¿Cómo funciona una casa? Parece una pregunta tonta. Las casas son objetos inmóviles, ¿no? ¿Qué más hay que saber? Esto puede parecer así a primera vista; sin embargo, las actividades físicas de una casa están siempre en movimiento y cambian constantemente. El aire siempre está fluyendo a ritmos que cambian con el clima y cuando los sistemas mecánicos se encienden y se apagan. Esto influye en nuestro nivel de confort, en la calidad del aire que respiramos, en la cantidad de energía que consumimos e incluso puede afectar a la vida útil de ciertas partes estructurales de la casa.
Todos los sistemas mecánicos que instalamos en una casa vienen con un manual de funcionamiento. ¿Pero qué pasa con el resto de la casa? ¿Has visto alguna vez que un constructor proporcione un manual de instrucciones o de uso de la propia casa? Para una inversión tan grande, uno pensaría que habría una guía que mostrara cómo debe funcionar cada parte de la casa, cómo solucionar problemas y cómo debe sustituirse cada componente al final de su vida útil o, al menos, ajustarse en caso de que cambie algo. Por desgracia, no es así. Y probablemente nunca lo harán. Las casas son estructuras complejas que no tienen un manual completo de funcionamiento. Afortunadamente, los comportamientos físicos de cada casa se rigen por las mismas leyes, y estas leyes permiten que los comportamientos cambien a lo largo del año y en las diferentes zonas climáticas. El objetivo de este artículo es mostrar cómo funciona una casa y de dónde proviene el origen de muchos problemas relacionados con el confort, la energía, la durabilidad y la calidad del aire interior (IAQ).
Las casas con estructuras de madera son las construcciones unifamiliares más comunes en los Estados Unidos. Tienen una larga historia que se remonta a antes de la Guerra de la Independencia. En los primeros tiempos, estas casas servían como grandes cajas que nos mantenían secos y seguros. A medida que los nuevos inventos, materiales y procesos avanzaron con la tecnología, nuestras casas se han vuelto más complejas con muchos componentes que deben trabajar juntos para ser eficaces y eficientes, de forma similar al cuerpo humano (volveremos a esto más adelante). Por lo tanto, si cambiamos una parte del hogar, puede repercutir en otra. Aparte de la protección y la seguridad, el objetivo principal de una vivienda moderna es proporcionar confort y calidad del aire interior con un coste de funcionamiento razonable. Hay dos partes principales de la vivienda que hacen posible un confort y una calidad de aire óptima: la envolvente del edificio y los equipos mecánicos. Es imprescindible que estos dos sistemas trabajen juntos para evitar problemas como la alta humedad, la mala calidad del aire, las habitaciones incómodas, el moho, la podredumbre, el polvo y los suelos de madera deformados.
El sistema mecánico
Primero cubramos lo obvio. El sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y sus numerosos componentes tienen la importante tarea de proporcionar confort térmico durante todo el año. Sin embargo, los sistemas deben ser dimensionados y diseñados adecuadamente para ofrecer el máximo rendimiento. Para determinar el tamaño adecuado, debe realizarse un cálculo de carga del Manual J de la ACCA. Y para mejorar la precisión del Manual J, debe realizarse una prueba de puerta de soplado para determinar la cantidad de infiltración de aire exterior (más adelante se habla de ello). Lamentablemente, un gran porcentaje de los sistemas nuevos se instalan sin emplear este proceso. El tamaño del equipo suele calcularse basándose únicamente en los metros cuadrados de la vivienda, normalmente 46 metros cuadrados por tonelada. Este método puede sobredimensionar el sistema y provocar un ciclo corto, lo que significa que el punto de ajuste del termostato se alcanza demasiado rápido. Esto puede acortar la vida útil del equipo e impedir que el sistema de climatización deshumidifique la vivienda debido a los tiempos de funcionamiento más cortos.
Un componente clave que a menudo se omite en los hogares estadounidenses en la “V” de HVAC, que significa ventilación. Más adelante hablaremos de cómo la ventilación es una forma en la que el sistema mecánico puede trabajar con la envolvente del edificio. Tener una ventilación bien diseñada es fundamental para proporcionar un aire interior más limpio. Cuando no introducimos el aire exterior, hacemos circular el mismo aire por la casa una y otra vez. Con el tiempo, ese aire acumula compuestos orgánicos volátiles (COV) que desprenden los materiales de construcción y los electrodomésticos, junto con otros contaminantes que respiramos. Esto hace que una buena filtración sea otro componente clave para mejorar la calidad del aire. Una ventilación y una filtración adecuadas funcionan bien juntas para proporcionar un espacio vital más saludable.
Hay muchas opciones disponibles para la ventilación residencial. Los ventiladores de recuperación de energía y calor (ERVs y HRVs) proporcionan una ventilación equilibrada al introducir el aire exterior y expulsar el aire interior viciado a la misma velocidad. Los cicladores de aire son otra opción. Se trata de un conducto conectado al lado de retorno del sistema desde el exterior de la vivienda. Hay una compuerta motorizada en el conducto que se abre según un horario establecido para permitir que el climatizador introduzca aire exterior filtrado. En la actualidad existen opciones de control de la ventilación que la hacen funcionar en función de las lecturas proporcionadas por un monitor de calidad del aire. Los deshumidificadores de ventilación son otra opción que puede proporcionar deshumidificación y aire exterior filtrado al mismo tiempo para los hogares en climas húmedos. Los cicladores de aire y los deshumidificadores de ventilación aplican una ligera presión positiva en la envoltura del edificio, lo que a veces puede impedir que la humedad y otros contaminantes se infiltren con tanta facilidad.
La envolvente del edificio
La envoltura del edificio sirve de contenedor para el producto que los contratistas de HVAC proporcionan a sus clientes. Esta piel exterior del edificio contiene todo el aire acondicionado que nos mantiene cómodos. Así que, ¿no querríamos saber si la envoltura del edificio está haciendo su trabajo? Otra forma de verlo es la siguiente: Digamos que nuestro trabajo es mantener el agua en un cubo. ¿No querríamos saber primero si ese cubo tiene alguna grieta o agujero? A medida que el aire acondicionado se escapa de la envoltura de un edificio con fugas, también se infiltra aire exterior no deseado en el interior, que es frío en invierno y cálido en verano. Esto hace que algunas habitaciones tengan una temperatura no deseada, lo que dificulta el control total del confort dentro de la vivienda. Cuanto más permeable sea la envoltura, menos control tendremos para mantener un espacio vital agradable.
Un cerramiento hermético es fundamental para conseguir un confort y una calidad de aire óptima. El mito de que “una casa tiene que respirar” es un concepto erróneo contra el que nuestro sector ha luchado durante décadas. Antes de que el sector de la construcción empezara a centrarse en los cerramientos herméticos, confiábamos en que las fugas de aire sirvieran de ventilación. Como hemos mencionado antes, es cierto que necesitamos que entre aire del exterior para mantener un entorno de vida saludable. Sin embargo, confiar en las grietas y huecos de la envolvente no es una fuente ideal de aire “fresco”. Se trata de una práctica de una época anterior, antes de que nosotros, como industria, conociéramos la medición de la estanqueidad al aire y su impacto en el confort, la energía, la calidad del aire y la durabilidad. Ahora disponemos de sofisticadas herramientas y programas informáticos para evaluar los recintos de los edificios y los sistemas de conductos de forma rápida y eficaz. También tenemos la capacidad y el diseño de sistemas de ventilación mecánica que proporcionan un aire más limpio sin comprometer la integridad de la envolvente. Esta es una de las formas en que el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado y la envolvente del edificio trabajan juntos.
Hay una gran diferencia entre infiltración y ventilación. La ventilación es cuando el aire exterior se cuantifica cuidadosamente, se filtra y, a menudo, se preacondiciona antes de que entre en el espacio habitado. La infiltración es cuando el aire imprevisto del exterior entra en su casa, transportando todo, desde el calor y la humedad en los días cálidos de verano hasta los contaminantes de los áticos, los sótanos y las cavidades de las paredes. Si la casa tiene suficientes fugas, varios tipos de plagas pueden abrirse paso y dejar sustancias indeseables que pueden llegar a ser aerotransportadas y entrar en el espacio vital con el aire que se infiltra. Como puede imaginar, esto supone un gran impuesto para la calidad del aire. El polen y otros contaminantes del aire pueden viajar dentro de las vías de fuga desde el exterior también.
Tratar la fuente, no el síntoma: el enfoque del médico
Anteriormente, hemos mencionado cómo los distintos componentes de la envolvente del edificio y el sistema de climatización pueden tener un impacto mutuo similar a la funcionalidad del cuerpo humano. Por ejemplo, si se toma un medicamento para un síntoma, podría tener un efecto secundario en otra parte del cuerpo. Las casas y los sistemas de climatización funcionan de forma similar. Es importante que nosotros, como diagnosticadores, comprendamos cómo cada parte de la casa puede repercutir en otra.
Cuando visitamos al médico por un síntoma que tenemos, se nos hace una serie de preguntas junto con algunas pruebas para identificar el origen de nuestro malestar. Los técnicos pueden seguir un proceso similar haciéndose algunas preguntas: ¿Qué hay que cambiar para que el cliente esté contento? ¿Podría ser un problema de equipamiento? ¿Un problema de conductos? ¿Un problema de envolvente? ¿Una mezcla? ¿Qué pruebas tienen sentido para encontrar el origen de las molestias?
Diagnóstico de la envolvente del edificio
Para comprender plenamente si la envolvente del edificio está contribuyendo a los síntomas de confort y calidad del aire interior, hay tres cosas que debemos aclarar. Tendremos que:
Determinar la cantidad de fugas en la envolvente del edificio. ¿Parece tener más fugas de las que debería?
Determinar cómo se distribuyen las fugas en toda la casa. ¿Hay zonas más graves que otras? ¿Coinciden estas zonas con las quejas de los clientes?
Determine cómo interactúan los sistemas mecánicos de la vivienda con las fugas de la envolvente. ¿Cambian las presiones de las habitaciones cuando el sistema de climatización está encendido o apagado? ¿Cambia la presión general de la casa cuando el sistema o los sistemas de climatización o los extractores están en funcionamiento?
Estos pasos suelen realizarse en este orden. En esta sección, hablaremos de una serie de métodos que pueden utilizarse para localizar problemas en la envolvente del edificio. Y para hacer referencia a nuestra comparación con los profesionales de la medicina, a veces es mejor emplear más de un método para ver si coinciden entre sí. Esto puede aumentar la confianza en nuestros hallazgos a medida que trabajamos para reducir el origen de las molestias de los ocupantes.
Para empezar nuestro proceso, tenemos que determinar el grado de filtración de la envolvente del edificio. Para ello, utilizamos una puerta soplante: la herramienta más importante cuando se trata de analizar el rendimiento de una vivienda. Imagínese que es un ortopedista sin una máquina de rayos X… así de importante es una puerta de ventilación.
Las pruebas de la envolvente y los procedimientos de diagnóstico son un tema muy complicado, y hay muchos recursos gratuitos disponibles para aprender todo sobre estos temas con gran detalle. Para resumirlo rápidamente, utilizamos la puerta de soplado (blower door) para presurizar o despresurizar la envolvente de la vivienda a una presión conocida y controlada con respecto (WRT) al exterior, normalmente a +/-50 pascales. Esto permite un entorno de investigación estable, ya que esta presión inducida es suficiente para anular cualquier efecto de chimenea y las presiones inducidas por el viento.
Con algunas herramientas adicionales, la puerta soplante también puede mostrarnos dónde se encuentran las fugas. Hay múltiples formas de hacerlo, y el mejor método para una casa concreta en un día concreto puede depender de las condiciones meteorológicas y/o del tipo de construcción. Esta guía detallada sobre presión y fugas de aire en viviendas es una gran referencia para profundizar en el tema.
Imágenes térmicas y rastreadores de humo
Una vez que hayamos medido la fuga de aire total a través de la envolvente, necesitaremos tener una idea de cómo se distribuye la fuga en toda la casa. En muchos casos, la prueba de la puerta soplante puede parecer aceptable, pero más tarde podemos descubrir que la mayor parte de la fuga se concentra en una zona. Las fugas de aire pueden ser difíciles de localizar, sobre todo porque no podemos ver lo que ocurre a simple vista. Cualquier forma de hacer visibles las fugas nos ayuda a localizar rápidamente las fuentes de incomodidad. Una buena cámara termográfica puede ser una de las mejores maneras de hacerlo, ya que nos permite fotografiar fugas que no podríamos ver de otra manera. Al fin y al cabo, ver es creer.
Las imágenes térmicas pueden revelar rápidamente los patrones de flujo de calor a través de las cavidades de la pared y/o las fugas de la envoltura. Sin embargo, es necesario que haya una diferencia de temperatura suficiente entre el interior y el exterior para que una fuga sea fácilmente visible. Por lo general, bastan 10 grados o más de diferencia de temperatura.
Los trazadores de humo o sopladores son otra gran herramienta visual. No se trata de humo real. En su lugar, es una niebla producida a partir de una solución de glicol como la que se ve en las máquinas de niebla de los teatros. Al presurizar el edificio con el ventilador de la puerta, la niebla se mueve con las corrientes de aire generadas por el ventilador y nos lleva a las zonas problemáticas.
Diagnóstico de presión zonal (ZPD)
El ZPD es una excelente manera de evaluar rápidamente cómo se distribuyen las fugas en toda la casa, determinando el grado de fugas en el techo, el suelo o el garaje anexo. Desgraciadamente, durante años de malas prácticas, se ha convertido en un proceso para “estimar” las fugas de las habitaciones interiores. Aunque esta práctica seguramente ayuda a la parte de ventas de las pruebas de rendimiento de la vivienda, puede tener muy poca legitimidad técnica. Sin embargo, cuando se utiliza correctamente, la ZPD puede darnos mucha información sobre la distribución de las fugas en la envolvente. El manómetro de alta resolución que viene con el sistema de puerta soplante puede utilizarse para realizar este tipo de pruebas.
En esta serie se explica con más detalle cómo funciona la ZPD.
El efecto del sistema de climatización en la envolvente (HVAC)
Una casa negativa es mala
En muchas partes de los Estados Unidos, los sistemas de conductos suelen estar situados fuera de la envolvente del edificio, ya sea total o parcialmente. Esta ubicación puede ser un ático ventilado, un espacio de arrastre ventilado, un sótano no acondicionado o algún otro recinto exterior ventilado. En el caso de los sistemas de conductos situados fuera de la envolvente del edificio, los conductos que tienen más fugas en el lado de suministro que en el de retorno harán bajar la presión de la vivienda. Esto hace que la casa sea negativa con respecto al exterior de la vivienda. Cuando el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado funciona, extrae aire del interior de la casa y lo expulsa fuera del espacio acondicionado a través de las fugas de los conductos de suministro. Esto permite que el retorno extraiga más aire de la casa que el suministro distribuye de vuelta a la casa, lo que hace que la casa sea negativa.
Por ejemplo, si el suministro tiene una fuga de 100 CFM más que el retorno, esta cantidad de aire acondicionado se está perdiendo cada minuto que el sistema HVAC funciona. Al mismo tiempo, el aire de infiltración no deseado y no tratado del exterior está siendo arrastrado al interior a través de las fugas de la envolvente. Algunas partes del año serán más extremas que otras. Dependiendo del clima y/o la época del año, este aire exterior puede ser muy húmedo o muy seco. Por lo tanto, una variedad de problemas de IAQ, confort, durabilidad y consumo de energía pueden derivarse de este problema específico.
Una casa positiva también es mala
A veces puede ocurrir lo contrario, que el lado de retorno tenga la mayor parte de las fugas de los conductos. Esto hace que la casa sea positiva con respecto al exterior. Si un conducto de retorno con fugas atraviesa un espacio no acondicionado, extraerá aire del exterior de la envolvente y lo entregará al espacio habitable. Este problema se agrava cuando los filtros de aire montados en las rejillas de retorno se ensucian, ya que se fuerza más aire a través de las fugas del conducto. En algunos casos, los problemas de confort se alivian cuando se sustituyen los filtros de aire por otros menos restrictivos.
En lo que respecta a la calidad del aire interior, no se puede sacar nada positivo de un hogar presurizado positivamente a través de las fugas del conducto de retorno. ¿De dónde viene este aire, del ático? ¿Del espacio de arrastre? Dependiendo de la zona climática, ambos lugares tienen el potencial de tener alta humedad, moho y polvo. La calidad del aire, el control de la humedad y el confort en general se ven muy afectados por esta condición.
Por lo tanto, si los conductos son herméticos, no tenemos que preocuparnos. ¿Verdad?
No es así. Hay otros matices que interactúan en la relación envolvente/HVAC que afectarán a la presurización de la casa y, por defecto, al confort interior.
Para cada habitación que pueda ser aislada por una puerta y tenga una vía de aire de suministro (por ejemplo, un dormitorio), debe haber una vía de aire de retorno adecuada y equivalente. Con la puerta cerrada, cada CFM de aire de suministro suministrado a una habitación debe tener una vía de retorno al sistema HVAC. Esta vía puede ser un conducto de retorno activo o una vía de aire de retorno pasivo, como una rejilla de transferencia, un conducto de salto, un conducto de ventilación de la puerta Tamarack, etc. Cuando la presión de la habitación es igual a la del cuerpo principal de la casa mientras el sistema de HVAC está en funcionamiento, se considera “presión equilibrada”. Esta prueba de equilibrio de presión debe realizarse con un manómetro de alta resolución, como el que viene con un kit de comprobación de puertas de ventilación o conductos. Las presiones que vamos a medir estarán en unidades de pascales, por lo que el típico manómetro de HVAC no será suficiente. Los manómetros de alta resolución tienen una precisión de una pequeña fracción de pascal.
La medición de la presión de cada habitación puede realizarse junto con las mediciones del flujo de aire para cada suministro y retorno. Estas mediciones del caudal de aire suelen hacerse con una campana de flujo. El caudal correcto para cada impulsión y retorno se genera efectuando un cálculo de carga habitación por habitación. El sistema instalado debe introducirse en el software para proporcionar objetivos de caudal realistas. Cada conducto de suministro y retorno debe tener una compuerta ajustable para equilibrar la sala. La mejor manera de ajustar esto es utilizar el manómetro de alta resolución y la campana de flujo conjuntamente. Esto se remonta al enfoque médico de hacer las cosas: tener múltiples pruebas que concuerden entre sí aumenta nuestra confianza a medida que identificamos el origen de los problemas de confort. Normalmente, queremos que los flujos estén dentro del 10% del objetivo. Por cierto, las campanas de flujo más precisas usan su propio ventilador calibrado y un manómetro de alta resolución para tomar las lecturas.
Si una habitación tiene suficiente aire de impulsión pero una vía de aire de retorno insuficiente hacia el equipo, el perfil de presión en la vivienda puede volverse errático. Utilizando un cálculo de carga habitación por habitación, digamos que hemos determinado que un determinado dormitorio necesita 150 CFM de aire acondicionado. También diremos que la disposición de los conductos de suministro es adecuada para proporcionar esa cantidad de aire. Pero como vemos en muchos escenarios, la ruta del aire de retorno solo permite que 100 de esos 150 CFM vuelvan al ventilador. Esto sucede cuando no se toman medidas para asegurar que la habitación esté equilibrada. Este es un problema común en muchos hogares, al igual que la falta de verificación después de la instalación de los sistemas. Si la puerta del dormitorio suele estar abierta, ¿a quién le importa? Pero, ¿qué ocurre cuando la puerta está cerrada? En una habitación con este tipo de vía de retorno insuficiente, la habitación está presurizada a 5-10 pascales (a veces mucho más) con la puerta cerrada. En este caso, cabe esperar una pérdida de al menos el 10-20% del caudal de aire de impulsión.
En nuestro hipotético dormitorio, con la puerta abierta, tenemos 150 CFM de flujo de suministro. Pero una vez que se cierra la puerta, el flujo de suministro puede bajar a 125 CFM, y solo 100 CFM llegan al soplador. Esto deja 25 CFM que son expulsados a través de las fugas de los conductos, por lo que nunca llegan a la habitación. De nuevo, los otros 25 CFM son empujados hacia fuera a través de las fugas de la envoltura. Esta cantidad puede no parecer un gran problema, pero de nuevo, esto es solo una habitación. Si tenemos una casa de 4 habitaciones con cada una de ellas comportándose de la misma manera, son 100 CFM de aire que se pierden hacia el exterior cada minuto que el sistema está funcionando. ¿Y recuerda lo que ocurre cuando tenemos más fugas en el suministro que en el retorno? Si este es el caso, el resto de la casa va en negativo, exacerbando así las vías de infiltración en otras áreas de la casa.
Otra cosa que hay que tener en cuenta es que la fuga de aire puede comportarse de forma diferente en un sistema de conductos con fugas instalado fuera de la envolvente del edificio que la fuga modelada en el cálculo de la carga. Cuando se introduce un número de puerta de ventilación en un cálculo de carga, se convierte en ACHn (cambios de aire naturales). Esta es la cantidad de aire exterior que se infiltrará en condiciones normales de funcionamiento. Es estupendo que el software lo haga por nosotros, sin embargo, las presiones impulsadas por el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado superarán las fuerzas naturales que empujan y tiran de la piel de la casa. Por lo tanto, el valor de ACHn calculado a partir del número de la puerta del soplador puede ser una gran sub-representación de la carga de infiltración real. Este tema puede explorarse aquí con más detalle. Comprender las fugas de la envolvente por sí solas utilizando una puerta soplante es un gran paso adelante. Pero si se sospecha que hay una fuga significativa en los conductos, es importante medir su impacto y hacer recomendaciones para remediarlo.
Cuando los técnicos de calefacción, ventilación y aire acondicionado no miden, localizan y cuantifican los efectos de las fugas de la envolvente en una vivienda, la frustración puede aumentar tanto en el técnico como en el cliente. El origen de la queja de confort se pasa por alto, lo que da lugar a múltiples visitas a la vivienda para tratar la misma queja una y otra vez. Con cada visita, el recalentamiento, el subenfriamiento y la presión estática pueden llegar a niveles aceptables. Merece la pena ofrecer una inmersión más profunda en la vivienda para evaluar la envolvente del edificio y ver cómo está afectando el sistema HVAC.
Puede que no haya un manual, pero hay un proceso
La desafortunada verdad es que no existe un manual físico o una guía de resolución de problemas para cada vivienda individual que los técnicos puedan consultar cuando surjan los problemas. Pero puede utilizar los pasos presentados en este artículo para allanar el camino hacia la localización de las fuentes de las molestias de su cliente. Una vez que esté seguro de sus hallazgos, puede desarrollar un plan para remediarlo. Si todo lo demás falla en sus procedimientos normales para la resolución de problemas, asegúrese de que no está pasando por alto el sobre. Recuerde las tres cosas que debe investigar:
Determine la cantidad de fugas en la envoltura del edificio. ¿Parece tener más fugas de las que debería?
Determine cómo se distribuyen las fugas en toda la casa. ¿Hay zonas más graves que otras? ¿Coinciden estas zonas con las quejas de los clientes?
Determine cómo interactúan los sistemas mecánicos de la vivienda con las fugas de la envolvente. ¿Cambian las presiones de las habitaciones cuando el sistema de climatización está encendido o apagado? ¿Cambia la presión general de la casa cuando el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado o los extractores están en funcionamiento?
Una vez que empiece a aplicar estas prácticas en sus consultas sobre confort y calidad del aire, la confianza que tenga en su capacidad de diagnóstico seguirá aumentando. Así, aunque la casa no tenga un manual de referencia, usted tendrá el suyo propio para aplicarlo en cada casa que visite.
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