La desestratificación térmica es el proceso de mezclar el aire interno de un edificio para eliminar capas estratificadas y lograr la igualación de temperatura en toda la envolvente del edificio .
La desestratificación es el proceso inverso del natural de estratificación térmica, que consiste en la superposición de diferentes temperaturas del aire (que normalmente aumentan) desde el suelo hasta el techo. La estratificación se produce cuando el aire caliente sube hasta el techo o el espacio del tejado porque es más ligero que el aire más frío que lo rodea. Por el contrario, el aire frío cae al suelo porque es más pesado que el aire más cálido que lo rodea. [ cita requerida ]
En un edificio estratificado, es común que se produzcan diferencias de temperatura de hasta 1,5 °C por pie vertical, y cuanto más alto sea el techo de un edificio, más extrema puede ser esta diferencia de temperatura. [2] En casos extremos, se han encontrado diferencias de temperatura de 10 °C en una altura de 1 metro. Otras variables que influyen en el nivel de estratificación térmica incluyen el calor generado por las personas y los procesos presentes en el edificio, el aislamiento del espacio de las condiciones climáticas externas, la ganancia solar, la especificación del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado, la ubicación de los conductos de suministro y retorno y el movimiento vertical del aire dentro del espacio, generalmente suministrado por ventiladores de desestratificación. La dinámica de fluidos computacional se puede utilizar para predecir el nivel de estratificación en un espacio. [ cita requerida ]
En un estudio realizado por la Building Scientific Research Information Association, el desperdicio de energía debido a la estratificación aumentó de manera constante en función del diferencial de temperatura entre el piso y el techo (ΔT). [3] El estudio indica que los edificios estratificados tienden a sobrecalentarse o enfriarse en exceso en función de la temperatura en el termostato, que tiende a ser inferior a la energía térmica general presente en la habitación. El estudio también mostró que el desperdicio de energía debido a la estratificación estaba presente en alturas de techo que oscilaban entre 20 pies y 40 pies, y los techos más altos causaban un mayor desperdicio de energía, incluso con el mismo ΔT. Dado que ΔT tiende a ser mayor en techos más altos, el efecto de la estratificación se agrava, lo que causa un desperdicio de energía sustancial en edificios de techos altos.
Dado que la estratificación y los costos asociados a ella son lineales, la definición de desestratificación variará según la opinión y el caso de uso. Es poco probable que se produzca una desestratificación total, o un ΔT de 0° desde el suelo hasta el techo, en ningún edificio. Dado que los costos de la estratificación disminuyen linealmente a medida que el ΔT se acerca a 5,4 °F, y ningún estudio ha analizado aún los efectos de la estratificación por debajo de 5,4 °F, no es raro considerar que cualquier espacio con un ΔT inferior a 5 °F está desestratificado. En los Estados Unidos, la norma 55 de ASHRAE prescribe 3 °C como límite para la diferencia de temperatura del aire vertical entre los niveles de la cabeza y los tobillos, pero no tiene ninguna norma que recomiende un ΔT ideal entre el suelo y el techo. [4]
La reducción de la estratificación térmica se puede lograr controlando las variables asociadas con el aumento de la estratificación. Dado que muchas de las variables, incluida la altura del techo, las personas y los procesos, la ganancia solar y las condiciones climáticas externas no se pueden controlar, las tecnologías más comunes que se utilizan están relacionadas con el sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) del edificio. Una de las tecnologías más económicas, efectivas y fáciles de instalar son los ventiladores de desestratificación, incluidos los ventiladores de desestratificación axial y los ventiladores HVLS (de alto volumen y baja velocidad). [ cita requerida ]
Los ventiladores axiales de desestratificación son unidades autónomas que se instalan en un conjunto en el techo con el objetivo de soplar aire acondicionado del techo hacia el piso, donde las personas viven y trabajan. Debido a que los ventiladores axiales están diseñados para soplar aire directamente hacia el piso, se pueden utilizar en estructuras de techos y tejados de más de 100 pies de altura. Debido a que los ventiladores axiales de desestratificación pueden lograr la desestratificación con CFM bajos, es imperativo que el aire que sale de la boquilla alcance una velocidad del aire en el piso de entre 0,2 y 0,5 m/s. El resultado de este nivel de movimiento de aire es la integración del aire acondicionado del techo con el aire a nivel del piso. Si no se impacta en el piso, se producirá la desestratificación de las capas medias de aire, pero no se logrará la desestratificación en el piso. Dado que el área alrededor del termostato no se desestratificará en este caso, se plantea la hipótesis de que habrá poco o ningún ahorro de costos, ya que el termostato continuará sobrecalentando o enfriando demasiado la habitación.
Un experimento en una habitación con un techo de 21 pies arrojó un ahorro del 23,5% con el uso de ventiladores de desestratificación axial. [5]
Debido a su tamaño, los ventiladores HVLS se instalan normalmente en construcciones nuevas, en lugar de en renovaciones, ya que es posible que haya que rediseñar la estructura del techo para adaptarse al mayor peso y tamaño. No es raro que sea necesario reubicar las luces, debido a la luz estroboscópica cuando las aspas de los ventiladores grandes pasan por debajo de ellas, y los sistemas de rociadores, que generalmente requieren un acceso sin obstrucciones al piso para cumplir con el código de incendios. Cuando se utilizan en verano para fomentar el enfriamiento por evaporación , los ventiladores HVLS funcionan hacia adelante, soplando aire hacia el piso. Cuando se utilizan para la desestratificación en invierno, los ventiladores funcionan en reversa, soplando aire hacia el techo que luego circula por la habitación. La altura a la que los ventiladores HVLS pueden ser efectivos es limitada en comparación con los ventiladores de desestratificación axial.
Este método tiene mayores beneficios a través de su aplicación en la industria de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y en calefacción y refrigeración para edificios y se ha descubierto que "la estratificación es el mayor desperdicio de energía en los edificios actuales". [6]
Al incorporar la tecnología de desestratificación térmica en los edificios, se reducen los requisitos de energía, ya que los sistemas de calefacción ya no tienen que suministrar más energía para reemplazar constantemente el calor que se eleva desde la superficie del suelo, redistribuyendo el aire ya calentado desde el espacio del techo desocupado hasta el nivel del suelo, hasta que se logra la igualación de la temperatura. En lo que respecta a la refrigeración, los sistemas de desestratificación garantizan que el aire frío suministrado circule por completo y se distribuya de manera uniforme por los ambientes internos, eliminando los puntos calientes y fríos y satisfaciendo los termostatos durante períodos de tiempo más prolongados. Como resultado, la tecnología de desestratificación tiene un gran potencial para reducir las emisiones de carbono debido a la reducción de los requisitos de energía y, a su vez, es capaz de reducir los costos para las empresas, a veces hasta en un 50 %. [7] Esto está respaldado por The Carbon Trust , que recomienda la desestratificación en los edificios como uno de sus tres métodos principales para reducir las emisiones de dióxido de carbono. [8]
La desestratificación aumenta naturalmente el movimiento del aire en el piso, lo que reduce los "puntos calientes" y los "puntos fríos" en una habitación. Se puede utilizar en áreas que suelen ser frías, como los congeladores de los supermercados, para calentar a los clientes que hacen compras en las cercanías. Además, el movimiento del aire de los ventiladores de desestratificación se puede utilizar para ayudar a cumplir con la Norma ASHRAE 62.1 al aumentar la cantidad de movimiento del aire en el piso.