La calefacción y refrigeración radiante es una categoría de tecnologías HVAC que intercambian calor por convección y radiación con los entornos para los que están diseñadas para calentar o enfriar. Hay muchas subcategorías de calefacción y refrigeración radiante, que incluyen: "paneles de techo radiantes", [1] "sistemas de superficie integrados", [1] "sistemas de construcción térmicamente activos", [1] y calentadores de infrarrojos . Según algunas definiciones, una tecnología sólo se incluye en esta categoría si la radiación comprende más del 50% de su intercambio de calor con el medio ambiente; [2] por lo tanto, tecnologías como los radiadores y las vigas frías (que también pueden implicar transferencia de calor por radiación) generalmente no se consideran calefacción o refrigeración radiante. Dentro de esta categoría, es práctico distinguir entre calefacción radiante de alta temperatura (dispositivos con una temperatura de fuente emisora >≈300 °F) y calefacción o refrigeración radiante con temperaturas de fuente más moderadas. Este artículo aborda principalmente la calefacción y refrigeración radiante con temperaturas de fuente moderadas, utilizadas para calentar o enfriar ambientes interiores. La calefacción y refrigeración radiante de temperatura moderada generalmente se compone de superficies relativamente grandes que se calientan o enfrían internamente mediante fuentes hidrónicas o eléctricas. Para calefacción radiante interior o exterior de alta temperatura, consulte: Calentador de infrarrojos . Para aplicaciones de derretimiento de nieve, consulte: Sistema de derretimiento de nieve .
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La calefacción radiante es una tecnología para calentar zonas interiores y exteriores. Todos los días se observa calentamiento mediante energía radiante , siendo el calor del sol el ejemplo más comúnmente observado. La calefacción radiante como tecnología tiene una definición más estricta. Es el método de utilizar intencionalmente los principios del calor radiante para transferir energía radiante desde una fuente de calor emisora a un objeto. Los diseños con calefacción radiante se consideran sustitutos de la calefacción por convección convencional , así como una forma de suministrar calefacción exterior confinada.
La calefacción radiante calienta un edificio mediante calor radiante , en lugar de métodos convencionales como los radiadores (principalmente calefacción por convección ). Un ejemplo es la estufa de berberechos austriaca/alemana ( Kachelofen ), un tipo de calentador de mampostería . Los sistemas mixtos de radiación, convección y conducción han existido desde el uso romano del calentamiento por hipocausto . [3] La calefacción por suelo radiante está muy extendida desde hace mucho tiempo en China y Corea del Sur . [4] La energía térmica se emite desde un elemento cálido, como un piso, una pared o un panel superior, y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. La temperatura del aire interno de los edificios con calefacción radiante puede ser más baja que la de un edificio con calefacción convencional para lograr el mismo nivel de confort corporal, cuando se ajusta de modo que la temperatura percibida sea realmente la misma. Una de las principales ventajas de los sistemas de calefacción radiante es una circulación de aire mucho menor dentro de la habitación y la correspondiente dispersión de partículas en el aire.
Los sistemas de calefacción/refrigeración radiante se pueden dividir en:
Los sistemas de calefacción por suelo y pared a menudo se denominan sistemas de baja temperatura. Dado que su superficie de calentamiento es mucho mayor que la de otros sistemas, se requiere una temperatura mucho más baja para lograr el mismo nivel de transferencia de calor . Esto proporciona un clima interior mejorado con niveles de humedad más saludables. La temperatura máxima de la superficie calefactora puede variar entre 29 y 35 °C (84 y 95 °F), según el tipo de habitación. Los paneles radiantes se utilizan principalmente en instalaciones de producción y almacenamiento o centros deportivos; cuelgan a pocos metros del suelo y la temperatura de su superficie es mucho más alta.
En el caso de calentar zonas exteriores, el aire circundante está en constante movimiento. En la mayoría de los casos, confiar en el calentamiento por convección no es práctico, la razón es que, una vez que se calienta el aire exterior, este se evaporará con el movimiento del aire. Incluso en condiciones sin viento, los efectos de flotabilidad arrastrarán el aire caliente. Los calentadores radiantes para exteriores permiten apuntar a espacios específicos dentro de un área exterior, calentando solo a las personas y objetos en su camino. Los sistemas de calefacción radiante pueden funcionar con gas o utilizar elementos calefactores eléctricos por infrarrojos. Un ejemplo de calentadores radiantes de techo son los calentadores de patio que se usan a menudo en exteriores. El disco metálico superior refleja el calor radiante sobre un área pequeña.
Radiant cooling is the use of cooled surfaces to remove sensible heat primarily by thermal radiation and only secondarily by other methods like convection. ASHRAE defines radiant systems as temperature-controlled surfaces where 50% or more of the design heat transfer takes place by thermal radiation.[5] Radiant systems that use water to cool the radiant surfaces are examples of hydronic systems. Unlike “all-air” air conditioning systems that circulate cooled air only, hydronic radiant systems circulate cooled water in pipes through specially-mounted panels on a building's floor or ceiling to provide comfortable temperatures. There is a separate system to provide air for ventilation, dehumidification, and potentially additionally cooling.[5] Radiant systems are less common than all-air systems for cooling, but can have advantages compared to all-air systems in some applications.[6][7][8]
Since the majority of the cooling process results from removing sensible heat through radiant exchange with people and objects and not air, occupant thermal comfort can be achieved with warmer interior air temperatures than with air based cooling systems. Radiant cooling systems potentially offer reductions in cooling energy consumption.[6] The latent loads (humidity) from occupants, infiltration and processes generally need to be managed by an independent system. Radiant cooling may also be integrated with other energy-efficient strategies such as night time flushing, indirect evaporative cooling, or ground source heat pumps as it requires a small difference in temperature between desired indoor air temperature and the cooled surface.[9]
Passive daytime radiative cooling uses a material that fluoresces in the infrared atmospheric window, a frequency range where the atmosphere is unusually transparent, so that the energy goes straight out to space. This can cool the heat-fluorescent object to below ambient air temperature, even in full sun.[10][11][12]
Early radiant cooling systems were installed in the late 1930s and 1940s in Europe[13] and by the 1950s in the US.[14] They became more common in Europe in the 1990s and continue to be used today.[15]
Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen un menor consumo de energía que los sistemas de refrigeración convencionales, según una investigación realizada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Los ahorros de energía de refrigeración radiante dependen del clima, pero en promedio en todo Estados Unidos los ahorros están en el rango del 30% en comparación con los sistemas convencionales. Las regiones frías y húmedas podrían tener ahorros del 17%, mientras que las regiones cálidas y áridas tendrían ahorros del 42%. [6] Los climas cálidos y secos ofrecen la mayor ventaja para el enfriamiento radiante, ya que tienen la mayor proporción de enfriamiento mediante la eliminación del calor sensible. Si bien esta investigación es informativa, es necesario realizar más investigaciones para tener en cuenta las limitaciones de las herramientas de simulación y los enfoques de sistemas integrados. Gran parte del ahorro de energía también se atribuye a la menor cantidad de energía necesaria para bombear agua en lugar de distribuir aire con ventiladores. Al acoplar el sistema con la masa del edificio, el enfriamiento radiante puede trasladar parte del enfriamiento a las horas nocturnas de menor actividad. La refrigeración radiante parece tener costes iniciales [16] y costes de ciclo de vida más bajos en comparación con los sistemas convencionales. Los costos iniciales más bajos se atribuyen en gran medida a la integración con la estructura y los elementos de diseño, mientras que los costos más bajos del ciclo de vida son el resultado de un menor mantenimiento. Sin embargo, un estudio reciente sobre la comparación del recalentamiento VAV versus vigas frías activas y DOAS cuestionó las afirmaciones de un costo inicial más bajo debido al costo adicional de las tuberías [17]
Debido al potencial de formación de condensación en la superficie radiante fría (lo que resulta en daños por agua, moho y similares), los sistemas de enfriamiento radiante no se han aplicado ampliamente. La condensación causada por la humedad es un factor limitante para la capacidad de enfriamiento de un sistema de enfriamiento radiante. La temperatura de la superficie no debe ser igual o inferior a la temperatura del punto de rocío en el espacio. Algunas normas sugieren un límite de humedad relativa en un espacio del 60% o 70%. Una temperatura del aire de 26 °C (79 °F) significaría un punto de rocío entre 17 °C y 20 °C (63 °F y 68 °F). [9] Sin embargo, existe evidencia que sugiere que disminuir la temperatura de la superficie por debajo de la temperatura del punto de rocío durante un corto período de tiempo puede no causar condensación . [16] Además, el uso de un sistema adicional, como un deshumidificador o DOAS , puede limitar la humedad y permitir una mayor capacidad de enfriamiento.
Si bien existe una amplia gama de tecnologías de sistemas, existen dos tipos principales de sistemas de enfriamiento radiante. El primer tipo son los sistemas que suministran refrigeración a través de la estructura del edificio, normalmente losas. Estos sistemas también se denominan sistemas de construcción activados térmicamente (TABS). [18] El segundo tipo son los sistemas que suministran refrigeración a través de paneles especializados. Los sistemas que utilizan losas de hormigón son generalmente más baratos que los sistemas de paneles y ofrecen la ventaja de la masa térmica, mientras que los sistemas de paneles ofrecen flexibilidad y control de temperatura más rápido.
El enfriamiento radiante desde una losa se puede entregar a un espacio desde el piso o el techo. Dado que los sistemas de calefacción radiante tienden a estar en el suelo, la opción obvia sería utilizar el mismo sistema de circulación para el agua enfriada. Si bien esto tiene sentido en algunos casos, suministrar refrigeración desde el techo tiene varias ventajas.
En primer lugar, es más fácil dejar los techos expuestos a una habitación que los suelos, lo que aumenta la eficacia de la masa térmica. Los suelos presentan el inconveniente de los revestimientos y muebles que disminuyen la eficacia del sistema.
En segundo lugar, se produce un mayor intercambio de calor por convección a través de un techo frío a medida que el aire caliente asciende, lo que hace que más aire entre en contacto con la superficie enfriada.
La refrigeración suministrada a través del suelo tiene más sentido cuando hay una gran cantidad de ganancia solar por la penetración del sol, porque el suelo frío puede eliminar esas cargas más fácilmente que el techo. [9]
Las losas refrigeradas, en comparación con los paneles, ofrecen una masa térmica más significativa y, por lo tanto, pueden aprovechar mejor los cambios de temperatura diurnos exteriores. Las losas refrigeradas cuestan menos por unidad de superficie y están más integradas con la estructura.
Los sistemas de calefacción/refrigeración radiante/convectiva generalmente están integrados en losas o falsos techos, o se fijan a los techos, pero también se pueden fijar a las paredes. La naturaleza modular de los paneles de techo ofrece una mayor flexibilidad en términos de ubicación e integración con iluminación u otros sistemas eléctricos, pero son menos eficientes que los sistemas de vigas frías. Una masa térmica más baja en comparación con las losas enfriadas significa que no pueden aprovechar fácilmente el enfriamiento pasivo del almacenamiento térmico, pero los controles pueden ajustarse más rápidamente a los cambios en la temperatura exterior. Las vigas/techos fríos también se adaptan mejor a edificios con espacios que tienen una mayor variación en las cargas de refrigeración. [5] Los paneles perforados también ofrecen una mejor amortiguación acústica que las losas refrigeradas. Los paneles de techo son muy adecuados para modernizaciones porque se pueden fijar a cualquier techo. Los paneles de techo fríos se pueden integrar más fácilmente con la ventilación suministrada desde el techo.
La temperatura operativa es un indicador del confort térmico que tiene en cuenta los efectos tanto de la convección como de la radiación. La temperatura operativa se define como la temperatura uniforme de un recinto radiantemente negro en el que un ocupante intercambiaría la misma cantidad de calor por radiación más convección que en el entorno no uniforme real.
Con los sistemas radiantes, el confort térmico se logra a una temperatura interior más cálida que los sistemas totalmente de aire para el escenario de refrigeración, y a una temperatura más baja que los sistemas totalmente de aire para el escenario de calefacción. [19] Así, los sistemas radiantes pueden ayudar a conseguir ahorros energéticos en el funcionamiento del edificio manteniendo el nivel de confort deseado.
Según un gran estudio realizado utilizando la encuesta de calidad ambiental interior (IEQ) de los ocupantes del Centro para el Medio Ambiente Construido para comparar la satisfacción de los ocupantes en edificios radiantes y con aire acondicionado, ambos sistemas crean condiciones ambientales interiores iguales, incluida la satisfacción acústica, con una tendencia hacia una mejor satisfacción de la temperatura en edificios radiantes. [20]
La asimetría de temperatura radiante se define como la diferencia entre la temperatura radiante plana de los dos lados opuestos de un elemento plano pequeño. En lo que respecta a los ocupantes de un edificio, el campo de radiación térmica alrededor del cuerpo puede no ser uniforme debido a las superficies frías y calientes y a la luz solar directa, provocando, por tanto, malestar local. La norma ISO 7730 y la norma ASHRAE 55 dan el porcentaje previsto de ocupantes insatisfechos (PPD) en función de la asimetría de la temperatura radiante y especifican los límites aceptables. En general, las personas son más sensibles a la radiación asimétrica causada por un techo cálido que a la causada por superficies verticales frías y calientes. El método de cálculo detallado del porcentaje de insatisfechos debido a una asimetría de temperatura radiante se describe en la Norma ISO 7730.
Si bien los requisitos de diseño específicos dependerán del tipo de sistema radiante, algunos problemas son comunes a la mayoría de los sistemas radiantes.
Los sistemas de refrigeración radiante suelen ser hidrónicos , refrigerando mediante agua circulante que discurre por tuberías en contacto térmico con la superficie. Normalmente, el agua en circulación solo necesita estar entre 2 y 4 °C por debajo de la temperatura del aire interior deseada. [9] Una vez absorbido por la superficie enfriada activamente, el calor se elimina mediante agua que fluye a través de un circuito hidrónico, reemplazando el agua calentada por agua más fría.
Dependiendo de la posición de las tuberías en la construcción del edificio, los sistemas radiantes hidrónicos se pueden clasificar en 4 categorías principales:
La norma ISO 11855-2 [24] se centra en sistemas integrados de calefacción y refrigeración de superficies a base de agua y TABS. Dependiendo de los detalles constructivos, esta norma distingue 7 tipos diferentes de estos sistemas (Tipos A al G)
Los sistemas radiantes están asociados con sistemas de baja exergía. Baja exergía se refiere a la posibilidad de utilizar "energía de baja calidad" (es decir, energía dispersa que tiene poca capacidad para realizar un trabajo útil). En principio, tanto la calefacción como la refrigeración se pueden obtener a niveles de temperatura cercanos al ambiente. La baja diferencia de temperatura requiere que la transmisión de calor se realice sobre superficies relativamente grandes, como por ejemplo en techos o sistemas de calefacción por suelo radiante. [25] Los sistemas radiantes que utilizan calefacción a baja temperatura y refrigeración a alta temperatura son un ejemplo típico de sistemas de baja exergía. Fuentes de energía como la geotérmica (refrigeración directa/calefacción con bomba de calor geotérmica) y el agua caliente solar son compatibles con los sistemas radiantes. Estas fuentes pueden suponer importantes ahorros en términos de uso de energía primaria para los edificios.
Algunos edificios conocidos que utilizan refrigeración radiante incluyen el aeropuerto Suvarnabhumi de Bangkok , [26] el edificio 1 de desarrollo de software Infosys en Hyderabad, IIT Hyderabad , [27] y el Exploratorium de San Francisco . [28] La refrigeración radiante también se utiliza en muchos edificios de energía neta cero . [29] [30]
La radiación térmica es la energía en forma de ondas electromagnéticas que emite un sólido, líquido o gas como consecuencia de su temperatura. [31] En los edificios, el flujo de calor radiante entre dos superficies internas (o una superficie y una persona) está influenciado por la emisividad de la superficie emisora de calor y por el factor de visión entre esta superficie y la superficie receptora (objeto o persona) en el cuarto. [32] La radiación térmica (onda larga) viaja a la velocidad de la luz, en línea recta. [5] Puede reflejarse. Las personas, los equipos y las superficies de los edificios se calentarán si absorben la radiación térmica, pero la radiación no calienta notablemente el aire por el que viaja. [5] Esto significa que el calor fluirá desde los objetos, ocupantes, equipos y luces en un espacio hacia una superficie enfriada siempre que sus temperaturas sean más cálidas que las de la superficie enfriada y estén dentro de la línea de visión directa o indirecta del superficie enfriada. También se elimina algo de calor por convección porque la temperatura del aire disminuirá cuando el aire entre en contacto con la superficie enfriada.
La transferencia de calor por radiación es proporcional a la potencia de cuatro de la temperatura absoluta de la superficie.
La emisividad de un material (generalmente escrita ε o e) es la capacidad relativa de su superficie para emitir energía por radiación. Un cuerpo negro tiene una emisividad de 1 y un reflector perfecto tiene una emisividad de 0. [31]
En la transferencia de calor radiativo, un factor de vista cuantifica la importancia relativa de la radiación que sale de un objeto (persona o superficie) e incide en otro, considerando los demás objetos circundantes. En recintos cerrados, la radiación que sale de una superficie se conserva, por lo tanto, la suma de todos los factores de visión asociados con un objeto determinado es igual a 1. En el caso de una habitación, el factor de visión de una superficie radiante y una persona dependen de sus posiciones relativas. . Como una persona cambia con frecuencia de posición y una habitación puede estar ocupada por muchas personas al mismo tiempo, se pueden utilizar diagramas de persona omnidireccional. [33]
El tiempo de respuesta (τ95), también conocido como constante de tiempo , se utiliza para analizar el rendimiento térmico dinámico de los sistemas radiantes. El tiempo de respuesta de un sistema radiante se define como el tiempo que tarda la temperatura de la superficie de un sistema radiante en alcanzar el 95% de la diferencia entre sus valores final e inicial cuando se aplica como entrada un cambio escalonado en el control del sistema. [34] Está influenciado principalmente por el espesor del concreto, el espaciamiento de las tuberías y, en menor grado, el tipo de concreto. No se ve afectado por el diámetro de la tubería, la temperatura ambiente operativa, la temperatura del agua de suministro ni el régimen de flujo de agua. Al utilizar el tiempo de respuesta, los sistemas radiantes se pueden clasificar en respuesta rápida (τ95< 10 min, como RCP), respuesta media (1 h<τ95<9 h, como Tipo A, B, D, G) y respuesta lenta (9 h < τ95<19 h, como Tipo E y Tipo F). [34] Además, los sistemas radiantes de piso y techo tienen diferentes tiempos de respuesta debido a diferentes coeficientes de transferencia de calor con el ambiente térmico de la habitación y la posición de la tubería empotrada.
Chimeneas y estufas de leña
24-6. El primer gran edificio en Zurich equipado con un sistema combinado de calefacción y refrigeración radiante es el gran almacén Jelmoli (Fig. 24-1). Las primeras secciones de este almacén se construyeron entre 1899 y 1932 y se equiparon con un sistema estándar de calefacción por radiadores que utilizaba vapor a baja presión; la última sección se construyó entre 1933 y 1937 y está equipada con un sistema combinado de calefacción y refrigeración radiante... El edificio administrativo de Saurer Co. en Arbon y el hospital municipal de Basilea se encuentran entre los edificios más importantes recientemente equipados con sistemas de refrigeración radiante.
Este tipo de sistema ha demostrado ser exitoso en varias instalaciones. Se intentó por primera vez en algunas salas de muestra de Radio City hace unos cinco años. Desde entonces, ha aparecido en el edificio Alcoa de 30 pisos, así como en otro edificio de varios pisos en Canadá. Ambas estructuras se calientan en invierno y se enfrían en verano mediante las mismas bobinas de tubería en techos metálicos.