ABC del aire acondicionado

1.6 Condiciones de confort

Está demostrado que ciertas condiciones ambientales (aproximadamente 23 y 24 °C y un 50% de humedad relativa) proporcionan una sensación placentera. Es evidente que la temperatura será uno de los principales parámetros a tener en cuenta. Un ambiente seco produce una sensación más agradable, en general, que uno húmedo; sin embargo, si la sequedad del aire es acusada, pronto se manifiestan ciertos inconvenientes, como sequedad de las mucosas, exceso de electricidad estática, etc. Si el ambiente es muy húmedo tenemos una sensación de ahogo, con el agravante de que no puede eliminarse fácilmente el sudor corporal. Así pues, la humedad del aire será otro parámetro a tener en cuenta.

El ruido produce molestias en las que no creemos necesario insistir mucho, sobre todo si el lector vive en un lugar con mucho tránsito. El aire puede llevar agentes patógenos o simplemente polvo o ciertos componentes que es necesario eliminar. No son éstos los únicos factores que han de tenerse en cuenta, pero sí los más importantes. Vamos a resumirlos:

 Temperatura.

 Humedad del aire.

 Ruido.

 Ventilación y purificación del aire.

El control de estos factores nos dará la clave para conseguir un ambiente de confort o bienestar. Es importante que maticemos que existen dos líneas de actuación para conseguir este control: la climatización pasiva y la climatización activa.

La climatización pasiva pretende conseguir un ambiente de confort empleando medios naturales: un diseño correcto y eficaz de la vivienda, utilización de la energía solar como agente calefactor en invierno utilizando solo una buena orientación de las paredes, etc.

La climatización activa emplea medios mecánicos para impulsar el aire o el agua de las instalaciones, utiliza aparatos que hay que conectar a la corriente eléctrica, etc. Es evidente que este último tipo de climatización es, en general, más agresiva, aunque también es más eficaz.

Aunque los cuatro factores a los que antes hemos aludido son importantes, los dos primeros, debido a la dificultad que presenta su control riguroso, son los prioritarios. Para conseguir un estado de confort y bienestar es necesario regular, por lo menos, dos variables: la temperatura y la humedad. La determinación experimental de este estado de bienestar se lleva a cabo utilizando métodos estadísticos, porque es evidente que la sensación de bienestar puede diferir de unas personas a otras.

La idea es mantener en una cámara amplia, perfectamente acondicionada, a una persona que realiza una determinada actividad. La cámara se mantiene a una temperatura y humedad constantes. Si la reacción de la persona es positiva se consideran aquellas condiciones de confort. Si es negativa, será preciso variar la temperatura y la humedad. Ahora bien, se trata de dos factores, la temperatura y la humedad; si intentamos condensarlos en uno solo podemos emplear el concepto de temperatura efectiva, que definiremos como un índice que expresa el efecto compuesto de la temperatura del aire y la humedad relativa sobre el cuerpo. Pueden emplearse ábacos o gráficos para determinar la temperatura efectiva. En la figura 1.2 hemos incluido un ábaco para determinar la temperatura efectiva. La temperatura seca es la que leemos en un termómetro normal, la temperatura húmeda es la que leemos en un termómetro que tiene el bulbo cubierto con gasa o algodón humedecidos con agua. Si el aire está saturado de vapor de agua la indicación de los dos termómetros es la misma. A medida que el aire tenga menos vapor de agua la lectura del termómetro húmedo irá disminuyendo. Así pues, la temperatura húmeda es un índice de la humedad.

Figura 1.2 Ábaco para calcular la temperatura efectiva

Ejemplo

Supongamos una habitación en la que tengamos instalado un psicrómetro (es el doble termómetro) y leemos los siguientes valores: termómetro seco: 25 °C, termómetro húmedo: 21 °C.

En el ábaco de la figura 2 señalamos 25 °C en la línea de temperatura seca, 21 °C en la línea de temperatura húmeda; unimos con una recta y la intersección de esta recta con la recta inclinada nos indica el valor de la temperatura efectiva, que en este caso es aproximadamente de 23,5 °C.

En el bienestar también hay que tener en cuenta otros factores como es la distribución de temperaturas. En una habitación acondicionada, la distribución de temperaturas no es uniforme. En general dependerá del tipo de calefacción o refrigeración empleado. Este fenómeno es más acusado en el caso de la calefacción; la temperatura no es la misma a medida que vamos subiendo.

Desde el punto de vista del confort, lo óptimo será tener un recinto a una temperatura lo más constante posible; como mínimo, conseguir que no haya mucha diferencia entre la temperatura a nivel de la cabeza y la temperatura a nivel de los pies. Así evitamos la molesta sensación de pies fríos o cabeza caldeada.

Otro problema lo constituyen las superficies frías, por ejemplo ventanas, que tienden a contrarrestar el efecto de temperatura uniforme. Para ello es aconsejable situar los radiadores debajo de las ventanas, si es posible, cuando se emplee este tipo de calefacción.

Las superficies frías pueden producir otro fenómeno que, además de molesto, puede ser perjudicial: la condensación del vapor de agua presente en el aire. Cuando la temperatura de la superficie fría es inferior al punto de rocío del aire, se producirá la condensación del vapor de agua. Es probable que el vidrio de la ventana esté a menor temperatura en invierno que esta temperatura de rocío. El agua líquida que queda en el marco de la ventana perjudica el material. Una forma de evitar este fenómeno es utilizar ventanas de doble vidrio.

El efecto de la velocidad del aire también es importante. En general, el aire moviéndose produce una sensación molesta. En una habitación cerrada podemos tener movimiento de aire debido a las corrientes de convección, o bien, cuando se trata de instalaciones de aire acondicionado, al chorro de aire frío o aire caliente que se introduce en el local por las rejillas o los difusores. Las corrientes de convección son producidas por las diferencias de temperatura que ocasionan diferencias de densidad. Las corrientes de convección producen un movimiento típico del aire que sube y baja continuamente. Las corrientes de aire mantienen el polvo y los microorganismos en movimiento, siendo más fácil el contagio cuando estén presentes elementos patógenos. Cuando se trata del aire impulsado a un local, aire frío en verano y caliente en invierno, debe hacerse con la velocidad adecuada, para que el aire se mezcle convenientemente con el de la habitación, pero sin que ocasione molestias a los usuarios. Pensemos que, en verano, entra en el local aire más frío que el del propio local, pero antes que esto se produzca, si notamos en la cabeza o en la espalda este aire notaremos una sensación de incomodidad. La velocidad media admisible del aire frío en los ambientes se calculará a partir de:

a) Con difusión por mezcla: v = 0,01t − 0,07

b) Con difusión por desplazamiento: v = 0,01t −0,10

siendo t la temperatura seca y v la velocidad media admisible en m/s.

La difusión por mezcla es la más habitual. El aire que se introduce en el local acaba mezclándose con el aire del local. La difusión por desplazamiento se basa en mover un volumen grande de aire a poca velocidad que desplaza el aire del local hacia las zonas de extracción.

En un local cerrado siempre se producen gases o humos que pueden ocasionar molestias e incluso pueden ser perjudiciales para la salud. En el humo de los cigarrillos hay una sustancia que se llama acroleína que es responsable de la irritación que se produce en los ojos. A veces en los locales acondicionados se puede producir un fenómeno que todos alguna vez habremos notado. Entramos en una habitación y notamos que la temperatura es correcta, pero al cabo de unos minutos nos lloran los ojos. Ello es debido a que no existe ventilación. No basta con enfriar o calentar el aire de una habitación, es necesario ventilarla. Entendemos por ventilación, la introducción de aire fresco, no contaminado. Este aire deberá someterse a un tratamiento previo antes de introducirlo en el recinto: filtrado, secado, etc.; dependerá de las condiciones y del proceso que estemos realizando. La calidad del aire interior y de ventilación viene determinada por la IT 1.1. A este respecto hay que advertir que, en determinadas circunstancias, hay que recuperar la entalpía del aire de ventilación e incluso a utilizar el aire exterior para un enfriamiento gratuito del local. La IT 1.2.4.5 establece las condiciones para proceder obligatoriamente a determinadas recuperaciones de energía según de trate de un sistema de climatización de uno u otro tipo.

La degradación del aire interior se debe a más de una causa. Las principales son:

 Disminución del oxígeno y aumento del dióxido de carbono. Esto es debido a la respiración de los seres vivos y al quemado de cigarrillos.

 Emisión de sustancias tóxicas o molestas, debido a los cigarrillos.

 Vapor y gases debidos al sudor y a la descomposición metabólica de los alimentos.

 

 Emisión de disolventes de pinturas o barnices en salas expositoras, etc.

Para contrarrestar esta degradación del aire, es necesario ventilar el local. Esta ventilación puede ser:

 Natural, cuando se produce una renovación del aire a través de rendijas, ventanas, puertas.

 Artificial, cuando la ventilación se fuerza mediante ventiladores, con la introducción de aire exterior y la extracción de aire interior.

La cantidad de aire de ventilación que debe introducirse en un local depende de muchos factores, pero los más importantes son el número de personas, si son o no fumadoras y de la actividad que realicen. Con relación al sudor, cuya evaporación es una de las causas que produce mayor degradación del aire interior, es evidente que cada persona se verá afectada por este fenómeno de forma muy particular, en base al sexo, peso, edad, etc. Se han hecho estudios estadísticos que indican, de forma muy general, la relación temperatura, humedad, sudor.

Para concluir, el aire de ventilación es aire exterior, tratado o no, que se introduce en el local, con la finalidad de renovar el aire de recirculación que se utiliza en el sistema del aire acondicionado.

El método más habitual para ventilar un local es el que utiliza aire procedente del local mezclado con aire exterior; este aire exterior es precisamente el aire de ventilación. En este caso, una cantidad igual de aire exterior de ventilación, llamado de expulsión, debe devolverse al exterior también procedente del local, para que la cantidad total de aire tratado sea siempre la misma. Evidentemente también puede utilizarse sólo aire exterior. Según el reglamento el aire de expulsión debe someterse a una operación de recuperación de energía siempre que el caudal sea superior a 0,5 m³/s. Y sobre el lado del aire de extracción se instalará un aparato de enfriamiento adiabático.

Los ruidos y vibraciones de la maquinaria de la instalaciones pueden afectar el bienestar de los usuarios, por lo que el RITE mediante la IT 1.1.4.4 que nos remite al CTE. En la tabla 1.3 se indican valores orientativos.

Tabla 1.3 Valores máximos admisibles de niveles sonoros para el ambiente

dBA indica decibelios en la escala A; una escala adaptada al peculiar modo de percibir el sonido por el oido humano.

1.7 Nociones de refrigeración

La refrigeración se aplica en tres grandes ámbitos para los que la industria ha desarrollado no sólo maquinaria específica sino también normativa y complementos:

1.7.1 Doméstica

La refrigeración doméstica incluye la línea de electrodomésticos constituida por neveras y congeladores para uso doméstico. No hace falta insistir en el desarrollo creciente de este sector de la refrigeración; el aumento de nivel de vida de la población se relaciona con el auge y crecimiento de la demanda de aparatos de refrigeración doméstica, que sean eficaces, silenciosos y respetuosos con el medio ambiente.

En una posición indeterminada se sitúan los mostradores frigoríficos tan utilizados en bares y cafeterías, así como los congeladores y cámaras frigoríficas de pequeñas tiendas y comercios.

1.7.2 Aire acondicionado

La refrigeración relacionada con el aire acondicionado suele dividirse en industrial y de confort. La refrigeración relacionada con el confort incluye la fabricación de equipos para la producción de frío en aire acondicionado: climatizadores, bombas de calor, acondicionadores de ventana, autónomos, enfriadoras de agua, fan-coils, unidades terminales, etc. La refrigeración relacionada con el aire acondicionado industrial se aplica al acondicionamiento de espacios no estrictamente domésticos, como podrían ser grandes almacenes, oficinas, laboratorios, naves industriales, etc.

El aire acondicionado es el conjunto de técnicas utilizadas para procurar condiciones de confort en un cerramiento determinado, que puede ser desde una vivienda hasta una planta de oficinas o un supermercado. En invierno el objetivo será calentar el cerramiento, en verano enfriarlo. Precisamente esta actividad que debe llevarse a cabo en verano es la que tiene que ver con la refrigeración. Para acondicionar un local es necesario (en verano) enfriar el aire del mismo. Esta operación puede hacerse con aire frío, con agua fría o con un fluido frigorífico. En cualquier caso será necesario mantener frío continuamente el agente frigorífico.

No solamente por cuestiones de confort es necesario el acondicionamiento del aire; hay determinadas actividades industriales que necesitan unas condiciones de temperatura y humedad que no siempre coinciden con las del ambiente exterior.

Por ejemplo, es el caso de los laboratorios farmacéuticos; debe asegurarse que la temperatura, humedad, polvo y agentes patógenos del aire, estén férreamente controlados. En una fábrica textil, según el tipo de fibra que se manipule, también deberá controlarse la temperatura y la humedad.

1.7.3 Refrigeración industrial

La refrigeración industrial, a su vez, se clasifica en función de los tipos concretos de aplicación industrial, por ejemplo, plantas químicas, petroquímicas, fibras, alimentación (almacenamiento, conservación), deporte (pistas de hielo, nieve artificial), almacenamiento de gases en estado líquido a baja presión (gas natural, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno), separación de gases y muchas otras.

Industria química. Son muchos los procesos industriales químicos que requieren la utilización de frío, por ejemplo la separación de gases, que veremos en el apartado siguiente, la condensación de gases, el desecado del aire, disipación del calor de reacción, recuperación de disolventes, control de procesos de fermentación. Por ejemplo la eliminación de ceras en el proceso de desencerado del petróleo. La cera precipita entorno a los −25 °C y puede separarse del líquido por filtrado.

Conservación de productos. La baja temperatura inhibe el crecimiento bacteriano que produce el deterioro de los productos orgánicos así como de las reacciones enzimáticas que generan los propios microorganismos. El resultado es lo que vulgarmente recibe el nombre de conservación de los alimentos. Esta conservación no está exenta de inconvenientes. El aspecto, calidad y composición de un alimento conservado en frío se altera, por lo tanto un aspecto secundario pero no menos importante de la refrigeración es la incidencia de la misma sobre los productos refrigerados.

Hielo. El hielo ya no se utiliza en los refrigeradores modernos (el autor de más edad recuerda que en su juventud, una de las obligaciones diarias, era la compra de un trozo de hielo en la bodega de la esquina para la nevera), sin embargo sigue utilizándose en grandes cantidades en mercados, pescaderías, barcos de pesca. La nieve carbónica tiene una aplicación bastante limitada al uso de extintores contraincendios.

Deportes. Desde hace algunos años puede alargarse el periodo de utilización de una pista de esquí con el vertido de nieve artificial mediante una maquinaria específica que produce nieve artificial y la lanza sobre la pista. La única limitación a este técnica es el coste y la necesidad de bajas temperaturas. Las pistas de hielo artificial se obtienen haciendo circular una salmuera a baja temperatura por una red de tuberías situada debajo de la pista que se cubre con agua. De esta manera pueden practicarse unos deportes (patinaje sobre hielo y hockey sobre hielo) típicamente de invierno durante cualquier época del año.

1.8 Métodos frigoríficos

La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma “forzada” puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más temperatura. Debemos aclarar algunos conceptos:

Agente frigorífico. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o fluido. Si se trata de un fluido recibe el nombre de fluido frigorífico o refrigerante.

Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la definición. Algunos llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros prefieren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivo aprovechar el calor.

Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina frigorífica en verano y calefactora en invierno.

Carga frigorífica. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara o almacén frigorífico es la carga frigorífica. El calor por unidad de tiempo que debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorífica, que se mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aunque relacionadas.

Máquina frigorífica. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración. A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de compresión de vapor o máquina de absorción.

Principio frigorífico. Este concepto hace referencia al principio fundamental de refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.

Proceso o método frigorífico. Es el sistema para producir una refrigeración continua y práctica. Puede basarse en un principio frigorífico o varios.

Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético.

Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa.

Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario, por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorífica; el refrigerante de la máquina frigorífica que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el secundario.

Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigorífica. Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.

Los principios generales de refrigeración son:

a) Elevación de la temperatura de la sustancia refrigerante (efecto sensible)

Si disponemos de una sustancia a menor temperatura que la carga que deseamos enfriar aquella enfriará la carga aumentando su temperatura. En este sentido es frecuente la utilización de aire frío o agua fría para enfriar un recinto.

b) Cambio de fase de la sustancia refrigerante (efecto latente)

Si un sólido pasa a líquido absorbe calor y el proceso se llama fusión. Si un líquido pasa a gas también se absorbe calor y el proceso se llama evaporación. La fusión y la evaporación pueden utilizarse para enfriar y el efecto frigorífico consiguiente se llama latente. El calor por unidad de masa absorbido para producir el cambio de estado se llama calor latente de evaporación, fusión o sublimación. Así por ejemplo el calor latente de evaporación del agua (que varía con la temperatura) toma los valores indicados en la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Calor de evaporación del agua

c) Refrigeración termoeléctrica

En 1822, Seebeck descubrió que la unión de dos metales diferentes, a diferente temperatura, produce una fuerza electromotriz. Este fenómeno constituye el principio de un dispositivo de conversión directa de energía y también de un sensor utilísimo de temperatura, denominado termopar. Los metales corrientes generan una fuerza electromotriz muy pequeña, equivalente a unos pocos milivolts por grado de diferencia de temperatura pero con semiconductores pueden obtenerse voltajes de salida mucho mayores.

En 1834, Peltier, descubrió que el efecto Seebeck era reversible, es decir, que si se hace fluir una corriente eléctrica por un circuito formado por dos metales diferentes una de las soldaduras se calienta mientras que la otra se enfría. Igualmente si se utilizan materiales semiconductores, el efecto Peltier se incrementa con lo que es posible obtener un refrigerador basado en este fenómeno.

Los métodos frigoríficos que actualmente se consideran son (por orden de importancia):

El método de compresión de vapor. La idea fundamental del método es evaporar un líquido a baja presión para que absorba calor y condensarlo a alta presión para que ceda el calor extraído. Como habrá sido necesario comprimir el gas, el calor cedido incluirá el absorbido más la energía mecánica de compresión. Los elementos fundamentales de un ciclo de compresión de vapor son, el evaporador, el compresor, el condensador y un sistema de expansión que puede ser una válvula o un simple tubo capilar (en la figura 1.3 de la página siguiente, se ha representado un circuito simple de compresión de vapor).

Figura 1.3 Circuito frigorífico de compresión de vapor

Métodos de absorción. La máquina de absorción utiliza un ingenioso procedimiento para sustituir la compresión del vapor por la compresión de una disolución generalmente acuosa. Básicamente, se trata de absorber el vapor resultante del evaporador, diluirlo en un disolvente y comprimirlo. Posteriormente, se calienta la disolución comprimida para liberar el vapor y enviarlo al condensador. La absorción se realiza en un tanque o depósito denominado absorbedor, y el calentamiento y producción de vapor en otro denominado generador. La presencia inconfundible de estos depósitos, generalmente cilíndricos y situados uno encima del otro, confiere a la máquina de absorción su aspecto típico (ver figura 1.4). Existen dos ciclos básicos de absorción: el de amoníaco, que utiliza NH₃ como fluido frigorífico y agua como disolvente, y el de bromuro de litio, que utiliza agua como fluido frigorífico y una disolución de LiBr en agua como disolvente.

Figura 1.4 Esquema de principio de una máquina de absorción

La ventaja principal del método de absorción es la compresión de un líquido en lugar de un vapor. El consumo energético de esta operación es un gasto menor en la instalación, hasta el extremo que en muchas ocasiones ni siquiera se tiene en cuenta en los cálculos preliminares. La energía básica que consume la máquina de absorción es el calor que se proporciona al generador. El calor, aportado por un combustible, es una energía cara. No obstante, el calor recuperado (en realidad deberíamos referirnos a la entalpía), procedente de los humos de escape de una turbina de gas o de los humos de una caldera, es casi gratuito. Esta es la gran posibilidad que hace atractiva la máquina de absorción. La máquina de absorción puede ser el complemento valioso de una instalación de cogeneración, en la que se produce simultáneamente calor y electricidad. El calor puede utilizarse como fuente energética de la máquina de absorción. El objetivo prioritario de la instalación de cogeneración es la producción de electricidad; el calor se obtiene de la entalpía de los gases de escape de la turbina de gas o del motor de combustión, por lo que en cierto sentido, podemos hablar de una fuente energética gratuita, en este caso, para la máquina de absorción.