La mayoría de escuelas rurales en la costa Caribe no cuentan con buenos sistemas de ventilación, un factor que puede disminuir hasta un 45 % la concentración de los estudiantes. Ingenieros en Uninorte exploran sistemas económicos y eficientes para refrescar las aulas.
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Por Pablo Correa
pablocorreatorres@gmail.com
Nada fácil resulta redactar un ensayo crítico sobre novelas del boom latinoamericano o resolver una serie de polinomios en clase de matemáticas como para tener que hacerlo encerrado en un salón con el aire caldeado, la temperatura sobrepasando los 30 oC, la humedad enrareciendo la respiración, un chirriante ventilador perturbando la concentración y, para rematar, el sudor empapando la ropa.
La calidad educativa no es sólo cuestión de concentración, talento y disciplina. Las condiciones físicas del lugar donde estudiamos también juegan un rol importante. Por ejemplo, diversos estudios han demostrado que los niveles de concentración de los seres humanos pueden disminuir hasta un 45% cuando la temperatura supera los 30 °C.
Fue esta preocupación la que impulsó al ingeniero Rafael Andrés Albuja del Valle a explorar, en su tesis de la maestría de ingeniería en Uninorte, alternativas eficientes y económicas que permitan mejorar las condiciones en las que estudian cientos de niños y niñas en la región Caribe. La mayoría de los edificios educativos rurales en esta región del país no cuentan con sistemas de acondicionamiento de aire, por los altos costos fijos y operativos que estos requieren. “El confort térmico en espacios educativos es considerada una variable de interés para asegurar un óptimo desempeño académico”, anotó en su tesis. Albuja encontró la motivación y el acompañamiento que necesitaba en el Proyecto de Investigación en Edificaciones Sostenibles, EDISOST, de Uninorte enfocado en estudiar las características particulares del clima local, y cómo la radiación solar, la humedad relativa y la velocidad de los vientos, inciden sobre las edificaciones y los diferentes materiales de construcción.
Su investigación se centró específicamente en el colegio de Santa Lucia, Atlántico, una construcción con un área estimada de 5534 m2, con 28 salones que reciben a una población de unos 1.000 alumnos, pero que no cuentan con ningún sistema de aire acondicionado a excepción de la sala de profesores. Usando un software de simulación alimentado con datos reales de la escuela, Albuja decidió comparar tres alternativas: ventilación natural (la existente), un sistema radiante híbrido y un sistema radiante híbrido con membranas infrarrojas transparentes.
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Los sistemas radiantes son una vieja tecnología conocida por comunidades asiáticas, europeas y americanas desde hace más de 3.000 años. En aquel entonces los seres humanos ya los usaban de forma rudimentaria y con un fin diferente: calentar los espacios en los que habitaban como las cuevas. Consistían simplemente en calentar rocas para aprovechar el calor que emitían y así obtener confort térmico en épocas de baja temperatura.
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El mismo principio, pero enfriando agua puede ser usado con el propósito inverso, es decir, refrescar un lugar. De hecho, estos sistemas se han ido popularizando en algunas zonas por sus bajos costos con respecto a los sistemas de acondicionamiento de aire convencionales. Como se puede observar en el diagrama que acompaña este artículo, los sistemas híbridos requieren un suministro de agua que debe pasar por un sistema de enfriamiento para luego fluir hacia un sistema de tubería preferiblemente instalado en los techos aprovechando así las corrientes de aire más frío que se acumulan en esa capa. Si este sistema se combina con ventilación natural, el nivel de confort térmico debe mejorar. Algunos trabajos previos en este sentido informaron que la ventilación híbrida podría ahorrar hasta un 28 % de energía en condiciones cálidas y húmedas y hasta un 60-70 % en climas templados.

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Antonio Bula, director del departamento de Ingeniería Mecánica de Uninorte y uno de los coordinadores de EDISOST, enumera algunas de las ventajas de estos sistemas radiantes. Por un lado, está la menor molestia que le generan a los usuarios al no producir ruido, ni ocupar espacio, ni generar esas incómodas corrientes de aire directo. Otra ventaja que se les atribuye es que tienen la capacidad de proveer confort a mayores temperaturas comparados con los sistemas de acondicionamiento de aire convencional puesto que intervienen directamente sobre la temperatura media radiante en el interior del recinto, la cual tiene igual o mayor impacto en el confort térmico que la temperatura del aire. Una tercera ventaja es que el uso de agua reemplaza el uso de refrigerantes contaminantes. Pero no todo es color de rosa con estos sistemas. Entre las desventajas hay que mencionarla incapacidad para mantener constante la temperatura media del aire en el espacio interior y el eventual riesgo de condensación creando problemas de humedad.

Justamente en respuesta a esta debilidad hacia el 2018 surgió una tercera opción que también evaluó Albuja en su tesis: sistemas radiantes híbridos con membrana infrarroja-transparente. Estas membranas, que se instalarían en los techos bajo el sistema radiante, cumplen un papel esencial: evitar la condensación del agua en las superficies enfriadas, lo cual mejora la efectividad del sistema. Evaluaciones de esta tecnología en Singapur demostraron que era posible reducir la temperatura media radiante hasta 3.6 °C debajo del punto de rocío.

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El experimento ideal para resolver la pregunta sobre cuál de estos tres sistemas sería el mejor para los estudiantes de la escuela Santa Lucía sería instalar los tres sistemas en salones similares y comparar los resultados. Pero obviamente esto costaría un buen dinero y estaba por fuera de las opciones para Albuja, así que optó por simular las condiciones usando el software Energy Plus, ampliamente validado a nivel internacional para este tipo de estimaciones. Además, la tesis se desarrolló durante el aislamiento obligatorio asociado a la pandemia.

En el caso de los sistemas radiantes híbridos la simulación le mostró a

Albuja que no lograban cumplir el objetivo: solo lograban disminuir en 1% las horas de disconfort con respecto al caso de ventilación natural. Pero las buenas noticias llegaron por el lado del uso de membranas transparentes al infrarrojo que se acoplaban a los sistemas híbridos. La simulación mostró que por esa vía lograban reducir las horas de incomodidad anuales en un 3% en las aulas más críticas y un 6 % en las menos críticas comparadas con un sistema de enfriamiento radiante convencional. De esta forma, se comprobó que operando el sistema con una temperatura superficial hasta 5 °C por debajo del punto de rocío es posible mejorar la efectividad.

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Los resultados sugieren esta estrategia como una alternativa promisoria rentable con altas posibilidades de adaptación en edificios escolares rurales en climas cálidos y húmedos”, escribió Albuja en su trabajo que él mismo califica de “conservador”, porque existe evidencia mucho más promisoria en otros lugares que muestra que es posible disminuir hasta 18 °C la temperatura por debajo del punto de rocío.

“El éxito en la implementación de estos sistemas dependerá de la visibilidad y las inversiones del gobierno debido a los mayores costos que requieren experimentos a gran escala”, escribió Albuja junto a Blanca Foliaco, Antonio Bula y Arturo Gonzalez-Quiroga en un artículo publicado en la revista "International Journal of Thermofluids".
Albuja realizó un esfuerzo adicional en su tesis. Teniendo en cuenta que implementar un sistema híbrido requiere contar con alguna forma de enfriamiento de agua, evalúo diferentes alternativas para la escuela que ya cuenta con un tanque de almancenamiento de 114 m3. La más razonable según sus estimaciones sería añadir un tanque aislado con menor capacidad, en el cual se enfriará
el agua a 6 °C para ser mezclada posteriormente con el agua de salida del sistema radiante. Es decir, que se requeriría invertir en un enfriador de agua de 35.2 kW (10 t de refrigeración) operando de forma continua durante 19 horas.
¿Qué tan viable es esto económicamente? El análisis económico de los costos de capital y operativos del sistema que Albuja acopló a su tesis indican que, en el mediano plazo, a dos años, optar por el sistema híbrido, más la membrana y el sistema de enfriamiento resultaría más costo-efectivo que implementar un sistema de acondicionamiento de aire convencional.

“Cabe resaltar que este sistema de acondicionamiento de aire es capaz de proporcionar confort en todo momento, mientras que el sistema propuesto en este trabajo solo es capaz de mejorar el confort entre un 5-6%. No obstante, si se logra operar con temperaturas aún más bajas es de esperarse que estas mejoras sean mucho más altas. Si bien el sistema presenta una buena rentabilidad aún es susceptible a mejoras para mejorar su eficacia. De esta forma, aunque se incrementen los tiempos de retorno económico se mejoraría el atractivo comercial”, aclaró.

Más allá de las conclusiones de su propio trabajo, Albuja insiste en la importancia de seguir experimentando y explorando opciones efectivas y económicamente viables para solucionar el gran problema de confort que enfrentan los estudiantes a lo largo y ancho del Caribe colombiano.