Refrigeración Sectores de la industria

Aplicación del Enfriamiento Evaporativo al Acondicionamiento de Locales

El encarecimiento de los precios, la disminución de los recursos y el impacto ambiental derivado de la utilización de las energías de origen fósil, obligan a reducir su utilización en los diferentes sectores, manteniendo los niveles productivos actuales.

El encarecimiento de los precios, la disminución de los recursos y el impacto ambiental derivado de la utilización de las energías de origen fósil, obligan a reducir su utilización en los diferentes sectores, manteniendo los niveles productivos actuales.

Eloy Velasco Gómez

En el sector de la edificación, hay un consumo elevado de energía para acondicionar los locales donde se desarrolla la actividad de las personas, esto hace indispensable buscar alternativas que disminuyan ese consumo, manteniendo las características de calidad de ambiente interior en cuanto a confort térmico, calidad del aire, iluminación y ruido.

El principal consumo de energía se destina a la climatización, esto es a la adecuación higrotérmica (temperatura y humedad) de los locales, por lo que la utilización del enfriamiento evaporativo puede reducir de manera sustancial de la inversión energética por este concepto.

La función de un edificio es proporcionar un espacio de trabajo confortable y sano para el usuario. El ambiente interior debe ser mantenido en condiciones adecuadas, asegurando un nivel de confort térmico y de calidad de aire interior.

Actualmente, las circunstancias que favorecen el uso racional de la energía se contraponen, no sólo a costes elevados y al previsible agotamiento de las fuentes de energía, sino también al impacto medioambiental y sus catastróficas consecuencias.

Ante este contexto, la utilización de sistemas que permitan acondicionar los locales con bajo aporte de energía convencional, utilizando energías renovables, así como un adecuado aislamiento térmico o bien utilizar sistemas de enfriamiento evaporativo, se manifiestan como alternativas energéticas sostenibles.

Dentro de estas posibilidades el uso del enfriamiento evaporativo permite cambiar calor sensible en latente, reduciendo la temperatura y aumentando la humedad, y para reducir el consumo de energía de los sistemás de climatización.

El enfriamiento evaporativo

Muchas veces la sabiduría tradicional, el comportamiento de los animales o los simples procesos naturales que se presentan en nuestro entorno, pueden aportar alternativas para resolver alguno de los problemas que se plantean y generan en la actualidad, esto ocurre cuando se analiza el proceso de enfriamiento evaporativo.

Existen muchos ejemplos en nuestro entorno, como cuando el hombre refrigera su cuerpo aprovechando el calor para la evaporación de su sudor. O bien algunos animales impregnan de barro húmedo su cuerpo, lo que permite refrigerar evaporativamente la piel del animal, o el típico enfriamiento del agua en las vasijas de cerámica tradicionales que pueden encontrarse en gran parte de la geografía terrestre, sobre todo en las zonas donde la humedad del aire es baja.

El enfriamiento evaporativo puede proporcionar aire o agua a una temperatura inferior a la que posee el medio ambiente como consecuencia del calor latente necesario para la evaporación del agua.

El enfriamiento evaporativo era el método más utilizado, antes de conocer los principios de la refrigeración. Se conoce que este efecto se utilizaba 2,500 años antes de Cristo, difundiéndose principalmente en la India, Irán, Egipto y Persia, donde se conocía como uno de los procedimientos más efectivos, debido a la gran cantidad de calor latente que involucra la evaporación de agua.

En la edad media, el Islam difunde estas técnicas por occidente y son adaptados los sistemas de enfriamiento evaporativo, principalmente en las zonas mediterráneas con baja humedad relativa. Por ejemplo, se utilizó un estanque con una fuente en los jardines  o en el exterior, con canales radiales representativos de los ríos del paraíso. Otro ejemplo son las fuentes de la Alhambra de Granada, en España, como la del Patio de los Leones, o en los jardines de Irán, se utilizan estos principios evaporativos y son claros ejemplos de la tradición.

El primer análisis riguroso de los sistemas evaporativos, enumerando sus ventajas y desventajas, fijando sus aplicaciones y estableciendo consideraciones sobre el diseño, lo realizó el Dr. John R. Watt en 1963 en su texto “Evaporative Air Conditioning Handbook”.

Los principios de funcionamiento se basan en dos procesos de intercambio, calor y masa, que se producen simultáneamente y que provocan la conversión del calor sensible en latente. El aire no saturado es enfriado por la evaporación de agua sin intercambio de energía con el entorno. En estas condiciones, parte de la carga de calor sensible del aire se convierte en calor latente para la evaporación del agua, consiguiendo reducir la temperatura seca del aire mediante un aumento de su humedad.

La conversión de calor sensible en calor latente tiene lugar hasta que el aire se satura de humedad y las temperaturas del aire y del agua se igualan alcanzando el valor de la temperatura de saturación adiabática. Se puede establecer el siguiente balance energético por unidad de masa de aire seco tratado:

ie = is + (Xs – Xe) x iw

Donde:

ie, is = entalpía del aire a la entrada y salida del proceso.

xe, xs = humedad específica del aire húmedo a la entrada y salida del proceso.

iw = entalpía del vapor de agua (considerada constante).

En la expresión se observa como la entalpía del aire a la salida, si se produce una humidificación adiabatica (Xs > Xe), es menor que la del aire a la entrada, o lo que es lo mismo, el aire sale más frío.

Aplicaciones del enfriamiento evaporativo

Cuando se requiere enfriar, es más fácil utilizar agua fría que aire caliente. Las aplicaciones del enfriamiento evaporativo, sobre todo en condiciones estivales permiten utilizar agua más fría, que la temperatura del aire del ambiente. A continuación se desarrollan algunas aplicaciones de esta técnica en la energética edificatoria.

Figura 1. Esquema de un ciclo frigorífico. Representación del ciclo ideal de Carnot invertido y máximo rendimiento de la máquina frigorífica en función de los valores de temperatura termodinámicos.

Condensadores de las máquinas frigoríficas utilizadas en climatización.

Cuando termodinámicamente se analiza una máquina frigorífica (MF), el ciclo donde se establece el máximo rendimiento es el ciclo invertido de Carnot, según se muestra en el esquema, ciclo y ecuación. (ver figura 1)

En esta situación se aprovecha el calor extraído del foco frío, por lo que el rendimiento del ciclo, vendrá definido por el cociente del calor extraído (QF) y el trabajo (W) utilizado para tal fin. El ambiente que actúa como foco caliente cuanto más baja sea su temperatura (menor diferencia TC – TF), mayor es el rendimiento del ciclo, extrayendo mayor cantidad de calor del foco frío por cada unidad de energía en forma de trabajo externo. Utilizar un foco más frío, como el agua procedente de un sistema de enfriamiento evaporativo para refrigerar el condensador de un sistema frigorífico, es más efectivo que si se utiliza el aire ambiente a temperatura superior.

El principal problema que puede derivarse de la utilización de estos sistemas es una enfermedad denominada legionellosis, por lo que hay que ser especialmente cuidadosos en la limpieza y mantenimiento de todos estos sistemas evaporativos donde puede proliferar la bacteria y ser distribuida por los aerosoles de agua provocando la contaminación de sistemas próximos o que puedan caer enfermas las personas que lo respiren.

No obstante, esta gran ventaja que ofrece la naturaleza debe ser aprovechada, y por el bien de la eficiencia energética de los sistemas no se deben sustituir estas unidades enfriadas con agua por otras que utilizan aire, que aunque eliminan el riesgo de legionella, incrementan hasta un 50% el consumo energético de las instalaciones para proporcionar la misma cantidad de frío.

Se hablaba del enfriamiento evaporativo desde hace 2,500 años antes de Cristo, y era el método más empleado antes de los principios de la refrigeración, debido a la gran cantidad de calor latente que involucra la evaporación de agua.

Enfriadores evaporativos directos de aire.

Las condiciones favorables para utilizar el enfriamiento evaporativo se presentan cuando existe en el aire baja humedad relativa, donde la capacidad de evaporación es alta. En años muy secos, en climas continentales, o en zonas desérticas, la capacidad de enfriamiento de estas técnicas puede ser suficiente para proporcionar aire frío como para proporcionar ambientes en condiciones dentro de la zona de confort definida por la American Society of  Heating, Ventilation and Air Conditioning Engineers, (ASHRAE).

En países con climas continentales o con temperaturas extremas entre la época de invierno y verano, la humedad relativa (HR) en verano raramente sobrepasa el 20%. Un sistema de humidificación de aire a 35ºC y humedad relativa 15%, puede proporcionar, siguiendo una evolución adiabática, aire a 23ºC y HR 58%. Es fácil entender que la sensación de confort en aire a 35ºC y HR 15%, es mucho peor que la correspondiente a la de 23ºC y 58%, que entra dentro de la zona de confort mencionada.

Figura 2. Esquema de enfriador evaporativo directo y relleno de contacto aire–agua.

Los sistemas de enfriamiento evaporativo directo, también poseen el problema de la legionella cuando se generan aerosoles por contacto directo entre la cortina de aire y el agua utilizada en la evaporación. En la figura 2 se muestra un esquema de operación de este sistema de enfriamiento, así como una fotografía de un relleno comercial utilizado en estos sistemas evaporativos directos.

Las precauciones que se necesitan para evitar el problema de la legionella han reducido las aplicaciones de estos sistemas de enfriamiento evaporativo directo a sistemas donde no se ponga en riesgo la salud de las personas, utilizándose por ejemplo en el acondicionamiento de granjas de animales.

Para evitar los problemas asociados a la posible dispersión de la legionella en el aire de impulsión, también denominado aire de suministro o primario, una alternativa al enfriador evaporativo directo puede ser el indirecto, donde el enfriamiento del aire de impulsión se realiza mediante un intercambiador, lo que reduce su eficacia, pero evita la contaminación del aire de impulsión por legionella.

Hoy en día se desarrollan proyectos de investigación encaminados a enfriar el aire evaporativamente utilizando superficies cerámicas o textiles humedecidas por capilaridad, donde la humidificación se produzca como consecuencia del gradiente en las presiones de vapor del agua entre la superficie y el aire. Estos sistemas se abordarán en la siguiente entrega del artículo, en donde también hablaremos de otros sistemas de enfriamiento.

Figura 3. Enfriador evaporativo indirecto.

Enfriadores evaporativos indirectos de aire

Los sistemas indirectos utilizan el agua enfriada con aire (aire secundario) utilizando un intercambiador para enfriar el aire primario que se impulsa a los locales. Son menos eficaces que los sistemas directos y además no humidifican la corriente de aire que se enfría. (ver figura 3)

En los enfriadores indirectos, aunque en el aire primario no existe contacto aire/agua, hay que tomar también precauciones en el circuito de enfriamiento de agua (secundario), donde sí puede aparecer el problema de la legionellosis.

Los sistemas de enfriamiento indirecto pueden clasificarse de acuerdo al tipo de aire (secundario) que utilizan para enfriar el agua.

El más habitual (sistema convencional) de todos los procesos es utilizar aire del exterior, siendo la máxima temperatura de enfriamiento del agua la de saturación adiabática del aire exterior.

Una alternativa conocida con el nombre de configuración regenerativa, puede proporcionar agua más fría que la aportada por el sistema convencional, ya que utiliza aire enfriado previamente en el intercambiador.

Finalmente, la conocida como configuración recuperativa utiliza para enfriar el agua, aire de expulsión. Suponiendo que el local se encuentra a 24ºC y HR 50%, puede enfriar el agua hasta el valor de su temperatura de saturación adiabática, que en este caso es próxima a 17ºC. Esta configuración, como recuperador de energía, permite aprovechar las características higrotérmicas del aire de retorno antes de ser expulsado al exterior.

En todos los casos el aire utilizado para el enfriamiento del agua más conveniente será aquél que proporcione una temperatura de saturación adiabática inferior. Todos los dispositivos descritos se muestran en los siguientes esquemas: (ver figura 4)

Figura 4.Configuraciones de los sistemas de enfriamiento evaporativo directo.

Otros sistemas de enfriamiento evaporativo

Existen actualmente diferentes investigaciones encaminadas a utilizar los sistemas de refrigeración evaporativa. A continuación se presentan algunas de las aplicaciones que en la actualidad se están desarrollando, así como los campos de aplicación donde pueden tener utilidad.

Refrigerador evaporativo cerámico

Son dispositivos que en la actualidad se encuentran en vías de desarrollo experimental. En la figura 5 se muestran fotografías de dos prototipos construidos en la Universidad de Valladolid, el primero de ellos es de tubos cerámicos y el segundo de ladrillos utilizados en la construcción de edificios.

Figura 5. Sistemas de enfriamiento evaporativo cerámico
Refrigerador evaporativo de tubos cerámicos Refrigerador evaporativo cerámico de ladrillos

Estos sistemas se han ensayado en configuración recuperativa y dependiendo de las condiciones higrotérmicas del aire exterior, puede comportarse como enfriador evaporativo indirecto en modo recuperador utilizando los tubos como intercambiador, o como directo cuando haya transporte capilar de agua a través de la pared cerámica, permitiendo la humidificación del aire exterior.

Dado que la humidificación se realiza desde una superficie porosa, en este tipo de estructuras no es posible la aparición de aerosoles que dispersen la legionella. Por otra parte, un diámetro de poro suficientemente pequeño como el que posee la cerámica actúa como filtro, evitando el paso de las bacterias desde el agua hasta el aire de impulsión. En la actualidad, estructuras cerámicas se están utilizando como filtro para potabilizar el agua.

Un aspecto interesante de estos dispositivos es que, como el agua es enfriada con el aire procedente del local, igual que ocurre en un enfriador indirecto, cuando la temperatura de rocío del aire exterior, por ejemplo en ambientes tropicales, es superior a la del agua enfriada, este sistema puede incluso eliminar humedad del aire primario.

Los sistemas de enfriamiento evaporativo, aunque parezca contradictorio, consumen menor cantidad de agua que los sistemas convencionales que utilizan energía eléctrica

Refrigeración evaporativa combinada con energía solar pasiva

Existen diferentes aplicaciones para aprovechar la energía del sol en los edificios mediante técnicas pasivas que pueden ser colectores de aire caliente, sistemas de muros Trombe, o simplemente las superficies acristaladas orientadas al sur. Estas aplicaciones para calentamiento son relativamente sencillas y aplicables en arquitectura bioclimática.

Cuando estas aplicaciones se basan en la circulación y distribución del aire caliente a lo largo de los locales acondicionados, como es el caso del muro Trombe o los colectores de aire, también pueden ser utilizadas para reducir la carga térmica de los locales en condiciones estivales.

Tradicionalmente utilizando un sistema de compuertas y los mecanismos de convección natural, posibilitan la entrada de aire fresco desde la zona periférica más adecuada, como por ejemplo, desde el jardín.

Una solución alternativa puede ser un enfriador evaporativo que permita enfriar el aire exterior antes de ser introducido a los locales, de esta manera, en invierno el sistema de captación puede ser utilizado para aportar energía de origen solar reduciendo la carga necesaria de calefacción, y en verano aportar aire, inducido por el efecto chimenea generado en el mismo sistema, reduciendo la carga de refrigeración necesaria. (ver figura 6)

Para pasar de un modo de operación a otro, hay que actuar sobre un sistema de compuertas que permitirán o no la entrada de aire exterior a través del módulo de enfriamiento evaporativo, o también poder dirigir el flujo de aire caliente a la salida del colector hacia el interior de los locales o al exterior.

Figura 6.- Utilización de la energía solar como sistema de calentamiento en invierno y combinado con enfriamiento evaporativo, como refrigerador en verano.
Invierno: El aire caliente, impulsado por tiro natural, se distribuye por el interior de los locales, reduciendo la carga de calefacción.

Verano: El aire enfriado evaporativamente, inducido por el efecto chimenea en el colector solar de aire, circula por los locales, reduciendo la carga de refrigeración.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS SISTEMAS EVAPORATIVOS

Si bien es cierto que la utilización de los sistemas evaporativos ofrece ventajas, también hay ciertos inconvenientes que se deben tomar en cuenta y tener muy presente a la hora de utilizar este tipo de tecnologías.

Las principales ventajas son:
1. Reducido consumo de energía. La capacidad de enfriamiento la proporciona la evaporación de agua, por lo que los consumos sólo serán en aquellos sistemas auxiliares que mantengan en movimiento el aire y/o el agua, aunque estos pueden ser incluso sustituidos por elementos que aprovechen la circulación natural y sistemas de bombeo capilar.
2. Inversión económica pequeña. Aunque depende del sistema escogido donde puede necesitarse un intercambiador, pulverizadores de agua, rellenos específicos, materiales capaces de soportar los productos químicos utilizados en el tratamiento del agua, etc., se está trabajando en alternativas que pueden reducir la inversión, utilizando sistemas de disipación con materiales cerámicos o superficies húmedas como telas.
3. Los sistemas de enfriamiento evaporativo, aunque parezca contradictorio, consumen menor cantidad de agua que los sistemas convencionales que utilizan energía eléctrica, pues en las centrales térmicas de generación eléctrica, donde el rendimiento de conversión es inferior al 50%, el calor residual (superior a la energía producida) es disipado evaporando agua en la torre de enfriamiento que refrigera el condensador.

El principal inconveniente de esta tecnología se encuentra en las instalaciones industriales, donde se debe tener cuidado en el mantenimiento de los sistemas para evitar la proliferación de la legionella

Inconveniente de esta tecnología:

El principal, si no el único inconveniente, se encuentra en las instalaciones industriales, donde se debe tener especial cuidado en el mantenimiento de los sistemas para evitar la proliferación de la legionella. La contaminación de las personas por legionella sigue diferentes etapas encadenadas que, si en algún momento se corta la cadena, eliminaría el riesgo de contagio. Estas etapas son:

a. La instalación debe contaminarse por Legionella, bien por el agua suministrada o por aerosoles procedentes de instalaciones contaminadas del entorno.
b. La concentración de la bacteria debe ser suficientemente elevada. Para su proliferación se precisan nutrientes, aportados por la suciedad o un inadecuado mantenimiento de la instalación.
c. La instalación debe producir aerosoles de agua que dispersen la bacteria.
d. El ambiente debe ser el adecuado para permitir el transporte de los aerosoles, lo que no ocurre cuando la humedad relativa del ambiente exterior es demasiado baja.
e. El aerosol contaminado, debe pasar al tracto respiratorio de las personas.
f. En el interior del organismo humano se incuba la bacteria hasta concentraciones elevadas que provoquen la legionellosis.
g. Las personas con mayor riesgo de contagio pertenecen a algún grupo de personas inmunodeprimidas, siendo los ancianos, enfermos del aparato respiratorio y fumadores los que mayor riesgo presentan. La legionellosis, que es una forma de neumonía, puede provocar la muerte entre el 10 y el 20% de los casos.

CONCLUSIONES
El mantenimiento del medioambiente, la sostenibilidad energética, el cumplimiento de los diferentes protocolos internacionales o la concienciación medioambiental de la sociedad, obligan a buscar sistemas energéticamente más eficientes para mantener el grado de confort actual, reduciendo el consumo de energía primaria y el impacto ambiental que su uso provoca.
El enfriamiento evaporativo es un proceso ampliamente utilizado en la naturaleza, y que puede ser utilizado en beneficio del acondicionamiento de los edificios.
Los sistemas de enfriamiento evaporativo permiten reducir el consumo de energía en las instalaciones convencionales de producción de frío para climatización de los edificios o para enfriar el ambiente de los locales, reduciendo la dependencia de sistemas como los de compresión mecánica menos eficaces energéticamente.
Aire exterior con baja humedad relativa puede ser acondicionado hasta condiciones de confort, utilizando únicamente sistemas de enfriamiento evaporativo.
Los sistemas de enfriamiento combinados con otros tipos de tecnologías, como energía solar pasiva o recuperadores de energía en sistemas todo aire, pueden minimizar el impacto ambiental por el acondicionamiento higrotérmico de los locales.
Los problemas por legionella, obligan a hacer un correcto diseño y mantenimiento de los mismos, pero deberían establecerse normas que evitarán la sustitución de estos sistemas por otros menos eficientes energéticamente.

Fuentes consultadas:

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Passive Cooling, Ed. Jeffrey Cook, MIT Press, 1989, (Ch.3). ISBN 0-262-03147-7

Peck, J.F. y H.Kessler, 1980. Evaporative cooling for hot, arid, and semi-arid regions. Passive Cooling Handbook. Prepared by Lawrence Berkeley Laboratory for U.S: Department of Energy, pp. 53-75. Solar Cooling Workshop, Fifth National Passive Conference, Amherst, MA, Oct 20-22, 1980.

Rey, F. J.; Velasco E.; Herrero, R., Martínez, J. and Varela, F. “Comparative study of two different evaporative systems: an indirect evaporative cooler and a semi-indirect ceramic evaporative cooler”. Energy and Buildings, Nº 36, pp. 696-708, July 2004.

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F.E. Flores Murrieta, E. Velasco Gómez, F.J. Rey Martínez “Enfriamiento evaporativo cerámico. Una tecnología eficiente en edificios”. Montajes e instalaciones, Nº 427, (Mayo 2008) pp. 77-85.

Wang, S.K.; Handbook of air conditioning and refrigeration, New York: McGraw-Hill, 1994 ISBN 0070681384 Ch 13.

Watt J.R; “Evaporative Air-conditioning”. The Industrial Press, New York, 1955.

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Comentarios

3 comentarios en “Aplicación del Enfriamiento Evaporativo al Acondicionamiento de Locales

  1. jUAN dice:

    LA INFORMACIÓN ES MUY INTERESANTE Y DESPEJO EN GRAN PARTE MIS DUDAS

  2. Giovanni Ruffino dice:

    Interesante el contenido, necesito informacion de estos metodods de enfriamiento evaporativo gracias

  3. legionella, si es una bacteria en la cual su nucleo contenga proteina… esta deja de ser un problema , ya que se puede eliminar con facilidad, aumentando un ion en la ultima valencia del xigeno disuelto en el aire

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