueden sentirse cómodas en rangos de temperatura mucho mayores a los prescritos por los estándares de confort si tienen cómo reaccionar ante las condiciones cambiantes. Éste modelo de “Confort Térmico Adaptable”, basado en el uso de prendas de vestir aislantes y fuentes de calentamiento/refrescamiento localizadas, se opone a los estándares establecidos de confort basados en investigaciones dentro de cámaras de control climático. [4]

La cámaras climáticas son laboratorios especiales donde la temperatura, humedad, y velocidad del aire son controladas con precisión mientras se mide el grado de comodidad térmica de los sujetos. Todos los sujetos han de desarrollar las mismas actividades, usar los mismos vestidos, o sentarse en un lugar fijo. No pueden cambiarse de ropas, acercarse o alejarse de una fuente de calor o de enfriamiento, ni realizar alguna actividad que pueda afectar su grado de confort térmico. Tales estándares de confort –usados como guías por arquitectos e ingenieros– nos tratan como seres totalmente pasivos que viven encerrados en cámaras climáticas. Parece que ya nos lo creemos.

Kris De Decker (traducido por Alexander López)

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Notas:

[1] Stralingsverwarming: Gezonde Warmte met Minder Energie, Kris De Decker, 2015
[2] Proof that the greenest building is the one already standing released in new report from Preservation Green Lab, Lloyd Alter, 2012.
[3] Keeping Warm in a Cooler House. Creating Comfort with Background Heating and Local Supplementary Warmth (PDF). Historical Scotland Technical Paper 14, Michael Humphreys, Historic Scotland, 2011
[4] Adaptive Thermal Comfort: Principles and Practice , Fergus Nicol, Michael Humphreys & Susan Roaf, 2012
[5] Energy-efficient comfort with a heated/cooled chair, Center for the Built Environment, UC Berkeley, Wilmer Pasut, 2014
[6] Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarothstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich, Peter Kosack, TU Kaiserslautern, 2009
[7] Indoor Pollutants, Committee on Indoor Pollutants, National Research Council, 1981
[8] Individual control at each workplace: the means and the potential benefits, David Wyon, in “Creating the productive workplace”, Derek Croome, 2000
[9] Persoonlijke beïnvloeding als sleutel tot een A+ klimaat (PDF), Atze Boerstra, in TVVL Magazine, 04, 2010
[10] Comfort, perceived air quality, and work performance in a low-power task-ambient conditioning system (PDF), Hui Zhang et al., Center for the Built Environment, 2008
[11] Air quality and thermal comfort in office buildings: results of a large indoor environmental quality survey (PDF), in “Proceedings of healthy buildings 2006, Lisbon, Vol.III, 393-397