Es un principio de ingeniería importante para hacer que los sistemas térmicos sean más eficientes energéticamente y se utiliza en muchas aplicaciones, incluida en la ventilación. La ventilación con recuperación de calor es una de las soluciones obvias para ayudar a reducir el consumo de energía en los edificios.

La esencia de la ventilación con recuperación de calor

En la mayoría de los edificios destinados a la ocupación humana, se mantiene una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, porque las temperaturas exteriores son demasiado altas o frías para el confort humano durante parte del año. Estos espacios interiores también deben estar adecuadamente ventilados para reemplazar el aire viciado del interior con aire fresco del exterior, para evitar la acumulación de productos metabólicos y contaminantes del aire interior.

Si se mantiene una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior y al mismo tiempo se intercambia aire a través de ese límite, gran parte de la energía de calefacción corre el riesgo de desperdiciarse al expulsar el aire caliente a la atmósfera. Aquí es donde entra en juego la recuperación de calor.

A través de intercambiadores de calor dedicados en la unidad de ventilación, se puede recuperar el calor del aire usado que sale del edificio y usarse para precalentar el aire fresco que se suministra al edificio. Esto reduce las pérdidas de calor y ahorra en necesidades de calefacción (o refrigeración), lo que hace que el sistema sea significativamente más eficiente energéticamente y más barato de operar durante su vida útil.

Eficiencia de temperatura

Se puede calcular qué también un sistema recupera calor de una corriente de aire a otra con una métrica de eficiencia. La eficiencia térmica de una unidad de ventilación ( η t ) se expresa como una relación entre la ganancia de temperatura del aire suministrado al edificio y la pérdida de temperatura del aire expulsado del edificio, ambas relativas a la temperatura exterior.

Diferentes tipos de sistemas de recuperación de calor

En las unidades de tratamiento de aire se utilizan con mayor frecuencia tres tipos de sistemas de recuperación de calor:

• Intercambiadores de calor rotativos

Los intercambiadores de calor rotativos presentan una alta eficiencia térmica (hasta 85%) y dimensiones muy compactas. Además, los intercambiadores de calor rotativos también recuperan humedad (energía latente) que se mide por la eficiencia de la humedad. La eficiencia de humedad y su promedio estacional dependen del diseño del rotor. Otra ventaja de los intercambiadores de calor rotativos es que empiezan a congelarse a temperaturas considerablemente más bajas en comparación con otros tipos.

• Intercambiadores de calor de placas

A diferencia de los intercambiadores de calor rotativos, los intercambiadores de calor de placas no requieren ningún consumo de electricidad adicional porque no tienen elementos impulsores. Para unidades de tratamiento de aire pequeñas, normalmente se utilizan intercambiadores de calor de placas de contraflujo, que pueden alcanzar una eficiencia térmica muy alta (normalmente hasta el 85%). Como los intercambiadores de placas de contraflujo solo están disponibles hasta un tamaño determinado, para unidades de ventilación más grandes es común utilizar intercambiadores de placas de flujo cruzado, que logran una menor eficiencia. 

La eficiencia se puede aumentar significativamente combinando dos intercambiadores de calor de flujo cruzado en serie. La desventaja de los intercambiadores de calor de placas de alta eficiencia es la formación de escarcha, que se produce a temperaturas exteriores más altas en comparación con los intercambiadores de calor rotativos. En el caso de los llamados intercambiadores entálpicos con placas permeables a la humedad (normalmente a contraflujo), también se recupera la humedad. 

La temperatura de congelación de los intercambiadores entálpicos es menor en comparación con los intercambiadores sin recuperación de humedad.

• Recuperadores de calor con fluido de transferencia de calor intermedio

Estos recuperadores utilizan un fluido de transferencia de calor intermedio para transferir calor entre las dos corrientes de aire que no están conectadas directamente por razones de seguridad o practicidad. Si el aire suministrado al edificio y el aire expulsado del edificio pasan por dos unidades separadas, no hay riesgo de fuga de aire ni contaminación. La eficiencia térmica es menor en comparación con otros tipos de intercambiadores (hasta un 70%). El consumo de electricidad de la bomba de agua disminuye la eficiencia general. Las aplicaciones típicas incluyen sistemas con requisitos higiénicos muy altos, donde las fugas entre el aire suministrado y el aire expulsado no son aceptables, o aplicaciones en las que las unidades de aire suministrado y de aire expulsado están muy alejadas entre sí.

• Otros tipos

Existen otros tipos de sistemas de recuperación de calor que se utilizan con menos frecuencia en el mercado, pero también deben cumplir con una eficiencia de temperatura del 73%.

Los datos de mercado de Eurovent muestran que, en la UE, más del 75% de las unidades de tratamiento de aire en 2022 se vendieron con un intercambiador de calor de placas (41%) o un intercambiador de calor rotativo (36%). En España, los intercambiadores de calor de placas fueron más populares (52%) y menos los intercambiadores de calor rotativos (17%). Otros tipos de intercambiadores de calor representan pequeños porcentajes.

Requisitos de diseño ecológico para unidades de ventilación

Como se indicó anteriormente, la recuperación de calor es una de las soluciones obvias para hacer que la ventilación sea más eficiente energéticamente. Cuando se utiliza una unidad de ventilación bidireccional para ventilación en edificios que requieren calefacción o refrigeración, debe estar equipada con un sistema de recuperación de calor.

Por ese motivo, el Reglamento (UE) n.º 1253/2014 de la Comisión con respecto a los requisitos de diseño ecológico para unidades de ventilación exige que todas las unidades de ventilación bidireccionales estén equipadas con un sistema de recuperación de calor que debe cumplir una eficiencia térmica mínima. La eficiencia térmica mínima depende del tipo de sistema de recuperación de calor. Los intercambiadores de calor rotativos y de placas deben alcanzar una eficiencia térmica del 73 % y los sistemas con fluido de transferencia de calor intermedio del 68 %. 

El reglamento también exige que las unidades de ventilación estén equipadas con un sistema de ‘bypass’ térmico para evitar el sobrecalentamiento en verano. 

Para los intercambiadores de calor rotativos, el control de la velocidad del rotor es suficiente para cumplir con este requisito. Sin cumplir estos requisitos, una unidad de tratamiento de aire bidireccional no puede recibir la marca CE ni comercializarse en el mercado de la UE.

El informe 2020 Ecodesign Impact Accounting¹ estima que este requisito de recuperación de calor habrá ahorrado 54 TWh/a de energía primaria gracias a la reducción de la carga de calor entre 2010 y 2030, además del ahorro de energía de la unidad de ventilación más eficiente, como se muestra en la gráfica siguiente; 

El cumplimiento de los requisitos de Ecodiseño se basa en la autodeclaración. Para tener mayor confianza en los datos de rendimiento de los productos instalados en el edificio, busque la marca “Eurovent Certified Performance“. Los productos que llevan esta marca se han sometido a una rigurosa verificación, que incluye una evaluación del software de selección del fabricante, auditorías de fábrica periódicas, y pruebas periódicas de rendimiento del producto en laboratorios acreditados. Existe un programa de certificación dedicado a los componentes de recuperación de energía utilizados en los sistemas de ventilación.

Requisitos a nivel de edificio para la ventilación con recuperación de calor

Estos requisitos de diseño ecológico se aplican a nivel de producto. Los códigos de edificación nacionales, que varían mucho de un país a otro, especifican si se requiere ventilación con recuperación de calor a nivel de edificio.

Una revisión de 2015 realizada por el Building Performance Institute Europe (BPIE)² mostró que, de los ocho códigos de edificación para edificios residenciales incluidos en el estudio, solo dos (Dinamarca y Suecia) exigían de facto recuperación de calor en todas las viviendas donde se instala ventilación mecánica. y otros 2 (Italia y Polonia) requirieron recuperación de calor sólo en algunas viviendas. En los demás países no era necesaria ninguna recuperación de calor.

Incluso en los casos en los que no se requiere ventilación con recuperación de calor, se puede valorar o incentivar de otra manera. En la ley alemana de eficiencia energética de edificios (Gebäudeenergiegesetz o GEG), por ejemplo, era posible tener en cuenta la recuperación de calor en la ventilación para el cumplimiento de los objetivos de energía renovable. El GEG se encuentra actualmente bajo revisión y lamentablemente esta posibilidad ha sido eliminada del proyecto de ley.

Sin embargo, en la práctica, la ventilación con recuperación de calor es cada vez más común. Según la Directiva de eficiencia energética de los edificios (EPBD) de la UE, desde 2020 todos los edificios nuevos deben cumplir con el estándar de edificios de energía casi nulo (‘nearly zero-energy building’ o NZEB). Estos NZEB son muy herméticos y los sistemas de ventilación mecánica con recuperación de calor son casi la única opción para lograr una ventilación aceptable en climas dominados por la calefacción.

En los climas más cálidos del sur de Europa, donde las cargas de calefacción y los beneficios de la recuperación de calor pueden ser menores, la ventilación con recuperación de calor es menos común. Sin embargo, incluso en estos casos, los sistemas de ventilación mecánica con recuperación de calor pueden ser una excelente solución, ya que los componentes de recuperación de energía pueden recuperar no sólo el calor sino también el enfriamiento y la humedad.

Recuperación de humedad

Ciertos tipos de componentes de recuperación de calor (por ejemplo, intercambiadores de calor rotativos con rueda de sorción e intercambiadores de calor de placas entálpicas con membranas permeables) también proporcionan recuperación de humedad además de recuperación de calor sensible.

Estos últimos tipos de intercambiadores son altamente recomendados para aplicaciones con control de humedad interior (es decir, para unidades de tratamiento de aire equipadas con un serpentín de enfriamiento de deshumidificación o un humidificador), ya que la recuperación de humedad puede reducir significativamente el consumo de energía estacional asociado con la deshumidificación y humidificación del aire suministrado al edificio. El coste y la eficacia medioambiental de la recuperación de la humedad deben determinarse caso por caso mediante un análisis del coste del ciclo de vida.

_{1- European Commission, Directorate-General for Energy, Ecodesign impact accounting annual report 2020 – Overview and status report, Publications Office, 2021
2- BPIE, Calidad del aire interior, confort térmico y luz natural: análisis de las normas de construcción residencial en ocho estados miembros de la UE, 2015,}

Recuperación de energía en un sentido más amplio

Como se analizó anteriormente, la recuperación de calor es un principio importante para hacer que los sistemas de ventilación sean más eficientes energéticamente. Pero también es importante en muchas otras aplicaciones. Por ejemplo, los sistemas de aire acondicionado y refrigeración generan enfriamiento en el lado del evaporador, mientras que el lado del condensador se calienta. Ese calor suele ser expulsado a la atmósfera, pero podría recuperarse para fines útiles.

Algunas unidades de ventilación multifuncionales están equipadas con una bomba de calor que recupera el calor del aire expulsado del edificio para calentar el aire de ventilación y/o producir agua caliente sanitaria, por ejemplo. También hay bombas de calor polivalentes que suministran circuitos separados de agua fría y caliente para refrigeración y calefacción simultáneas, útiles por ejemplo en edificios que requieren refrigeración en el lado sur pero calefacción en el resto del edificio.

En zonas con una alta densidad de aire acondicionado y refrigeración, se podrían recuperar grandes cantidades de calor residual y alimentarlo, por ejemplo, a un sistema de calefacción urbana. Si los productores de calor pueden conectarse con los consumidores de calor, el potencial de recuperación de energía es asombroso. Sólo en Alemania, por ejemplo, se estima que los centros de datos (que requieren una refrigeración exhaustiva) convierten más de 13 TWh de electricidad en calor cada año, la mayor parte del cual se libera al medio ambiente sin ser utilizado. Ya existen algunos casos de recuperación de energía en centros de datos, como el plan de calefacción urbana de Tallaght en el sur de Dublín, que recibe calor de un centro de datos cercano de Amazon. Pero la mala planificación y los desafíos al caso de negocio impiden liberar todo el potencial en la UE.

Conclusión

En resumen, la recuperación de calor es un principio crucial para mejorar la eficiencia energética en HVAC. Los sistemas de ventilación mecánica con recuperación de calor se están convirtiendo en la norma en los edificios nuevos en toda Europa, impulsados por avances regulatorios como el ecodiseño y las regulaciones de eficiencia energética de los edificios. Aunque el caso de negocio (y ambiental) a favor de la recuperación de energía podrían verse atenuados en climas más cálidos, como en ciertas regiones de España, un análisis de costos del ciclo de vida podría mostrar que incluso en esas regiones, la recuperación de energía considerando el enfriamiento y la humedad podría valer la inversión.