8_sistemas_climatizacion

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

MAESTRA EN EFICIENCIA ENERGTICA

EFICIENCIA ENERGTICA EN EDIFICACIONES Abril 16, 2015

ESTRATEGIAS ACTIVAS Climatizacin

Ing. Carlos Naranjo Mendoza, M.Eng

Agenda 1. Introduccin 2. Clasificacin de los sistemas HVAC

1. Sistemas de expansin directa 2. Sistemas todo aire 3. Sistemas aire-agua 4. Sistemas todo agua

3. Equipos de produccin de calor 1. A combustin 2. Elctricos 3. No convencionales

4. Equipos de produccin de fro 1. A compresin 2. A sorcin

5. Eficiencia energtica en climatizacin

Introduccin Cuando no se puede garantizar las condiciones de confort trmico en edificaciones mediante el uso de estrategias pasivas se emplean sistemas de climatizacin para suplir las demandas.

El uso de sistemas de climatizacin o sistemas HVAC (Heating Ventilation and Air conditioning) inici con el desarrollo de los primeros equipos de refrigeracin mecnica a inicios del siglo XX.

No solo son sistemas de refrigeracin, sino tambin de calefaccin.

No solo permiten modificar la temperatura de un espacio, pueden tambin modificar la humedad.

Introduccin La instalacin de sistemas centralizados data desde los aos 60s, mientras que las medidas de eficiencia energtica se empiezan a impulsar con la crisis de petrleo en los 70s.

Introduccin El diseo de un edificio debe tener coordinacin entre el equipo de arquitectos e ingenieros en donde cada quien tiene diferentes responsabilidades.

Un profesional en sistemas de climatizacin debe encargarse de:

Dimensionamiento de equipos

Integracin de los sistemas

Control de los sistemas

Con el fin de asegurar el confort trmico para la mayora de los ocupantes.

Introduccin El proceso de diseo de un sistema de climatizacin incluye:

Clculo de cargas trmicas: calefaccin, refrigeracin y ventilacin

Clculo de cargas pico para satisfacer las demandas en condiciones climticas extremas

Especificar el equipo y los sistemas a utilizar as como la configuracin del sistema

Clculo del comportamiento del sistema a nivel anual

Clculo de costos

Introduccin Los profesionales en sistemas de climatizacin tienen un mayor campo de trabajo en el diseo de sistemas para edificios comerciales que residenciales.

La razn es que los edificios comerciales son ms grandes y sus sistemas de climatizacin ms complejos.

Lograr un rendimiento ptimo en los sistemas es fundamental: tarifas ms elevadas que en el sector residencial, mayor volumen de consumo energtico.

Los edificios comerciales ms complejos tienen diseos personalizados de sistemas de climatizacin, mientras que para el sector residencial los sistemas se son de produccin en masa.

Clasificacin de los sistemas HVAC El rol de un sistema de climatizacin (HVAC) es de mantener la temperatura y humedad del aire a condiciones deseadas dentro de un recinto.

Tipo de edificio

Condiciones climticas

Disponibilidad

Costos Confort

Zonificacin

Flexibilidad

Clasificacin de los sistemas HVAC Los sistemas de climatizacin pueden ser clasificados de acuerdo a diferentes criterios:

Distribucin Unitario Centralizado

Fluido de transporte

Expansin directa Todo aire Aire-Agua Todo agua

Control de carga

trmica

Volumen de aire constante Volumen de aire variable

Modo disipacin

Refrigerados por aire Refrigerados por agua

Clasificacin de los sistemas HVAC Ciclo termodinmico de refrigeracin por compresin:

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas de expansin directa:

Son sistemas compactos y de baja potencia Sistemas de ventana

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas de expansin directa: Sistemas de ventana Ventajas Control individual Se puede detener si no hay ocupacin Bajo costo Funcionamiento sencillo Poco espacio requerido Inconvenientes No tiene control sobre la humedad Ruidosos No tiene ventilacin Distribucin heterognea del aire Evacuacin exterior de condensado Esttica

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas de expansin directa: Sistemas partidos (split)

Tienen el condensador y compresor al exterior y el evaporador al interior de la zona a climatizar.

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas de expansin directa: Sistemas partidos (split) Ventajas Mejora la esttica Mayor flexibilidad q las de ventana Bajo costo Menor ruido Puede servir a varias zonas Control individual Inconvenientes Restricciones de distancia entre unidad exterior e interior Falta de ventilacin de aire exterior Difusin heterognea No tiene ventilacin

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: El medio de transporte entre la zona de produccin y zona a climatizar es solamente aire Sistemas compactos de techo (roof top)

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire:

Sistemas compactos de techo (roof top) Ventajas No ocupa espacio interior Bajo costo Enfriamiento gratuito Inconvenientes Mantenimiento ms complejo Control de humedad complejo porque el

sistema funciona intermitentemente Para edificaciones amplias de una sola planta, supermercados, almacenes.

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de caudal de aire constante

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire:

Sistemas centralizados de caudal de aire constante Ventajas Enfriamiento gratuito Buena distribucin de aire Bajo ruido Inconvenientes Mantenimiento complejo Espacio de ductos Red de retorno No ideal para multizonas Para edificios de oficinas de reas abiertas muy grandes, corredores, teatros, cines, supermercados

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de caudal de aire constante con bypass

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de caudal de aire constante con bypass Ventajas Permite zonificar Buen sistema de control Menor consumo energtico (por la zonificacin) Poco ruido Inconvenientes Ms costoso que sistema sin bypass Rendimiento ms bajo Red de retorno Para edificios de oficinas de varias zonas, residencias.

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de caudal de aire variable (VAV)

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de caudal de aire variable (VAV) Ventajas Menor consumo de ventiladores Menor tamao de la unidad de tratamiento de aire Permite control individual por zona Enfriamiento gratuito Inconvenientes Puede no garantizar ventilacin requerida

No se asegura distribucin del aire Ruido generado por las cajas de aire variable Para oficinas grandes de varias zonas, hospitales

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados doble conducto

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo aire: Sistemas centralizados de doble conducto Ventajas Mayor rendimiento del compresor Permite control individual por zona Inconvenientes Mantenimiento ms complejo Necesidad de trabajar en modo calefaccin y refrigeracin al

mismo tiempo Ocupan mayor espacio en ductos Para lugares donde se tienen varias zonas con diferentes cargas en cada una. Universidades, oficinas de gran superficie

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas aire-agua: El medio de transporte entre la zona de produccin y zona a climatizar es combinacin de aire y agua Sistemas con ventilo-convectores (fan coils)

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas aire-agua: Sistemas con ventilo-convectores (fan coils)

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas aire-agua: Sistemas con inductores Muy similar al de fan coil, pero sin ventilador: efecto Venturi

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas aire-agua:

Ventajas Se requiere menor espacio para ductos Bajo nivel de ruido Buena calidad de aire Unidad de tratamiento de aire ms pequea Inconvenientes Prdidas de calor por tuberas de agua Mayor costo Mantenimiento ms complejo (no centralizado) Para oficinas de varias zonas, para zonas pequeas pero de gran carga (espacios de computadores)

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo agua: El medio de transporte entre la zona de produccin y zona a climatizar agua solamente.

Sistemas de calefaccin por suelos radiantes

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo agua: Sistemas de refrigeracin por techos fros

Clasificacin de los sistemas HVAC Sistemas todo agua: Calefaccin por suelos radiantes o refrigeracin por techos fros Ventajas Buena distribucin de temperatura Menor costo de operacin No ocupa espacio en la zona Libre de ruido Inconvenientes Inversin inicial elevada Ventilacin por separado Difcil de implementar en edificios construidos Aislamiento inferior del suelo Para zonas de gran altura, iglesias, centros de convencin, etc.

Equipos de produccin de calor Equipos primarios:

Este tipo de sistemas se conocen como sistemas primarios ya que son los equipos donde se genera el calor o el fro (Planta). Es distribuido mediante los sistemas secundarios (sistemas HVAC)

Equipos de produccin de calor

Son los equipos empleados para la produccin de calor. Usos puede ser en climatizacin, calentamiento de agua, generacin de vapor, entre otros.

Segn el modo de

produccin de calor

A combustible: slido, lquido, gaseoso

Elctricos: resistencia elctrica, bomba de calor elctrica

No convencionales: solar, geotermia

Equipos de produccin de calor A combustible: Convierten la energa qumica de los combustibles en energa calrica a travs de la combustin.

Carbn Bagazo Lea

Slido

Disel Gasolina

Lquido

Gas Natural Gas licuado de petrleo Gaseoso

Equipos de produccin de calor A combustible:

Hornos: Calientan el aire de la edificacin directamente


Hornos Ventajas Bajo costo inicial Flexibilidad para uso de

diferentes combustibles Inconvenientes Ruidosos Costo alto de operacin Mantenimiento complejo Necesidad de ductos


Calderas: Calientan agua que transporta el calor a la edificacin. Transfieren calor de los gases de combustin a un fluido (comnmente agua) en fase lquida o de vapor.


Calderas: Pueden clasificarse de diferentes modos Segn la disposicin del fluido:

Humotubulares Acuotubulares

Equipos de produccin de calor A combustible: Segn la configuracin:

Horizontales Verticales

Equipos de produccin de calor A combustible: Segn el tipo de tiro:

Forzado Natural


Calderas Ventajas Costo reducido de operacin Silenciosos Alto rendimiento Mantenimiento menos complejo No requiere de ductos de aire Calor se transmite por radiacin Inconvenientes Mayor costo inicial Un dao del sistema puede ser difcil

de reparar

Equipos de produccin de calor Resistencia elctrica: La energa elctrica es transformada en calor a travs del uso de resistencias elctricas. Pueden ser unitarios para cada zona a climatizar o para plantas como es el caso de hornos elctricos y calderas elctricas.


Hornos elctricos Calderas elctricas (termostatos)


Equipos de resistencia elctrica Ventajas Menor costo de inversin inicial Ms eficientes Menos contaminantes No emiten gases Ms seguros Inconvenientes Mayor costo de operacin Consumo de energa primaria

Equipos de produccin de calor Bombas de calor elctricas: Comportamiento como el ciclo de refrigeracin por compresin pero en sentido inverso. El condensador se encuentra en el lado a calentar. Se requiere de un foco fro y uno caliente.

Puede darse el transporte de calor por: Aire-aire Aire-agua Aire-tierra

Equipos de produccin de calor Aire-aire Aire-agua

Tierra-aire

Equipos de produccin de calor Bombas de calor elctricas Ventajas Rendimiento alto, COP=3 Menor consumo elctrico Puede ser reversible Al usar suelo o agua como sumidero

se consigue an mayor rendimiento Inconvenientes Ruidoso Mayor costo comparado con sistemas

de resistencia Dependiendo las fuentes de calor

puede convertirse en un sistema complejo


Emplean fuentes no convencionales o alternativas para el calentamiento.

Calefaccin solar

No convencionales

Equipos de produccin de calor No convencionales

Calefaccin geotrmica

Equipos de produccin de fro Compresin Se basan en el ciclo de refrigeracin por compresin

Elementos principales

Compresor

Condensador

Vlvula de expansin

Evaporador

Evaporador y condensador son elementos sencillos: intercambiadores de calor Vlvula de expansin, para reducir la presin del lquido Compresor, el elemento ms importante y de mayor consumo energtico

Equipos de produccin de fro Compresores: Disminuyen la presin de un gas, no de lquidos Los tres principales tipos de compresores son de pistn, centrfugos y de tornillo. Compresores de pistn: es el ms comn, potencias pequeas y medias, buena eficiencia

Equipos de produccin de fro

Compresores centrfugos: para grandes potencias de refrigeracin, eficiencia poco menor al de pistn


Compresores de tornillo: para potencias medias, mayor a las de pistn y menor a las centrfugas, son muy compactos, eficiencia baja a cargas variables.


El calor que gana el condensador debe ser disipado. En sistemas de pequea potencia se disipa por aire con ayuda de ventiladores mientras que en sistemas de gran potencia se disipa con agua proveniente de una torre de enfriamiento.

Condensador enfriado por aire

Condensador enfriado por agua Torre de

refrigeracin

Disipacin de calor

Equipos de produccin de fro Absorcin

Reemplaza el compresor elctrico, por un compresor trmico que absorbe el vapor para ser bombeado como lquido y luego separado con calor

El calor puede provenir de fuentes renovables como solar

Eficiencia energtica en climatizacin La principal medida de eficiencia energtica inicia con un correcto diseo.

Dimensionamiento adecuado considerando la mayor parte de los detalles: evitar sobredimensionamiento.

Estudios paramtricos de los sistemas, iteraciones hasta un diseo deseado.

Tratar de reducir las cargas mediante el uso de aislante, elementos de sombras.

Tomar en cuenta la zonificacin de los espacios a climatizar.

Uso de sistemas de control.

Almacenamiento de energa cuando sea conveniente.

Recuperacin de calor para otros usos.

Bibliografa ASHRAE, S. (2007). Standard 90.1-2007. Energy Standard for Buildings Except

Low-Rise Residential Buildings. Guide, F. (1999). Energy efficiency in buildings. Chartered Institute of Building

Services Engineers. Kreider, Jan F., Peter Curtiss, and Ari Rabl. Heating and cooling of buildings:

design for efficiency. New York: McGraw-Hill (2010) McDowall, Robert. Fundamentals of HVAC systems. Academic Press, 2006. Keith, E Herold, Radermacher Reinhard et A Klein Sanford. 1996.

Absorption chillers and heat pumps. CRC Press, USA. Quadri, Nestor Pedro. 2002. Instalaciones de aire acondicionado y calefaccin.

Librera y Editorial Alsina. Handbook, ASHRAE Fundamentals. "American Society of Heating,

Refrigerating and Air-conditioning Engineers." Atlanta, GA (2009). McDowall, Robert. Fundamentals of HVAC systems. Academic Press, 200

ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA MECNICAMAESTRA EN EFICIENCIA ENERGTICAESTRATEGIAS ACTIVASClimatizacinAgendaAgendaIntroduccinIntroduccinIntroduccinIntroduccinIntroduccinAgendaClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACClasificacin de los sistemas HVACAgendaEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorEquipos de produccin de calorAgendaEquipos de produccin de froEquipos de produccin de froEquipos de produccin de froEquipos de produccin de froEquipos de produccin de froEquipos de produccin de froAgendaEficiencia energtica en climatizacinBibliografaNmero de diapositiva 64

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