Evaluación y análisis de los sistemas de aire acondicionado del “Centro Técnico, Palmas y Almendros” de la Pontificia Universidad Javeriana de Cali, Colombia.
por Camilo Botero*
Este artículo se dividirá en dos ediciones: en esta primera parte se desglosarán las definiciones teóricas que se tuvieron en cuenta para el proyecto. En la segunda parte se hablará del proyecto como tal, desde los sistemas que se encontraron hasta las renovaciones y el distrito de enfriamiento consolidado.
Diagnóstico
El presente es el informe del desempeño general de los sistemas de Aire Acondicionado (Centro Técnico, Palmas y Almendros) con énfasis en la repotenciación del Centro Técnico como una especie de Distrito de Frío principal, como se propuso en el diseño para tal efecto del año 2011.
Se propone de acuerdo a lo discutido con el grupo de ingenieros y técnicos de la PUJ CALI, dejar los sistemas de agua fría de Palmas y Almendros con sus cargas originales y se incluyen las recomendaciones y sugerencias para mejorar sustancialmente la instalación actual, teniendo en cuenta posibles cargas futuras a corto y mediano plazo. También la conversión de los equipos de expansión directa (DX) a equipos que utilicen agua fría (CW).
Se buscará lograr el proyecto de climatización ideal. Este concepto está en perfecta coherencia con el mejoramiento de la eficiencia energética de la PUJ CALI, sus nuevas y modernas mejoras del campus universitario.
Introducción
La Pontificia Universidad Javeriana (PUJ), solicitó al Ingeniero Consultor Camilo Botero G, realizar el estudio para evaluar el desempeño de los sistemas de Aire Acondicionado actuales (Centro Técnico, Palmas y Almendros) instalados en el campus universitario y que suplen las necesidades de climatización de las diferentes instalaciones de la universidad, haciendo énfasis en cada una de las plantas de agua fría y evaluando la factibilidad de implementar alternativas de chillers de nueva generación.
A través de un respectivo análisis, detallando una mayor eficiencia térmica y menor nivel de ruido, que se ajuste mejor a las cargas parciales que actualmente presenta y ajustarse a las cargas futuras a dos años, dejando la posibilidad de hacer escalamiento del sistema para los futuros crecimientos de la demanda de climatización.
Se buscará lograr el proyecto de climatización ideal, el cual debe cumplir con los siguientes parámetros:
- Máxima Eficiencia Energética.
- Mínimo Impacto al Medio Ambiente
- Cumplimiento de Especificaciones
- Facilidad de Operación
- Mantenibilidad O&M
- Estabilidad durante su Ciclo de Vida
Algunas consideraciones sobre: confort térmico y calidad del aire en el interior de los recintos.
Definiciones
Entender el anterior concepto es primordial para este proyecto, que busca el bienestar térmico en los diferentes ambientes del Campus de la PUJ CALI. Basado en el Capítulo 9 del Fundamentals de ASHRAE y en el ASHRAE Estándar 55, este lo define de una manera muy sutil diciendo que es “esa condición de la mente que expresa satisfacción con el medio ambiente”.
Obviamente esta definición es un poco etérea, pues los términos “condición de la mente” y “satisfacción” son ambiguos, pero claramente enfatizan que la percepción de bienestar térmico es un proceso cognitivo, que envuelve una gran variedad de parámetros, influenciados por procesos físicos, fisiológicos, psicológicos y otros.
Lo importante es que tanto los ingenieros y técnicos que diseñan, instalan y mantienen los sistemas de climatización entiendan los fundamentos de la termorregulación humana, la sensación de confort y condiciones sanitarias para que los usuarios finales se sientan satisfechos.
Por supuesto, a los propietarios, gerentes de proyectos, interventores y usuarios de la climatización debe dársele formación relacionada con estos aspectos, para que no tengan nociones erradas o falsas expectativas, pues ya que finalmente el tema de confort es subjetivo y circunstancial, lo que espera cada persona del sistema de aire acondicionado es diferente. Por esta razón existe el estándar 55 de ASHRAE y el RITE, para que esas condiciones de confort sean convenientes, de tal manera que un porcentaje alto de ocupantes se sienta confortable.
Otra manera de expresarlo es que un sistema de climatización confortable térmicamente es aquel en el cual hay un balance equilibrado de masas y energía entre el cuerpo humano y el medio ambiente que lo rodea y allí la temperatura del cuerpo se mantiene dentro de rangos bajos, la humedad de la piel es baja y los esfuerzos fisiológicos de regulación se minimizan. A veces agrego para hacer muy comprensivo el concepto: “Es como la buena salud,…...no se siente que se tiene”.
El confort depende también de comportamientos que se inician consciente o inconscientemente, guiados por sensaciones térmicas y de humedad que reducen el disconfort. Algunos ejemplos son la ropa adecuada para el clima, alterar la actividad, reubicarse fuera del efecto de descarga de un difusor de aire acondicionado o de la radiación solar directa, cambiar el valor de referencia del termóstato, abrir una ventana, quejarse o salir del espacio.
Sorpresivamente aun cuando en el mundo los climas, las condiciones de vida y las culturas difieren de manera muy considerable, la temperatura que la gente escoge para confort bajo condiciones similares de vestuario y actividad, la humedad y el movimiento del aire, han sido halladas muy similares.
Termorregulación Humana
Las actividades metabólicas del cuerpo resultan casi completamente en generación de calor que debe ser disipado y regulado, para mantener la temperatura normal del cuerpo (38 °C), insuficiente disipación conduce a la hipertermia y demasiada pérdida de calor a la hipotermia.
Temperatura de la piel superior a 45 °C e inferior a 18 °C, causa molestia y hasta dolores. Cuando se tiene confort dicha temperatura de la piel estará entre 33 y 34 °C. El centro regulatorio del cerebro trata de mantenerla entre 36.8 y 37.4 °C; el hipotálamo es el órgano central de control y recibe señales de la piel y la sangre, y regula la temperatura por ejemplo con vasodilatación, vasoconstricción o sudor el cual es un poderoso medio de enfriar el núcleo del cuerpo.
En reposo un adulto produce del orden de 100 W (341 Btu/hr) de calor y como este se disipa principalmente a través de la piel conviene tipificarlo por unidad de área (1.8 m2 seleccionado) o sea aproximadamente 58 W/m2 y a esta unidad se le llama un met; Obviamente hay diferencias de género y étnicas. Otras actividades diferentes al reposo se definen en términos de la unidad met, por ejemplo se puede decir que un trabajo rudo o una actividad deportiva tendrían una actividad metabólica digamos, de 5 met.
Balance de Energía
Las pérdidas de calores sensible y latente desde la piel se expresan típicamente en términos de factores del medio ambiente, su temperatura y humedad. Estos factores también tienen en cuenta el aislamiento térmico y la permeabilidad de la humedad en la ropa. La velocidad del aire sobre la piel de las personas es un factor decisivo de confort o disconfort, así mismo la presión de vapor de agua del ambiente.
Intercambio térmico con el medio ambiente
Si se estudia en detalle el capítulo 9 del Fundamentals, aparecen todos los fenómenos, la información cuantitativa y los cálculos de transferencia de calor y masa entre la gente y su medio ambiente. Las descripciones matemáticas de los balances de energía y masa combinan enfoques racionales y empíricos de tales estimaciones. Los principios fundamentales de la transferencia de calor y masa son utilizados en estos cálculos como expresiones empíricas para determinar los valores de las ratas de transferencia de calor, así como los mecanismos de control termo-fisiológico, que son funciones de la piel y del núcleo del cuerpo humano.
Condiciones para el confort térmico
El estándar 55 de ASHRAE, se ocupa de este tema y su comité revisa periódicamente los parámetros los cuales especifican las zonas de confort, en donde el 80% de las personas sedentarias o ligeramente activas, encuentran el medio ambiente térmicamente aceptable. A causa de que la gente usa diferentes niveles de ropa, dependiendo de la situación y el clima, el estándar 55 define zonas de confort para diferentes niveles de vestimenta: por ejemplo 0.5 y 1.0 clo (0.078 a 0.155 m2-K/W) (podría decirse como referencia que 1.0 clo es ropa de invierno y 0.5 clo es ropa de verano). Aquí el lector puede referirse a la Fig. 5 de la pág. 9.12 del Fundamentals, en donde aparecen las zonas de confort para verano e invierno. Para un clima tropical húmedo como el que prevalece en esta región, específicamente como condiciones de confort:
- Temperatura 24 °C +/- 1 °C
- Humedad Relativa 55% +/- 5 %
- Velocidades del aire, del orden de 0.5 m/s (100 fpm)
- Para terminar debe dársele también una gran importancia al tema de calidad del aire en el interior a la filtración (estándar ASHRAE 52) y a las ratas de aire exterior (estándar ASHRAE 62) y por supuesto al uso racional de la energía y cuidado del medio ambiente (estándar ASHRAE 90).
Nota: En la segunda parte de este artículo hablaremos sobre el sistema actual de la PUJ, las conclusiones tras el análisis del sistema hasta llegar al Distrito de Enfriamiento Consolidado.
* Camilo Botero es el actual Secretario de la Federación de Asociaciones Iberoamericanas del Aire Acondicionado y la Refrigeración - FAIAR; fue presidente de ACAIRE y es presidente de Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Se ha desempeñado como docente en varias universidades colombianas, gremios y actualmente en ACAIRE en cursos de diplomado de proyectos de aire acondicionado, eficiencia energética en aire acondicionado y refrigeración, cogeneración y trigeneración, psicometría aplicada, termodinámica, mecánica de fluídos, transferencia de calor y turbomaquinaria. ([email protected]).
