FREE-COOLING. Enfriamiento gratuito por aire exterior. Ahorro y Salud.

El Free-Cooling o Enfriamiento Gratuito por Aire Exterior es la técnica por la cual se permite el ingreso de aire exterior dentro de un edificio por medios mecánicos y controlados.

En realidad se trata de una ventilación mecánica controlada VMC y que aprovecha muchas ventajas de la ventilación natural y elimina gran parte de sus inconvenientes. No obstante, y para puristas del diseño sostenible y bioclimático no es una opción aceptable dado que se requieren elementos mecánicos (ventiladores, compuertas, etc) para su funcionamiento. Sin embargo, en muchas ocasiones, es la única manera de asegurar y controlar de forma precisa que el aire exterior llega a todos los rincones del edificio.

Los sistemas de Free-Cooling son de fácil aplicación integrados en sistemas de climatización en los que se requiere refrigeración mecánica. Mediante la inclusión de una sección de Free-Cooling (ver más abajo) dentro de la Unidad de Tratamiento de Aire del edificio, se aprovecha la baja entalpía del aire exterior para refrigerar de forma gratuita espacios del edificio con cargas positivas.

Espacios típicos en los que la aplicación del Free-Cooling es interesante son por ejemplo:

  • Zonas internas de edificios de oficinas.
  • Locales de alta ocupación (cines, teatros, auditorios, etc.).
  • Salas de ordenadores, centro de proceso de datos.
  • En general zonas de alta densidad de carga interna durante todo el año.
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Objetivos del Free-Cooling

El objetivo de un sistema de Free-Cooling es esencialmente el mismo que el de la Ventilación Natural y principalmente ahorro energético.

Como se ha comentado, la ventilación natural permite controlar contaminantes, olores y asegurar la correcta renovación de aire. Sin embargo, un sistema de Free-Cooling introduce más aire exterior del mínimo exigido para combatir de forma efectiva las ganancias térmicas internas y realizar una refrigeración efectiva.

La refrigeración nocturna (Night Purge o Night Cooling) emplea los sistemas de Free-Cooling para remover el calor remanente en el interior del edificio y captado por paredes, mobiliario en forma de radiación. Ese calor es extraído por el aire de expulsión. Al día siguiente, cuando de nuevo las temperaturas son elevadas, el sistema de refrigeración mecánica del edificio afronta una carga pico menor y por lo tanto se produce un ahorro energético importante.

“Todos estos fenómenos pueden ser cuantificados a través de una modelización energética del edificio incluyendo de forma precisa los equipos y sistemas de climatización necesarios.”

Ventajas e inconvenientes de un sistema de Free-Cooling

Un sistema de Free-Cooling tiene las siguientes ventajas:

  • El aire exterior puede ser filtrado y, eventualmente, acondicionado.
  • Permite un mejor control de funcionamiento y, por lo tanto, una ventilación más efectiva que un sistema de ventilación natural.
  • Permite una distribución correcta de aire por el interior del edificio.

Al disponer de un sistema de ventilación mecánica, a través de una distribución de conductos, se pueden alcanzar locales que, de forma natural, no podrían ser ventilados. La efectividad en la ventilación puede diseñarse y estudiarse de forma adecuada.

Los reglamentos de algunos países, entre ellos España exigen una filtración previa a la introducción del aire exterior en las zonas ocupadas, no aplicable a viviendas. La colocación de filtros imposibilita, “de facto”, el empleo de ventilación natural en edificios en zonas ocupadas. La única solución es la colocación de sistemas de Free-Cooling.

Se pueden realizar técnicas de ventilación nocturna con una programación adecuada y un funcionamiento óptimo para eliminación de cargas internas durante los periodos nocturnos.

Sin embargo, un sistema de Free-Cooling también tiene una serie de inconvenientes:

  • Requiere equipos mecánicos (ventiladores, compuertas, sistema de distribución de aire).
  • Consume energía eléctrica.

Funcionamiento de un sistema de free-cooling (economizador)

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Leyenda:
(1) Compuerta de Expulsión de aire
(2) Compuerta de Toma de Aire Exterior
(3) Compuerta de By-Pass

En condiciones extremas (verano), la compuerta de retorno de aire (3) permanece abierta al máximo mientras que las compuertas (1) y (2) se cierran para asegurar un mínimo caudal de aire de renovación. Hay que hacer notar que la posición mínima de las compuertas (1) y (2) será aquella que asegure el caudal mínimo de Aire Exterior en el edificio de acuerdo a lo establecido por normativa.

Cuando las condiciones del aire exterior (AE) son adecuadas, se abren las compuertas (1) y (2) y se cierra la compuerta de by-pass (3). Por condiciones adecuadas, se entiende aquellas en las que la energía (sensible o total dependiendo qué si sólo tenemos opción de controlar la temperatura o temperatura y humedad) sea menor que la del local.

Las compuertas (1) y (2) están enclavadas de manera que cuando una abre también abre en la misma proporción y viceversa. Asimismo y en esa misma medida la compuerta (3) también a de estar enclavada de manera que cuanto más abre la compuerta (1) y (2), la compuerta (3) se cierra.

¿Cuando se exige el uso del Free-Cooling?

Según la normativa española, Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios RITE (versión consolidada del 2021), el free-cooling se exige según las siguientes condiciones:

IT 1.2.4.5 Recuperación de energía

IT 1.2.4.5.1 Enfriamiento gratuito por aire exterior.

1. Los subsistemas de climatización del tipo todo aire, de potencia útil nominal mayor que 70 kW en régimen de refrigeración, dispondrán de un subsistema de enfriamiento gratuito por aire exterior.

Por lo tanto, si una Unidad de Tratamiento de Aire dispone de baterías de refrigeración de más de 70kW, será necesario incorporar una sección de free-cooling en dicha UTA.

Según ASHRAE 90.1:2010 se requiere el uso de sección de free-cooling, denominados Economizadores de Aire (Are Economizers) en los siguientes supuestos:

Apartado 6.5 Vía prescriptive – 6.5.1 Economizadores. Cada Sistema de enfriamiento que disponga de un ventilador, deberá incluir o bien un free-cooling de aire o de agua …

Existen numerosas excepciones a dicha exigencia. Sin embargo, la principal para aplicaciones de refrigeración es la que se establece según la potencia del equipo y la climatología (apartado a):

a. Unidades individuales de enfriamiento por aire con potencias menores que las indicadas en la Tabla 6.5.1A para aplicaciones de refrigeración de confort y la Tabla 6.5.1B para aplicaciones de refrigeración de salas de ordenadores.

  • Los climas 1a y 1b no se exige free-cooling.
  • El resto de climatologías, a, 2b, 3a, 4a, 5a, 6a, 3b, 3c, 4b, 4c, 5b, 5c, 6b, 7, 8, se requiere free-cooling para potencias de refrigeración superiores a 15kW.

El otros apartados se desarrollará más en detalle los criterios de diseño de los sistemas de Free-Cooling para las diferentes normativas.

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