INTRODUCCIÓN A LA CLIMATIZACIÓN Carlos Naranjo Mendoza 20 de agosto del 2014
AGENDA 1. Importancia de la climatización Historia: Cómo mantenían condiciones de confort antiguamente? Rol del ingeniero en sistemas de climatización 2. Confort térmico Fisiología Variables que afectan el confort térmico Temperatura operativa Gráfico de confort de la ASHRAE Calidad del aire y ventilación 3. Normas de climatización ASHRAE Fundamentals ASHRAE 90.1 ASHRAE 55 CIBSE
AGENDA 1. Importancia de la climatización Historia: Cómo mantenían condiciones de confort antiguamente? Rol del ingeniero en sistemas de climatización 2. Confort térmico Fisiología Variables que afectan el confort térmico Temperatura operativa Gráfico de confort de la ASHRAE Calidad del aire y ventilación 3. Normas de climatización ASHRAE Fundamentals ASHRAE 90.1 ASHRAE 55 CIBSE
HISTORIA La necesidad de tener ambientes confortables es tan antigua como la especie humana. Pájaros construyen nidos, conejos habitan en hoyos, termiteros tienen un diseño eficiente. Los mejores diseños pasivos han sido inspirados en las viviendas naturales de los animales.
HISTORIA
HISTORIA Los niveles aceptables de confort térmico han variado a lo largo del tiempo: calidad de vida de las personas. El uso de sistemas de climatización (sistemas HVAC) inició con el desarrollo de los primeros equipos de refrigeración mecánica a inicios del siglo XX. La instalación de sistemas centralizados data desde los años 60 s, mientras que las medidas de eficiencia energética se empiezan a impulsar con la crisis de petróleo en los 70 s.
ROL DEL PROFESIONAL EN HVAC El objetivo de un diseño racional es de asegurar un ambiente placentero, confortable, seguro, etc. El diseño de un edificio debe tener coordinación entre el equipo de arquitectos e ingenieros en donde cada quién tiene diferentes responsabilidades. Un profesional en sistemas de climatización debe encargarse de: Dimensionamiento de equipos, Integración de los sistemas Control de los sistemas Con el fin de asegurar el confort térmico de los ocupantes
ROL DEL PROFESIONAL EN HVAC El proceso de diseño de un sistema de climatización incluye: Cálculo de cargas térmicas: calefacción, refrigeración y ventilación Cálculo de cargas pico para satisfacer las demandas en condiciones climáticas extremas Especificar el equipo y los sistemas a utilizar así como la configuración del sistema Cálculo del comportamiento del sistema a nivel anual Cálculo de costos
ROL DEL PROFESIONAL EN HVAC Los profesionales en sistemas de climatización tienen un mayor campo de trabajo en el diseño de sistemas para edificios comerciales que residenciales. La razón es que los edificios comerciales son más grandes y sus sistemas de climatización más complejos. Lograr un rendimiento óptimo en los sistemas es fundamental: tarifas más elevadas que en el sector residencial, mayor volumen de consumo energético. Los edificios comerciales más complejos tienen diseños personalizados de sistemas de climatización, mientras que para el sector residencial los sistemas se son de producción en masa.
AGENDA 1. Importancia de la climatización Historia: Cómo mantenían condiciones de confort antiguamente? Rol del ingeniero en sistemas de climatización 2. Confort térmico Fisiología Variables que afectan el confort térmico Temperatura operativa Gráfico de confort de la ASHRAE Calidad del aire y ventilación 3. Normas de climatización ASHRAE Fundamentals ASHRAE 90.1 ASHRAE 55 CIBSE
CONFORT TÉRMICO El confort térmico depende de varios fenómenos complejos muy objetivos, pero también de percepciones muy subjetivas. Los profesionales en climatización necesitan condiciones de diseño objetivas que aseguren aceptabilidad por la mayoría de los ocupantes. La base física del confort térmico de una persona se basa en el balance de calor de su cuerpo con el medio ambiente: conducción, convección, radiación, evaporización, respiración. Temperatura media del cuerpo humano 36.7 C
CONFORT TÉRMICO: fisiología El calor producido por el metabolismo del cuerpo humano debe ser disipado al ambiente. Si la tasa de intercambio de calor es mayor que la tasa de producción de calor el cuerpo se enfría, si es menor el cuerpo se calienta. Problema complejo que incluye transferencia de calor en estado transitorio. Existen estándares que facilitan esta tarea.
CONFORT TÉRMICO: fisiología La producción total de energía del cuerpo humano esta representada por: A sk representa la superficie de la piel M representa la tasa de producción metabólica del cuerpo humano expresado por área en unidades de met 1 1 Jesus Soto, Tasa de actividad metabólica
CONFORT TÉRMICO: fisiología Ejemplo: considerando una actividad ligera de oficina cuál es la producción de energía de una persona promedio? La mayoría de actividades interiores en edificios de oficina generan una producción de energía entre 90 y 120 W (por persona). Para simplificar cálculos se considera que toda la producción de energía se transfiere al ambiente. Temperatura del cuerpo se asume constante.
CONFORT TÉRMICO: variables Los parámetros más importantes para definir un ambiente son: Temperatura seca del aire Temperatura media radiante Humedad del aire Velocidad del aire Vestimenta Actividad Estos parámetros (a excepción de la actividad) pueden ser modificados para mantener confort térmico a un menor consumo energético posible. Variar temperaturas de consigna de los sistemas para calefacción y para refrigeración
CONFORT TÉRMICO: variables Temperatura seca del aire: medida en los lugares de ocupación Temperatura media radiante: temperatura superficial que influye en un punto dado Humedad del aire: humedad relativa, temperatura bulbo húmedo Velocidad del aire: 0.2 m/s (espacios sin ventilación natural) 1 Vestimenta: unidad de medida clo, desde 0.5 (verano) a 1 (invierno) Actividad: tasa metabólica 1 ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004
CONFORT TÉRMICO: temp. operativa La temperatura operativa es la que define los rangos aceptables de confort para valores dados de humedad, velocidad del aire, actividad y vestimenta. La temperatura operativa considera la combinación de la temperatura del aire y temperatura media radiante a la cual se puede mantener confort térmico. Para actividades de oficina en interior se reduce a: h rad = 4.7 W/m2 C h con = puede variar entre 4 y 14 W/m2 C dependiendo de la velocidad del aire y la actividad. 1 1 ASHRAE, Handbook of fundamentals, Chapter 9: Thermal Confort
CONFORT TÉRMICO: rangos ASHRAE Para una velocidad del aire de 0.2 m/s Límites de clo de 0.5 y 1 Índice de humedad: masa de vapor de agua sobre masa de aire seco, 0.012 ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004
CONFORT TÉRMICO: rangos ASHRAE Aceptabilidad: varía de persona a persona por ser subjetivo ASHRAE definió una escala de sensación térmica +3 Muy caliente +2 Caliente +1 Poco caliente 0 Neutro -1 Poco frío -2 Frío -3 Muy frío No se puede lograr que el 100% de los ocupantes estén satisfechos Los profesionales en climatización deben asegurar satisfacer a la mayoría de los ocupantes. ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004
CONFORT TÉRMICO: rangos ASHRAE Los rangos de temperatura pueden variar si la velocidad del aire incrementa. Existen modelos de confort adaptativo ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004
CONFORT TÉRMICO: calidad del aire La calidad del aire es primordial no solo por el confort de los usuarios sino también para asegurar la salud y productividad de los mismos. Síndrome del edificio enfermo: contaminación interior, disminución en la productividad. Usualmente, una cantidad mínima de aire fresco es lo único necesario para garantizar la calidad del aire. ASHRAE 62, define límites máximos aceptables de contaminantes de aire. Dióxido de carbono CO2: producto del metabolismo, se recomienda que no sea 700 ppm más que la concentración exterior (350 ppm promedio)
CONFORT TÉRMICO: calidad del aire Monóxido de carbono CO: producto de una combustión incompleta, afecta a la hemoglobina. Máximo 9 partes por millón durante 8 horas. Dióxido de sulfuro SO2: producto de la combustión de carbón o diesel, afecta al sistema respiratorio. Para mantener la calidad del aire la ASHRAE recomienda una calidad de aire fresco mínimo de 15 pies cúbicos por minuto (cfm) por persona en zonas de oficinas. Estos rangos pueden variar según la utilidad de la zona: 20 cfm en salas de conferencia y comedores 50 cfm en lugares públicos, baños 60 cfm en salas de fumadores Control puede hacerse según la concentración de CO2
AGENDA 1. Importancia de la climatización Historia: Cómo mantenían condiciones de confort antiguamente? Rol del ingeniero en sistemas de climatización 2. Confort térmico Fisiología Variables que afectan el confort térmico Temperatura operativa Gráfico de confort de la ASHRAE Calidad del aire y ventilación 3. Normas de climatización ASHRAE Fundamentals ASHRAE 90.1 ASHRAE 55 CIBSE
NORMAS DE CLIMATIZACIÓN Sirven de guía y de respaldo acerca de la implementación de equipos de climatización en edificaciones. Sirven además, como respaldo de los criterios a considerar en el diseño de sistemas de climatización. Este tipo de normas ayudan a facilitar cálculos y ahorran tiempo en el proceso de diseño de un sistema, asimismo, establecen parámetros típicos de las principales variables que afectan el diseño de un sistema de climatización. Normas comúnmente empleadas: ASHRAE: Fundamentals, Standard 55, Standard 90.1 CIBSE: Guía B, sistemas HVAC
NORMAS: ASHRAE Fundamentals Es una de las normas más completas en lo que es climatización. Cuenta con 39 capítulos divididos en 7 temáticas: 1. Principios: psicrometría, refrigeración, transferencia de calor y masa, etc. 2. Calidad ambiental interior: confort térmico, contaminantes, olores, etc. 3. Cálculo de cargas térmicas y demanda energética: modelos de cálculo de cargas de refrigeración y calefacción, ganancias solares, ventilación e infiltración, etc.
NORMAS: ASHRAE Fundamentals 4. Diseño de sistemas HVAC: puntos de difusión de aire, diseño de ductos, diseño de tuberías, aislamiento de los sistemas, etc. 5. Envolvente del edificio: Control de calor, flujo de aire y humedad en edificios, materiales de la envolvente. 6. Materiales: Combustibles, refrigerantes, absorbentes y desecantes, etc. 7. General: Recursos energéticos, sostenibilidad, mediciones e instrumentación, etc. Norma muy completa, indispensable en los profesionales de climatización.
NORMAS: ASHRAE 90.1 Estándar energético para edificaciones (excepto edificios residenciales de baja altura). Desarrollada en colaboración con IESNA (iluminación) y ANSI (norma nacional). Sirve para proveer de requerimientos mínimos de eficiencia energética para edificaciones que no sean residenciales de baja altura, se basa en requerimientos mínimos para: Nuevos edificios y sistemas Remodelaciones de edificios y sistemas Nuevos sistemas y equipos en edificios existentes
NORMAS: ASHRAE 90.1 Los requerimientos de esta norma se enfocan en: Envolvente de los edificios Sistemas y equipos de edificaciones: sistemas HVAC, agua caliente sanitaria, distribución eléctrica y mediciones, motores eléctricos, iluminación. La norma no aplica para edificaciones de una sola familia, multifamiliares de menos de 3 pisos, edificaciones móviles y modulares; edificios q no usen electricidad o gas; edificaciones industriales que usen energía para procesos industriales.
NORMAS: ASHRAE 90.1 Los temas más importantes que trata esta norma se enfocan en: Envolvente de la edificación: define tipos de materiales óptimos según la zona climática donde se encuentre la edificación. Incluye materiales opacos y acristalados. Se definen 7 zonas con tres tipos de climas cada uno: húmedo, seco y marino. Tener precaución con el uso de estas zonas. Sistemas HVAC: Define diferentes tipos de sistemas de climatización que se pueden usar según la zona climática, la carga pico, coeficientes de rendimiento mínimos según la carga pico, métodos de control, etc. Iluminación, agua caliente, equipos eléctricos.
NORMAS: ASHRAE 55 Estándar para ambientes térmicos para ocupación humana. El objetivo de esta norma es especificar condiciones aceptables de confort térmico para la mayoría de los ocupantes de una edificación. Se basa en la combinación de factores ambientales interiores (temperatura, humedad y velocidad del aire) y factores personales (aceptabilidad). La norma se enfoca en: Requerimientos mínimos de confort Evaluación de confort térmico Medición de las variables de confort Niveles de actividad
NORMAS: ASHRAE 55 Aislamiento por el tipo de vestimenta Cálculo de la temperatura operativa Encuestas a los ocupantes sobre la sensación de confort térmico Modelos de confort adaptativo Rangos de confort para espacios naturalmente ventilados Rangos de confort para diferentes velocidades interiores del aire El confort térmico es un tema fundamental que todo profesional en climatización debe tratar, el fin es satisfacer los requerimientos de la mayoría de los ocupantes.
NORMAS: CIBSE Guía B Calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración. Consta de 5 secciones: Calefacción: estrategias de diseño, selección de equipos, combustibles, dimensionamiento de chimeneas, ejemplos de cálculos, etc. Ventilación y aire acondicionado: requerimientos, sistemas, equipos, psicrometría, etc. Ductos: estrategias de diseño, selección de sistemas, materiales, montaje, ensayos mantenimiento. Refrigeración y expulsión de calor: estrategias de diseño, requerimientos, selección de sistemas, equipos, refrigerantes, etc. Ruido y vibración: control, niveles permitidos, etc.
Bibliografía http://greenpassivesolar.com/2010/04/chaco-canyon/ Keeping cool before air conditioning, 2013 http://www.swide.com/art-culture/history/howancient-cultures-used-natural-methods-kept-coolbefore-air-conditioning/2013/07/20 http://www.solaripedia.com/13/407/iranian_ice_house s_were_early_refrigerators.html Handbook, ASHRAE Fundamentals. "American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers." Atlanta, GA (2009). Standard, ASHRAE "Standard 90.1-2004." Energy standard for buildings except low-rise residential buildings (2004).
Bibliografía Standard, ASHRAE "55: Thermal environmental conditions for human occupancy." American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta (2004). CIBSE Guide B. "ventilating, air conditioning and refrigeration, 2005."The Chartered Institution of Building Services Engineers London. Kreider, Jan F., Peter Curtiss, and Ari Rabl. Heating and cooling of buildings: design for efficiency. New York: McGraw-Hill, 2010.