Departamento de Formación formacion.iad.ctcd@juntadeandalucia.es DOCUMENTACIÓN 200607101 APLICACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN LAS INSTALACIONES TÉRMICAS DE PISCINAS CUBIERTAS Dimensionamiento de las instalaciones *** JUAN CARLOS DURÁN Director Andalucía de Sedical Sevilla 3 de noviembre de 2006
13 Deshumidificadoras El aire Composición del aire En la parte baja de la Troposfera, hasta unos 6 km, la composición del aire se mantiene casi invariable siendo una mezcla de aire seco, vapor de agua y elementos en suspensión (polvo, humos, bacterias, etc.) Aire seco El aire seco es una mezcla de diversos gases con la composición normalizada (DTIE 3.01) siguiente: DTIE: Documentos Técnicos de Instalaciones en la Edificación Composición del Aire Seco Atmosférico Sustancia % en volumen Sustancia % en volumen Nitrógeno 78,084 Neón 0,001818 Oxigeno 20,9476 Helio 0,000524 Argón 0,934 Anhídrido sulfuroso 0,000208 Anhídrido carbónico 0,0314 Metano 0,0002 Hidrógeno 0,00005 Xenón, Kriptón y otros 0,0002 Aire húmedo Composición: Aire seco + vapor de agua.
23 Deshumidificadoras Aire húmedo Aire seco Oxígeno O 2 Nitrógeno N 2 Gases nobles Misma proporción de sus constituyentes básicos Aire húmedo Vapor de agua Aporte variable f (ΔPv) Ejemplo: Aire a 22 C/60% Hr a nivel del mar contiene 9,9 g/kg as
Contenido de humedad g de agua / kg de aire seco Zona de 33 Deshumidificadoras Condiciones del aire húmedo Φ (100%) Zona de aire Diagrama psicrométrico Φ (%) sobresaturado Presión barométrica: 101,32 kpa 0 m sobre el nivel del mar h (kj/kg as) Humedad relativa % W (g/kg as) Corrección de entalpía Aire húmedo Curva de saturación Temperatura seca Tr Th Ts ve (m³/kg as)
12Definiciones Temperatura seca (Ts): Temperatura que registra un termómetro ordinario ( C BS) Temperatura húmeda (Th): La temperatura que indica un termómetro cuyo bulbo está cubierto por una mecha húmeda y expuesto a una corriente rápida de aire. ( C BH) Temperatura de rocío (Tr): La temperatura a la cual empieza la condensación de humedad cuando el aire se enfría. Entalpía (h): Cantidad de calor contenida en el aire, contada a partir de los 0 C (kj/kg as; kcal/kg as) Corrección de entalpía (Δh): Cualquiera que sea la temperatura considerada, la entalpía arriba mencionada se da en saturación. Para el aire no saturado, se tendrá que corregir utilizando la línea de corrección de entalpía, en casos en los que sea necesaria una gran precisión. En casos normales de acondicionamiento de aire se puede prescindir de dicha corrección. Igual que la entalpía, viene expresada en kj/kg as, o kcal/kg as. Volumen específico (ve): Los m³ de aire húmedo que corresponden a 1 kilo de aire seco (m³/kg as) Kilos de aire seco (kg as): Constituyen la base de todos los cálculos psicrométricos, y permanecen constantes durante todos los procesos. La temperatura seca, húmeda y de rocío y la humedad relativa están relacionadas en forma tal que cuando se conocen dos de ellas se pueden determinar las restantes. Cuando el aire está saturado las temperaturas seca, húmeda y de rocío, son iguales.
22Definiciones Humedad específica o contenido de humedad (W): Es el número de gramos de vapor de agua por kilo de aire seco (g/kg as). Humedad relativa Hr% (Φ): Relación de la presión parcial del vapor de agua contenido en el aire (Pv) y la presión parcial de saturación (Pvs) a la misma temperatura. ( Pv ) Φ (%) = 100 Pvs Ts=cte Para las temperaturas (0 40 C) que se utilizan en aire acondicionado: ( W ) Φ (%) 100 GS = 100 Ws Ts=cte GS: Grado de saturación Ws: Contenido de humedad en saturación Ts: Temperatura de bulbo seco
15 Deshumidificadoras. Balance de la deshumidificación 27 C / 65% Hr Daw 25 C Aporte de agua si la humedad absoluta exterior es superior a la interior
25 Deshumidificadoras. Balance energético del agua 27 C / 65% Hr Convección Evaporación 680 Wh/kg vapor Radiación Noche Día Superficie acristalada Daw ~ 770 Wh/kg vapor Transmisión (2) 10 C 25 C Red ~10 C (1) ~17,4 Wh/kg vapor Renovación: 2 5 % del volumen del vaso al día (1) El suplemento medio de energía que aportamos es: 770 (680 + 17,4) 73 Wh/kg vapor (2) El RITE permite el empleo de energía convencional solamente en piscinas situadas en locales cubiertos (ITE 10.2.1.1)
35 Deshumidificadoras. Balance energético del aire Invierno 0 C 27 C / 65% Hr José Garrido / Oct 2003 25 C Daw (1) M (1) El RITE permite el empleo de energías convencionales solo para contrarrestar las pérdidas de calor y calentar el caudal mínimo de ventilación (ITE 10.2.1.3)
45 Deshumidificadoras. Balance energético del aire Verano 35 C 37 C / 65% Hr Daw 25 C M Tª ext. < tª int. > 27 C: Ventilación máxima posible
55 Deshumidificadoras. Balance energético del aire Verano 40 C 28 30 C / 65% Hr Superficie acristalada Daw 25 C M
113 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación La cantidad de agua a eliminar será igual a la cantidad de agua aportada al aire en las condiciones nominales Agua aportada al aire...... del vaso de la piscina, en función de: La diferencia de presión parcial del vapor de agua en saturación en la superficie del agua f (tª agua), y en el ambiente. En el cálculo empírico se utiliza la diferencia del contenido de humedad en la superficie del agua y en el aire ambiente, ambos en las condiciones de trabajo. La superficie del vaso de la piscina. La agitación del agua (número de personas y actividad). La velocidad del aire en la superficie del agua. Las proyecciones de agua al exterior del vaso... de las personas (secado, transpiración y respiración).... del aire exterior de renovación (verano en zonas costeras, húmedas y cálidas).
213 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación La cantidad de agua a eliminar será igual a la cantidad de agua aportada al aire en las condiciones nominales 27 C / 65% Hr 25 C
313 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de la ΔPv entre el aire en la superficie del agua y el aire ambiente Aire a 27 C / 65% Hr (Pv = 2,31 kpa) Aire a 25 C / 100% Hr (Pv = 3,16 kpa) Presión parcial de vapor Pv (kpa) 100% w (gr/kg as) 26 C 25 C ΔPv 3,36 3,16 2,45 2,31 65% 21,35 20,08 15,47 14,57 Δw Evaporación = f (ΔPv) 25 26 27 28 C
413 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de la superficie del vaso de la piscina S (m²)
513 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de la agitación del agua (número de personas y actividad) Máximo: 0,1 a 0,2 personas/m² (10 a 5 m²/persona)
613 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de la velocidad del aire NO V < 0,12 m/s ITE 10.2 (Comentarios al RITE)
713 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de las proyecciones de agua al exterior y superficie de playa Salpicaduras Zona de playa mojada Zona de playa mojada
813 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación en función de las personas (secado, transpiración y respiración) Respiración en reposo (0,1 kg/h persona) Secado Transpiración Secado: Número de personas en la playa (N): 5% de la superficie de la lámina de agua (Sw) N = 0,05 x Sw Superficie media del cuerpo de una persona: 1,7 m² (1,8 para hombres y 1,6 para mujeres) Superficie de secado Sp = 1,7 N = 1,7 x 0,05 x Sw = 0,085 Sw Temperatura media cuerpo húmedo: 35 C
913 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación del aire exterior de renovación Influencia de la temperatura y humedad del aire de renovación El aire exterior de renovación aporta una cierta cantidad de agua que es función de su temperatura y humedad relativa Aire a 27 C / 65% Hr... 14,57 g/kg aire Aire aprox. 20 C / 99% Hr... 14,57 g/kg aire Con temperatura exterior 20 C y cualquier humedad relativa, el aire exterior no aumenta la humedad interior. Con aire exterior de renovación a una temperatura > 20 C, podemos aumentar o reducir la humedad interior en función de la humedad relativa del aire exterior. Resumen Invierno (aire exterior 20 C) El aire de renovación favorece la deshumidificación Verano (aire exterior > 20 C) El aire de renovación favorece o perjudica la deshumidificación en función de su temperatura y Hr % Todos los datos anteriores están dados para las condiciones nominales interiores, esto es: Aire ambiente interior: 27 C / 65% Hr Instalación a nivel del mar
1013 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación Influencia de la temperatura y humedad del aire de renovación Psicrométrico Presión barométrica: 101,32 kpa 0 m sobre el nivel del mar
1113 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación Influencia de la temperatura y humedad del aire de renovación Ejemplo: Piscina en Valencia Condiciones exteriores de proyecto Aire exterior de renovación Temperatura seca: 32 C Humedad relativa: 68% Entalpía: 84,7 kj/kg a.s. Cont. de humedad: 20,52 g/kg a.s. Temp. húmeda: 27 C Temp. de rocío: 25,4 C Volumen específico: 0,893 m³/kg a.s. Densidad del aire: 1,143 kg/m³ Psicrométrico Presión barométrica: 101,32 kpa 0 m sobre el nivel del mar Entalpia kj / kg de aire seco -10-5 0 5 10 15 20 25 30 40 35 45 50 55 60 65 70 75 80 Humedad relativa % 100 90 80 70 60 50 40 24 85 Aire interior Aire Aire exterior exterior 22 20, 52 18 16 14,57 12 10 8 6 4 2 Contenido de humedad g de agua / kg de aire seco -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura seca C
1213 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación Influencia de la temperatura y humedad del aire de renovación Ejemplo: Piscina en Valencia Dimensiones: 25 x 12 = 300 m² Ocupación máx.: 60 personas Aire exterior de renovación: 2.160 m³/h Condiciones interiores: Aire: 27 C / 65% Hr, W int = 14,57 g/kg as Agua: 25 C Evaporación máx. interior: 69 kg/h Sin otra consideración, la Daw se seleccionará para: 69 kg/h Condiciones exteriores de proyecto para Valencia en verano Aire exterior: Humectación con el aire de renovación 32 C / 68% Hr W ext = 20,52 g/kg as v e = 0,893 m³/kg as 2.160 m³/h x (20,52-14,57) g/kg as 0,893 m³/kg as = 14.391,9 g/h = ~14,4 kg/h En este ejemplo, la capacidad de deshumectación hay que aumentarla un 20,8% (69 + 14,4 = 83,4 kg/h) si mantenemos las condiciones del aire interior a 27 C / 65% Hr
1313 Deshumidificadoras. Consideraciones en el cálculo de las necesidades de deshumidificación Influencia de la temperatura y humedad del aire de renovación En la práctica, dejando subir la temperatura del aire interior, por ejemplo a 28 C manteniendo el 65% Hr (W int = 15,47 g/kg as) tenemos: La ΔPv se reduce, por tanto, disminuye la evaporación máxima interior a 57 kg/h (en este ejemplo). La Δw entre el aire exterior e interior se reduce: Δw = W ext W int = 20,52 15,47 = 5,05 g/kg as 2.160 x 5,05 Humectación exterior = = 12.215 g/h = 12,2 kg/h 0,893 La capacidad de deshumectación de la Daw aumenta ligeramente (~2%) Necesidad de deshumectación: 57 + 12,2 = 69,2 kg/h Conclusión En este ejemplo, si dejamos que la tª interior en verano suba a 28 C manteniendo la misma humedad relativa (65%) no es necesario aumentar la capacidad de deshumectación de la máquina, que será 69 + 2% = 70,4 kg/h. En la práctica en verano, si se climatiza el ambiente se trabaja a una tª como mínimo de uno o dos grados superior a la de invierno.
PARÁMETROS A CONTROLAR EN UNA PISCINA - Temperatura del aire - Humedad relativa del aire - Temperatura del agua TEMPERATURA DEL AIRE Qué influye para que ésta suba o baje? - La temperatura exterior, fundamentalmente - La transferencia con el agua del vaso por convección - Las ganancias solares, por ocupación, luces HUMEDAD RELATIVA DEL AIRE Qué influye para que ésta suba o baje? - Sobre todo, la evaporación del agua del vaso de piscina - Las aportaciones por evaporación y sudoración de ocupantes - La humedad del aire exterior TEMPERATURA DEL AGUA Qué influye para que ésta suba o baje? - Las pérdidas por evaporación - Las pérdidas o ganancias por convección - Las pérdidas por renovación de agua - Las pérdidas por conducción a muros
CONCLUSIONES NO HAY MEJOR ENERGÍA QUE LA QUE NO SE CONSUME Cómo se consiguen ahorros energéticos importantes?: Con una manta térmica: Una piscina con gente nadando evapora alrededor de 0,25 kg de agua/h/m 2, y sin gente sigue evaporando algo menos de la mitad, unos 0,10. O sea, o se cubre la lámina de agua con manta o no se puede parar la instalación de deshumectación NUNCA. Con cerramientos bien aislados: Temperatura ambiente de entre 26 y 28 ºC, y largos períodos de funcionamiento. Con recuperadores de energía para el aire exterior Por las 2 mismas razones del punto anterior. Con una instalación de control que permita: Implementar horarios de períodos de uso y de no ocupación. Ajustar la renovación de aire exterior al nivel de ocupación y de humedad interior. Conectar equipos sólo cuando son necesarios. Empleo de energías renovables Consideraciones sobre energía solar del CTE. Estas instalaciones se pueden resolver con calor (BIOMASA) y aire exterior.