Sistemas de enfriamiento por piso radiante
El siguiente artículo fue publicado por ASHRAE en septiembre de 2008 y traducido por los integrantes del Student Branch Tecnológico Argentino: Nicolás Lipchak, Florentino Roson Rodriguez, Francisco Galarza, Esteban Baccini, Jorgelina Arruti, Pablo Magliar
En muchos países, los sistemas hidrónicos de piso radiante son extensamente usados para calentar todo tipo de edificios tales como: residenciales, iglesias, gimnasios, hospitales, hangares, depósitos, edificios industriales, y pequeñas oficinas. Sin embargo, pocos sistemas son usados para la refrigeración.
Las personas eligen la calefacción de piso radiante porque este sistema utiliza el espacio sabiamente, la distribución de temperaturas es uniforme y es un sistema de calefacción de baja temperatura.
Una ventaja comparada con los sistemas de aire es que la calefacción por piso radiante es un medio más eficiente de transportar energía. La demanda de confort, mejor aislamiento de los edificios y mayor cantidad de cargas internas de personas y equipos. Todo esto ha incrementado el interés en instalar un sistema de refrigeración para mantener las temperaturas del interior dentro del rango de confort.
Esto resultó en la introducción de sistemas de piso radiante para refrigeración 1 – 3. Como estos sistemas operan a una temperatura del agua cercana a la temperatura del ambiente, estos aumentan la eficiencia de las bombas de calor, de los intercambiadores de calor de tierra y otros sistemas que usen fuentes de energía renovable.
Más de la mitad de la energía térmica emitida desde un sistema de calefacción por piso radiante es en la forma de calor radiante. El calor radiante del intercambiador influye directamente en el calor intercambiado con los ocupantes y las superficies lindantes tales como paredes y techos. De esta forma, se establece un ambiente térmico uniforme. A causa de la salida de un alto calor radiante y el hecho que los ocupantes están cerca de la superficie del piso, es una opción obvia para usar el mismo sistema de piso radiante para refrigeración. Sin embargo, el coeficiente de intercambio de calor por conveccíón para la refrigeración por piso radiante es mucho más bajo que para la calefacción por piso radiante.
Varios factores de confort tales como: temperatura de piso aceptable, diferencial de temperatura de aire vertical, asimetría radiante y temperatura del punto de rocío pueden reducir la capacidad de enfriamiento de un sistema de piso radiante.
La construcción del piso (la cobertura del piso, el espesor de la losa) y el sistema (tipo de caños, distancia entre caños, caudal de agua) puede limitar la capacidad de enfriamiento. Por lo tanto, el diseño de un sistema de piso radiante para una mayor capacidad de refrigeración puede ser diferente de aquel para la calefacción.
Este artículo describe un sistema de enfriamiento por piso radiante que incluye tales consideraciones como el confort térmico de los ocupantes, cuyos parámetros de diseño influirán en la capacidad de refrigeración y cómo el sistema deberá ser controlado. Ejemplos de aplicaciones son presentados.
Figura 1: Gradiente térmico vertical (°) entre los tobillos y la cabeza (0.1 m y 1.1 m para personas sentadas, 0.1 m y 1,7 m para personas de pie), en función de la diferencia de temperatura (°) entre la temperatura operativa en el ambiente y la temperatura superficial del piso enfriado.
Confort Térmico y Enfriamiento por Piso Radiante
El ambiente térmico puede ser descripto por los siguientes parámetros: la aislación térmica de la vestimenta de los ocupantes y su nivel de actividad, la temperatura del aire, la temperatura radiante media, la velocidad del aire y la humedad 4.5.
La influencia combinada puede ser descripta por los índices de PMV-PPD4.5. Para proveer confort térmico, es también necesario tener en cuenta el disconfort térmico local, que puede ser causado por la asimetría de temperatura radiante, las corrientes de aire en el ambiente, el gradiente térmico vertical y las temperaturas muy elevadas o muy bajas del piso.
Temperatura operativa
Los dos principales parámetros para proveer condiciones térmicas aceptables en el ambiente, que deben ser significativamente influenciados por el sistema calefacción-refrigeración son: la temperatura del aire y la temperatura radiante media. La influencia combinada de estas dos temperaturas se expresa como temperatura operativa. Para bajas velocidades del aire (<0.2 m/s), la temperatura operativa puede ser aproximada con el simple promedio de la temperatura del aire y la temperatura radiante media. Esto significa que la temperatura del aire y la temperatura radiante media son igualmente importantes para el nivel del confort térmico en un ambiente.
Para un sistema de refrigeración radiante, un factor importante es el factor angular entre los ocupantes y la fuente de calor o sumideros6. Este factor depende de la distancia entre una persona y la superficie y el área de esta última. Esto significa que un piso generalmente tiene el mayor factor angular de todas las superficies (paredes, techos, ventanas, etc) en un ambiente en relación a sus ocupantes.
Para una persona sentada ubicada en el medio de una superficie de 6 m x 6m el factor angular es 0.4. Para una superficie de 12 m x 12 m, el correspondiente factor angular es 0.46.
Esto debería ser ubicado en relación al factor angular para un espacio medio, 0.5. Si la temperatura de la superficie del piso disminuye en 5°C y asumiendo que todas las otras temperaturas superficiales se mantienen inalteradas, entonces la temperatura radiante media disminuirá en 2°C. El impacto sobre un ocupante se expresa por la temperatura operativa, que disminuirá en 1°C. Dicho de otra manera, 5°C de disminución de la temperatura de la superficie del piso tiene el mismo efecto de refrigeración que si se baja la temperatura del aire en 2°C.
En la mayoría de las normas, 1,6 el límite superior de la temperatura operativa en verano es de 26°C para ambientes con ocupantes principalmente sentados (1.2 met) y ropa de verano (0.5 clo).
Temperatura de la superficie del piso
Para individuos sentados, se utiliza normalmente un límite inferior de 20° C para pisos refrigerados.
Tabla 1: Coeficiente de intercambio de calor y temperatura superficial máxima recomendada y capacidad de refrigeración y calefacción.2.8
Se recomienda usualmente limitar el gradiente térmico vertical entre el tobillo (0.1 m) y la cabeza (1.1 m) a 3° para personas sentadas 4,5. A causa de que el mayor intercambio de calor entre un piso enfriado y el ambiente es por radiación, el aire al nivel de los tobillos no se enfriará demasiado debido al bajo intercambio de calor convectivo. El gradiente térmico vertical con el piso enfriado deberá ser confortable. Esto se ha confirmado en un estudio experimental 6. En este estudio las diferencias de los gradientes térmicos verticales eran menores a 0.5 °, que es similar al gradiente térmico vertical 0.4° sin refrigeración del piso. Otro estudio experimental 7, mostró valores más altos (ver fig.1) pero quedaron dentro de los límites de confort aceptables.
Humedad
Un factor limitante para la temperatura del piso y la capacidad de enfriamiento es la temperatura de rocío en el ambiente. Algunas normas 5 recomiendan un límite para la humedad relativa en el espacio de 60% o 70% rh, que a una temperatura del aire de 26°C corresponde una temperatura de rocío de entre 17°C y 20°C. Otras 4 recomiendan un nivel de humedad absoluta de aproximadamente 11.5 g/kg, que corresponde a una temperatura de rocío de 16°C.
Esto significa que la temperatura superficial del piso debe ser superior a 16°C / 20°C. El uso de la deshumidificación en un ambiente por un sistema de aire acondicionado o por un simple deshumidificador disminuirá la temperatura de rocío y entonces incrementará la capacidad de enfriamiento de un sistema de enfriamiento radiante.
Capacidad de enfriamiento del piso hidrónico
Los factores importantes para la capacidad de calefacción y refrigeración de sistemas de superficie son el coeficiente de intercambio de calor entre la superficie y el ambiente, las temperaturas de superficie mínimas y máximas aceptables basadas en el confort, la consideración del punto de rocío en el ambiente y el intercambio de calor entre las cañerías y la superficie. (Tabla 12,8)
.jpg)
Figura 2: Intercambio de calor en función de un T entre el agua y la habitación, tipo de cubierta (R), y espacio entre cañerías (T). Carpet: R=0.1 m3 . K/W y sin cubierta R= 0.
El coeficiente de intercambio de calor depende de la posición de la superficie y la temperatura de ésta en relación a la temperatura del ambiente (calefacción o
refrigeración). Mientras que el coeficiente de intercambio de calor radiante es aproximadamente de 5.5 W/m2 • K, el coeficiente intercambio de calor por convección sufrirá cambios.
La máxima temperatura de pared tabulada está basada en el límite de daño de la piel sometida a temperatura, aproximadamente 42°C, y el riesgo a estar en contacto con la pared durante largos períodos de tiempo. La máxima temperatura del techo está basada en el requerimiento de evitar asimetría en la temperatura. Las temperaturas mínimas superficiales de pared y de techo están basadas en la consideración del punto de rocío y el riesgo de condensación.
Un caso particular de enfriamiento por piso radiante se presenta en los casos en que el sol irradia directamente sobre éste. En ese caso la capacidad frigorífica del piso podría sobrepasar los 100 W/m2. Esto explica por qué el enfriamiento por piso radiante está siendo cada vez mas utilizada en los espacios con grandes superficies vidriadas tales como aeropuertos 3, atrios y halls de entrada.
El intercambio de calor entre las cañerías y la superficie de la pared, techo o piso responde a la misma naturaleza física, siempre que no haya presencia de aire entre éstos. Esto ha sido incluido en una nueva Estándar 9 Europea para el cálculo de la capacidad de calefacción y refrigeración para sistemas de techos, paredes, y pisos. El intercambio de calor para enfriamiento por pisos radiantes está basado en un estudio experimental 8.
La Figura 210 muestra un diagrama basado en esta norma, donde la capacidad de calefacción y la capacidad de enfriamiento de un sistema de enfriamientos por piso radiante típico es mostrado.
Diseño
Un sistema de calefacción por piso radiante es diseñado a menudo con una separación de tubos de 150 mm o más. Sin embargo, para aumentar la capacidad de enfriamiento, puede ser necesario diseñar un sistema de enfriamiento por piso radiante con una separación menor. El flujo de agua en un sistema de calefacción de piso radiante generalmente se basa en una diferencia de temperatura de 10ºC entre el suministro y el retorno. Para incrementar la capacidad de enfriamiento y evitar temperaturas de suministro excesivamente bajas (riesgo de condensación), un sistema de enfriamiento por piso radiante debe diseñarse con una diferencia de temperatura entre el agua de suministro y de retorno de 3 a 5ºC. Esto significa un mayor flujo de agua y una mayor caída de presión en los tubos. Puede ser necesaria una bomba de circulación mayor o usar un circuito de tubos más corto, pero aún así se obtendrá suficiente caudal para establecer un flujo turbulento.
Para una máxima capacidad de enfriamiento (y para una mayor eficiencia del sistema) es importante evitar los recubrimientos de piso con alta resistencia térmica, como los pisos alfombrados.
Controles
Figura 3: Modelo para el control de un sistema de piso combinado de refrigeración y calefacción
Aún si los sistemas de calefacción y refrigeración por superficie tienen una masa térmica mayor que otros sistemas, tienen una mayor performance de control. Esto se debe en parte a la pequeña diferencia de temperatura entre el ambiente y el sistema (agua, superficie) y el resultante grado alto de autocontrol. Estudios sobre el grado de control de la calefacción y refrigeración por piso radiante muestran que la calefacción por piso radiante controla la temperatura de la sala tan bien como los radiadores. Para evitar la condensación en una superficie enfriada, es necesario incluir una limitación en la temperatura del agua, basada en la temperatura de punto de rocío de un ambiente.
Un concepto de control para un sistema combinado de refrigeración y calefacción por piso radiante es mostrado en la figura 3. Para calefacción la temperatura de agua de alimentación, el valor medio de la temperatura del agua de retorno y alimentación es controlado según la temperatura exterior (control de flujo según una curva de calefacción predeterminada). Además, un termostato de ambiente individual puede controlar el caudal del agua a cada ambiente. Este será típicamente un control on-off. Para enfriamiento por piso radiante la temperatura del agua de alimentación o el valor medio entre la temperatura de alimentación y retorno también es controlada en función de la temperatura exterior (control de caudal acorde a una curva de refrigeración predeterminada) con un limitador basado en la temperatura del punto rocío de un ambiente de referencia. También un control individual puede ser configurado para interrumpir o abrir el flujo en cada ambiente.
La curva de calefacción y refrigeración indica la relación entre la temperatura del agua del sistema y la temperatura exterior. Esta curva dependerá de las cargas térmicas interiores, tipo de construcción y del clima exterior. En el concepto de control que se muestra en la figura 3, las válvulas de tres vías aseguran que el agua de retorno vuelva a la enfriadora de líquido, funcionando en modo refrigeración y a la caldera cuando esté funcionando en el modo de calefacción.
Figura 4: Modelo del diseño por concurso en el aeropuerto de Bangkok
Fuente de Refrigeración
Al mismo tiempo que un sistema de climatización por piso es un sistema de refrigeración de alta temperatura y un sistema de calefacción de baja temperatura, dicho sistema provee la alta eficiencia de una bomba de calor. Esta puede ser un sistema del tipo aire/agua, agua/agua, tierra/agua o una bomba de calor de absorción. Como la temperatura de la tierra a menudo está alrededor de los 10°C, es posible refrigerar un piso directamente desde un intercambiador de calor en tierra sin el uso de una bomba de calor.
Un sistema de enfriamiento por piso radiante a menudo puede estar usado junto con un sistema de refrigeración convectivo. De esta manera, el sistema enfriamiento por piso radiante puede tomar la mayor parte de la carga térmica de origen sensible, mientras que el sistema de aire se encargará de las cargas térmicas de origen latentes. Al mismo tiempo, se logrará descender el punto de rocío del ambiente, y se obtendrá una capacidad de refrigeración más alta del sistema de enfriamiento por piso radiante. Otra ventaja es la alta temperatura del agua de retorno del sistema de enfriamiento por piso, 18° C a 20° C, que aumentará la eficiencia de una enfriadora de líquido diseñada con una mayor temperatura en el evaporador.
Aplicaciones
El enfriamiento por piso radiante puede ser aplicado casi en todas partes donde la calefacción de piso es utilizada: viviendas de una o varias familiar, oficinas, edificios industriales (hangares, depósitos, graneds halls, etc.), museos, instalaciones deportivas, iglesias, etc. Los tipos de sistemas son los mismos. El sistema de enfriamiento por piso radiante es particularmente eficiente en grandes ambientes vidriados donde puede haber una importante radiación solar ya se directamente o a través de los techos o paredes calientes (atrios, aeropuertos, shoppings,etc.). El sisema de enfriamiento por piso radiante absorbe la radiación solar antes de que esta caliente el espacio.
La construcción más grande del mundo con enfriamiento por piso radiante es el nuevo aeropuerto de Bangkok, Tailandia. Hay instalados alrededor de 150.000 m2 de piso radiante en las explanadas y en los edificios de las terminales. El techo sobre las explanadas (fig 4) consiste en una construcción de vidrio y membrana plástica. A causa de las altas temperaturas exteriores y la radiación solar esto resulta en una alta carga térmica de refrigeración. Una combinación de refrigeración por piso radiante y ventilación de desplazamiento ha sido instalado (fig 4).
La refrigeración de piso radiante fue dimensionada para tomar 70 a 80 W/m2 con una temperatura de suministro de agua a 13°C y retorno a 19°C y una temperatura de superficie del piso 21°C. Los colectores para el sistema de enfriamiento por piso fueron instalados dentro de los difusores de desplazamiento del aire (Figura 5). Como la temperatura del punto de rocío en el aire de suministro es de 10°C y es menor que la temperatura del agua del suministro no hay riesgo de condensación en las cañerías.
La temperatura del punto de rocío de diseño en el ambiente es de 16°C debido a la evaporación de los ocupantes. Esto es todavía 5°C menos que la temperatura superficial del piso enfriado. Comparado con un sistema todo aire se predijo un 30% de ahorro energético durante la etapa de diseño.
Conclusiones
•Un sistema hidrónimo de enfriamiento por piso radiante ofrece enfriamiento sensible sin ruido, sin movimiento del aire o necesidad de limpieza.
La máxima capacidad de refrigeración para la mayoría de los ambientes es menor a 50w/m2. En ambientes en donde el sol irradia directamente sobre el piso (atrios, hall de entrada, salones de exposición) la capacidad de refrigeración es significativamente mayor hasta 100 w/m2.
Un sistema de enfriamiento por piso radiante deberá ser controlado para evitar la condensación.
Esto puede ser hecho por la temperatura de agua de alimentación que es controlada por la temperatura del punto de rocío.
Bibliografía
1.Borresen, B. 1994. “Floor heating and cooling of an atrium.” Internationaler Velta-Kongreß. Arlberg/St. Christoph.
2.Olesen, B.W. 1997. “Possibilities and limitations of radiant floor cooling.” ASHRAE Transactions 103(1):42 – 48.
3.Simmonds, P., W. Gaw, S. Holst, S. Reuss. 2000. “Using radiant cooled floors to condition large spaces and maintain comfort condi¬tions.” ASHRAE Transactions 106(1):695 – 701.
4.ANSI/ASHRAE Standard 55-1992,. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
5.ISO Standard 7730. 1994. “Moderate thermal environments— determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort.” Geneva: International Organization for Standardization.
6.Michel, E. and J-P. Isoardi. 1993. “Cooling floor.” Proceedings of Clima 2000.
7.Deli, I. 1995. “Het gebruik van vloerverwarmingssystemen voor keeling.” Diplomarbeit, TU, Eindhoven.
8.Olesen, B.W., E. Michel, F. Bonnefoi, M. De Carli. 2000. “Heat exchange coefficient between floor surface and space by floor cooling: theory or a question of definition.” ASHRAE Transactions 106(1):684 – 694.
9.EN15377-1. 2007. Design of Embedded Water Based Surface Heating and Cooling Systems: Determination of the Design Heating and Cooling Capacity.
10.REHVA. 2007. REHVA Guide 7. “Low temperature heating-high. temperature cooling.”
