La calefacción y refrigeración radiante es una categoría de tecnologías de HVAC que intercambian calor por convección y radiación con los entornos que están diseñados para calentar o enfriar. Hay muchas subcategorías de calefacción y refrigeración radiante, incluyendo: "paneles de techo radiante", [1] "sistemas de superficie integrados", [1] "sistemas de construcción térmicamente activos", [1] y calentadores infrarrojos . Según algunas definiciones, una tecnología solo 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 radiadores y 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 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 radiantes a temperatura moderada suelen estar compuestas por superficies relativamente grandes que se calientan o enfrían internamente mediante fuentes hidrónicas o eléctricas. Para calefacción radiante de alta temperatura en interiores o exteriores, consulte: Calentador infrarrojo . Para aplicaciones de derretimiento de nieve, consulte: Sistema de derretimiento de nieve .
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La calefacción radiante es una tecnología para calentar espacios interiores y exteriores. La calefacción mediante energía radiante se observa todos los días, siendo el calor de la luz del sol el ejemplo más común. La calefacción radiante como tecnología se define de forma 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 proporcionar calefacción al aire libre en espacios reducidos.
La calefacción radiante calienta un edificio a través del calor radiante , en lugar de los métodos convencionales como los radiadores (principalmente calefacción por convección ). Un ejemplo es la estufa de leña austríaca/alemana ( Kachelofen ), un tipo de calentador de mampostería . Los sistemas mixtos de radiación, convección y conducción existen desde el uso romano de la calefacción por hipocausto . [3] La calefacción radiante por suelo radiante se ha extendido durante mucho tiempo en China y Corea del Sur . [4] La energía térmica se emite desde un elemento cálido, como un suelo, 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 interior de los edificios con calefacción radiante puede ser inferior a la de un edificio con calefacción convencional para lograr el mismo nivel de comodidad 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 mucho menor del aire dentro de la habitación y la correspondiente propagación de partículas en el aire.
Los sistemas de calefacción/refrigeración radiante se pueden dividir en:
Los sistemas de calefacción por suelo radiante y por pared suelen denominarse 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 ambiental mejorado con niveles de humedad más saludables. Las temperaturas más bajas y la gran superficie de los sistemas de calefacción por suelo radiante los convierten en emisores de calor ideales para las bombas de calor de fuente de aire , que irradian de manera uniforme y eficaz la energía térmica del sistema a las habitaciones de una casa.
La temperatura máxima de la superficie de calefacción puede variar entre 29 y 35 °C (84 y 95 °F) según el tipo de habitación. Los paneles radiantes de techo se utilizan principalmente en instalaciones de producción y almacenamiento o en centros deportivos; cuelgan a unos metros del suelo y sus temperaturas superficiales son mucho más altas.
En el caso de la calefacción de zonas exteriores, el aire circundante está en constante movimiento. En la mayoría de los casos, depender de la calefacción por convección resulta poco práctico, ya que, una vez que se calienta el aire exterior, este se dispersará con el movimiento del aire. Incluso en condiciones de ausencia de viento, los efectos de flotabilidad arrastrarán el aire caliente. Los calentadores radiantes para exteriores permiten dirigirse a espacios específicos dentro de una zona exterior, calentando solo a las personas y los objetos que se encuentran en su camino. Los sistemas de calefacción radiante pueden funcionar a gas o utilizar elementos de calefacción infrarrojos eléctricos. Un ejemplo de los calentadores radiantes de techo son los calentadores de patio que se utilizan a menudo en exteriores. El disco de metal superior refleja el calor radiante sobre una zona pequeña.
El enfriamiento radiante es el uso de superficies enfriadas para eliminar el calor sensible principalmente por radiación térmica y solo secundariamente por otros métodos como la convección . ASHRAE define los sistemas radiantes como superficies con temperatura controlada donde el 50% o más de la transferencia de calor de diseño se lleva a cabo por radiación térmica. [5] Los sistemas radiantes que utilizan agua para enfriar las superficies radiantes son ejemplos de sistemas hidrónicos . A diferencia de los sistemas de aire acondicionado "todo aire" que circulan solo aire frío, los sistemas radiantes hidrónicos hacen circular agua fría en tuberías a través de paneles especialmente montados en el piso o el techo de un edificio para proporcionar temperaturas cómodas. Hay un sistema separado para proporcionar aire para ventilación , deshumidificación y potencialmente enfriamiento adicional. [5] Los sistemas radiantes son menos comunes que los sistemas todo aire para enfriamiento, pero pueden tener ventajas en comparación con los sistemas todo aire en algunas aplicaciones. [6] [7] [8]
Dado que la mayor parte del proceso de refrigeración se produce a partir de la eliminación de calor sensible mediante el intercambio radiante con personas y objetos y no con aire, el confort térmico de los ocupantes se puede lograr con temperaturas del aire interior más cálidas que con los sistemas de refrigeración basados en aire. Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen potencialmente reducciones en el consumo de energía de refrigeración. [6] Las cargas latentes (humedad) de los ocupantes, la infiltración y los procesos generalmente deben gestionarse mediante un sistema independiente. La refrigeración radiante también se puede integrar con otras estrategias de eficiencia energética, como el lavado nocturno, la refrigeración evaporativa indirecta o las bombas de calor geotérmicas , ya que requiere una pequeña diferencia de temperatura entre la temperatura del aire interior deseada y la superficie enfriada. [9]
El enfriamiento radiativo pasivo diurno utiliza un material que emite fluorescencia en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencia en el que la atmósfera es inusualmente transparente, de modo que la energía se transmite directamente al espacio. Esto puede enfriar el objeto fluorescente por debajo de la temperatura del aire ambiente, incluso a pleno sol. [10] [11] [12]
Los primeros sistemas de refrigeración radiante se instalaron a finales de los años 1930 y 1940 en Europa [13] y en los años 1950 en los EE. UU. [14] Se volvieron más comunes en Europa en los años 1990 y continúan utilizándose en la actualidad. [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 . El ahorro de energía de la refrigeración radiante depende del clima, pero en promedio en los EE. UU. el ahorro está en el rango del 30% en comparación con los sistemas convencionales. Las regiones frías y húmedas pueden tener ahorros del 17%, mientras que las regiones cálidas y áridas tienen ahorros del 42%. [6] Los climas cálidos y secos ofrecen la mayor ventaja para la refrigeración radiante, ya que tienen la mayor proporción de refrigeración mediante la eliminación de calor sensible. Si bien esta investigación es informativa, se necesita realizar más investigación 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, la refrigeración radiante puede trasladar parte de la refrigeración a las horas nocturnas de menor demanda. La refrigeración radiante parece tener menores costos iniciales [16] y costos de ciclo de vida en comparación con los sistemas convencionales. Los menores costos iniciales se atribuyen en gran medida a la integración con la estructura y los elementos de diseño, mientras que los menores costos de ciclo de vida son resultado de un menor mantenimiento. Sin embargo, un estudio reciente sobre la comparación del recalentamiento VAV frente a las vigas frías activas y DOAS cuestionó las afirmaciones de un menor costo inicial debido al costo adicional de las tuberías [17].
Debido a la posibilidad de formación de condensación en la superficie radiante fría (lo que provoca daños por agua, moho y similares), los sistemas de refrigeración radiante no se han aplicado ampliamente. La condensación causada por la humedad es un factor limitante para la capacidad de refrigeración de un sistema de refrigeración 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 para la 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 y 20 °C (63 y 68 °F). [9] Sin embargo, hay 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 refrigeración.
Si bien existe una amplia gama de tecnologías de sistemas, existen dos tipos principales de sistemas de refrigeración radiante. El primer tipo son los sistemas que proporcionan refrigeración a través de la estructura del edificio, generalmente losas. Estos sistemas también se denominan sistemas de edificios activados térmicamente (TABS). [18] El segundo tipo son los sistemas que proporcionan refrigeración a través de paneles especializados. Los sistemas que utilizan losas de hormigón son generalmente más económicos que los sistemas de paneles y ofrecen la ventaja de la masa térmica, mientras que los sistemas de paneles ofrecen un control de temperatura más rápido y flexibilidad.
La refrigeración radiante de una losa se puede suministrar a un espacio desde el suelo o el techo. Dado que los sistemas de calefacción radiante suelen estar en el suelo, la opción obvia sería utilizar el mismo sistema de circulación para el agua fría. 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 pisos, lo que aumenta la eficacia de la masa térmica. Los pisos tienen la desventaja de tener revestimientos y muebles que reducen la eficacia del sistema.
En segundo lugar, se produce un mayor intercambio de calor convectivo a través de un techo frío a medida que el aire caliente se eleva, lo que hace que más aire entre en contacto con la superficie enfriada.
La refrigeración distribuida a través del suelo tiene más sentido cuando hay una gran cantidad de ganancia solar por 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 las oscilaciones de temperatura diurnas 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 se integran en losas o cielorrasos suspendidos, o se fijan a los cielorrasos, pero también se pueden fijar a las paredes. La naturaleza modular de los paneles de cielorraso ofrece una mayor flexibilidad en términos de colocación e integración con la iluminación u otros sistemas eléctricos, pero son menos eficientes que los sistemas de vigas frías. La menor masa térmica en comparación con las losas frías significa que no pueden aprovechar fácilmente la refrigeración pasiva del almacenamiento térmico, pero los controles pueden ajustarse más rápidamente a los cambios en la temperatura exterior. Las vigas/cielos fríos también son más adecuados para 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 frías. Los paneles de cielorraso son muy adecuados para reformas porque se pueden fijar a cualquier cielorraso. Los paneles de cielorraso frío se pueden integrar más fácilmente con la ventilación suministrada desde el cielorraso.
La temperatura de funcionamiento es un indicador de confort térmico que tiene en cuenta los efectos tanto de la convección como de la radiación. La temperatura de funcionamiento se define como una temperatura uniforme de un recinto de color negro radiante 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 con los sistemas de aire puro para el escenario de refrigeración, y a una temperatura más baja que con los sistemas de aire puro para el escenario de calefacción. [19] Por lo tanto, los sistemas radiantes pueden ayudar a lograr ahorros de energía en el funcionamiento del edificio manteniendo el nivel de confort deseado.
Según un estudio de gran escala realizado utilizando la encuesta de calidad ambiental interior (IEQ) del Centro para el Medio Ambiente Construido para comparar la satisfacción de los ocupantes en edificios con aire acondicionado radiante y en edificios con aire acondicionado completo, ambos sistemas crean condiciones ambientales interiores iguales, incluida la satisfacción acústica, con una tendencia hacia una mejor satisfacción térmica en los edificios radiantes. [20]
La asimetría de la 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 calientes y frías y a la luz solar directa, lo que provoca malestar local. La norma ISO 7730 y el estándar ASHRAE 55 proporcionan 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 calientes y frías. El método de cálculo detallado del porcentaje de insatisfacción debido a una asimetría de la 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 , es decir, utilizan agua circulante que circula por tuberías en contacto térmico con la superficie. Normalmente, el agua circulante solo necesita estar entre 2 y 4 °C por debajo de la temperatura deseada del aire interior. [9] Una vez que la superficie enfriada activamente absorbe el calor, este 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 los sistemas de calefacción y refrigeración superficiales basados en agua y TABS. Según los detalles de construcción, esta norma distingue 7 tipos diferentes de estos sistemas (Tipos A a G)
Los sistemas radiantes se asocian a sistemas de baja exergía. La baja exergía se refiere a la posibilidad de utilizar "energía de baja calidad" (es decir, energía dispersa que tiene poca capacidad para realizar 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 los techos o en los 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. Las fuentes de energía como la geotermia (refrigeración directa / calefacción con bomba de calor geotérmica) y el agua caliente solar son compatibles con los sistemas radiantes. Estas fuentes pueden generar 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 Infosys Software Development Building 1 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 emitidas por un sólido, líquido o gas como resultado 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 la habitación. [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 a una superficie enfriada siempre que sus temperaturas sean más cálidas que la de la superficie enfriada y estén dentro de la línea de visión directa o indirecta de la superficie enfriada. Algo de calor también se elimina por convección porque la temperatura del aire se reducirá cuando el aire entre en contacto con la superficie enfriada.
La transferencia de calor por radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura superficial absoluta.
La emisividad de un material (que suele escribirse ε o e) es la capacidad relativa de su superficie para emitir energía mediante radiación. Un cuerpo negro tiene una emisividad de 1 y un reflector perfecto tiene una emisividad de 0. [31]
En la transferencia de calor por radiación, un factor de visión cuantifica la importancia relativa de la radiación que sale de un objeto (persona o superficie) y llega a otro, considerando los otros objetos circundantes. En los 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 dado 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 de posición con frecuencia y una habitación puede estar ocupada por muchas personas al mismo tiempo, se pueden utilizar diagramas para personas omnidireccionales. [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 finales e iniciales cuando se aplica un cambio escalonado en el control del sistema como entrada. [34] Está influenciado principalmente por el espesor del hormigón, el espaciamiento de las tuberías y, en menor grado, el tipo de hormigón. No se ve afectado por el diámetro de la tubería, la temperatura operativa de la habitación, la temperatura del agua de suministro y 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 suelo y techo tienen diferentes tiempos de respuesta debido a diferentes coeficientes de transferencia de calor con el entorno térmico de la habitación y la posición incrustada de la tubería.
Chimeneas y estufas de leña
24-6. El primer gran edificio de 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 durante el período de 1899 a 1932 y estaban equipadas con un sistema estándar de calefacción por radiadores que utilizaba vapor a baja presión; la última sección se construyó en 1933-37 y estaba 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 en 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 de estas últimas estructuras se calientan en invierno y se enfrían en verano mediante las mismas bobinas de tubería en techos de metal.