eren - manual de climatizaciÓn solar.pdf

Upload: martatorre

Post on 14-Apr-2018

255 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    1/179

    IMPRIMIR NDICE

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    2/179

    IMPRIMIR NDICE

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    3/179

    IMPRIMIR NDICE

    Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema dealmacenamiento o transmitida en forma alguna ni por cualquier procedimien-to, ya sea elctrico, mecnico, reprogrfico, magntico o cualquier otro, sinautorizacin previa y por escrito del EREN.

    Energa Solar Trmica: Manual de Climatizacin Solar

    EDITA:JUNTA DE CASTILLA Y LEN - CONSEJERA DE ECONOMA Y EMPLEOENTE REGIONAL DE LA ENERGA DE CASTILLA Y LEN (EREN).

    COLABORACIN:CENIT SOLAR PROYECTOS E INSTALACIONES ENERGTICAS, S.L.

    DISEO E IMPRESIN:SORLES

    DEPSITO LEGAL:LE-1687-2007

    ISBN:978-84-9718-490-8

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    4/179

    IMPRIMIR NDICE

    Las actuaciones que desde la Consejera de Economa y Empleo se vienenrealizando en materia de Energas Renovables buscan el aprovechamiento derecursos propios, inagotables y sin ningn impacto ambiental, con el fin decontribuir, desde nuestra Comunidad Autnoma, al cumplimiento de los obje-tivos del protocolo de Kyoto, de la poltica energtica de la Unin Europea ydel Plan de Energas Renovables y, en resumen, al desarrollo sostenible.

    El sol en nuestra regin es ms que suficiente para, con los sistemas actuales,poder satisfacer con garanta las demandas de calor de un importante nme-

    ro de usuarios, de manera econmicamente ventajosa y promoviendo sucoparticipacin y corresponsabilidad en la utilizacin de una energa menoscontaminante.

    As, la posibilidad de refrigerar espacios mediante el concurso de mquinasde absorcin accionadas por energa solar trmica se erige como la aplica-cin ms novedosa de esta tecnologa y de enormes posibilidades de implan-tacin a corto plazo.

    De este modo, y siguiendo las recomendaciones del Plan Solar de Castilla yLen, esta publicacin complementa la necesidad de formacin tcnica de losprofesionales de nuestra regin, verdaderos motores del desarrollo del merca-do, con el consiguiente aumento de la actividad econmica y creacin deempleo que ello conlleva.

    A los proyectistas y empresas instaladoras se dirige este Manual deClimatizacin Solar, de modo que su especializacin satisfaga las expectati-vas de los usuarios, entendiendo que esta tecnologa es susceptible de apro-vechamiento por numerosos consumidores de energa trmica en Castilla yLen.

    TOMS VILLANUEVA RODRGUEZVicepresidente Segundo y Consejero de Economa y Empleo

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    5/179

    IMPRIMIR NDICE

    ndice

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    6/179

    NDICE 6

    IMPRIMIR NDICE

    Captulo 1:

    Introduccin a la climatizacin solar

    1.1. La energa solar.......................................................................... 111.2. La energa solar y la climatizacin............................................ 121.3. La refrigeracin solar................................................................. 141.4. En resumen ................................................................................ 15

    Captulo 2:

    Conceptos bsicos de climatizacin

    2.1. Introduccin ............................................................................... 18

    2.2. I.A.Q., Confort trmico y ventilacin........................................ 202.2.1. I.A.Q........................................................................... 202.2.2. Confort trmico .......................................................... 212.2.3. Ventilacin.................................................................. 27

    2.3. Condiciones exteriores............................................................... 302.4. Clculo de cargas trmicas ........................................................ 332.5. Ahorro energtico: Aumento o disminucin de la

    temperatura interior y aumento del gasto................................... 35

    Captulo 3:Sistemas de climatizacin3.1. Introduccin ............................................................................... 373.2. Lazo primario. Equipos de produccin de fro y calor.............. 39

    3.2.1. Produccin de fro...................................................... 39Ciclo de compresin mecnica de vapor ......................... 39Ciclo de absorcin: Mquina frigorfica de absorcin .... 41Ciclo de adsorcin: Mquina frigorfica de adsorcin .... 41

    3.2.2. Produccin de calor.................................................... 42Combustin en una caldera.............................................. 42Bomba de calor ................................................................ 45

    3.3. Lazo secundario. Sistemas de climatizacin ............................. 473.3.1. Sistemas de expansin directa.................................... 503.3.2. Sistemas todo-aire ...................................................... 513.3.3. Sistemas agua-aire...................................................... 523.3.4. Sistemas todo-agua..................................................... 53

    3.4. Unidades terminales................................................................... 53

    3.4.1. Radiadores.................................................................. 54

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    7/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR7

    IMPRIMIR NDICE

    3.4.2. Paneles radiantes ........................................................ 563.4.3. Fan-coils ..................................................................... 603.4.4. Aerotermos................................................................. 62

    3.5. Resumen. Eleccin del sistema de climatizacin...................... 63

    Captulo 4:

    Refrigeracin por absorcin4.1. Introduccin ............................................................................... 664.2. Mquina de absorcin................................................................ 67

    4.2.1. Ciclo de absorcin de simple efecto .......................... 704.2.2. Ciclo de absorcin de doble efecto............................ 724.2.3. Ciclo de efecto combinado......................................... 74

    4.2.4. Absorcin rotativa ...................................................... 764.3. Justificacin de la eleccin del sistema bromuro de litio-

    agua frente al agua-amoniaco .................................................... 784.4. Torres de refrigeracin y legionella........................................... 79

    4.4.1. Clasificacin de las torres de refrigeracin................ 79Torres de circulacin natural............................................ 79Torres de tiro mecnico.................................................... 81

    4.4.2. Legionella................................................................... 83

    Captulo 5:Descripcin, montaje y ubicacin de componentes yequipos de la instalacin de climatizacin solar5.1. Introduccin ............................................................................... 875.2. Sistema de captacin.................................................................. 88

    5.2.1. Captadores solares...................................................... 895.2.2. Estructura soporte....................................................... 99

    5.3. Elementos de acumulacin, intercambio y circulacin ............. 102

    5.3.1. Depsito de acumulacin........................................... 1025.3.2. Intercambiador de calor ............................................. 1055.3.3. Bombas circuladoras .................................................. 108

    5.4. Material hidrulico..................................................................... 1105.4.1. Vaso de expansin...................................................... 1105.4.2. Vlvulas...................................................................... 1125.4.3. Purgadores.................................................................. 1145.4.4. Tuberas...................................................................... 1155.4.5. Aislamiento ................................................................ 116

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    8/179

    NDICE 8

    IMPRIMIR NDICE

    5.5. Sistema de control...................................................................... 1185.5.1. Sondas de temperatura ............................................... 1185.5.2. Contador de energa ................................................... 1195.5.3. Centralita o PLC......................................................... 119

    5.6. Equipos de produccin de fro................................................... 1205.7. Unidades de tratamiento y unidades terminales ........................ 121

    Captulo 6:

    Instalaciones de climatizacin mediante energasolar trmica6.1. Introduccin ............................................................................... 1236.2. Tipologas de instalaciones de climatizacin

    mediante energa solar trmica ................................................. 1246.2.1. Instalacin para produccin de ACS, clima-

    tizacin de piscina descubierta y apoyoa la calefaccin........................................................... 124

    6.2.2. Instalacin para produccin de ACS, apoyo acalefaccin y produccin de fro en edificacionesde pequeo tamao..................................................... 126

    6.2.3. Instalacin para produccin de agua calientesanitaria, apoyo a calefaccin y produccin de fro

    en instalaciones de tamao medio.............................. 1276.2.4. Instalacin para produccin de agua caliente

    sanitaria, apoyo a calefaccin y produccin de froen instalaciones de gran tamao................................. 128

    6.3. Conexin de la instalacin solar al sistema convencional......... 1296.4. Ratios de dimensionado............................................................. 1306.5. Resumen..................................................................................... 131

    Captulo 7:

    Dimensionado de sistemas de climatizacinmediante energa solar trmica7.1. Introduccin ............................................................................... 1347.2. Estimacin de la demanda de invierno ..................................... 1357.3. Clculo de la demanda en verano ............................................. 1367.4. Dimensionado de la superficie de captacin y clculo

    de la fraccin solar aportada ..................................................... 1387.5. Dimensionado de la torre de refrigeracin ............................... 143

    7.6. Resumen .................................................................................... 146

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    9/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR9

    IMPRIMIR NDICE

    Captulo 8:

    Regulacin y control de las instalacionesde climatizacin solar

    8.1. Introduccin ............................................................................... 1488.2. Elementos que componen el sistema de regulacin y control... 149

    8.2.1. Subsistema de entrada................................................ 1498.2.2. Subsistema centralita/PLC ......................................... 1528.2.3. Subsistema de salidas o actuadores............................ 152

    8.3. Regulacin de instalaciones de energa solar trmica .............. 1538.4. Regulacin del equipo de absorcin ......................................... 1558.5. Regulacin de las unidades terminales ..................................... 156

    Captulo 9:Puesta en marcha y mantenimiento de las instalacionesde climatizacin solar9.1. Introduccin ............................................................................... 1599.2. Puesta en marcha ....................................................................... 159

    9.2.1. Limpieza de redes de distribucin ............................. 1609.2.2. Comprobaciones de la ejecucin ............................... 1609.2.3. Pruebas ....................................................................... 160

    9.2.4. Consideraciones sobre la mquina de absorcin ....... 1629.2.5. Llenado de la instalacin ........................................... 163

    9.3. Mantenimiento .......................................................................... 1649.3.1. Mquina de absorcin ................................................ 1659.3.2. Mantenimiento antilegionella..................................... 166

    Captulo 10:

    Terminologa ................................................................................ 168

    Anexo 1:

    Datos climticos1.1. Datos UNE-100001:2001 .......................................................... 1751.2. Datos de capitales de Castilla y Len........................................ 178

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    10/179

    IMPRIMIR NDICE

    1

    Introduccin a la

    climatizacin solar

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    11/179

    INTRODUCCIN A LA CLIMATIZACIN SOLAR 11

    IMPRIMIR NDICE

    Introduccin ala climatizacin solar1

    1.1. La energa solar

    El sol nos regala su energa en forma de luz y calor. Hoy en da, los sistemas solares tr-micos son una tecnologa plenamente establecida y comercializada, eficiente y no conta-

    minante que, permite utilizar el sol para calentar nuestras casas y negocios reduciendo losconsumos energticos para la produccin de agua caliente sanitaria, la calefaccin, elcalentamiento de piscinas y la climatizacin.

    Su utilizacin se justifica no slo en el ahorro energtico y la rentabilidad del usuario,sino que adems contribuye a la mejora de la calidad del aire de las ciudades, de la ren-tabilidad macroeconmica por el uso de recursos propios, la generacin de riqueza inter-na y creacin de empleos y la reduccin de la dependencia energtica externa.

    Ventajas todas ellas que, en un pas como el nuestro, precisan de ser aprovechadas almximo, como as lo corrobora el cambio normativo que ha supuesto la entrada en vigordel Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE).

    Dicho Cdigo Tcnico de la Edificacin, RD 314/2006 de 27 de Marzo, establece en suDocumento Bsico HE, Ahorro de Energa, las siguientes exigencias bsicas para los edi-ficios de nueva construccin y sus rehabilitaciones:

    HE 1: Limitacin de demanda energtica. Los edificios dispondrn de una envol-vente de caractersticas tales que limite adecuadamente la demanda energtica nece-saria para alcanzar el bienestar trmico en funcin del clima de la localidad, del usodel edificio y del rgimen de verano y de invierno, as como por sus caractersticasde aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposicin a la radiacin solar,reduciendo el riesgo de aparicin de humedades de condensacin superficiales eintersticiales que puedan perjudicar sus caractersticas y tratando adecuadamente lospuentes trmicos para limitar las prdidas o ganancias de calor y evitar problemashigrotrmicos en los mismos.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    12/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR12

    IMPRIMIR NDICE

    HE 2: Rendimiento de las instalaciones trmicas. Los edificios dispondrn de ins-talaciones trmicas apropiadas destinadas a proporcionar el bienestar trmico de susocupantes, regulando el rendimiento de las mismas y de sus equipos. Esta exigencia

    se desarrolla actualmente en el vigente Reglamento de Instalaciones Trmicas en losEdificios (RITE) y su aplicacin quedar definida en elproyecto del edificio.

    HE 4: Contribucin solar mnima de agua caliente sanitaria. En los edificios conprevisin de demanda de agua caliente sanitaria o de climatizacin de piscinacubierta, en los que as se establezca en este CTE, una parte de las necesidades ener-gticas trmicas derivadas de esa demanda se cubrir mediante la incorporacin enlos mismos de sistemas de captacin, almacenamiento y utilizacin de energasolar de baja temperatura, adecuada a la radiacin solar global de su emplazamien-

    to y a la demanda de agua caliente del edificio. Los valores derivados de esta exi-gencia bsica tendrn la consideracin de mnimos, sin perjuicio de valores que pue-dan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a lasostenibilidad, atendiendo a las caractersticas propias de su localizacin y mbitoterritorial.

    Por tanto, el CTE establece unos valores mnimos de energa destinada a la produccin

    del agua caliente sanitaria (ACS) y calentamiento de piscinas cubiertas que deben serproporcionadas mediante instalaciones solares trmicas.

    1.2. La energa solar y la climatizacin

    A la vista del CTE, se deduce que la produccin de ACS y el calentamiento de piscinascon energa solar trmica no ofrece duda alguna en cuanto a su funcionamiento y presta-ciones.

    Sin embargo, hoy da la demanda de climatizacin (calefaccin y aire acondicionado) se

    est erigiendo, como consecuencia de las cargas internas y el aumento de las temperatu-ras, en el foco de consumo energtico ms significativo de un edificio.

    De esta manera, parece obligada la ampliacin de la tecnologa solar a la produccin deestas demandas energticas.

    El problema resida en que para proporcionar calefaccin se deban instalar un mayornmero de captadores solares que para el ACS, cuya produccin energtica en los mesesestivales no encontraba destino. Ello conllevaba un aumento de la temperatura de los cap-tadores y, por tanto, una disminucin de su vida til.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    13/179

    INTRODUCCIN A LA CLIMATIZACIN SOLAR 13

    IMPRIMIR NDICE

    1200

    1000

    800

    600

    400

    200

    0

    140

    120

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    Enero

    Febre

    roAbril

    Marz

    oM

    ayo

    Junio

    Septiemb

    reJulio

    Agosto

    Octub

    re

    Novie

    mbre

    Diciemb

    re

    Radiacinsolar(W/m2)

    Demandadecalor(k

    W)

    Figura 1.1: Curva de demanda energtica de calefaccin y radiacin solar

    1200

    1000

    800

    600

    400

    200

    0

    180

    160

    140

    120

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    Enero

    Febre

    roAbril

    Marz

    oM

    ayo

    Junio

    Septi

    embreJu

    lio

    Agosto

    Octub

    re

    Novie

    mbre

    Diciemb

    re

    Radiacinsolar(W/m2)

    Demandadepiscina(kW)

    Figura 1.2: Curva de demanda energtica de calentamiento de piscina descubierta y radiacin solar

    La solucin estribaba en encontrar una aplicacin que absorbiese ese calor solar produci-do y no deseado y que nicamente demandase energa en esos meses: las piscinas al airelibre.

    Sin embargo, no todo edificio contaba con dicha aplicacin, erigindose la refrigeracin

    solar como la aplicacin con ms futuro para resolver el excedente estival de las instala-ciones solares de calefaccin y agua caliente sanitaria, desplazando de este modo a lasolucin clsica de la piscina descubierta.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    14/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR14

    IMPRIMIR NDICE

    1200

    1000

    800

    600

    400

    200

    0

    140

    120

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    Enero

    Febre

    roAbril

    Marz

    oMa

    yoJunio

    Septiemb

    reJulio

    Agosto

    Octub

    re

    N

    oviem

    bre

    Diciemb

    re

    Radiacinsolar(W

    /m2)

    Demandadecalor(

    kW)

    Figura 1.3: Curva de demanda energtica de fro y radiacin solar

    As, en la actualidad la energa solar ya permite abastecer no solo las demandas de calorde un edificio, como la produccin de agua caliente sanitaria o la calefaccin, sino tam-

    bin la refrigeracin mediante el empleo de equipos de absorcin.

    De este modo una instalacin solar dimensionada para cubrir la demanda de calefaccin

    durante el invierno puede funcionar en verano para abastecer las necesidades de refrige-racin, con las siguientes ventajas aadidas:

    Coincidencia entre la temporada de mxima captacin solar y la mxima demandaen refrigeracin.

    Diversificacin de recursos energticos: reduccin de la dependencia con las com-paas elctricas o de combustibles fsiles para el suministro a los equipos de clima-tizacin.

    Disponibilidad de una fuente energtica inagotable, gratuita y respetuosa con el

    medioambiente.

    Instalacin que, proporcionando tambin las necesidades de produccin del ACS, cum-plira holgadamente con las exigencias marcadas por el CTE.

    1.3. La refrigeracin solar

    La aparicin en el mercado de sistemas de refrigeracin solarbasados en la tecnologade bromuro de litio-agua en los aos setenta, produjo un inters internacional dado elcoste de la energa provocado por el embargo petrolero y la posibilidad de contar con sis-

    temas que operaran con energas renovables como la energa solar. Varios sistemas apa-

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    15/179

    INTRODUCCIN A LA CLIMATIZACIN SOLAR 15

    IMPRIMIR NDICE

    recieron por compaas como Carrier, Arkla, York y empresas Japonesas como Yazaki.El desarrollo se vio interrumpido por la falta de factibilidad econmica, al regresar losprecios del petrleo a niveles normales o inferiores. La tecnologa solar, aunque tenavarios aos de desarrollo, no contaba an con ciertos avances tecnolgicos que han per-

    mitido en la actualidad la reduccin de costes y el aumento de eficiencia.Recientemente han surgido nuevas propuestas de sistemas de refrigeracin solar porabsorcin basados en tecnologas de captadores solares ms avanzados y en sistemas deabsorcin con mayor eficiencia.

    Sin embargo, es todava prematuro pensar en que se tiene ya una tecnologa madura y conviabilidad econmica. Es importante mencionar el enorme desarrollo que esta tecnologaha experimentado en China en los ltimos aos, lo que permite vislumbrar un avanceimportante en la implantacin de esta tecnologa en el mercado de la refrigeracin solar.

    Actualmente se estn llevando a cabo amplias investigaciones con objeto de aumentar elrendimiento de los equipos alimentados por energa solar trmica de baja temperatura, ascomo para obtencin de potencias y tamaos adaptados a la edificacin residencial.

    1.4. En resumen

    El empleo de tecnologa solar trmica minimiza el aporte energtico convencional nece-sario para producir fro, empleando sistemas desarrollados para convertir el calor solar enfro.

    La refrigeracin solar hace que sea viable realizar instalaciones de calefaccin y aguacaliente sanitaria mediante sistemas de energa solar trmica, destinando el excedenteenergtico estival, tradicionalmente empleado para la climatizacin de piscinas al airelibre, a la produccin de fro.

    Adems y desde el punto de vista medioambiental, las ventajas de la produccin de frocon la tecnologa de absorcin son varias:

    Reduccin del consumo elctrico necesario para la produccin de fro. Las mqui-nas de absorcin presentan un consumo elctrico entre un 5% y un 10% del consu-

    mo de los sistemas convencionales. Esto implica una reduccin de las emisionescontaminantes de aproximadamente 1.026 kg de CO2 por kWh-elctrico no consu-mido1.

    1 Dato recogido del Boletn informativo de la Agencia de Gestin de la Energa de la Regin de Murcia de enerode 2005.

    Se estima una emisin de 0,35 Kg de CO2 por KWh de energa elctrica consumida. Dato obtenido del Manualde Procedimiento para la realizacin de auditorias energticas en edificios de la Junta de Castilla y Len.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    16/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR16

    IMPRIMIR NDICE

    El rendimiento de las mquinas de absorcin, comparado con el de las de compre-sin mecnica, no desciende mucho con la carga (reducciones de hasta el 20% de lacarga suponen disminuciones proporcionales del consumo de energa).

    Los fluidos refrigerantes que utilizan no son CFC, sino refrigerantes naturales y, portanto, no suponen un riesgo para la capa de ozono.

    Son equipos silenciosos y estn exentos de vibraciones.

    Si bien siempre seguir siendo una instalacin de energa solar, esto es, instalacin quedebe guiarse por los siguientes principios bsicos:

    El sistema solar debe ser un elemento ms de las instalaciones trmicas convencio-nales de los edificios y, en ese sentido, se debe disear y acoplar adecuadamente conel resto de los equipos de confort trmico, buscando soluciones globales de ahorro

    energtico y proteccin del medio ambiente. El sistema solar debe integrarse armnicamente con las soluciones arquitectnicas

    adoptadas en el edificio, de tal forma que se reduzca al mnimo el impacto visualgenerado por el mismo, permitiendo a sus propietarios, adems de beneficiarse delahorro energtico, su contribucin a la proteccin del medio ambiente sin contra-prestacin alguna.

    El correcto mantenimiento de la instalacin es crucial para garantizar su adecuadofuncionamiento durante toda su vida til, manteniendo el rendimiento inicial y, con-secuentemente, el ahorro generado y la reduccin de emisiones contaminantes aso-ciadas.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    17/179

    IMPRIMIR NDICE

    2Conceptos bsicosde climatizacin

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    18/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 18

    IMPRIMIR NDICE

    Conceptos bsicosde climatizacin2

    2.1. Introduccin

    El principal propsito de la calefaccin, ventilacin y de la refrigeracin en edificios,tanto pblicos como privados, es conseguir las condiciones de confort trmico para las

    personas. La percepcin del ambiente trmico no depende nicamente de los parmetrosambientales, sino que es un fenmeno que incluye muchos ms factores del entorno inte-rior y exterior, del sujeto que percibe estos parmetros e incluso de los factores cultura-les y sociales del mismo.

    As, al intentar crear en el interior de espacios pblicos condiciones higrotrmicas satis-factorias, se ha empezado por estudiar qu factores influyen en su sensacin de bienestary qu condiciones debera reunir el ambiente para que una persona se sintiese cmodadesde el punto de vista del confort trmico.

    A diferencia de la calefaccin y refrigeracin, la climatizacin exige, de acuerdo con laNormativa vigente, el control de los parmetros de temperatura resultante seca, humedadrelativa, velocidad del aire y niveles de ventilacin, ruido y filtrado.

    Tabla 2.1: Control de variables ambientales

    Calefaccin

    RefrigeracinAcondicionamientode aireo climatizacin

    Temperatura HumedadVelocidaddel aire

    Ventilacin

    Calidad del aireinterior

    (Pureza qumi-ca y biolgica)

    Si

    Si

    Si Si Si Si Si

    As, si un recinto se abandona a s mismo, sus condiciones de temperatura y humedadrelativa, se modificarn espontneamente. Aquellos factores que alteran la temperatura

    y/o humedad relativa del local, se denominan genricamente cargas trmicas o abreviada-mente cargas.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    19/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR19

    IMPRIMIR NDICE

    Algunos de esos factores slo perturban la temperatura seca y se denominan cargas sen-sibles, mientras que otros slo afectan a la humedad relativa y se llaman cargas latentes.

    Cualquier carga trmica se expresa en Kilocaloras/hora (o Frigoras/hora) o kW, consti-tuyendo la carga total, que es una medida de la perturbacin que pueden experimentartanto la temperatura seca como la humedad del recinto, la suma de las cargas sensibles ylatentes.

    La radiacin solar introduce en el recinto una carga trmica de carcter sensible porquetiende a modificar la temperatura del local. Lo mismo sucede con la iluminacin.

    A su vez el propio ocupante es origen de una carga, en parte sensible y en parte latente;la porcin sensible est representada por el calor que el organismo del individuo inter-cambia con el local, mientras que la carga latente viene dada por la humedad aportada porla transpiracin y respiracin.

    Si se mide la temperatura y la humedad relativa de un recinto y estos estn fuera de lasespecificaciones de la instalacin, significa que esos nuevos valores determinan un micro-clima no confortable. Para restituir la temperatura y la humedad a sus valores de consig-na se han de combatir las cargas trmicas, es decir, anular sus efectos.

    ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE

    Y MEDIO AMBIENTE

    AUMENTO DEL ESTADO

    DEL BIENESTAR

    CONSERVANDO EL

    MEDIO AMBIENTE

    Incremento de la Demanda

    de Sistemas de Climatizacin

    Aumento de la Calidad

    Ambiente (I.A.Q.)

    Proteccin Ambiental Exterior:

    Mejor eficiencia energtica (reduccin CO2)

    Cambio de nuevos refrigerantes (HFC)

    Prevencin y control de la legionella

    Figura 2.1: Hitos que ha de perseguir la climatizacin

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    20/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 20

    IMPRIMIR NDICE

    Los tres ejes principales que rigen la evolucin de la climatizacin son:

    La calidad del aire interior (I.A.Q.),

    El consumo energtico y

    El impacto medioambiental.

    2.2. I.A.Q., Confort trmico y Ventilacin

    2.2.1. I.A.Q.

    La Calidad del Aire Interior (IAQ) puede ser definida como la naturaleza del aire queafecta la salud y el bienestar de los ocupantes de dicho espacio interior. Esta definicin

    incorpora el concepto de salud, que segn la Organizacin Mundial de la Salud (OMS):La salud es un estado de completo bienestar fsico, mental y social, y no slo la mera

    ausencia de enfermedad. Las quejas sobre la pobre calidad del aire son cada vez msfrecuentes, y no es difcil or protestas entre el personal o los usuarios de oficinas, hospi-tales, restaurantes, etc. Segn Fanger, (1995) la IAQ es el nivel a partir del cual sealcanzan las exigencias de las personas en cuanto a su satisfaccin personal. La calidad

    Figura 2.2: Factores de Calidad de Aire Interior

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    21/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR21

    IMPRIMIR NDICE

    del aire es alta si la gran mayora de las personas estn satisfechas y el riesgo sanitario

    es despreciable. Cuando la IAQ no es la adecuada, puede dar origen a la aparicin demultitud de problemas de salud y de malestar a los ocupantes de dicho espacio y, portanto, a la aparicin del sndrome del edificio enfermo.

    Desde un punto de vista general, la Calidad del Ambiente Interior trata de los factoresde Calidad del Aire Interior, que son, a su vez la contaminacin qumica y biolgica, ade-ms del ambiente trmico, incluyendo factores fsicos como la iluminacin y el ruido.

    2.2.2. Confort trmico

    El inters por la valoracin del nivel de confort trmico nace como una consecuencia dela aparicin de las tcnicas de acondicionamiento de aire, cuyo fin es lograr que las per-sonas se sientan confortables, siendo necesarios mtodos que permitan evaluar en qu

    medida se alcanza este objetivo.El bienestar o confort trmico se define como la condicin de la mente que expresa lasatisfaccin del individuo con el ambiente trmico.

    El objetivo de los sistemas de climatizacin, en este sentido es lograr alcanzar unas con-diciones del ambiente trmico tales que el desequilibrio trmico2 experimentado por elindividuo sea nulo.

    Una instalacin de climatizacin, por bien proyectada y ejecutada que est, jams podralcanzar la satisfaccin de todos sus ocupantes, en cualquiera de los aspectos antes men-

    cionados. El PPI3 nunca podr ser nulo; valores entre el 5% (valor mnimo alcanzable) yel 20% de insatisfechos se alcanzan slo con instalaciones de alta calidad.

    Figura 2.3: Definicin de zona ocupada

    2

    Desequilibrio trmico: diferencia entre la produccin interior de calor y las prdidas de calor hacia el ambiente3 PPI: Porcentaje de Personas Insatisfechas

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    22/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 22

    IMPRIMIR NDICE

    Fuera de la zona de ocupacin los criterios de bienestar no pueden garantizarse. Adems,el mantenimiento de criterios de bienestar fuera de la zona ocupada conduce al despilfa-rro de energa en casi todas las circunstancias.

    Los parmetros que regulan los intercambios trmicos entre el cuerpo humano y elambiente son los siguientes:

    Del ambiente:

    Temperatura seca del aire.

    Un parmetro del aire que permita definir un punto sobre el diagrama del airehmedo (temperatura hmeda, temperatura del punto de roco, presin parcial delvapor de agua, humedad relativa o humedad especfica).

    Velocidad relativa del aire.

    Temperatura radiante media de los cerramientos.

    Los dos primeros parmetros determinan la posicin de un punto sobre el diagramade aire hmedo.

    Normalmente se va a emplear la humedad relativa para definir las condiciones inte-riores y la temperatura hmeda para definir las condiciones exteriores.

    La temperatura radiante media es un parmetro fundamental en la estimacin y per-cepcin del nivel de calidad del ambiente trmico. Esta temperatura se define como

    la temperatura uniforme de los cerramientos de un recinto en el cual la transferen-cia de calor radiante desde o hacia el cuerpo humano es igual a la que tiene lugar,de manera en general no uniforme, hacia o desde los cerramientos del recinto actual.

    Del cuerpo humano:

    Calor generado, diferencia entre la actividad metablica y el trabajo generado.

    Temperatura y superficie de la piel.

    Humedad de la piel debida a la difusin de agua desde los tejidos interiores.

    Porcentaje de superficie de piel mojado por el sudor.

    De la vestimenta:

    Resistencia trmica.

    Resistencia al paso de vapor de agua.

    Temperatura superficial.

    Factor de aumento de la superficie del cuerpo desnudo.

    Emisividad de la superficie exterior.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    23/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR23

    IMPRIMIR NDICE

    ndices ambientales

    Para condiciones cercanas al bienestar trmico, a la neutralidad trmica, es importanteconocer las definiciones de los ndices ambientales. Estos ndices simplifican la defini-cin del ambiente trmico al combinar en un solo valor dos o ms parmetros, como tem-peratura seca, temperatura radiante media, humedad o velocidad del aire.

    Temperatura operativa, to:

    La temperatura operativa est relacionada con las prdidas (o ganancias) de calorsensible del cuerpo hacia el ambiente y se expresa con la siguiente ecuacin

    to =hc ta + hr tr

    hr + hc

    La temperatura operativa es igual a la media de la temperatura media de los cerra-mientos del local tr y la temperatura seca del aire ta, ambas ponderadas segn losrespectivos coeficientes de transferencia de calor hr y hc.

    Donde:

    h, representa los coeficientes de transferencia trmica superficial, evaluados ala superficie de la vestimenta, con subndices r para las magnitudes respectivas aradiacin y subndice c para las magnitudes convectivas.

    El coeficiente hres casi constante para condiciones normales de temperatura enambientes interiores y su valor es aproximadamente 4,7 W/(m2K).

    El coeficiente hc vara entre 3 y 6 W/(m2K) dependiendo, sobre todo, del movi-miento del aire. Si se considera un valor medio de 4,5 W/(m2K) resulta, que alser muy prximos los valores de los coeficientes, la temperatura operativa es casila media aritmtica entre la temperatura seca del aire y la temperatura radiantemedia.

    Temperatura eficaz o efectiva, te:

    La temperatura eficaz tiene tambin en consideracin las prdidas de calor latente yest definida por la siguiente ecuacin

    te = to + c [p (ta) - 0.5 ps(te)]

    Donde:

    c es igual al producto de la fraccin de piel mojada por la eficiencia de perme-

    abilidad al paso de vapor de la vestimenta y la capa de aire cerca de la piel y por

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    24/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 24

    IMPRIMIR NDICE

    la relacin de Lewis entre los dos coeficientes de transferencia de calor evapora-tivo y convectivo.

    p (ta) es la presin del vapor de agua a la temperatura del aire del ambiente (en

    kPa). ps(te) es la presin parcial del vapor a saturacin (en kPa) a la temperatura efec-tiva.

    La temperatura eficaz es la temperatura de un ambiente con el 50% de humedadrelativa que provoca las mismas prdidas de calor del cuerpo de una persona que ellocal actual.

    El valor del ndice te depende del porcentaje de superficie de piel mojada y de la per-meabilidad de la vestimenta. Si el porcentaje de piel mojada es pequeo, la hume-

    dad del aire tiene poca importancia. sta es la condicin que se da en locales acon-dicionados, cuando sus condiciones estn prximas a las de neutralidad trmica. Poresta razn es mejor emplear el ndice temperatura operativa al ndice temperaturaeficaz (o efectiva).

    En la Figura 2-4, se representan las zonas de bienestar segn la norma ANSI-ASHRAEEstndar 55-92 en trminos de temperatura efectiva. Estn elaboradas considerando acti-vidad sedentaria (

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    25/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR25

    IMPRIMIR NDICE

    Verano:

    A 18 C de TBH la temperatura operativa est comprendida en el intervalo de 22,5a 26 C.

    A 2 C de TR la temperatura operativa se encuentra en el intervalo de 23,5 a 27 C.Se observa la amplitud de las zonas de bienestar, sobre todo en lo que se refiere a hume-dad relativa. Su valor afecta poco al bienestar de las personas, dentro de unos lmites yen las proximidades de la neutralidad trmica. Esto se confirma por la pequea pendien-te de las rectas que representan la temperatura efectiva.

    Sin embargo, basndonos en consideraciones sanitarias relativas a irritacin de las muco-sas, sequedad de la piel, crecimiento de microorganismos y otros fenmenos relaciona-dos con la humedad, los lmites de la humedad relativa deben estar comprendidos entre

    el 40% y el 60%, con unas tolerancias para la humedad relativa de 15%.

    Figura 2.4: Zonas de bienestar

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    26/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 26

    IMPRIMIR NDICE

    La variacin de temperaturas en el espacio y en el tiempo debe ser tal que su valor estsiempre dentro de la zona de bienestar correspondiente:

    Si la perturbacin de temperatura es peridica, con perodo inferior a 15 minutos, ysu amplitud mayor que 1 C la variacin en el tiempo no debe ser superior a 2 C/h.

    Si la perturbacin no es cclica, la variacin, no deber ser superior a 0,5 C/h.

    La no uniformidad de temperaturas es menos importante para personas con elevado nivelde actividad que para personas con actividad sedentaria. Esto puede extrapolarse paraotros parmetros del ambiente, como por ejemplo la velocidad de aire.

    La neutralidad trmica no es la nica condicin a satisfacer para obtener el bienestar. Unapersona puede sentir satisfaccin trmica para el cuerpo en su conjunto, pero puede noestar cmodo si en alguna parte de su cuerpo siente fro o calor.

    Las causas de malestar trmico local son cuatro:

    Asimetra de la temperatura radiante

    La radiacin asimtrica desde superficies calientes o fras, creadas por elevadosniveles de iluminacin, grandes superficies acristaladas o por radiacin solar direc-ta, puede reducir la aceptabilidad trmica del espacio.

    Corrientes de aire

    Las corrientes de aire, son probablemente, la causa del mayor nmero de quejas de

    las instalaciones de acondicionamiento de aire.Las corrientes de aire causan un enfriamiento local del cuerpo que depende de lavelocidad media, intensidad de la turbulencia y temperatura del mismo aire. La sen-sibilidad a las corrientes es mxima cuando las partes del cuerpo directamenteexpuestas son la nuca y los tobillos.

    Las velocidades medias del aire en la zona ocupada indicadas en la Tabla 2-26 paralos regmenes de refrigeracin y calefaccin deben considerarse un poco elevadas,siendo ms apropiados valores de unos 0,05 m/s inferiores.

    6 Tabla obtenida del Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios (RITE) en su ITE 02.

    Tabla 2.2: Condiciones interiores de diseo que deben mantenerse dentro de la zona ocupada.Valores impuestos por el RITE

    Verano

    Invierno

    Temperaturaoperativa C

    Velocidad mediadel aire m/s

    Humedad relativa %

    23 a 25

    20 a 23

    0.18 a 0.24

    0.15 a 0.20

    40 a 60

    40 a 60

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    27/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR27

    IMPRIMIR NDICE

    Diferencia vertical de temperatura

    Generalmente, la temperatura del aire en un espacio cerrado crece desde el suelohasta el techo, sobre todo cuando se trata de sistemas de difusin por desplazamien-to que se estudian limitando, precisamente, este parmetro.

    Se ha demostrado que el fenmeno inverso, cabeza fra y pies calientes, no es crti-co para los ocupantes.

    Suelo fro o caliente

    Para minimizar el malestar causado por los pies fros o calientes, la temperatura delsuelo debe estar comprendida entre 19 y 29 C. Entre estos valores, el porcentaje deinsatisfechos no ser superior al 10%.

    Sin embargo, el nmero de personas insatisfechas, un 5%, se obtendr manteniendo

    el suelo entre 24 y 25 C para personas sentadas y 23 C para personas de pie oandando.

    No pueden ser consideradas como zonas ocupadas los lugares en los que puedan darseimportantes variaciones de temperatura con respecto a la media y pueda haber presen-cia de corrientes de aire, como son las siguientes:

    zonas de trnsito.

    zonas prximas a puertas de uso frecuente.

    zonas prximas a cualquier tipo de unidad terminal que impulse aire.

    zonas prximas a aparatos con fuerte produccin de calor.

    2.2.3. Ventilacin

    Ventilar es cambiar, renovar, extraer el aire interior de un recinto y sustituirlo por aire

    nuevo del exterior a fin de evitar su enrarecimiento, eliminado el calor, el polvo, el vapor,

    los olores y cuanto elemento perjudicial o impurezas contenga el aire ambiental encerra-do dentro del local. De no llevarse a cabo esta renovacin, la respiracin de los seres vivosque ocupan el local se hara dificultosa y molesta, siendo un obstculo para la actividadnormal que se desarrolla dentro del habitculo. Por tanto una correcta ventilacin es muyimportante en lo referente a instalaciones de refrigeracin.

    El movimiento de aire proporcionado por la ventilacin puede proporcionar sensaciones

    agradables de frescor cuando las condiciones del ambiente sean calurosas, pero puede tam-

    bin incrementar el riesgo de tener unas condiciones demasiado fras, que pongan en peligro

    la salud de los ocupantes. As, el movimiento del aire puede ser percibido por los ocupantes

    como proveedor de frescor y bienestar, pero tambin puede ser percibido como molesto.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    28/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 28

    IMPRIMIR NDICE

    Las posibles tcnicas de regulacin son:

    La ventilacin natural.

    La ventilacin mecnica.

    Teniendo en cuenta una mayor capacidad de renovacin del aire, la ventilacin mecnicase ha desarrollado poco a poco en detrimento de la ventilacin natural. Este desarrolloest representado por:

    La ventilacin mecnica controlada, con extraccin de aire, que presenta una granestabilidad de caudal, gracias a las bocas de entrada y salida de aire autorregulables.

    La ventilacin mecnica modulable, higroregulable en la actualidad, cuyos caudalesextrados varan con la humedad relativa. Permite una reduccin de los caudales y,con ello, las prdidas.

    La ventilacin mecnica controlada de doble flujo con recuperacin de calor, tcni-ca interesante para reducir las prdidas energticas en los edificios, con impulsin yextraccin mecnica.

    En respuesta a esta preocupacin por el movimiento del aire, el confort, la calidad del airey las necesidades de ventilacin, se ha establecido la correspondiente normativa en elRITE (Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios) con sus instrucciones tc-nicas complementarias.

    La norma ANSI/ASHRAE 62R-1989, nos dice que la ventilacin es el proceso de sumi-

    nistrar y retirar aire por medios naturales o mecnicos desde/hacia cualquier espacio.Dicho aire puede o no ser acondicionado.

    Existen una serie de propiedades que nos van a servir para caracterizar la ventilacin,como pueden ser:

    Renovaciones o cambios de aire

    La cantidad de aire necesaria para efectuar una ventilacin puede depender demuchos factores, entre los cuales podemos citar:

    Dimensiones y caractersticas del local

    Actividad a que est destinado.

    Calor a disipar o carga trmica.

    Granulometra de los slidos a transportar.

    Podemos definir la renovacin de aire de un local, como la cantidad de aire necesa-ria para renovar por completo de aire el volumen que ocupa dicho local. En otraspalabras, tendremos que calcular el volumen del local multiplicando el valor de lastres magnitudes que lo definen: ancho, largo y alto. Dicho volumen de aire corres-ponde al de una renovacin de aire del local.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    29/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR29

    IMPRIMIR NDICE

    El RITE, en su ITE 02.2.2 (Calidad del aire interior y ventilacin) indica que, parael mantenimiento de una calidad aceptable del aire en los locales ocupados, se con-siderarn los criterios de ventilacin indicados en la norma UNE 100011 en funcindel tipo de local y del nivel de contaminacin de los ambientes, en particular la pre-

    sencia o ausencia de fumadores. Trabajemos con el local que trabajemos, las reno-vaciones de aire deben ser de al menos de una a la hora.

    La ventilacin mecnica se adoptar en todo tipo de sistemas de climatizacin sien-do recomendable tambin para los dems sistemas a implantar en locales atempera-dos trmicamente.

    El aire exterior ser siempre filtrado y tratado trmicamente antes de su introduccinen los locales.

    El anlisis de las caractersticas fsicas del aire del entorno del edificio determinar

    los tratamientos a que ha de someterse antes de su introduccin en los locales. Sugrado de contaminacin afectar a la seleccin del sistema de filtrado a emplear ysu entalpa a la posible utilizacin como fuente de energa gratuita.

    La posible existencia de diversas calidades de aire, tanto trmicas como contaminan-tes, en el entorno del edificio hace necesaria la correcta ubicacin de las tomas deaire exterior, teniendo en cuenta los vientos dominantes y las zonas de aire con cali-dad diferenciada por insolacin o contaminacin.

    Caudal de aire

    El caudal de aire es otra de las variables que podemos usar para caracterizar la ven-tilacin. En este caso definimos el caudal como:

    Q = v A

    donde:

    v es la velocidad del aire

    A es la seccin del conducto.

    En el Cdigo Tcnico de la Edificacin, Documento Bsico HS3: Calidad del aireinterior, se definen los caudales en los locales de las viviendas destinados a variosusos, debiendo considerarse el caudal correspondiente al uso para el que resulte uncaudal mayor.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    30/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 30

    IMPRIMIR NDICE

    Tabla 2.3: Caudales de ventilacin mnimos exigidos

    2.3. Condiciones exteriores

    Las condiciones exteriores de diseo en la mayora de las instalaciones de climatizacincoinciden con las condiciones climatolgicas, las cuales, en un instante determinado,varan de unas localidades a otras de acuerdo con su longitud, latitud y altitud, y, parauna localidad determinada, con el tiempo, debido a la diaria sucesin de das y noches, alos cambios estacionarios y por ltimo a las circunstancias meteorolgicas del instante

    considerado.Si se promedian a lo largo de un perodo de varios aos (al menos cinco y preferiblemen-te diez o ms) los valores de la temperatura del aire observados en una localidad determi-nada en un mismo momento del ao, se elimina la influencia de los factores meteorol-gicos y se obtiene un valor tpico para ese momento del ao que resulta caracterstico delclima de la localidad considerada. A partir de este momento se har referencia a estosvalores tpicos promedio.

    Las condiciones exteriores de diseo estn formadas por el conjunto de datos referidos al

    viento, a la humedad, a la temperatura y a la radiacin solar.Las condiciones del ambiente exterior afectan a la capacidad del sistema de climatizacinpara mantener las condiciones interiores requeridas y son por consiguiente un dato de par-tida imprescindible en el diseo de instalaciones de climatizacin. Las condiciones exte-riores de diseo se determinan normalmente atendiendo a un anlisis estadstico de lascondiciones exteriores histricas obtenidas durante un cierto nmero de aos.

    Las condiciones exteriores de diseo difieren para invierno y para verano. En verano sedebern tener en cuenta las condiciones de temperatura seca y humedad, as como laradiacin solar. Por el contrario en invierno se asume la ausencia de radiacin solar, yaque constituye el caso ms desfavorable.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    31/179

    Con respecto al valor que debe considerarse como temperatura exterior, el RITE indicaque:

    Como valores de las condiciones externas se citan las referenciadas en la Norma UNE100-021:2001 Climatizacin. Condiciones climticas para proyectos.

    Definiciones

    Temperatura seca: Temperatura indicada por un termmetro cuyo elemento sensi-ble est protegido contra la radiacin. TS (C).

    Temperatura hmeda: Temperatura indicada por un termmetro cuyo elemento sen-sible es mantenido hmedo. TH (C).

    Temperatura hmeda coincidente: Media de la temperatura hmeda en el intervalode temperatura seca representado por el valor superior. THc (C).

    Oscilacin media diaria: Diferencia entre la temperatura media de las mximas y latemperatura media de las mnimas. OMD (K).

    Nivel de percentil: Indica el nmero de horas, en % respecto al perodo al que serefiera, durante las cuales las temperaturas son iguales o superiores a las de referen-cia para dicho nivel de percentil. Se distingue entre:

    Nivel de percentil estacional. NPE (%)

    Percentil de invierno 90 das. Este incluye las 2.160 horas de los meses dediciembre, enero y febrero.

    Percentil de verano 122 das. Este incluye las 2.928 horas de los meses dejunio, julio, agosto y septiembre.

    Los niveles de percentil empleados y las correspondientes horas en las que lascondiciones son superadas son las siguientes:

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR31

    IMPRIMIR NDICE

    La eleccin de las condiciones exteriores de temperatura seca y, en su caso, detemperatura hmeda simultnea del lugar, que son necesarias para el clculo de la

    demanda trmica mxima instantnea y, en consecuencia, para el dimensionado de

    equipos y aparatos, se har en base al criterio de niveles percentiles, que podrn

    ser incluso diferentes para distintos subsistemas de la misma instalacin. Para la

    seleccin de los niveles percentiles se tendrn en cuenta las indicaciones de la

    norma UNE 100-014.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    32/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 32

    IMPRIMIR NDICE

    Nivel de percentil anual. NPA (%). Este incluye las 8.760 horas de un ao (365das). Los niveles de percentil empleados y las correspondientes horas en las quelas condiciones son superadas son las siguientes:

    En la norma UNE 100-001-85 Climatizacin. Condiciones climticas para pro-yectos se recogen las condiciones termohigromtricas exteriores para proyectos

    para diferentes localidades de la geografa espaola. Por ejemplo, para el caso deAlbacete, la temperatura seca exterior en condiciones de verano para los distin-tos percentiles es la siguiente:

    El nivel de percentil representa por tanto la mayor o menor exigencia requerida ala instalacin de cubrir la demanda energtica a lo largo de un periodo de tiempo.

    Habitualmente para el clculo de cargas trmicas en verano se emplean lossiguientes niveles de percentil:

    Nivel percentil 1%: Hospitales y clnicas.

    Nivel percentil 2,5 %: Edificios de especial consideracin.

    Nivel percentil 5%: En el caso general.

    Invierno

    NPE (%) HORAS

    9997,595

    21,654,0108,0

    Verano1

    2,55

    29,372,2

    146,4

    Nivel de percentil Ts (C)

    1%

    2,5%

    5%

    34,6

    33,1

    31,7

    Invierno

    NPA (%) HORAS

    99,69998

    35,087,6175,2

    Verano0,41,02,0

    35,087,6175,2

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    33/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR33

    IMPRIMIR NDICE

    Por ejemplo, una instalacin de climatizacin diseada bajo unas condicionesexteriores de verano con un NPE de 1% (considerando una temperatura secaexterior de 34,6 C), tan solo estar infradimensionada, aproximadamente, duran-te 29,3 horas al ao (horas en la que la temperatura exterior ser superior a la con-siderada) frente a las 146,4 que lo estara si se diseara con un NPE del 5 % (con-siderando una temperatura seca exterior de 31,7 C), como podemos observar enla tabla del NPE.

    Grados da: Suma de las diferencias de temperatura entre una temperatura base dereferencia y la temperatura media de un da a lo largo de un periodo de tiempo defi-nido.

    donde Tbase es la temperatura base (15, 18,.) y Tdes la temperatura media diaria.

    Velocidad: Velocidad media escalar del viento dominante en una direccin defini-da a lo largo de un ao. V (m/s).

    En las tablas del Anexo 1, encontraremos todos estos valores referenciados en funcin dela procedencia de los datos y de la localidad a la que pertenezcan.

    2.4. Clculo de cargas trmicas

    Carga Trmica en Climatizacin implica toda perturbacin capaz de alterar el contenidode energa de los espacios que se pretenden climatizar. Las perturbaciones tienen su ori-gen en las condiciones climatolgicas del espacio exterior que rodea los recintos o en lasfuentes de energa localizadas en el interior de los propios espacios.

    Si tales perturbaciones alteran la temperatura de los locales se denominan CargasSensibles; si hacen variar el contenido de vapor de agua, que a su vez modifica el conte-nido energtico del volumen de control, la carga recibe la denominacin de CargaLatente.

    Las cargas trmicas se dividen en interiores y exteriores.

    Las principales contribuciones de las cargas trmicas de un local, as como su carcterlatente o sensible, se muestran en la siguiente tabla.

    GD = Tbase

    - Td

    (K)n

    d=1

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    34/179

    CONCEPTOS BSICOS DE CLIMATIZACIN 34

    IMPRIMIR NDICE

    Las cargas trmicas son variables en el tiempo y estn asociadas a espacios determinados.

    El objetivo de la climatizacin es anular dichas cargas en todo momento y en todo espa-cio considerado.

    El concepto de carga se refiere a la energa necesaria en un momento dado para mante-ner las condiciones de confort del edificio y es, por tanto, unapotencia (kW).

    El conocimiento de la carga mxima, tanto en invierno como en verano, es fundamental

    en el diseo de instalaciones de climatizacin, ya que este valor determinar la potenciadel equipo de produccin necesario.

    Por otro lado se define el concepto de demanda como la energa necesaria para mante-ner las condiciones de confort, durante un periodo de tiempo determinado. La demandaes por tanto una energa (kWh) y se calcular como la suma a lo largo de un periodo detiempo de la carga instantnea de cada intervalo por la duracin de este.

    Finalmente se define el consumo energtico como la energa necesaria para el funciona-miento de los equipos de climatizacin encargados de mantener las condiciones de con-

    fort durante un periodo de tiempo.

    A diferencia de las cargas y demandas que dependen nicamente de las caractersticasdel edificio y de las condiciones exteriores e interiores, el consumo depender ademsdel tipo de sistema de climatizacin empleado, en concreto, del rendimiento del mismo.

    El clculo de la carga mxima, en verano o en invierno, necesario para una correcta selec-cin de la potencia del equipo a emplear se basa en las caractersticas del edificio, lascondiciones de diseo interiores y exteriores de un determinado nivel de percentil.

    Sin embargo, el clculo de la demanda requiere el conocimiento de la evolucin de lascondiciones exteriores a lo largo de todo el ao (TMY: Typical Meteorological Year), ade-ms de las caractersticas del edificio y las condiciones de diseo interiores.

    CARGAS EXTERIORES SENSIBLES LATENTES

    Transmisin a travs de cerramientos X

    Transmisin por ventanas X

    Carga por ventilacin X XCarga por infiltracin X X

    Ocupantes X X

    Iluminacin X

    Mquinas y motores X X

    Propia instalacin X

    Tabla 2.4: Cargas sensibles y latentes en una instalacin

    CARGAS INTERIORES

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    35/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR35

    IMPRIMIR NDICE

    Actualmente, el clculo de cargas y an ms el clculo de demandas (debido a su mayorcomplejidad) se realiza mediante el uso de ordenadores y programas de clculo especia-lizados.

    2.5. Ahorro energtico: aumento o disminucin de la temperatu-ra interior y aumento del gasto

    Segn el Manual de Auditorias Energticas en Edificios editado por el EREN:

    En invierno la temperatura ambiente mxima recomendada en calefaccin es de 19a 20 C, aumentando los costes un 7% por cada grado que se suba la temperatura.

    En verano la temperatura de consigna se fija por debajo de los 24 C. Cada gradoque se reduzca la temperatura supone un incremento del 8% en el consumo.

    En espacios como almacenes, pasillos o lugares donde hay una actividad fsica elevadano es necesario que la calefaccin proporcione 19 C. As, sern temperaturas consignatpicas 17 C para talleres y 13 C para almacenes.

    Mantener las puertas y ventanas abiertas cuando funciona la calefaccin es tirar el dine-ro y agredir al medio ambiente. Lo mismo ocurre durante el verano con el aire acondi-cionado.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    36/179

    IMPRIMIR NDICE

    3Sistemas declimatizacin

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    37/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 37

    IMPRIMIR NDICE

    Sistemas de climatizacin33.1. Introduccin

    La mejor tcnica para reducir al mximo el consumo de energa de un edificio es la com-binacin adecuada de las tcnicas de arquitectura bioclimtica con un sistema de clima-

    tizacin adecuado para ahorrar energa.Sin embargo no son muchos los arquitectos e ingenieros sensibilizados con estas solucio-nes. Existe la falsa creencia de que los sistemas de climatizacin tradicionales puedensolucionar cualquier problema trmico que se plantee en un edificio. Basados en esta teo-ra, muchos arquitectos disean edificios cuya climatizacin es problemtica.

    Por ejemplo, aquellos edificios con grandes superficies acristaladas tendrn grandes car-gas de refrigeracin. Pero adems tendrn el problema aadido de que la carga por radia-cin solar se deposita directamente sobre las fachadas del edificio.

    Un sistema de climatizacin es un conjunto de equipos que tienen como objetivo el con-trol de las siguientes variables propias del local o locales a acondicionar:

    Temperatura seca.

    Humedad.

    Grado de pureza del aire de los locales.

    Velocidad del aire.

    Nivel sonoro producido por los equipos de climatizacin.

    Los sistemas de climatizacin se clasifican en funcin del fluido utilizado en los localesa acondicionar, es decir, el fluido que es introducido en los locales y que juntamente conlos equipos o elementos terminales han de controlar las variables mencionadas anterior-mente. Pueden distinguirse los siguientes tipos de sistemas:

    Sistemas todo aire, el aire es el nico fluido utilizado.

    Sistemas todo agua, en los que es este fluido el nico puesto en juego.

    Sistemas aire-agua, en los que se utilizan aire y agua simultneamente en el interiorde los locales.

    Sistemas refrigerante, en los que el fluido utilizado es un fluido refrigerante.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    38/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR38

    IMPRIMIR NDICE

    Cabe distinguir en un sistema, los siguientes subsistemas o grupos de equipos:

    Control de tratamiento, o conjunto de equipos cuya finalidad es la de preparar losfluidos que deben ser conducidos hasta los elementos terminales en la instalacin.

    Elementos terminales, situados bien en el local o bien en su proximidad inmediata.Reciben los fluidos primarios de la central de tratamiento, y se dividen en:

    Elementos por aire: son utilizados para la preparacin del aire hmedo queseguidamente ser impulsado al local con vistas a contrarrestar las cargas presen-tes en este. Son responsables de asegurar una correcta velocidad del aire y, en unaparte muy importante, del nivel sonoro producido por la instalacin de climatiza-cin.

    Elementos por agua: recibiendo agua caliente/fra como fluido caloportador,

    tienen como misin transferir la energa en l contenida al local en que seencuentran instalados de modo que se alcancen las condiciones ambientales deconfort.

    Elementos intermedios, que sirven de unin material entre el control y los elemen-tos terminales, incluyendo tanto las canalizaciones de trasiego como los accesoriosque aseguran un buen funcionamiento de la instalacin.

    Equipamiento de control, regulacin y seguridad, situados en cualquiera de los sub-sistemas antes citados, aseguran no slo una buena correspondencia de aportes ener-gticos - cargas trmicas, si no tambin la necesaria seguridad de la instalacin.

    Antes de comenzar con la descripcin de los sistemas y equipos de climatizacin, esnecesario distinguir entre el lazo primario y el lazo secundario.

    Se denomina lazo primario al conjunto de equipos de generacin y transporte de fro odel calor necesario para acondicionar el local o locales en cuestin.

    Se denomina lazo secundario al conjunto de equipos que permiten el intercambio de calorentre el lazo primario y el local a acondicionar. A este lazo secundario es a lo que colo-quialmente se denomina sistema de climatizacin.

    Un ejemplo sera una red de fan-coils. En el lazo primario (calderas y enfriadoras deagua) se prepara un fluido caliente o fro (agua). Esta agua se distribuye por todo el edi-ficio, de manera que en cada local habr un fan-coil. Este equipo consiste bsicamente enun ventilador que hace pasar una corriente de aire a travs de una batera por el interiorde la cual circula el agua caliente o fra. De esta manera el aire se calienta o enfra en fun-cin de las necesidades del local. Por lo tanto, el conjunto de calderas, enfriadoras de aguay red de distribucin de agua por el edificio sera el lazo primario. Mientras tanto, el con-junto de fan-coils y la red de distribucin de aire por los locales, si existiera, sera el lazosecundario.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    39/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 39

    IMPRIMIR NDICE

    3.2. Lazo primario. Equipos de produccin de fro y calor

    Se define como lazo primario al conjunto de equipos de generacin de fro y calor.

    La mayora de los grandes edificios disponen de salas de mquinas para produccin de

    calor y fro. Generalmente la produccin de calor y de fro se realiza por equipos diferen-tes.

    3.2.1. Produccin de fro

    Los equipos de refrigeracin trasvasan calor desde un foco fro a un foco caliente.

    Los ciclos ms utilizados para la produccin de fro son:

    Ciclo de compresin mecnica de vapor

    Este sistema consiste en un doble cambio de fase por parte de un fluido denominadoflui-do frigorfico. El sistema consiste en aprovechar el calor del cambio de estado de un flui-do a diferentes presiones. A baja presin un fluido se evapora a baja temperatura, mien-tras que a alta presin se condensa a una temperatura mayor. El sistema est formado porcuatro componentes principales:

    Evaporador: en el que mediante la evaporacin de un lquido a baja presin (y portanto, baja temperatura) se absorbe energa trmica del fluido o medio que queremosenfriar, disminuyendo este su temperatura. As, haciendo pasar el fluido frigorfico

    a baja presin, a la que por ejemplo cambia de estado a 0 C, por el interior de unabatera que est en contacto con un local a 24 C, se conseguir la evaporacin delrefrigerante mediante la extraccin de calor del local.

    Compresor: en el que mediante un proceso mecnico se comprime el vapor delrefrigerante hasta la presin del condensador. Este es el nico punto de consumo deenerga del ciclo.

    Condensador: en el que se realiza la condensacin del vapor a alta presin, y portanto a alta temperatura, cediendo energa trmica al medio exterior.

    Vlvula de expansin: en la que se estrangula la corriente de lquido condensado,reduciendo su presin desde la presin del condensador hasta la presin del evapo-rador.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    40/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR40

    IMPRIMIR NDICE

    El rendimiento de este equipo se podra definir como la relacin entre el beneficio obte-nido (efecto frigorfico QE) y el trabajo que cuesta obtenerlo (trabajo de compresin W).

    A este parmetro se le denomina COP (Coefficient of Performance) o CEE (Coeficientede Eficiencia Energtica). Los valores normales pueden estar entre 3,5 y 7, es decir, porcada kWh consumido se obtiene entre 3,5 y 7 kWh de efecto frigorfico. El COP depen-de de diferentes parmetros como son:

    Las temperaturas de evaporacin y condensacin. Cuanto ms moderadas sean, esdecir ms baja la de condensacin y ms alta la de evaporacin, mejor COP.

    Y del tipo de compresor. El trabajo absorbido por el compresor es mayor cuantomenor sea la temperatura de evaporacin y mayor sea la temperatura de condensa-

    cin, es decir, cuanto mayor sea la diferencia de presin entre el evaporador y el con-densador.

    Temperatura

    Entropia

    Qc

    Qe

    We Wc

    Figura 3.1: Ciclo de Carnot. Este es el ciclo ideal en el que se basa el concepto del equipo frigorfico

    Condensador

    Compresor

    Evaporador

    1

    1

    2

    3

    4

    Vlvulade expansin

    Qc

    QE

    W

    Figura 3.2: Elementos mnimos de una mquina frigorfica real

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    41/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 41

    IMPRIMIR NDICE

    Ciclo de absorcin: Mquina frigorfica de absorcin

    Este tipo de mquinas frigorficas es el ms extendido en todo el mundo. La compresintrmica del refrigerante se consigue utilizando una solucin refrigerante/absorbente lqui-

    do y una fuente de calor que sustituye el consumo elctrico del compresor mecnico. Paraagua fra a ms de 0 C, que es lo que se utiliza en los sistemas de climatizacin, normal-mente se aplica una solucin lquida de agua-bromuro de litio (H2O/BrLi) con agua comorefrigerante.

    La mayora de los sistemas utilizan una bomba para impulsar la solucin lquida que con-sume poca electricidad. Cuando se trabaje con una mquina frigorfica de absorcinH2O/BrLi habr que evitar que la solucin cristalice controlando la temperatura de disi-pacin de calor en la mquina.

    El efecto de refrigeracin se basa en la evaporacin del refrigerante (agua) en el evapora-dor a presiones muy bajas. El refrigerante vaporizado es absorbido en el absorbedor, paramantener de esta forma la presin en el evaporador, diluyendo as la solucin H2O/BrLi.Para que el proceso de absorcin sea eficiente es necesario enfriarlo. La solucin se bom-bea continuamente hacia el generador, donde se logra regenerar la solucin calentndolacon una fuente de calor externa, como es el agua calentada mediante energa solar. Elrefrigerante (agua) que sale del generador en este proceso se condensa aplicando agua derefrigeracin en el condensador, hacindola circular por una vlvula de expansin paraentrar de nuevo en el evaporador.

    Las capacidades de refrigeracin de este tipo de mquinas frigorficas son de varios cien-tos de kW. Principalmente se alimentan con calor procedente de algn sistema centrali-zado, calor residual o calor de cogeneracin. La temperatura del foco caliente necesariaes normalmente superior a 80 C para mquinas de efecto simple en las que el COP sesita en la gama de 0,6 a 0,8. Las mquinas de doble efecto, con dos fases de generador,necesitan temperaturas de accionamiento por encima de 140 C y ofrecen COP de 1,2.

    Este ciclo, por su importancia en la climatizacin solar, se explicar con ms detalle en elsiguiente captulo.

    Ciclo de adsorcin: Mquina frigorfica de adsorcin

    En lugar de una solucin lquida se utilizan sorbentes slidos. Los sistemas disponiblesen el mercado utilizan agua como refrigerante y gel de slice como sorbente.

    Las mquinas constan de dos compartimentos sorbentes (denominados 1 y 2 en la Figura3-3), un evaporador y un condensador. Mientras el sorbente del primer compartimento seregenera utilizando agua caliente de una fuente de calor externa, por ejemplo, el captadorsolar; el sorbente del compartimento 2 (adsorbedor) adsorbe el vapor de agua que vienedel evaporador. Es necesario enfriar este compartimento para que se produzca una adsor-

    cin continua. El agua del evaporador cambia de fase a vapor extrayendo el calor necesa-rio del circuito de agua fra. ste es, de hecho, el efecto til de refrigeracin. Si la capa-

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    42/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR42

    IMPRIMIR NDICE

    cidad de refrigeracin se ve reducida a un valor predeterminado debido a la saturacin delsorbente en el adsorbedor, las cmaras intercambian su funcin.

    En condiciones de funcionamiento normales con una temperatura de calor de acciona-miento en torno a los 80 C, el sistema alcanza un COP prximo a 0,6; aunque puede fun-cionar incluso con temperaturas de aproximadamente 60 C. La capacidad de las mqui-nas frigorficas de adsorcin oscila entre 50 kW y 500 kW de potencia de refrigeracin.

    La simplicidad mecnica de las mquinas frigorficas de adsorcin y su consecuente

    robustez es una ventaja.Como no existe riesgo de cristalizacin, tampoco hay lmites en las temperaturas de disi-pacin de calor. No se necesita bomba para la solucin interna, con lo que el consumoelctrico es mnimo. La gran desventaja que presentan es su volumen y peso comparati-vamente elevado. Es ms, puesto que la produccin de mquinas frigorficas de adsorcines pequea, su precio es actualmente elevado.

    3.2.2. Produccin de calor

    En cuanto al mtodo de produccin de calor, los ms empleados son:

    Combustin en una caldera

    La produccin de calor, en la mayor parte de los sistemas, se realiza mediante una caldera.

    Una caldera es un recipiente a presin diseado para transferir a un fluido el calor produ-cido por una combustin. En la mayora de las calderas el fluido calentado es el agua enforma lquida o vapor.

    Las calderas se clasifican segn la naturaleza, presin y temperatura de trabajo del fluido

    a calentar, presin (o depresin) del hogar de combustin, combustible utilizado y losmateriales de construccin del intercambiador (hierro fundido, acero, etc.).

    2 1

    CONDENSADOR

    EVAPORADOR

    Agua de refrigeracin

    Agua calienteAgua de refrigeracin

    Agua fria

    Figura 3.3: Esquema de una mquina frigorfica por adsorcin

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    43/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 43

    IMPRIMIR NDICE

    En el aspecto energtico, es especialmente importante el grado de aprovechamiento delcalor de combustin.

    En las normas europeas armonizadas se establecen las definiciones de caldera conven-cional (o calderas estndar, segn la definicin oficial), caldera de baja temperatura y cal-dera de condensacin.

    A continuacin se reproducen literalmente dichas definiciones:

    - Caldera: el conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador, destinado atransmitir al agua el calor liberado por la combustin.

    - Caldera estndar: aquella caldera cuya temperatura media de funcionamiento puedelimitarse a partir de su diseo.

    La caldera estndar se denominar tambin convencional. El diseo de estas calde-ras limita la temperatura de retorno del agua a la misma, que no podr ser inferior aun valor determinado (sobre los 70 C) dependiendo de la temperatura de roco delcombustible empleado.

    - Caldera de baja temperatura: caldera que puede funcionar continuamente con unatemperatura de agua de alimentacin entre 35 y 40 C y que, en determinadas circuns-tancias, puede producir condensacin, se incluyen en esta definicin las calderas decondensacin que utilizan combustibles lquidos.

    Presentan la ventaja de reducir las prdidas de calor en la distribucin al trabajar amenor temperatura.

    Estas calderas, al igual que las calderas convencionales, no estn diseadas parasoportar la accin agresiva de los condensados. Sin embargo, permiten que la tem-peratura del agua de retorno sea inferior a la de roco de los humos por el diseoespecial de las superficies de intercambio trmico.

    - Caldera de condensacin: caldera diseada para poder condensar de forma perma-nente una parte importante del vapor de agua contenido en los gases de combustin.

    Estas calderas estn expresamente diseadas para soportar la accin agresiva de loscondensados por el diseo especial de las superficies de intercambio trmico y porel empleo de materiales especiales en su construccin.

    Para conseguir la condensacin del vapor de los gases de combustin es indispensa-ble que la temperatura de entrada del agua a la caldera no sobrepase los 55 C, por

    lo que son adecuadas para calefacciones a baja temperatura.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    44/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR44

    IMPRIMIR NDICE

    Independientemente del tipo de caldera, todas ellas se definen por su potencia nominaltil y rendimiento til, rendimiento que debera estar referido al PCI(poder calorficoinferior) o PCS(poder calorfico superior) del combustible.

    - Potencia nominal til (expresada en kW): potencia calorfica mxima que, segndetermine y garantice el constructor, puede suministrar en funcionamiento continuouna caldera, ajustndose a los rendimientos tiles declarados por el constructor.

    El Fabricante debe garantizar la potencia mxima que es capaz de suministrar la cal-dera en funcionamiento continuo y en las condiciones indicadas de temperatura delagua.

    Figura 3.4: Caldera de condensacin

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    45/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 45

    IMPRIMIR NDICE

    - Rendimiento til (expresado en %): relacin entre el flujo del calor transmitido alagua y el producto del Poder Calorfico Inferior (PCI) a presin constante del combus-tible por el consumo de combustible (expresado en cantidad de combustible por uni-dad de tiempo).

    Resaltar que el rendimiento se calcula siempre en base al poder calorfico inferiordel combustible, por esta razn, el rendimiento de las calderas de condensacin essuperior a la unidad.

    Bomba de Calor

    Se denomina bomba de calora una mquina trmica capaz de transferir calor de unafuente fra a otra ms caliente. Podramos definirlo como un equipo de aire acondiciona-

    do que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura, y lo transporta al inte-rior del local que se ha de calentar, mediante el accionamiento de un compresor.

    La utilizacin de la bomba de calor para proporcionar calefaccin y refrigeracin enviviendas est ampliamente difundida en Espaa. La casi totalidad de los equipos exis-tentes en el mercado son reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos: de invierno propor-cionando calefaccin y de verano proporcionando refrigeracin. Por esta razn las bom-bas de calor estn especialmente indicadas para situaciones en que se prevea demanda decalefaccin y refrigeracin, ya que con un mnimo incremento en el precio, se puedencubrir ambas necesidades con un mismo equipo.

    En resumen, la bomba de calor, tanto en invierno como en verano, acta como un equi-

    po acondicionador de aire, invirtiendo el foco fro y caliente en funcin de si es verano oinvierno.

    Figura 3.5: Bomba de calor

    1-Compresor. 2-Intercambiador (condensador o evaporador segn ciclo). 3-Vlvula de expansin.

    4-Intercambiador (condensador o evaporador segn ciclo). 5-Vlvula de 4 vas.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    46/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR46

    IMPRIMIR NDICE

    Se pueden llegar a conseguir coeficientes de eficiencia COP de 4 trabajando en calefac-cin y de 3,5 en refrigeracin. Esto significa que por cada unidad de energa consumidase obtienen 4 unidades de energa trmica.

    El COP es un factor utilizado para proporcionar el rendimiento de una bomba de calorcuando trabaja en ciclo de calor, su valor es:

    COP =Potencia calorfica obtenida del condensador (kcal/h)

    Potencia elctrica absorbida por el equipo (860 kcal/h/kW)

    Los valores del COP los proporciona el fabricante del equipo y varan directamente conla temperatura exterior. Cuanto ms baja es la temperatura exterior, ms bajo es el COPque proporciona una bomba de calor.

    Las bombas de calor se clasifican segn el tipo de intercambio empleado:

    Bomba de calor aire-aire: es la aplicacin ms habitual. Se suelen utilizar unida-des de baja potencia que se destinan a la calefaccin y refrigeracin de viviendas. Elequipo est en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae el calor, y tam-bin con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor.

    Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una sola uni-dad. La batera exterior ir en contacto con el ambiente exterior y la unidad interiorestar conectada a la red de conductos de aire que distribuyen el calor por el interiorde la vivienda.

    Si se utiliza un equipo partido, ambas unidades, la interior y la exterior, irn conec-tadas mediante tuberas aisladas por las que circular el refrigerante. La unidad exte-rior ir colocada en el exterior de la vivienda. La unidad o unidades interiores pue-den ser vistas o bien ir situadas en el falso techo.

    Bomba de calor aire-agua: en este caso, la bomba de calor extrae el calor del aireexterior y lo transfiere a los locales a travs de un circuito de agua a baja tempera-tura.

    Bomba de calor agua-agua: utilizan como fuente de calor el agua superficial de

    ros, lagos, etc. o aguas subterrneas. La temperatura de estas fuentes es prctica-mente constante durante toda la estacin de calefaccin, lo que permite mantener unCOP constante y elevado durante toda la temporada. Como en el caso anterior, ladistribucin de calor a los locales se realiza mediante sistemas de agua a baja tem-peratura.

    Bombas de calor agua-aire: requieren tambin la disponibilidad de una fuentede calor en forma de agua subterrnea, superficial, etc. La distribucin de calor serealiza mediante una red de conductos de aire a todas las dependencias de lavivienda.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    47/179

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    48/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR48

    IMPRIMIR NDICE

    climatizadores de un tamao relativamente pequeo. En caso de no disponer de ven-tilador de retorno, ser el de impulsin (C2) el que tenga que superar la cada de pre-sin en los conductos de impulsin y retorno. En cualquier caso, el ventilador C1ser el responsable de que el aire retorne y llegue a la zona 1 de la UTA con la pre-

    sin suficiente para provocar que parte del aire salga al exterior por la compuerta A. Parte del aire se expulsa al exterior, pasando por un cambiador de calor, que recibe

    el nombre de recuperador de calor. El resto pasa a la siguiente zona, llamada zonade mezcla (M). La cantidad de aire que se expulsa al exterior es igual al aire exte-rior aspirado. Las compuertas A y B estarn dimensionadas de manera que el mni-mo aire exterior que entre en la zona de mezcla sea el necesario para garantizar lasnecesidades de ventilacin del local. Si el climatizador est funcionando en modorefrigeracin y el aire exterior tiene una temperatura inferior al aire del local, lascompuertas A quedarn totalmente abiertas y las compuertas B totalmente cerradas,

    disminuyendo as las necesidades de produccin de fro. De esta manera obtendre-mos lo que se denomina free-cooling o enfriamiento gratuito. El control sobre lascompuertas de aire exterior para aprovechar el free-cooling puede hacerse por tem-peratura o por entalpas.

    El ventilador C2, denominado ventilador de impulsin, es el encargado de superar laprdida de presin a lo largo del climatizador y en los conductos de impulsin de aire.

    En la zona de mezclas, el ventilador C2 aspira de la zona 1 y del exterior. Se mez-clan ambos aires y pasan al punto M.

    La zona 3 es la denominadazona de filtrado. El aire, ya mezclado, pasa por un fil-tro que elimina el polvo del mismo.

    Figura 3.6: Esquema de la Unidad de Tratamiento de Aire

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    49/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 49

    IMPRIMIR NDICE

    A continuacin el aire pasa por la batera de fro, tambin llamada deshumectador.Esta batera consiste en un intercambiador de flujos cruzados, formado por tuboscon aletas por el interior de los cuales circula un fluido fro (generalmente agua) quese ha enfriado en el lazo primario. De esta manera, al enfriar el aire se puede provo-

    car la condensacin de parte del agua contenida en el mismo, regulando de estaforma su humedad.

    Posteriormente se encuentra la batera de calor, formada por un cambiador de calorde flujos cruzados de tubos aleteados, con dos filas de tubos. Por los tubos circulaagua o vapor que tambin se ha calentado en el lazo primario. Con ello, se obtendraun aire caliente con baja humedad relativa.

    Tras la batera de calor encontramos el humectador. Se utiliza para inyectar agua alaire, en forma de vapor o agua pulverizada. Esta seccin es, probablemente, la

    menos frecuente de todas las expuestas hasta ahora. Tal y como se coment anterior-

    Figura 3.7: Clasificacin de los sistemas de Climatizacin basada en los criterios de ASHRAE

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    50/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR50

    IMPRIMIR NDICE

    mente, en pocas ocasiones se disponen sistemas de climatizacin con control dehumedad, salvo en algunos casos especiales como museos, laboratorios, quirfanos,etc.

    Por ltimo, el ventilador de impulsin (C2) es un ventilador axial o radial, depen-diendo de la prdida de carga a vencer. Aspira aire de la zona de mezcla y lo impul-sa, directamente o a travs de conductos, al local.

    En cualquier caso, los sistemas de climatizacin se pueden clasificar atendiendo a dife-rentes criterios: tipo de preparacin del aire, tipo de transporte de energa o tipo de regu-lacin. La clasificacin ms utilizada es la que emplea ASHRAE (American Society ofHeating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) y es en la que se basa la mayorparte de la legislacin espaola y casi todos los programas de clculo y diseo de aireacondicionado. Esta clasificacin se basa en el fluido de transporte de energa en el lazo

    secundario y, aunque es relativamente incompleta, pues hay ciertos sistemas que no seconsideran, es la ms utilizada a efectos legales y acadmicos.

    3.3.1. Sistemas de expansin directa

    Los sistemas de expansin directa son aquellos que, funcionando en modo de refrigera-cin, emplean como batera de refrigeracin el evaporador de un equipo de compresinmecnica de vapor. El intercambio de calor con el local lo realiza el mismo fluido queintercambia el calor con el exterior. Es decir, estn en el mismo sistema el lazo primarioy secundario.

    Un sistema de expansin directa contiene todos los elementos del ciclo frigorfico (com-presor, condensador, vlvula y evaporador), as como los elementos de regulacin y con-trol, de movimiento del aire y de filtrado del mismo.

    Se pueden distinguir dos grupos: equipos de condensacin por agua y equipos de conden-sacin por aire. Dicho de otra forma, equipos que emplean agua y equipos que usan elaire como fuente o sumidero de calor. Los equipos que emplean agua suelen tener un ren-dimiento mayor.

    Ventajas

    Bajo coste de instalacin.

    Instalacin sencilla.

    El control individual por habitacin es simple y barato.

    Fcil reposicin de un aparato estropeado por uno nuevo o reparado.

    Capacidad de producir calefaccin y refrigeracin independientemente del modo deoperacin de los otros espacios en el edificio.

    El ensamblaje de componentes en fbrica permite mejorar el control de calidad y lafiabilidad.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    51/179

    SISTEMAS DE CLIMATIZACIN 51

    IMPRIMIR NDICE

    El equipo est certificado en su conjunto por el fabricante en lo que se refiere a surendimiento, seguridad, etc.

    La operacin de este sistema es sencilla y no necesita de especializacin de los ope-radores.

    Requiere menor espacio para equipamiento mecnico y elctrico que un sistemacentralizado.

    Los equipos pueden instalarse una vez terminado el edificio y permiten el remode-lado o modificacin del uso de los distintos locales sin coste adicional importante.

    El consumo energtico puede obtenerse de forma individualizada.

    Inconvenientes

    Secado del ambiente. Para que el tamao del equipo sea pequeo, las temperatu-ras de evaporacin deben ser excesivamente bajas. Esto provoca que al pasar el airepor la batera se produzcan condensaciones del vapor de agua, secndose elambiente del local.

    La potencia sonora emitida suele ser ms alta que en otros sistemas, pudiendo lle-gara a ser crtica. Sin embargo algunos aparatos de las ltimas generaciones son muysilenciosos.

    Las opciones de mejoras de rendimiento global del sistema estn limitadas ya queel caudal de aire y las bateras de evaporacin y condensacin son fijas.

    El control de la distribucin del aire por el local es limitado.

    3.3.2. Sistemas todo-aire

    Estos sistemas se caracterizan porque toda la carga de refrigeracin es contrarrestada uti-lizando solamente aire, que es impulsado al local.

    Utilizan un caudal de aire, fro o caliente, que es enviado al local a acondicionar, encar-gndose directamente de conseguir la adecuada temperatura, humedad y limpieza del

    aire. Las unidades terminales que utiliza este sistema son las unidades de difusin (difu-sores y rejillas de todo tipo) y, en caso necesario, las unidades de control de la cantidadde aire a suministrar al local (compuertas o elementos de similar funcin).

    Las unidades centralizadas son climatizadores que se encargan de enfriar o calentar, des-humidificar o humidificar, y limpiar el aire. Estas unidades climatizadoras pueden ser deltipo de expansin directa como parte de una unidad autnoma compacta o partida, o bienun climatizador de agua, en cuyo caso precisa de unidades enfriadoras de agua, bombasde calor aire/agua o agua/agua, o calderas.

  • 7/27/2019 EREN - Manual de CLIMATIZACIN SOLAR.pdf

    52/179

    MANUAL DE CLIMATIZACIN SOLAR52

    IMPRIMIR NDICE

    Ventajas

    Los componentes principales estn centralizados. Esto permite una mayor posibili-dad de eleccin de los equipos de filtracin y ventilacin, adems de un mejor con-trol del nivel sonoro.

    Se evitan las conducciones elctricas y de agua en los locales acondicionados.Evitamos as posibles peligros para el mobiliario.

    Posibilidad de enfriamiento gratuito (free-cooling). En caso de que el aire exteriortenga las condiciones de