El
acondicionamiento de aire es el proceso que se considera más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (
calefacción o
refrigeración),
humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire dentro de los locales.
Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y los centralizados. Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque a menudo no del todo). Los segundos tienen un/unos acondicionador/es que solamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de un sistema centralizado. En este último caso, la producción de calor suele confiarse a
calderas que funcionan con combustibles. La de frío a
máquinas frigoríficas, que funcionan por
compresión o por
absorción y llevan el frío producido mediante
sistemas de refrigeración.
La expresión
aire acondicionado suele referirse a la refrigeración, pero no es correcto, puesto que también debe referirse a la calefacción, siempre que se traten (acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la atmósfera. Lo que ocurre es que el más importante que trata el aire acondicionado, la humedad del aire, no ha tenido importancia en la calefacción, puesto que casi toda la humedad necesaria cuando se calienta el aire, se añade de modo natural por los procesos de respiración y transpiración de las personas. De ahí que cuando se inventaron máquinas capaces de refrigerar, hubiera necesidad de crear sistemas que redujesen también la humedad ambiente.
Sistemas de refrigeración
Bomba de Calor Aire-Aire tipo Roof-Top (Unidad de aire acondicionado de tejado)
Los métodos de refrigeración que se utilizan generalmente son de
compresión mecánica que consiste en la realización de un proceso cíclico de
transferencia de calor interior de un edificio al exterior, mediante la evaporación de sustancias denominadas
refrigerantes como el
freón, las que actualmente están siendo reemplazados por refrigerantes alternativos que no afectan el medio ambiente y la
capa de ozono, ya que por mucho tiempo se dio uso a mezclas especiales de gases para los sistemas de refrigeración que anunciaban la protección de la capa de ozono pero afectaban fuertemente el calentamiento global, un ejemplo es el refrigerante R134a, hoy día se busca utilizar derivados de los
hidrocarburos al ser fluidos con cero Potencial de
Calentamiento Global (PCG) y afectación a la capa de ozono.
El proceso básicamente se realiza en cuatro pasos, durante el primero el refrigerante que se encuentra en estado líquido a baja presión y temperatura debe evaporarse en un
serpentín denominado
evaporador así se se logra un primer intercambio térmico entre el aire del interior del local más caliente y el refrigerante.
Una vez en estado de vapor se succiona y comprime mediante un
compresor aumentando su presión y consecuentemente su temperatura, condensándose en un serpentín denominado
condensador mediante la una segunda cesión de calor, esta vez al aire exterior que se encuentra a menor temperatura.
De esa manera en el tercer paso, el refrigerante en estado líquido a alta presión y temperatura vuelve al evaporador mediante una
válvula de expansión el cual a consecuencia de su propiedad de
capilaridad origina una significativa reducción de presión, provocando una cierta vaporización del líquido que reduce su temperatura, por último retorna a las condiciones iniciales del ciclo.
Se puede emplear
agua como medio de enfriamiento para provocar la condensación en vez del aire exterior, la que es enfriada mediante una
torre de enfriamiento.
El elemento básico es el compresor del
tipo alternativo o a
pistón que se utiliza en la mayoría de los casos. También se utilizan compresores
rotativos para sistemas pequeños o tipo espiral llamado
scroll. En grandes instalaciones se suelen emplear compresores axohelicoidales llamados a
tornillo o del tipo
centrífugo.
En la actualidad se están desarrollando varios sistemas que mejoran el consumo de energía del aire acondicionado, son el
aire acondicionado solar y el
aire acondicionado vegetal. El aire acondicionado solar utiliza placas solares térmicas o eléctricas para proveer de energía a sistemas de aire acondicionado convencionales. El aire acondicionado vegetal utiliza la evapotraspiración producida por la vegetación de un
jardín vertical para refrigerar una estancia.
Clasificación de los equipamientos
Los equipamientos de refrigeración se utilizan para enfriar y deshumidificar el aire que se requiere tratar o para enfriar el agua que se envía a unidades de tratamiento de aire que circula por la instalación, por ello, se pueden clasificar en dos grandes grupos:
- Expansión Directa.
- Expansión Indirecta (agua fría).
Expansión Directa
Se caracterizan por que dentro del serpentín de los equipos, se expande el refrigerante enfriando el aire que circula en contacto directo con él.
Se pueden emplear equipos
compactos autocontenidos que son aquellos que reúnen en un solo mueble o carcasa todas las funciones requeridas para el funcionamiento del aire acondicionado, como los
individuales de ventana o, en caso de mayores capacidades, los del tipo
roof-top que permiten la distribución del aire mediante conductos.
Los sistemas llamado
separado o
split system se diferencian de los autocontenidos porque están repartidos o divididos en dos muebles uno exterior y otro interior, con la idea de separar en el circuito de refrigeración: la zona de
evaporación en el interior con la zona de
condensación en el exterior. Ambas unidades van unidas por medio de tuberías de
cobre para la conducción del
gas refrigerante.
Los sistemas
multi split consisten en una unidad condensadora exterior, que se puede vincular con dos o más unidades interiores. Se han desarrollado equipamientos que permiten colocar gran cantidad de secciones evaporadoras con solo una unidad condensadora exterior mediante la regulación del flujo refrigerante, denominado VRV.
Todas estas unidades son enfriadas por aire mediante un
condensador y aire exterior circulando mediante un
ventilador. También existen sistemas
enfriados por agua que se diferencian de aquellos, en que la condensación del refrigerante es producida por medio de agua circulada mediante cañerías y bomba, empleando una
torre de enfriamiento.
Expansión Indirecta
Utilizan una
unidad enfriadora de agua, la cual es distribuida a equipos de tratamiento de aire donde el serpentín trabaja con agua fría, denominados
fan-coil; (ventilador-serpentín), que puede ser del tipo central constituido por un gabinete que distribuye el aire ambiente por medio de conductos o individuales verticales que se ubican sobre pared o bajo ventana u horizontales para colgar bajo el cielorraso.
Funciones que deben cumplir los equipos de climatización
Las funciones que deben cumplir los equipos de aires acondicionados consisten en:
- En verano: enfriamiento y deshumectación.
- En invierno: calentamiento y humectación.
- Comunes en invierno y verano: ventilación, filtrado y circulación.
Estos procesos deben realizarse:
- Automáticamente.
- Sin ruidos molestos.
- Con el menor consumo energético.
Ventilación
La función de
ventilación, consiste en la
entrada de aire exterior, para renovar permanentemente el aire de recirculación del sistema en las proporciones necesarias a fin de lograr un adecuado nivel de pureza, dado que como el resultado del proceso respiratorio, se consume
oxígeno y se exhala
anhídrido carbónico, por lo que debe suministrarse siempre aire nuevo a los locales para evitar que se produzcan viciamientos y olores.
El aire nuevo del edificio o aire de ventilación penetra a través de una reja de toma de aire, en un recinto llamado
pleno de mezcla, en él se mezcla el aire nuevo con el aire de retorno de los locales, regulándose a voluntad mediante
persianas de accionamiento manualmente o eventualmente automáticas.
Ideal para mover grandes volúmenes de aire a bajas velocidades en naves industriales, almacenes, polideportivos y en general, todos los ambientes en los cuales el nivel sonoro sea un factor importante. CPS
Recomendado para tiros inducidos y forzados, aire de combustión, enfriamiento de vidrio, acereras, industria química, industria minera.
Filtrado
La función de filtrado se cumple en la
batería de filtros. Consiste en tratar el aire mediante filtros adecuados a fin de quitarle polvo, impurezas y partículas en suspensión. El grado de filtrado necesario dependerá del tipo de instalación de acondicionamientos a efectuar. Para la limpieza del aire se emplea filtros que normalmente son del tipo mecánico, compuestos por substancias porosas que obligan al aire al pasar por ellas, a dejar las partículas de
polvo que lleva en suspensión. En las instalaciones comunes de confort se usan filtros de
poliuretano,
lana de vidrio, microfibras sintética o de metálicos de
alambre con tejido de distinta
malla de
acero o
aluminio embebidos en
aceite. En las instalaciones industriales o en casos particulares se suelen emplear filtros especiales que son muchos más eficientes.
El filtro es el primer elemento a instalar en la circulación del aire porque no solo protege a los locales acondicionados sino también al mismo equipo de acondicionamiento.
Enfriamiento y deshumectación
La función de
refrigeración y deshumectación, se realiza en verano en forma simultánea en la
batería de refrigeración, dado que si no se realiza, el porcentaje de humedad relativa aumenta en forma considerable, provocando una sensación de molestia y pesadez. La
humedad contenida en el aire que circula se elimina por
condensación, porque se hace trabajar la
batería a una temperatura inferior a la del punto de
rocío
En instalaciones industriales que se requiere gran posición puede aplicarse un sistema separado empleando para la deshumectación
agentes absorbentes como la silica-gel.
Calentamiento
El calentamiento del aire se efectúa en
invierno en la
batería de calefacción, por medio de una batería de agua caliente o
vapor vinculadas con cañerías a una planta de calderas o intercambiadores a gas o eléctricos. Para aplicaciones de confort en instalaciones de agua fría se suele emplear la misma batería que se usa para refrigerar para calefactar haciendo circular agua caliente por la misma, en la época de invierno. En el sistema de expansión directa también se puede emplear la misma batería haciendo funcionar el sistema en el
ciclo de bomba de calor.
Humidificación
En invierno, si se calienta el aire sin entregarle humedad, la humedad relativa disminuye provocando resecamiento de las mucosas respiratorias, con las consiguientes molestias fisiológicas.
La
función de humectación, que se ejecuta en invierno en el
humectador, debe colocarse después de la batería de calefacción dado que el aire más caliente tiene la propiedad de absorber más humedad.
Existen aparatos que evaporan el agua contenida en una bandeja, por medio de una
resistencia eléctrica del tipo blindado, la cual es controlada por medio de un
humidostato de ambiente o de conducto. En los casos de grandes instalaciones, se recurre a baterías humidificadoras que incorporan al aire agua finamente pulverizada y, como cumplen además una función, suelen llamarse también
lavadores de aire.
Para instalaciones de confort, salvo casos de climas exteriores muy secos, la experiencia demuestra que no es necesario cumplir la función de humectación, teniendo en cuenta que las personas aportan una cierta cantidad de humedad en el ambiente. De hecho, los equipos estándar de confort, no vienen provistos de dispositivos de humectación incorporados.
Circulación
La
función de circulación la realiza el
ventilador dado que es necesario un cierto movimiento de aire en la zona de permanencia con el fin de evitar su estancamiento, sin que se produzca corrientes enérgicas que son perjudiciales. Se emplean ventiladores del tipo
centrífugo, capaces de hacer circular los caudales de aires necesarios, venciendo las resistencias de frotamiento ocasionadas en el sistema con bajo nivel de ruidos.
En los equipos destinados a pequeños locales como el acondicionador de ventana o el fan-coil individual, el aire se distribuye directamente mediante rejillas de distribución y retornos incorporados en los mismos. Pero en equipos de cierta envergadura que abastece varios ambientes o recintos amplios debe canalizárselos por medio de
conductos, generalmente construido en
chapa de
hierro galvanizado, convenientemente aislados, retornando mediante rejillas y conductos a las unidades.
En los ambientes, la inyección de aire se realiza por medio de
rejillas sobre paredes o
difusores sobre los cielorrasos y el retorno se efectúa por rejillas colocada en la parte inferior de los locales, con el objetivo de conseguir un adecuado movimiento de aire en la
zona de vida del local en cuestión, que se encuentra en un plano ubicado a 1.50 m sobre el nivel del piso.
Consumo energético
El costo que actualmente representa la
energía eléctrica es de vital importancia en una especialidad como el aire acondicionado que requiere un elevado consumo, por lo que su reducción representa una de las premisas básicas en los criterios de diseño.
Para ello, existen numerosas tecnologías y medios de aplicación, que se centran fundamentalmente en el ajuste de las necesidades, la utilización de fuentes de
energía no convencionales, el incremento de la eficiencia y la recuperación de la energía residual, independientemente de utilizar equipos de alto rendimiento.
El apropiado uso del
aislamiento térmico en el edificio, contribuye un elemento fundamental, dado que ellos implica equipos de aire acondicionado más pequeños con un consumo energético menor durante toda su vida útil del edificio. A su vez la aislación térmica reduce al mínimo las pérdidas de calor en los equipos, unidades de tratamiento de aire y la red de conductos y cañerías de la instalación.
Por otra parte, es indispensable la adopción de soluciones arquitectónicas que tiendan a la reducción de consumo energético teniendo en cuenta el aprovechamiento de la radiación solar, protecciones y una adecuada especificación de aventanamientos para reducir infiltraciones.
Es muy importante analizar la automatización de los circuitos de alumbrado y el empleo de lámparas de alto rendimiento, así también como reguladores que permitan un nivel de iluminación en función de las reales necesidades.
En el transcurso de un año de funcionamiento del sistema de climatización existen períodos de tiempo en los cuales las características del ambiente exterior del edificio son favorables para la climatización mediante el aire exterior, mediante un sistema economizador denominado comúnmente
free-cooling, especialmente en la época intermedia.
Otro aspecto a considerar es el incremento de la eficiencia energética, mediante el
fraccionamiento de la potencia de los equipos, con objeto de adaptar la producción de aire acondicionado a la demanda del calor del sistema, parcializando las unidades productoras a fin de conseguir en cada instante, el régimen de potencia más cercano al de máximo rendimiento. La utilización del
ciclo bomba de calor para calefacción es recomendable en lugar de resistencias eléctricas y el empleo de
gas natural para refrigeración con unidades enfriadoras de
agua operando con el ciclo de absorción constituye una alternativa a considerar.
Otras formas de ahorrar
energía consiste en la
recuperación de calor de condensación aprovechando que los equipos frigoríficos desprenden en su funcionamiento gran cantidad de calor que convenientemente recuperada puede ser empleada para otros servicios o zonas frías del edificio o también el
almacenamiento de energía enfriando agua o produciendo
hielo en las horas de la noche cuando la tarifa energética es más económica, el que está destinado a recortar los picos térmicos diarios, permitiendo reducir de esa manera, el tamaño de los equipos acondicionadores.
Control automático
El automatismo se realiza básicamente mediante un
termostato que comanda el funcionamiento de los equipos y un
humidistato para el control de la humedad. Esto constituye uno de los aspectos primordiales, dado que si bien el diseño de la instalación se efectúa en función de las condiciones más desfavorables o críticas, el sistema debe efectuar correctamente adaptándose a todas las variables climáticas y de utilización que se requieren por lo que se debe contar con los controles automáticos adecuados, especialmente en el caso de necesidades reducidas o parciales.
Adicionalmente a la optimización del consumo en cada una de las instalaciones en grandes edificios, es conveniente adoptar un
sistema de gestión integral que posibilite la operación y regulación de toda la instalación del consumo energético, así como una disminución de los costos de mantenimiento.
De esa manera, se obtiene el control directo de cada uno de los parámetros de la instalación, proporcionando en tiempo real la información de lo que está pasando en el edificio, pudiéndose tomar decisiones sobre elementos de ahorro energético, tales como selección de las condiciones interiores de confort, fijación de set-pint o parámetros de funcionamiento regulación de la iluminación, bombas de agua, etc.
Acondicionamiento de aire
En 1902
Willis Carrier sentó las bases de la maquinaria de refrigeración moderna y al intentar aplicarla a los espacios habitados, se encontró con el problema del aumento de la
humedad relativa del aire enfriado, y al estudiar cómo evitarlo, desarrolló el concepto de climatización de verano.
Por aquella época un impresor neoyorquino tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel, obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema: diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la historia.
Durante aquellos años, el objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial con máquinas que permitieran el control de la temperatura y la humedad. Los primeros en usar el sistema de aire acondicionado Carrier fueron las industrias textiles del sur de Estados Unidos. Un claro ejemplo, fue la fábrica de algodón Chronicle en
Belmont. Esta fábrica tenía un gran problema. Debido a la ausencia de humedad, se creaba un exceso de
electricidad estática haciendo que las fibras de algodón se convirtiesen en pelusa. Gracias a Carrier, el nivel de humedad se estabilizó y la pelusilla quedó eliminada.
Debido a la calidad de sus productos, un gran número de industrias, tanto nacionales como internacionales, se decantaron por la marca Carrier. La primera venta que se realizó al extranjero fue a la industria de la seda de
Yokohama en
Japón en 1907.
En 1915, empujados por el éxito, Carrier y seis amigos reunieron 32.600 dólares y fundaron “La Compañía de Ingeniería Carrier”, cuyo gran objetivo era garantizar al cliente el control de la temperatura y humedad a través de la innovación tecnológica y el servicio al cliente. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la historia de la industria: “la enfriadora centrífuga”. Este nuevo sistema de refrigeración se estrenó en 1924 en los grandes almacenes Hudson de
Detroit, en los cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para enfriar el sótano y posteriormente el resto de tienda. Tal fue el éxito, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos, fábricas, hoteles y grandes almacenes. La prueba de fuego llegó en 1925, cuando a la compañía Carrier se le encarga la climatización de un cine de
Nueva York. Se realiza una gran campaña de publicidad que llega rápidamente a los ciudadanos formándose largas colas en la puerta del cine. La película que se proyectó aquella noche fue rápidamente olvidada, pero no lo fue la aparición del aire acondicionado.
En 1930, alrededor de 300 cines tenían instalado ya el sistema de aire acondicionado. A finales de 1920 propietarios de pequeñas empresas quisieron competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar máquinas pequeñas. En 1928 se fabricó un equipo de climatización doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire y cuya principal aplicación era la doméstica, pero la
Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Hasta después de la
Segunda Guerra Mundial las ventas de equipos domésticos no empezaron a tener importancia en empresas y hogares.
de un 
es igual a la presión que ejerce el peso del pistón sobre el gas 
, y mas ninguna otra fuerza obra sobre nuestro sistema.
y como la presión que ejerce el gas sobre el pistón es 
el equilibrio se romperá y el cilindro deslizará hacia abajo ejerciendo un 
. Esta energía, por la 
.