ARTÍCULO TÉCNICO CLIMATIZACIÓN MEDIANTE DOBLE PARED TÉRMICA

Transcripción

1 ARTÍCULO TÉCNICO Este artículo presenta un nuevo sistema: climatización mediante doble pared térmica, que nace de la patente Aislamiento Térmico Forzado en Inteligente, P y fecha de publicación en el BOPI 27 de Noviembre de CLIMATIZACIÓN MEDIANTE DOBLE PARED TÉRMICA El sistema de climatización más eficiente es la bomba de calor. Una bomba de calor puede tener múltiples formas y mecanismos para absorber energía del exterior (geotermia, aerotermia, torres de refrigeración) y entregarlo al interior climatizado (aerotermos, suelo radiante, techo refrescante, radiadores o split convencional Gas-Aire). El éxito está en encontrar también los mecanismos de intercambio más eficientes. La eficiencia de una bomba de calor depende sólo y exclusivamente de las temperaturas a las que trabaja (sin entrar en rendimientos mecánicos propios de cualquier máquina). El parámetro que lo mide es el Coefficient of performance, COP. Se sabe que a mayor diferencia de temperatura entre su lado de condensación y evaporación (temperaturas más lejanas) menor eficiencia o COP. El COP teórico y máximo viene definido, entre otras, por la siguiente ecuación 1 para el caso de refrigeración (dual al de calefacción): Siendo: El COP máximo teórico depende sólo y exclusivamente de la diferencia de temperaturas a las que trabaja la máquina. Además, en términos de diseño, no es un parámetro de calidad directo tal y como se acostumbra verlo, es tan sólo un parámetro más que marca el objetivo al diseñar un sistema de climatización completo. Se puede diseñar con facilidad una bomba de calor con un COP muy alto, pero que transportará energía de un sitio a otro con temperaturas cercanas. Por ejemplo, las bombas de calor diseñadas para ampliar la temporada de baño de las piscinas, su coefficient of performance suele ser típico COP=6, mientras que en geotérmica hablamos de COP=4. El secreto está en que trabajan a temperaturas distintas. En cuanto a la eficiencia del sistema de climatización, su valor viene dado mediante la siguiente ecuación 2 : Siendo: ASHRAE Handbook, Fundamentals (SI), chapter 2,6; equation ASHRAE Handbook, Fundamentals (SI), chapter 2,3; equation 17 1

2 La diferencia entre ambos coeficientes está en que el teórico es calculado a partir de la temperatura del medio climatizado y la del foco exterior, y el real está calculado a partir de la temperatura de evaporación y condensación que se eligen a la hora de diseñar la máquina. Además se pueden incluir irreversibilidades y cuestiones de rendimiento mecánico. Estas temperaturas dependen de las necesidades de los mecanismos de intercambio entre, por ejemplo, el condensador y el medio exterior. La eficiencia real de sistema completo depende del COP teórico y de las temperaturas de condensación que se eligen a la hora de diseñar nuestra máquina. El COP teórico es determinante pero se puede actuar sobre él muy poco. Si se necesita climatizar una vivienda, con una consigna de 24ºC y en el exterior estamos a -4ºC, pocos parámetros se pueden tocar. En cuanto a las temperaturas de condensación y evaporación, que deberán ser superiores e inferiores al medio con que intercambian respectivamente, sobre ellas sí se puede actuar. Para ello es determinante elegir mecanismos de intercambio atendiendo a minimizar el gradiente térmico al que trabajan, con respecto al medio exterior y climatizado. Ilustración 1. Diagrama T-h ilustrando COP y Eficiencia para sistema de refrigeración En la ilustración 1 se muestra el sistema ejemplo para el cual se aplican las ecuaciones anteriores (un sistema de refrigeración) y que es totalmente dual a un sistema de calefacción por bomba de calor. En él se plasman las temperaturas a las que trabaja el circuito frigorífico de la bomba de calor (T 3 condensación y T 1 evaporación) la temperatura del medio refrigerado (T R) y temperatura del medio exterior (T 0). Paralelamente existen dos indicaciones del COP y la eficiencia que muestran de qué temperaturas depende cada una, con signo negativo porque es una relación inversa ya que a más diferencia de temperatura, menor eficiencia y COP. El objetivo es minimizar los gradientes de temperatura señalados con una exclamación, para acercar las temperaturas de la bomba de calor todo lo posible a las temperaturas del medio exterior y climatizado. Tras estudiar todos los sistemas se deduce que el mejor mecanismo de intercambio, por necesitar menor gradiente de temperatura para aportar la energía térmica necesaria para climatizar, es el muro térmico, también conocido como pared térmica o pared radiante 2

3 aunque el término radiante no es apropiado para superficies de baja temperatura (por muy extendido y cotidiano que sea el nombre suelo radiante ). A través de la red se pueden encontrar múltiples ejemplos de cómo es una pared térmica (misma filosofía que el suelo radiante, pero sobre la pared). Éste sistema además de tener la ventaja anteriormente citada en cuanto a eficiencia, resulta ser un mecanismo que aporta mayor sensación de bienestar en el interior climatizado y es completa y totalmente reversible (calefacción, refrigeración) a diferencia del suelo radiante. Desechando desde un principio los insalubres, incómodos y menos eficientes intercambiadores por aire forzado que su diseño parte de un gradiente de temperatura de 15-20ºC entre el condensador y el medio exterior y otros 15-20ºC entre el evaporador y el medio refrigerado (para el caso de refrigeración de un hogar con un equipo Split, dual para caso de calefacción), que en su conjunto hacen que el sistema parta de 30-40ºC de diferencia de temperatura entre el foco caliente T 3 y el foco frío T 1, a eso hay que sumar la diferencia de temperatura entre el medio exterior T 0 y el interior refrigerado T R. Ilustración 2, comparación sensación de bienestar entre pared térmica (izquierda) y suelo radiante (derecha). La presente invención dota a las construcciones, en primer lugar, de una pared térmica en toda la periferia del muro exterior que separa el espacio climatizado del exterior, que estará a una temperatura ligeramente superior o inferior a la del interior climatizado (según se quiera calentar o enfriar). Al ser el mecanismo de intercambio vertical es más potente que el suelo radiante (mejor mecanismo por convección) y se podrá respetar lo enunciado en la normal UNE-EN-1264 en cuanto a temperaturas máximas superficiales, y refrigerar evitando condensaciones. Ilustración 3, perfil con tabique de ladrillo como ejemplo de la disposición del sistema. Además de lo expresado en el párrafo anterior, la novedad consiste en instalar otra pared térmica idéntica a la que hay en la superficie interior, pero en la superficie exterior. Ésta superficie trabajará a temperaturas adecuadas para comportarse como captador de energía térmica. Si para aportar 1kcal al interior de la vivienda (por 3

4 ejemplo) hemos de elevar la temperatura de nuestra pared interior 1ºC por encima de la temperatura ambiente del interior climatizado, ésta energía será obtenida disminuyendo la temperatura superficial de la pared exterior en la misma medida por debajo de la temperatura exterior. El concepto de simetría garantiza la existencia de energía disponible. La bomba de calor entonces transportará energía desde la superficie exterior del muro, hacia el interior, o viceversa. El alma del muro está caracterizada por un buen aislamiento térmico y sus superficies están caracterizadas por una alta conductividad térmica. Éstas características garantizan facilidad de intercambio de las superficies con su medio adyacente (fuente exterior y climatizado), pero limitando el intercambio entre ellas. Analizando el principio de funcionamiento de un aislamiento perfecto se trata de aquel que consigue delimitar un espacio interior climatizado a diferente temperatura que el exterior y respecto de él, pero sin que exista circulación de energía térmica a través de él. Para ello es capaz de mantener dos temperaturas diferentes en sus dos superficies, pero minimizando la circulación de energía entre ambas. Lo anterior también se puede conseguir artificialmente controlando las temperaturas de ambas superficies, mecanismo muy barato porque, hablando en términos de salto térmico, se puede conseguir con una bomba de calor de eficiencia altísima (leves diferencias de temperatura) y convertirlo en un mecanismo de climatización forzando el intercambio térmico, para ellos se eleva o disminuye ligeramente sus temperaturas respecto de los medios con que intercambia (interior o climatizado). Gracias a que la diferencia de temperatura entre el medio y la superficie de la pared es muy pequeña (ya sea exterior o interior) no se eleva en exceso el intercambio entre ambas superficies del muro (pared exterior y pared interior) a través del aislamiento (como mucho un 25%), con la ventaja de que esta conducción no se consideran pérdidas de energía, se ha de considerar energía térmica recuperada puesto la bomba de calor la recirculará desde la superficie exterior (que actúa como sumidero de energía) hasta la superficie interior, con una eficiencia proporcional a la eficiencia del sistema, impidiendo que alcancen el exterior. Aplicando el factor de eficiencia del sistema resultará ser más ventajoso que un buen aislamiento estático en términos de aprovechamiento energético. Dicho razonamiento nace al aplicar las ecuaciones matemáticas que modelan un condensador eléctrico, análogamente al territorio de la ingeniería térmica. A nadie con una mínima formación se le ocurre decir que un condensador tiene un rendimiento bajo, o que a través del aislamiento que separa sus placas ocurre un cortocircuito, ya que este aislamiento es muy grande, y las diferencias de potencial a ambos lado de él son bajas. Por ejemplo, se eleva la conducción térmica por el aislamiento en un 25% (factor 1,25) porque se separan las temperaturas superficiales a ambos lado del muro, pero la eficiencia del sistema térmico que actúa sobre dichas temperaturas es de un 400% (factor COP= 4). La conducción entre ambos intercambiadores (superficies térmicas a cada lado del muro) está limitada por el aislamiento, por lo que será muy pequeña y el consumo energético 4

5 será más pequeño todavía. Además se eliminan las pérdidas por conducción a través del aislamiento térmico, como se decía antes, son recuperadas. Para finalizar, se enumeran las ventajas de instalar en una fachada un gran captador de energía térmica. Esta fachada ahora tendrá capacidad para obtener energía de múltiples fuentes: Aerotermia, del aire que entra en contacto con la superficie, mismo mecanismo por el que la pared interior cede la energía. Siempre habrá más intercambio en la superficie exterior ya que en el exterior el aire está en movimiento (viento). Solar térmica, los rayos solares que inciden sobre la superficie de nuestra fachada aportarán energía directamente a la misma, que además no se disipará al ambiente por conducción o convección (como ocurre en un colector solar) ya que ésta se encuentra (en invierno) a una temperatura ligeramente inferior a la del ambiente. Para evitar la incidencia solar en verano la fachada debe ser polarizada, sobre todo en aquellas caras orientadas al sur geográfico. Pluviotermia, energía térmica muy disponible que porta el agua de la lluvia y que intercambiará con la fachada al entrar en contacto con la misma. Higrotermia, se acostumbra ver la humedad y las condensaciones como un gran inconveniente en verano (tanto por insalubridad, evacuación de condensados, manchas, atranques y perdidas de energía latente de condensación). Ahora la fachada exterior (en invierno) se puede enfriar a una temperatura inferior al punto de rocío (que en invierno es alto porque la humedad relativa también lo está), y así provocar condensaciones sobre la fachada (es agua, como cuando llueve y se moja) que aportarán una importante cantidad de energía latente. Así se garantiza que siempre habrá más energía disponible e inagotable en el exterior que la necesaria para climatizar el interior (sobre todo se garantiza en términos aerotérmicos), a diferencia del pozo geotérmico con problemas de difusividad térmica del terreno, que puede llegar a agotarse en momentos de gran demanda de energía. De igual modo que otros sistemas con bomba de calor por agua, es compatible con sistemas de precalentamiento de agua caliente sanitaria, recuperación de energía por bomba de calor (la más eficiente) en procesos de ventilación, extracción y desagües o climatización para ampliar temporada de baño de piscinas (muy interesante aprovechar la inercia térmica de una piscina) entre otros. 5