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Cómo determinar la carga térmica

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Las variaciones de temperatura en el ambiente, el tipo de producto almacenado, así como su demanda son las directrices para el dimensionamiento de un equipo de refrigeración.


 

El dimensionamiento de refrigeradores, tanto domésticos como comerciales ha mejorado notablemente en los últimos años. Esto gracias a las nuevas tecnologías de compresión, nuevos refrigerantes, nuevos micromotores y controles más inteligentes, que permiten al ingeniero proyectar el refrigerador, así como considerar las más diversas condiciones y optimizar los componentes para lograr la mejor eficiencia térmica posible.

La primer tarea para dimensionar el refrigerador es entender todas las condiciones de trabajo al que éste podrá estar sujeto en su aplicación, como las variaciones de temperatura ambiente, el tipo de producto almacenado, la demanda de éste y otros factores que pueden ayudar a definir las características de los componentes, así como las principales condiciones de contorno del funcionamiento del refrigerador.

1. Temperatura ambiente
Al definir la temperatura ambiente en que se puede aplicar el refrigerador se está informando un punto importante para elegir el aislamiento del refrigerador, características del condensador, capacidad del compresor,  evaporador, capilar y otros, es decir, la temperatura del entorno es un factor que contribuye al incremento o disminución de la carga térmica del refrigerador.

2. Demanda del refrigerador
En el desarrollo de un refrigerador, los ingenieros tienen que considerar las condiciones extremas a las que un equipo comercial trabajará, como la demanda de productos, la temperatura ambiente, así como el tipo y condición del producto por ser refrigerado.

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En la Gráfica 1 se presentan las condiciones que se consideran cuando se determina la capacidad de refrigeración que un determinado aparato tiene que lograr para cumplir con los requisitos del especificador.

Normalmente, los refrigeradores trabajan en tres condiciones de aplicación: condición de alta carga térmica, conocida también como condición de proyecto; condición normal, y condición de baja carga térmica (condición especial).

La condición de alta carga térmica es la más extrema a la que un refrigerador puede trabajar. Y la que considera la más alta temperatura ambiente; es decir, el período del día con mayor venta de productos, y, por ende, con más apertura de puertas. Y, en condición extrema, el llenado del refrigerador con una carga de productos a temperatura ambiente.

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Para ilustrar esta variación, en la carga térmica representada en la Gráfica 2 se tiene un refrigerador para refrescos que en las dos primeras horas funciona en condiciones estables y las botellas se encuentran a una temperatura apropiada.

Así, donde hay una carga de 50 por ciento del total de las botellas, no hay apertura de puertas; sin embargo, al completar 2 horas se coloca el otro 50 por ciento de las botellas que estaban afuera del refrigerador, e ingresan con una temperatura de 40° C.

En la condición alta, la ingeniería determina tanto la capacidad del compresor  como sus dimensiones. Pero este refrigerador estuvo solamente 7 horas en dicha condición, y, consecuentemente, el proyecto está penalizando al refrigerador por tener que cumplir requisitos de alta carga, que normalmente no pasan de un 40 por ciento del tiempo total trabajado.

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Al dimensionar el refrigerador en condiciones de alta carga se elige un compresor de mayor capacidad, un condensador y evaporador con más área y volumen, más carga de refrigerante; por tanto, se incrementa el consumo energético del refrigerador.

3. Evaporador y condensador
Considerando el ejemplo anterior, cuando se puso 50 por ciento de los productos calientes dentro del refrigerador, el dimensionamento de los intercambiadores y del compresor considera la condición de alta carga, donde es muy representativo el calor por ser retirado del producto para que alcance la temperatura de comercialización, además de la entrada de aire caliente.

Producto = producto caliente colocado en el refrigerador + el producto interno que se calentó X el flujo de calor del ambiente externo para el interno
Aire = aire caliente que entra en el producto en el momento de la apertura de puertas
Internos = generación interna de calor  X  el micromotor, iluminación y otros componentes
Entradas = el calor que entra al refrigerador X el aislamiento X la puerta de vidrio X el proceso de compresión

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Para comprender mejor la influencia de esta variación de condición del equipo, se puede evaluar el proceso de refrigeración en el diagrama Ph (Gráfica 4), y visualizar cómo el incremento de temperaturas de evaporación y condensación generan componentes grandes y aumento en el consumo energético.

Todo el calor que está dentro del refrigerador o que está entrando es transportado al evaporador por el flujo de aire (generado por el micromotor), y, al pasar éste entre tubos y aletas, el calor es absorbido por el refrigerante que está en el evaporador.

Al analizar el diagrama Ph, se considera que el calor absorbido por el evaporador es definido por la expresión:

Q=m*(h2-h1)

Donde:

Q= Cantidad de calor absorbido en evaporador
m= Flujo másico de refrigerante (kg/s)
h1= Entalpía del refrigerante en la entrada del evaporador (J/kg)
h2= Entalpía del refrigerante en la salida del evaporador (J/kg)

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Para ilustrar el impacto del aumento de carga, se pone una carga térmica adentro del refrigerador. En la Gráfica 5 se muestra el comportamiento del evaporador en el momento exacto en el que se colocan la mitad de las botellas en el refrigerador a 40º C (la misma prueba de la Gráfica 2, pero ahora evidenciando las temperaturas del evaporador).

En la gráfica se representan las condiciones del evaporador momentos antes de poner la carga térmica (T1) y, pocos minutos después, las temperaturas de entrada y salida del evaporador en condiciones de carga alta.

Antes de incrementar la carga térmica se observaban temperaturas de entrada al evaporador de -5º C, y pasados 30 minutos por el orden de 15º C, una variación de 20º C que genera un cambio de la entalpía (h1 y h2) y también un incremento fuerte del flujo másico (m) del sistema de refrigeración.

Después de definir un evaporador que pueda absorber todo el calor de una condición de plena carga y confirmar que el compresor elegido tiene capacidad suficiente para esta condición, se verifica qué condensador es el adecuado.

El condensador es una consecuencia a lo anterior, pues tiene que rechazar todo el calor absorbido en el evaporador, más parte del calor generado en el proceso de compresión.

4. Proyectos regulares
Todo lo mencionado posee algunas simplificaciones, pero es evidente que el refrigerador trabaja en condiciones variables y que se aplican componentes que no tienen la capacidad de cambiar su modo de trabajo para que siempre dé el mejor performance posible, porque, en las condiciones normales, la ingeniería define un conjunto de componentes que sea bueno en plena carga y en condiciones estables, pero no logra la excelencia en ninguna de las condiciones.

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5. La tecnología
Debido a las variaciones, no es posible emplear dos compresores, pero se pueden aplicar tecnologías como los compresores de velocidad variable que permiten bajar o aumentar la capacidad de refrigeración. No se usan dos evaporadores o condensadores porque no se podría emplear un micromotor con capacidad variable que pueda interaccionar con el compresor.

En la Gráfica 7 se muestra la temperatura de entrada del evaporador del mismo refrigerador de botellas, con un compresor de velocidad variable, donde se percibe que la temperatura de evaporación no es la misma, pero las botellas están a igual temperatura.

Esta variación de la temperatura de la entrada del evaporador es una de las consecuencias de la aplicación de un compresor de capacidad variable, puesto que el compresor varía su capacidad, pero el evaporador, el condensador, el capilar (si es el caso) y los micromotores son los mismos.

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En la Gráfica 7 se representa la misma comparación, pero ahora con la variación de la temperatura del condensador, y se percibe que el compresor de velocidad variable, cuando baja su velocidad, trabaja en condensaciones más bajas.

Las dos últimas gráficas indican que, al aplicar una solución de alta tecnológica, como un compresor de capacidad variable, se puede mejorar toda la eficiencia del refrigerador y buscar otras mejorías, como válvulas de expansión y micromotores que puedan disminuir los efectos en los intercambiadores de la variación de la capacidad de refrigeración, aplicando un control inteligente que pueda administrar todas estas variaciones.

Optimizar espacios para mejorar la salud

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Los criterios para que un proyecto logre ofrecer espacios adecuados, con buena calidad ambiental, se ha convertido en un tema que va más allá de la productividad y el beneficio empresarial, pues diversos estudios muestran que mejoran considerablemente la salud de los usuarios

 

Al referir el término Calidad de Ambiente Interior se alude a aquellos componentes que integran un espacio cerrado: el mobiliario, el tipo de vidrio, el aire y la calidad de la iluminación, entre otros; sin embargo, en muchas ocasiones no se ahonda sobre algunos criterios importantes que destacan en la importancia de éste en cada una de las fases del desarrollo de un proyecto: desde su diseño, hasta la ocupación del edificio.

De manera general, al hablar de ambientes interiores pensamos en espacios confortables, pero no suele reconocerse que los ambientes interiores no se limitan a este tipo de áreas, sino que cualquier aforo interior es un ambiente.

Ahora bien, la mayoría de las personas pasan alrededor del 80 por ciento del tiempo en ambientes interiores; es decir, se encuentran expuestos a químicos de limpieza, virus transmitidos por el aire y componentes orgánicos volátiles de diferentes pinturas, adhesivos y selladores que emiten algún tipo de tóxico nocivo para su salud; por ello, resulta urgente cuidar la calidad del aire al interior de los espacios.

Un estudio publicado recientemente por el World Green Building Council (WGBC) indica que una empresa tiene una distribución de gastos que se puede resumir de la siguiente manera:

  • 1 % del presupuesto se emplea para pagar los costos de consumo energético de sus instalaciones
  • 9 % se destina al pago de rentas o alquiler de los espacios donde se ubican
  • 90 % se dedica a los salarios de los trabajadores

Tales datos arrojan que es sumamente importante invertir en espacios de calidad que promuevan la salud de los trabajadores y que no sólo ayuden a conservar su productividad, a fin de que logren el efecto esperado también en términos de rendimiento.

Para una empresa, que el personal se enferme y se ausente con regularidad representa un impacto económico negativo que puede generar pérdidas económicas significativas. Dichos costos son mayores de lo que cuesta invertir en un sistema de acondicionamiento de calidad que sí considere los niveles mínimos de calidad de aire.

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Riesgos. Que el personal se enferme y se ausente con regularidad representa un impacto económico negativo, que puede generar pérdidas significativas

¿Cómo asegurar aire de calidad en espacios interiores?
Todo inicia desde el diseño, debido a que se han encontrado proyectos en los que los diseñadores de aire acondicionado no incluyen la renovación de aire o la inyección de aire fresco del exterior como una parte básica.

Hoy en día, enfrentarse al reto de los edificios de grandes alturas, en los que las ventanas operables ya no resultan una opción accesible por temas de seguridad y el acondicionamiento del aire es imperativo, la renovación del aire adquiere un protagonismo crucial y es un criterio indispensable al momento de diseñar los sistemas de acondicionamiento de aire, no solo por la calidad de éste, sino por salud, por lo que deviene en una necesidad básica e imperante que debería ser considerada siempre, no como un lujo.

Productividad renovada
A través de diferentes estudios realizados por organizaciones internacionales, se ha demostrado la importancia de renovar el aire constantemente en espacios, principalmente de aquellos dedicados a actividades de alta concentración, como oficinas, salas de junta, aulas de clases, entre otros.

Cuando no se renueva el aire, la concentración de bióxido de carbono y los humores emitidos por los usuarios alcanzan niveles muy altos que pueden provocar sensación de mareo, malestar general y dolores de cabeza, sin mencionar que las epidemias son mucho más propensas a esparcirse de no contar con renovación de aire, debido a que el virus se recicla una y otra vez en los espacios sin posibilidad de salir.

Se ha demostrado que las personas que se encuentran trabajando en espacios que cuentan con una renovación de aire adecuada, aunado a condiciones lumínicas favorables y criterios de confort térmico, tienen mayor productividad. En este sentido, el WGBC, en su estudio sobre salud, bienestar y productividad en las oficinas, habla acerca de cómo este parámetro aumenta entre un 8 y 11 por ciento los niveles de rendimiento en oficinas en las que se invirtió en sistemas que mejoran la calidad del aire para sus trabajadores.

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Elemento clave. La limpieza en la obra es un factor crucial cuando se trata de interiores saludables para el usuario final y los trabajadores

Etapa de diseño
En México se suele tomar como base para el diseño de sistemas de aire acondicionado los estándares de la American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE); específicamente del estándar ASHRAE 62.1 Ventilación para Calidad del Aire al Interior, cuando se habla de ventilación y renovación de aire; sin embargo, es importante decir que aceptable no significa óptima, debido a que el parámetro sólo marca los caudales mínimos por incluir en los diseños de aire exterior a inyectar en los espacios.

Apegarse a este tipo de estándares permite un parámetro de cálculo que ayuda a tomar mejores decisiones al momento de emprender un proyecto.

Ahora bien, incluir la renovación de aire puede afectar la carga térmica, ya que ésta aumenta en el sistema de acondicionamiento de aire, por lo que es imprescindible que los ingenieros y diseñadores elijan la mejor estrategia para cumplir con los parámetros de acondicionamiento y temperaturas de confort al interior, con que los espacios estén hechos de acuerdo a los requerimientos del proyecto, así como para proveer de una buena renovación de aire.

Algunas veces, los sistemas son propuestos sin haber considerado tal criterio, y cuando se solicita la inclusión resulta que los equipos no poseen la capacidad suficiente para abatir esta carga, lo que provoca, en el mejor de los casos, tener que hacer trabajos adicionales con el propósito de cumplir con lo requerido. Otro reto al que frecuentemente se pueden enfrentar los especialistas es al sobredimensionamiento de los sistemas.

Además, la certificación del Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) tiene un prerrequisito referente a condiciones mínimas de ventilación para ambientes interiores, que hace referencia al estándar ASHRAE 62.1-2004 (para certificaciones en versión 3) y al ASHRAE 62.1-2007 (para certificaciones en versión 4), el cual marca los pies cúbicos por minuto, persona o unidad de superficie necesarios para cumplir con una mínima calidad. Para lograr un punto, se deberá aumentar en un 30 por ciento sobre el volumen requerido.

En diversas ocasiones se ha podido ver que los diseñadores eligen un ventilador que supera por mucho el volumen requerido, y aunque esto podría tener sentido en cuanto a que un poco de aire nuevo es bueno y contar con mucho debe ser mejor, en realidad no se está beneficiando la eficiencia energética del proyecto. Al hablar de un edificio sustentable se debe tratar de un edificio que opera en tres vectores: cuida de los usuarios, del medioambiente y del factor económico, apuesta que se verá reflejada claramente en el discurso de la calidad del aire.

Para buscar un balance entre los tres factores y lograr un edificio que realmente mantenga el funcionamiento esperado se requiere de muchos elementos. Es entendible que los ventiladores no pueden ser fabricados a la medida como otros equipos, por ejemplo, las unidades manejadoras de aire; sin embargo, es importante enfatizar que los diseñadores deben seleccionar el equipo que mejor se adecue a las necesidades del proyecto.

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Habilitación. Cuando los ductos se coloquen en su sitio final, deberán permanecer protegidos, junto con la toma de aire y las conexiones para evitar acumulación de polvo

Recomendaciones
Una vez que los diseñadores han elaborado un proyecto que contempla todos los parámetros de confort térmico y en el que se promueve una buena renovación de aire para asegurar la calidad, la salud y la productividad de los usuarios, deberá existir una buena relación entre los participantes del proyecto, la cual asegure que se respete tanto la elección de los equipos como los parámetros de diseño.

Durante la etapa de construcción existen diferentes estrategias que pueden implementarse, a fin de minimizar la contaminación resultante de las actividades de la construcción. Es muy importante que una vez que estén disponibles los equipos de aire acondicionado, se almacenen en un lugar donde estén protegidos y donde no se encuentren expuestos al polvo ni al agua, preferentemente empaquetados hasta el momento de su colocación.

En el caso del habilitado de ductos, es vital que el área se encuentre debidamente protegida del medioambiente y confinada de cualquier contaminante, como el polvo, ya que puede alojarse en ellos, contaminando los ambientes una vez que el inmueble entra en operación.

Una vez habilitados los ductos, es importante protegerlos con plástico en ambos. Incluso, una vez colocados en los soportes en su ubicación definitiva, deberán permanecer protegidos los ductos, la toma de aire y las conexiones para evitar que el polvo se acumule en su interior. Asimismo, es importante cuidar el aislamiento y no colocarlos en espacios sucios o con polvo.

Es importante transmitir al contratista y al instalador la importancia y delicadeza del trabajo que se está realizando, destacando que existe la posibilidad de afectar la salud de las personas. La limpieza en la obra es un factor crucial cuando hablamos de interiores saludables para el usuario final y los trabajadores.

Núcleo versátil

Calefacción

Los sistemas de calefacción han desarrollado tecnologías que buscan reducir el consumo de energía y hacer más variada su operación. Los equipos que cuentan con bomba de calor pueden ser un buen aliado en esta búsqueda por ofrecer calor y frío en los espacios por acondicionar

 

Es conocido por todo el sector HVAC que la climatización representa el mayor consumo energético, y que este gasto se eleva aún más en temporada de invierno, por el uso de sistemas en hogares, oficinas, teatros, etcétera. Si se quiere reducir la energía y ahorrar dinero en esta temporada es necesario hacer el uso correcto de los sistemas de calefacción.

Las recomendaciones principales para un máximo aprovechamiento y ahorro energético:

  • Verificar las características arquitectónicas generales del hogar. Tamaño, número de habitaciones, distribución, etcétera
  • Aislante térmico. Las principales filtraciones de calor se pueden dar por ventanas, puertas y paredes; por lo que es importante reducir al mínimo estas pérdidas
  • Ubicación. Para una selección adecuada del equipo, la ubicación del área por acondicionar se vuelve relevante, ya que factores como el clima pueden afectar el funcionamiento de distintos sistemas de calefacción, en especial los sistemas con bomba de calor

La calefacción central por aire caliente se efectúa a través de ductos de aire conectados a un equipo central de calefacción, que a su vez suministra el aire caliente dentro de la habitación por acondicionar. Sobre este tipo de tecnología hay distintos sistemas de calefacción central por aire:

  • Equipo paquete con calefacción gas
  • Equipo paquete con calefacción eléctrica
  • Equipo paquete con bomba de calor
  • Calefactor a gas

Estas unidades se pueden separar, además, en dos tipos de uso: residencial y comercial.

Equipo paquete con calefacción gas

Estos sistemas cuentan con un intercambiador de calor tubular extra que, en algunos casos, es de acero inoxidable para aumentar su tiempo de vida. Esta característica depende de la marca del equipo; y su fuente de energía es, como su nombre lo indica, el gas. La mayoría de estas unidades vienen con válvulas para gas natural, por lo que si la instalación es con gas LP se requiere un cambio de válvulas, acorde a este tipo de sistema, instalación que no suele ser costosa. La capacidad de calefacción en estas unidades se mide en miles de BTU (british thermal unit) por hora (MBH).

Para que el sistema provea calefacción se inicia, mediante una chispa, el encendido de una flama que fluye a través del intercambiador, esto gracias a una válvula de gas que tiene el equipo, por lo que el fuego nunca entra en contacto con el aire, por eso es llamado “de fuego indirecto”.

Dentro del sistema de calefacción central se encuentra un ventilador centrífugo, que aspira el aire circundante a través de un ducto. Este aire frío es, posteriormente, empujado por un ventilador a través del intercambiador de calor, donde los tubos y aletas del intercambiador de acero se someten a altas temperaturas y, a medida que el aire fluye, aumenta su temperatura.

Una vez que el aire se calienta es conducido por medio de los ductos hacia el resto del edificio o lugar por acondicionar. El proceso es continuo, pero llega un punto en el que la temperatura del aire alcanza cierto límite y un termostato se encarga de apagar el equipo. El sistema permanece en espera hasta que la temperatura desciende, por debajo del límite establecido por el usuario, y es en ese momento cuando se activa automáticamente para empezar a calentar el aire otra vez, reiniciando el ciclo.

Equipo paquete con calefacción eléctrica

Es un sistema común de aire acondicionado tipo paquete, que por dentro cuenta con un arreglo de resistencias eléctricas. Es un equipo también llamado calentador de tiras. Éste se usa para calentar el aire que es succionado. El aire fluye a través del banco de resistencias y aumenta la temperatura del mismo. Aquí también el proceso es continuo, llegando a un punto en el que la temperatura del aire alcanza un cierto límite y el termostato apaga el equipo.

Este tipo de equipos se puede encontrar en distintos voltajes, desde 220 hasta 440 voltios, en una y tres fases. Al igual que los equipos paquete con calefacción a gas, la capacidad de calefacción se mide en MBH. Es importante no exceder el tamaño del equipo, porque pueden elevar los requisitos de carga máxima de la compañía de electricidad y aumentar considerablemente el costo de inversión inicial.

Equipo paquete con bomba de calor

Estos equipos son considerados como la mejor opción en cuanto al tema de eficiencia energética, y aunque el costo inicial es alto, la recuperación es rápida por los retornos de inversión que ofrece la tecnología.

Las bombas de calor están diseñadas para mover el calor de un fluido a otro. El fluido tanto al interior del hogar como al exterior es el aire. En verano, el calor del aire interior se mueve al fluido exterior, mientras que en el invierno, el calor se toma del fluido exterior y se mueve al aire interior en un sistema reversible.

Las bombas de calor utilizan el ciclo de compresión para mover calor. Una válvula de tres vías permite que la bomba de calor trabaje automáticamente en el modo de calefacción o en el modo de enfriamiento. El proceso de calefacción es el siguiente:

  1. El compresor presuriza el refrigerante
  2. El gas caliente entra en la bobina de condensación. El aire del cuarto pasa por la bobina, donde se calienta. El refrigerante se enfría y se condensa
  3. El refrigerante, que es ahora un líquido presurizado, fluye a una válvula reguladora donde se expande para convertirse en un líquido fresco de baja presión
  4. La bobina del evaporador, que sirve como el condensador en el proceso de enfriamiento, utiliza el aire exterior para hervir el gas refrigerante frío, el líquido presurizado. Así se completa el ciclo

Si el aire exterior es tan frío que la bomba de calor no puede climatizar adecuadamente el hogar, generalmente se usan, como calefacción suplementaria, bancos de resistencia eléctrica para proporcionar el calor requerido. Esto para garantizar la demanda térmica al interior del espacio a climatizar.

Durante el invierno, este tipo de tecnología debe cambiar al “ciclo de descongelación”, que derrite cualquier hielo que se haya formado en la bobina exterior.

La circulación de aire apropiada, a través de la bobina, es esencial para la operación eficiente de una bomba de calor. Durante la instalación, la proporción de circulación de aire se debe comprobar para asegurar que cumpla con las recomendaciones del fabricante.

Calefactor a gas

Estas unidades de calefacción queman combustibles, como gas natural, propano o aceite combustible para producir calor. Proporcionar aire caliente al interior por medio de un ventilador, donde se mantiene el confort durante el tiempo de frío. Las unidades de calefacción vienen con una variedad de eficiencias.

Las unidades de calefacción requieren oxígeno para la combustión y el aire adicional para dejar salir los gases de escape. La mayoría de estas unidades son unidades tipo respiradero, que usan el aire circundante para la combustión. Otras unidades cuentan con respiradero directo, o unidades desacopladas, y son las que traen el aire de combustión al área del quemador, vía entradas selladas, que se extienden al aire exterior.

Las unidades de calefacción con respiraderos directos se pueden instalar dentro de un hogar, puesto que no dependen del aire interior para un funcionamiento seguro. Las unidades de calefacción con respiraderos no directos tienen que recibir el aire exterior adecuado para la combustión y para la extracción de gases.

La principal preocupación con unidades de respiraderos no directos es que un calentador que no funciona correctamente puede permitir la entrada de gases en tubos de alimentación de aire fresco, los cuales que podrían contener monóxido de carbono venenoso; si hay escapes o fugas en el sistema de vuelta, o escapes de aire entre el área de la unidad de calefacción y el espacio vital, el monóxido de carbono podría entrar a áreas habitables y causar severos problemas de salud.

Actualmente, hay distintas marcas que usan detectores de gases para evitar el riesgo de intoxicación, además de que identifican igniciones electrónicas, tiene intercambiadores de calor más eficientes, y cuentan con mejores controles del aire de entrada y sopladores de aire inducidos. Los modelos con eficiencias superiores al 90 por ciento, según el Annual Fuel Utilization Efficiency (AFUE), comúnmente incluyen intercambiadores de calor secundarios especiales, que enfrían los gases de la tubería hasta que se condensen parcialmente, para así eliminar las pérdidas de calor por el tubo de escape.

Todos los sistemas centralizados de calefacción por aire funcionan como equipos para suministrar tanto aire fresco en épocas calurosas como aire caliente en el invierno u otoño; no así los sistemas como calefactores a gas, de principio. A este tipo de equipos es necesario hacerles adecuaciones, que consisten en agregar una condensadora y una bobina de frío, para cubrir las necesidades que se puedan presentar en todo el año y así aprovechar la instalación de los ductos de suministro de aire al hogar.

Sistema revolucionario

Debido a la variedad de sistemas de calefacción que hay, se recomienda comparar precio, garantía, servicio, ventajas de instalación y su adaptación a las condiciones climáticas que ofrece. También es necesario comparar los factores económicos de las unidades con eficiencia moderada y alta eficiencia, pues ésta se da por la proporción de calor ofrecida en BTUH a watts de electricidad consumidos. Este factor considera las pérdidas cuando el equipo se pone en marcha y se detiene.

Se hace hincapié en que sistemas como la bomba de calor tienen energía perdida durante el ciclo de descongelación. Pero, como ya se mencionó, estas unidades son la opción más eficiente y, por tanto, la opción perfecta para ahorrar en costos. En estricto sentido, el ahorro entre las bombas de calor y el resto de las unidades de calefacción depende del tipo de combustible, de su precio, del diseño del hogar y del clima exterior.

El aumento de precio a la energía ha mejorado el factor económico de un equipo más eficiente. No obstante, por la incertidumbre de los precios a largo plazo de diversas formas de energía es difícil comparar estas unidades con varios tipos de combustibles y bombas de calor.

Climatización de salas de cine

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Asistir a una función cinematográfica soportando bajas temperaturas dentro del inmueble es más común de lo que debiera ser. Por ello, se vuelve imprescindible considerar aspectos que erradiquen la situación y permitan ofrecer confort a los usuarios

 

El diseño y la instalación de un sistema de climatización significan un reto, especialmente en lugares donde la cantidad de personas puede variar y las condiciones climáticas son diversas. De manera general, acondicionar edificios públicos como teatros o auditorios conlleva un desafío extra, pues la cantidad de actores, luminarias, espacios de escenografía, etcétera, hacen que la temperatura en el interior sea variable.

En el caso específico de la salas de cine, será necesario definir y explorar adecuadamente el tipo de equipos que existirán en su interior, así como la capacidad de la sala, ya que estos factores facilitarán o dificultarán su acondicionamiento.

Es normal que en este tipo de edificios la carga dependa, en gran medida, del número de asistentes, por lo que es de esperar que la capacidad necesaria varíe considerablemente no sólo por este factor, sino también por la variabilidad en las condiciones de trabajo de la sala, y el tipo y las condiciones climáticas. Lo que siempre debe perdurar es la comodidad de los espectadores.

Los climatizadores de azotea o terraza (rooftop) suelen ser una solución de aire acondicionado bastante tradicional en este tipo de proyectos, gracias a que ofrecen una buena calidad de aire al renovarlo continuamente; sin embargo, poseen cierta limitación en lo que se refiere a confort, debido a las grandes variaciones en la temperatura de aire de impulsión que suministran.

Por estos motivos, la modulación de capacidad para esta clase de equipos es una característica por considerar, ya que ayudará a garantizar el control de temperatura y humedad, además de ahorrar energía. Existe un conjunto de aspectos técnicos importantes por considerar en este tipo de proyectos:

  • Condiciones climáticas
  • Características de la envolvente
  • Carga interna
  • Posible ubicación de los equipos

Otros factores que se deben examinar son las condiciones de confort de los ocupantes, pues no se tratará únicamente de la proporción de temperatura; igualmente, se tendrán que medir la acústica y el aire de ventilación que se brinde.

Cabe resaltar que para lograr este tipo de objetivos existen muchos equipos en el mercado que ayudan y hacen posible la reducción del ruido generado por los equipos de aire acondicionado, pues éstos controlan la vibración y verifican su funcionamiento. Tales características son especialmente valiosas en zonas donde las limitaciones urbanísticas obligan a reducir al máximo los niveles acústicos exteriores.

Usualmente, dichos recintos cuentan con aislamientos acústicos que también funcionan como aislamientos térmicos, de manera tal que, cuando la sala se llena de gente, la carga calórica que se tiene es bastante alta y sin un aislante es más fácil la transferencia de calor.

Por tal motivo, es muy común que las salas de cine cuenten con baja velocidad en ductos de distribución de aire, aislamiento térmico-acústico en interior de ductos y una ubicación de equipos alejada de la primera salida.

Cuando el aire se transporta en un ducto, tiene que soportar dos cargas en su estructura. Una está impuesta por la presión y la otra por la velocidad. La primera es conocida como presión estática y es la que va través de las paredes del ducto; la carga impuesta por la velocidad produce turbulencias, lo que produce una carga pulsante y variable en las paredes del ducto, conocida como presión de velocidad. Por ello es imprescindible saber calibrar la presión, pues este factor producirá mayor o menor ruido.

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Acústica. En los proyectos para este tipo de recintos es imprescindible saber calibrar la presión, pues de este factor dependerá el nivel de ruido

Diseño de climatización
Uno de los elementos más importantes y el cual determinará en gran medida el éxito del proyecto es la coordinación entre el arquitecto y las ingenierías, ya que el espacio de este tipo de recintos es reducido.

Para iniciar, se empezará por el cálculo de carga térmica, el cual es determinado por la ocupación de visitantes. También se evaluarán a detalle la carga y la selección de equipos.

Posteriormente, se diseñan la red de distribución de aire y la ubicación de difusores de suministro y rejillas de retorno; es necesario tener especial cuidado en el suministro de aire de ventilación, al ser un factor que proporcionará los parámetros de confort y acústica requeridos.

Como consecuencia de la variación de ocupantes y de la actividad que se puede dar dentro de las salas de cine, habrá que considerar las condiciones extremas, factor más sencillo por determinar si se cuenta con experiencia y retroalimentación del operador, ya que es factible aplicar varios factores de diversidad.

En cuanto a la influencia geográfica, tales espacios suelen encontrarse muy bien aislados; por tanto, no se tendrá ningún inconveniente por carga de radiación. Lo que es cierto es que el principal impacto derivado de la ubicación geográfica corresponde a la altitud. Mientras mayor sea la altura, el gasto de aire requerido aumentará sensiblemente; por consiguiente, afectará el tamaño de los ductos instalados.

Se debe tomar en cuenta que la carga de aire de ventilación se incrementa considerablemente en regiones calurosas y húmedas, por lo que en lugares con bajas temperaturas nocturnas por periodos prolongados se podrá considerar el uso de economizadores.

Como en la mayoría de los proyectos, el diseño se debe planear siempre buscando el confort de las personas, pues el espectador estará la mayor parte de su estancia sentado observando la función, por lo que su inactividad física demandará una temperatura distinta.

En la actualidad, gran parte de las salas son relativamente pequeñas, por lo que el diseño arquitectónico deberá considerar tanto la ductería como los plenum de retorno o distribución.

La carga interna principal corresponderá a los ocupantes. Debido a que el número de ocupantes se relaciona con las dimensiones de la sala, se podrá decir que la carga es proporcional a las dimensiones.

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Desafíos. El espacio para ductos y la respectiva conciliación de los tiros con los difusores debe considerar el material de fabricación, dado que serán precisos grandes ductos para manejar los grandes volúmenes de aire

Por su parte, en la distribución de aire se podrán utilizar difusores que eviten al máximo los chorros de aire directos sobre las personas, o bien podrían usarse manejadoras de aire, que pueden ser de agua o tipo paquete.

En la construcción, esta clase de proyectos utiliza materiales que proporcionan un buen comportamiento acústico del espacio; en el caso de los sistemas de climatización, se utilizan sistemas todo aire, generalmente con unidades paquete para techo, aunque en complejos con muchas salas es posible la utilización de sistemas de agua helada.

Cuando las salas se ubican en centros comerciales, es posible emplear el suministro de agua helada del centro comercial y utilizar manejadoras de aire; todo dependerá de cómo se requiera el diseño del sistema. En cuanto al espacio, el aislamiento acústico también es el aislamiento térmico, por lo que la carga externa de una sala de cine es relativamente pequeña.

El diseño de sistemas de climatización suele concebirse para temperaturas interiores de 22 grados centígrados; sin embargo, los operadores suelen ajustar los termostatos a 18 grados centígrados, lo que arroja temperaturas inferiores a la del diseño inicial cuando la sala tiene poca ocupación las; esto puede provocar desgaste en la instalación.

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Comodidad. El uso de difusores evitará chorros de aire directos sobre los espectadores y brindará confort

Problemáticas y puntos por estimar
Uno de los desafíos latentes en la instalación será el espacio para ductos y su respectiva conciliación de los tiros con los difusores. Esto, porque los grandes volúmenes de aire por manejar implican grandes conductos, que al sobrepasar las 84 pulgadas deberán fabricarse en lámina rolada en frío.

Es necesario que dichas láminas cuenten con un espesor que oscile entre 1.15 y 1.20 milímetros, con un peso no mayor a 9.5 kilogramos. Esto dificultará la instalación debido al peso, por lo que el doble piso, doble techo o altura tendrán que considerar sistemas versátiles de sujeción.

Para complicaciones de tal índole se pueden usar materiales certificados, como las láminas de poliuretano expandido que poseen densidades mayores a 35 kilogramos por metro cuadrado, gracias a que cumplen con la capacidad autoportante necesaria para la fabricación de grandes conductos, así como la resistencia térmica que evita pérdidas en el transporte de aire.

Ahora bien, en cuanto al mantenimiento, los sistemas de distribución de aire, los más usados hoy en día, requieren muy poco; acaso requerirán mantenimiento preventivo a fin de evitar fallas.

Reducción de bacterias en hospitales

El cobre posee características favorables para la reducción de elementos patógenos en el aire
El cobre posee características favorables para la reducción de elementos patógenos en el aire

La contaminación del aire es uno de los factores de mortalidad que ha crecido en los últimos años y que ha generado diversas enfermedades respiratorias. Cuando estas enfermedades son atendidas en hospitales, lo mejor es que al interior no haya virus o bacterias, por lo que el sistema de aire acondicionado funge una labor primordial en la conservación de una buena calidad de aire

 

En el planeta hay una variedad de metales, entre ellos los metales de transición, grupo de elementos químicos al que pertenece el cobre. Entre las características que tiene se encuentra la de incluir en su configuración electrónica el orbital d, parcialmente lleno de electrones; además de su elevada dureza, un buen grado de ebullición y una excelente conducción de electricidad y calor.

Aunado a estas características, el cobre posee ciertas propiedades que limitan la generación de elementos patógenos en su superficie, lo que incide de manera favorable en la calidad de vida de las personas. Sobre este asunto, el material se ha sometido a pruebas donde se ha verificado que es bueno en el control de bacterias, sobre todo en lugares donde hay virus de forma constante, como es el caso de hospitales.

Como antecedente, en 2010 se inició un proyecto en el sistema de aire acondicionado de varias instalaciones hospitalarias del ejército de Estados Unidos. En él se probaron instalaciones con cobre y se fue midiendo la población de bacterias que iban quedando en el aire. Durante los cuatro años que duró el estudio se pudo evidenciar la reducción de bacterias en el interior, esto a pesar de que el sistema de aire acondicionado instalado recirculaba el aire y volvía la exposición de bacterias un factor importante por considerar.

La utilización de cobre en tuberías de sistemas de refrigeración es muy usual, sin embargo, utilizarlo en sistemas de aire acondicionado o en superficies de contacto apenas ha sido probado.

Estudios académicos

Nuevas investigaciones de la Universidad de Southampton, Inglaterra, han descubierto que el cobre puede ayudar eficazmente a prevenir la transmisión de enfermedades respiratorias propagadas por virus, los cuales están relacionados con el síndrome respiratorio agudo severo (SARS, por sus siglas en inglés) y el síndrome respiratorio Oriente Medio (MERS, por sus siglas en inglés).

Los coronavirus de origen animal que afectan a humanos, como el SARS y MERS, resultan en infecciones graves con una elevada mortalidad. Los investigadores en Southampton encontraron que el coronavirus que afecta a humanos –229E– permanece infeccioso en distintas superficies por varios días, pero se destruye rápidamente en el cobre.

Por otro lado, un artículo recientemente publicado en mBio, revista de la Sociedad Americana de Microbiología, reportó que el coronavirus humano 229E, que produce una gama de síntomas respiratorios con resultados que van desde el resfriado común hasta efectos letales como la neumonía, puede sobrevivir en superficies de contacto, incluyendo las baldosas cerámicas, vidrio, caucho y acero inoxidable durante al menos cinco días. Mientras que de persona a persona la transmisión es importante, pues las infecciones pueden ser contraídas por tocar superficies contaminadas o por gotitas provenientes de individuos infectados, o contacto táctil, dando lugar a una amplia propagación del mismo.

Frente al cobre, y una gama de aleaciones de éste, denominados colectivamente “cobre antimicrobiano”, el coronavirus se inactiva rápidamente (dentro de unos pocos minutos, con huellas de dedos simuladas). Expuesto el virus al cobre, éste lo destruye completa e irreversiblemente, llevando a los investigadores a la conclusión de que las superficies de cobre antimicrobiano podrían emplearse en zonas comunes, en reuniones masivas ayudando a reducir la propagación de virus respiratorios y proteger la salud pública.

La investigadora principal de este estudio, la doctora Sarah Warnes, indica que “la transmisión de enfermedades infecciosas vía contaminación por contacto con superficies es mucho más importante de lo que se pensaba originalmente, y éstas incluyen virus que causan infecciones respiratorias”. “Esto es especialmente importante cuando la dosis infecciosa es baja y apenas unas pocas partículas de virus pueden iniciar una infección”, resalta a manera de conclusión la investigadora de la Universidad de Southampton.

El coronavirus humano, que también tiene vínculos ancestrales con los virus de murciélagos responsables del SARS y MERS, fue rápidamente desactivado (y de forma permanente) al entrar en contacto con el cobre. Lo que destacó más en esta investigación fue que el genoma y la estructura de las partículas virales fueron destruidos, entonces no quedó nada que pudiera transmitir una infección. Con la falta de tratamientos antivirales, el material puede ser una medida de prevención que puede ayudar a reducir el riesgo de propagación de este tipo de infecciones.

Hablando sobre la importancia del estudio, el profesor Kevill, coautor y presidente de Salud Ambiental de la Universidad de Southampton, dijo que “los virus respiratorios son responsables de más muertes, a nivel mundial, que cualquier otro agente infeccioso. La evolución de nuevos virus respiratorios, y la reemergencia de cepas virulentas históricas, representa una amenaza significativa para la salud humana”, y como prueba se puede ver lo que sucedió en distintas partes del mundo con el virus H1N1.

La rápida inactivación e irreversible destrucción de los virus observada en superficies de cobre y sus aleaciones sugieren que la incorporación de este elemento en con regímenes eficaces de limpieza y buenas prácticas clínicas podría ayudar a controlar la transmisión de estos virus. Además, investigaciones previas realizadas por el profesor Kevill y la doctora Warnes han demostrado la eficacia del cobre ante el norovirus, influenza y superbacterias hospitalarias, como el MRSA y Klebsiella, además de detener la transferencia de genes resistentes a los antibióticos a otras bacterias para crear nuevas superbacterias.

Ductería, equipos y sistemas al interior

Los sistemas HVAC que acondicionan un hospital son sólo una parte de los factores que contaminan el aire al interior. Los materiales dentro del edificio, los visitantes, médicos, enfermeras y usuarios que asisten a este tipo de recintos serán los que en mayor medida contaminarán el aire interior de los edificios.

Por esto, una superficie de contacto no sólo implica tuberías y sistemas donde circula el aire, pues también se deben incluir barandales, descansa brazos, camas, mesas, postes intravenosos y otros equipos que son utilizados en los hospitales, por lo que el control de bacterias debe ser indispensable y no sólo se debe recurrir a la limpieza e higiene del lugar.

Las zonas clave serán los espacios donde mayor cantidad de bacterias y virus se alojen, esto puede suceder por el mismo diseño de los equipos, pues habrá algunas fisuras, dobleces o soldaduras a las que los patógenos se podrán adherir. Esto sucede a pesar de que el material que se utiliza, como es el acero inoxidable, no puede eliminar de forma inmediata al virus o bacteria en cuestión.

Para estas zonas es posible tener dos soluciones: una es la limpieza constante de los equipos, y otra es usar materiales que eliminen de forma natural los virus y bacterias. El cobre representa una buena solución, sin embargo, su uso debe ser factible pues hay temas de estructura y volumen que se deben evaluar, no obstante, ya existen en el mercado algunas pinturas que contienen cobre y bronce en su consistencia y evitan la corrosión y la generación de patógenos.

En el caso específico del sector HVAC, el uso de cobre en torres de enfriamiento puede ayudar a evitar la generación de bacterias como la Legionella, gracias a que mata este elemento de forma inmediata. Sin embargo, la evaluación y desarrollo de este tipo de aplicaciones aún está sometido a evaluación.

Una opción competitiva

Los avances en equipos y sistemas que se dediquen al sector salud no se pueden desarrollar de forma inmediata pues el usuario final al que están enfocados se encontrará en una zona crítica donde muchos factores se verán involucrados. Después de evaluar el tipo de material y el diseño de los equipos se tendrá que hacer un examen de los gastos que se generarán y de las ganancias, tanto de vidas humanas como de retorno de inversión, que se podrán lograr gracias al uso de ciertos materiales, como es el caso del cobre. Los expertos apuntan a que, globalmente, el cobre es una opción competitiva, si se comparan los costos de un hospital y las ventajas que generaría tener sistemas y equipos fabricados con este material. Esto gracias a que en casos de estudio se ha logrado reducir en 50 por ciento los problemas respiratorios en este tipo de instalaciones, todo gracias al uso del cobre en sus ducterías y otros elementos al interior. Además, el costo humano es otro de los aspectos por considerar, pues habrá menores riesgos de contraer enfermedades respiratorias gracias al uso de este material.

En México hay normas en las que se indica cómo se puede hacer un adecuado conteo de bacterias en este tipo de instalaciones, y ponen en evidencia los equipos que mayor cantidad de patógenos conservan por lo que, a partir de estas evaluaciones, el sector salud puede decidir qué tipo de equipos y sistemas se pueden usar

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