En cuanto a la calefacción, las necesidades de una determinada persona dependerán de muchos factores. Se pueden clasificar en dos grandes grupos, los relacionados con el entorno y los relacionados con factores humanos. Entre los relacionados con el entorno se pueden contar la geografía (latitud y altitud), el clima, el tipo de exposición del espacio en el que se encuentra la persona, o las barreras que protegen el espacio del medio exterior, etc. Entre los factores humanos se encuentran los el consumo de energía del trabajador, el ritmo de trabajo o la cantidad de esfuerzo necesario para el trabajo, la ropa o prendas utilizadas contra el frío y las preferencias o gustos personales.

La necesidad de calefacción es estacional en muchas regiones, pero esto no significa que la calefacción sea prescindible durante la estación fría. Las condiciones ambientales frías afectan la salud, la eficiencia mental y física, la precisión y, en ocasiones, pueden aumentar el riesgo de accidentes. El objetivo de un sistema de calefacción es mantener condiciones térmicas agradables que prevengan o minimicen los efectos adversos para la salud.

Las características fisiológicas del cuerpo humano le permiten soportar grandes variaciones en las condiciones térmicas. El ser humano mantiene su equilibrio térmico a través del hipotálamo, por medio de receptores térmicos en la piel; la temperatura corporal se mantiene entre 36 y 38°C como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Mecanismos de termorregulación en el ser humano

Los sistemas de calefacción deben tener mecanismos de control muy precisos, especialmente en los casos en que los trabajadores realizan sus tareas sentados o en una posición fija que no estimula la circulación sanguínea en las extremidades. Cuando el trabajo realizado permita cierta movilidad, el control del sistema puede ser algo menos preciso. Finalmente, cuando el trabajo realizado se desarrolle en condiciones anormalmente adversas, como en cámaras frigoríficas o en condiciones climáticas muy frías, podrán adoptarse medidas de apoyo para proteger tejidos especiales, para regular el tiempo de permanencia en esas condiciones o para suministrar calor mediante sistemas eléctricos incorporados. en la ropa del trabajador.

Definición y Descripción del Ambiente Térmico

Un requisito exigible a todo sistema de calefacción o aire acondicionado que funcione correctamente es que permita el control de las variables que definen el ambiente térmico, dentro de límites especificados, para cada estación del año. Estas variables son

1. temperatura del aire
2. temperatura media de las superficies interiores que definen el espacio
3. humedad del aire
4. velocidades y uniformidad de las velocidades del flujo de aire dentro del espacio

Se ha demostrado que existe una relación muy simple entre la temperatura del aire y de las superficies de las paredes de un espacio dado, y las temperaturas que proporcionan la misma sensación térmica percibida en una habitación diferente. Esta relación se puede expresar como

donde

T_comer = temperatura del aire equivalente para una sensación térmica dada

T_dbt = temperatura del aire medida con un termómetro de bulbo seco

T_ast = temperatura media medida de la superficie de las paredes.

Por ejemplo, si en un espacio dado el aire y las paredes están a 20°C, la temperatura equivalente será de 20°C, y la sensación de calor percibida será la misma que en una habitación donde la temperatura media de las paredes es 15°C y la temperatura del aire es de 25°C, porque esa habitación tendría la misma temperatura equivalente. Desde el punto de vista de la temperatura, la sensación percibida de confort térmico sería la misma.

Propiedades del aire húmedo

Al implementar un plan de aire acondicionado, se deben tener en cuenta tres cosas: el estado termodinámico del aire en el espacio dado, del aire exterior y del aire que se suministrará a la habitación. La selección de un sistema capaz de transformar las propiedades termodinámicas del aire suministrado a la habitación se basará entonces en las cargas térmicas existentes de cada componente. Por lo tanto, necesitamos conocer las propiedades termodinámicas del aire húmedo. Son los siguientes:

T_dbt = la lectura de la temperatura de bulbo seco, medida con un termómetro aislado del calor irradiado

T_dpt = la lectura de la temperatura del punto de rocío. Esta es la temperatura a la que el aire seco no saturado alcanza el punto de saturación

W = una relación de humedad que varía de cero para aire seco a W_s para aire saturado. Se expresa en kg de vapor de agua por kg de aire seco

RH = humedad relativa

t* = temperatura termodinámica con bulbo húmedo

v = volumen específico de aire y vapor de agua (expresado en unidades de m³/kg). es el inverso de la densidad

H = entalpía, kcal/kg de aire seco y vapor de agua asociado.

De las variables anteriores, solo tres son directamente medibles. Son la lectura de temperatura de bulbo seco, la lectura de temperatura de punto de rocío y la humedad relativa. Hay una cuarta variable que es medible experimentalmente, definida como la temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo se mide con un termómetro cuyo bulbo se ha humedecido y que se mueve, generalmente con la ayuda de una honda, a través de aire húmedo no saturado a una velocidad moderada. Esta variable difiere en una cantidad insignificante de la temperatura termodinámica con bulbo seco (3 por ciento), por lo que ambas pueden usarse para cálculos sin errar demasiado.

Diagrama psicrométrico

Las propiedades definidas en la sección anterior están relacionadas funcionalmente y se pueden representar en forma gráfica. Esta representación gráfica se llama diagrama psicrométrico. Es un gráfico simplificado derivado de las tablas de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). La entalpía y el grado de humedad se muestran en las coordenadas del diagrama; las líneas dibujadas muestran las temperaturas seca y húmeda, la humedad relativa y el volumen específico. Con el diagrama psicrométrico, conocer dos de las variables antes mencionadas le permite derivar todas las propiedades del aire húmedo.

Condiciones para el confort térmico

El confort térmico se define como un estado de ánimo que expresa satisfacción con el ambiente térmico. Está influenciado por factores físicos y fisiológicos.

Es difícil prescribir las condiciones generales que deben cumplirse para el confort térmico porque las condiciones difieren en diversas situaciones de trabajo; incluso se podrían exigir condiciones diferentes para un mismo puesto de trabajo cuando lo ocupan diferentes personas. Una norma técnica de condiciones térmicas requeridas para el confort no se puede aplicar a todos los países debido a las diferentes condiciones climáticas y sus diferentes costumbres que rigen la vestimenta.

Se han realizado estudios con trabajadores que realizan labores manuales livianas, estableciendo una serie de criterios de temperatura, velocidad y humedad que se muestran en la tabla 1 (Bedford y Chrenko 1974).

Tabla 1. Normas propuestas para factores ambientales

Los factores anteriores están interrelacionados, requiriendo una temperatura del aire más baja en los casos en que hay una radiación térmica alta y requiriendo una temperatura del aire más alta cuando la velocidad del flujo de aire también es mayor.

Generalmente, las correcciones que se deben realizar son las siguientes:

La temperatura del aire debe aumentarse:

• si la velocidad del flujo de aire es alta

• para situaciones de trabajo sedentario

• si la ropa usada es ligera

• cuando las personas deben aclimatarse a las altas temperaturas interiores.

La temperatura del aire debe reducirse:

• si el trabajo implica trabajo manual pesado

• cuando se usa ropa abrigada.

Para una buena sensación de confort térmico, la situación más deseable es aquella en la que la temperatura del ambiente es ligeramente superior a la temperatura del aire, y donde el flujo de energía térmica radiante es el mismo en todas las direcciones y no es excesivo. Se debe minimizar el aumento de temperatura por la altura, manteniendo los pies calientes sin crear demasiada carga térmica sobre la cabeza. Un factor importante que influye en la sensación de confort térmico es la velocidad del flujo de aire. Existen diagramas que dan velocidades de aire recomendadas en función de la actividad que se está realizando y el tipo de ropa utilizada (figura 2).

Figura 2. Zonas de confort basadas en lecturas de temperatura general y velocidad de las corrientes de aire

En algunos países existen normas de temperaturas ambientales mínimas, pero aún no se han establecido valores óptimos. Por lo general, el valor máximo para la temperatura del aire es de 20 °C. Con las mejoras técnicas recientes, ha aumentado la complejidad de medir el confort térmico. Han aparecido muchos índices, incluyendo el índice de temperatura efectiva (ET) y el índice de temperatura efectiva, corregido (CET); el índice de sobrecarga calórica; el Índice de Estrés por Calor (HSI); la temperatura de globo de bulbo húmedo (WBGT); y el índice de Fanger de valores medianos (IMV), entre otros. El índice WBGT nos permite determinar los intervalos de descanso requeridos en función de la intensidad del trabajo realizado para evitar el estrés térmico en condiciones de trabajo. Esto se analiza con más detalle en el capítulo Calor y frio.

Zona de confort térmico en un diagrama psicrométrico

El rango en el diagrama psicrométrico correspondiente a las condiciones bajo las cuales un adulto percibe el confort térmico ha sido cuidadosamente estudiado y definido en la norma ASHRAE en base a la temperatura efectiva, definida como la temperatura medida con un termómetro de bulbo seco en una habitación uniforme con 50 porcentaje de humedad relativa, donde las personas tendrían el mismo intercambio de calor por energía radiante, convección y evaporación que tendrían con el nivel de humedad en el ambiente local dado. La escala de temperatura efectiva está definida por ASHRAE para un nivel de ropa de 0.6 clo—clo es una unidad de aislamiento; 1 clo corresponde al aislamiento proporcionado por una muda normal de ropa—que asume un nivel de aislamiento térmico de 0.155 K·m²W^-1, donde K es el intercambio de calor por conducción medido en Watts por metro cuadrado (W m^-2) para un movimiento de aire de 0.2 ms^-1 (en reposo), para una exposición de una hora a una actividad sedentaria elegida de 1 met (unidad de tasa metabólica = 50 Kcal/m²h). Esta zona de confort se ve en la figura 2 y se puede usar para ambientes térmicos donde la temperatura medida del calor radiante es aproximadamente la misma que la temperatura medida por un termómetro de bulbo seco, y donde la velocidad del flujo de aire es inferior a 0.2 ms^-1 para personas vestidas con ropa ligera y que realizan actividades sedentarias.

Fórmula de confort: El método Fanger

El método desarrollado por PO Fanger se basa en una fórmula que relaciona variables de temperatura ambiente, temperatura radiante promedio, velocidad relativa del flujo de aire, presión de vapor de agua en el aire ambiente, nivel de actividad y resistencia térmica de la ropa usada. En la tabla 2 se muestra un ejemplo derivado de la fórmula de confort, que puede ser utilizada en aplicaciones prácticas para obtener una temperatura de confort en función de la ropa que se lleva, la tasa metabólica de la actividad realizada y la velocidad del flujo de aire.

Tabla 2. Temperaturas de confort térmico (°C), al 50% de humedad relativa (basado en la fórmula de PO Fanger)

Sistemas de calefacción

El diseño de cualquier sistema de calefacción debe estar directamente relacionado con el trabajo a realizar y las características del edificio donde se instalará. Es difícil encontrar, en el caso de naves industriales, proyectos donde se consideren las necesidades de calefacción de los trabajadores, muchas veces porque los procesos y puestos de trabajo aún están por definir. Normalmente, los sistemas se diseñan con un rango muy libre, considerando solo las cargas térmicas que existirán en el edificio y la cantidad de calor que se necesita suministrar para mantener una temperatura determinada dentro del edificio, sin tener en cuenta la distribución de calor, la situación de los puestos de trabajo y otros factores igualmente menos generales. Esto conduce a deficiencias en el diseño de ciertos edificios que se traducen en deficiencias como puntos fríos, corrientes de aire, número insuficiente de elementos de calefacción y otros problemas.

Para terminar con un buen sistema de calefacción en la planificación de un edificio, las siguientes son algunas de las consideraciones que deben tenerse en cuenta:

• Considere la colocación adecuada del aislamiento para ahorrar energía y minimizar los gradientes de temperatura dentro del edificio.

• Reducir al máximo las infiltraciones de aire frío en el edificio para minimizar las variaciones de temperatura en las zonas de trabajo.

• Controlar la contaminación del aire mediante extracción localizada de aire y ventilación por desplazamiento o difusión.

• Controlar las emisiones de calor debidas a los procesos utilizados en el edificio y su distribución en las zonas ocupadas del edificio.

Cuando la calefacción se proporcione mediante quemadores sin chimeneas de escape, se debe prestar especial atención a la inhalación de los productos de la combustión. Normalmente, cuando los materiales combustibles son aceite de calefacción, gas o coque, producen dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono y otros productos de combustión. Existen límites de exposición humana para estos compuestos y deben ser controlados, especialmente en espacios cerrados donde la concentración de estos gases puede aumentar rápidamente y la eficiencia de la reacción de combustión puede disminuir.

La planificación de un sistema de calefacción siempre implica equilibrar varias consideraciones, como un bajo costo inicial, flexibilidad del servicio, eficiencia energética y aplicabilidad. Por lo tanto, el uso de electricidad fuera de las horas pico cuando podría ser más barato, por ejemplo, podría hacer que los calentadores eléctricos sean rentables. El uso de sistemas químicos para el almacenamiento de calor que luego se pueden utilizar durante los picos de demanda (utilizando sulfuro de sodio, por ejemplo) es otra opción. También es posible estudiar la colocación de varios sistemas diferentes juntos, haciéndolos funcionar de tal manera que se puedan optimizar los costos.

Es especialmente interesante la instalación de calentadores que sean capaces de utilizar gas o gasóleo. El uso directo de la electricidad supone un consumo de energía de primera que puede resultar costoso en muchos casos, pero que puede dar la flexibilidad necesaria en determinadas circunstancias. Las bombas de calor y otros sistemas de cogeneración que aprovechan el calor residual pueden aportar soluciones que pueden resultar muy ventajosas desde el punto de vista económico. El problema de estos sistemas es su elevado coste inicial.

Hoy en día, la tendencia de los sistemas de calefacción y aire acondicionado es tener como objetivo ofrecer un funcionamiento óptimo y ahorro de energía. Por lo tanto, los nuevos sistemas incluyen sensores y controles distribuidos por los espacios a calentar, obteniendo un suministro de calor solo durante los tiempos necesarios para obtener el confort térmico. Estos sistemas pueden ahorrar hasta un 30% de los costes energéticos de calefacción. La figura 3 muestra algunos de los sistemas de calefacción disponibles, indicando sus características positivas y sus inconvenientes.

Figura 3. Características de los sistemas de calefacción más comunes empleados en los lugares de trabajo

Sistemas de aire acondicionado

La experiencia demuestra que los entornos industriales cercanos a la zona de confort durante los meses de verano aumentan la productividad, tienden a registrar menos accidentes, tienen menor ausentismo y, en general, contribuyen a mejorar las relaciones humanas. En el caso de establecimientos comerciales, hospitales y edificios de grandes superficies, la climatización suele necesitar ser dirigida para poder aportar confort térmico cuando las condiciones exteriores lo requieran.

En ciertos entornos industriales donde las condiciones externas son muy severas, el objetivo de los sistemas de calefacción está más orientado a proporcionar suficiente calor para prevenir posibles efectos adversos para la salud que a proporcionar suficiente calor para un ambiente térmico confortable. Los factores que deben ser cuidadosamente monitoreados son el mantenimiento y uso adecuado de los equipos de aire acondicionado, especialmente cuando están equipados con humidificadores, ya que pueden convertirse en fuentes de contaminación microbiana con los riesgos que estos contaminantes pueden representar para la salud humana.

Hoy en día los sistemas de ventilación y climatización tienden a cubrir, de forma conjunta y muchas veces con la misma instalación, las necesidades de calefacción, refrigeración y acondicionamiento del aire de un edificio. Se pueden utilizar múltiples clasificaciones para los sistemas de refrigeración.

Dependiendo de la configuración del sistema se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Unidades herméticamente selladas, con fluido frigorífico instalado de fábrica, que se pueden abrir y recargar en un taller de reparación. Se trata de unidades de aire acondicionado normalmente utilizadas en oficinas, viviendas y similares.

• Unidades semiherméticas de tamaño mediano, fabricadas en fábrica, que son de mayor tamaño que las unidades domiciliarias y que pueden ser reparadas a través de aberturas diseñadas para tal fin.

• Sistemas segmentados para almacenes y grandes superficies, que constan de partes y componentes claramente diferenciados y separados físicamente (el compresor y el condensador están separados físicamente del evaporador y la válvula de expansión). Se utilizan para grandes edificios de oficinas, hoteles, hospitales, grandes fábricas y edificios industriales.

Dependiendo de la cobertura que brinden, se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Sistemas para una sola zona: una unidad de tratamiento de aire da servicio a varias estancias de un mismo edificio y al mismo tiempo. Las habitaciones servidas tienen necesidades similares de calefacción, refrigeración y ventilación y están reguladas por un control común (un termostato o dispositivo similar). Este tipo de sistemas pueden acabar siendo incapaces de proporcionar un nivel de confort adecuado a cada estancia si en el plan de diseño no se han tenido en cuenta las diferentes cargas térmicas entre estancias de una misma zona. Esto puede suceder cuando hay un aumento en la ocupación de una habitación o cuando se agrega iluminación u otras fuentes de calor, como computadoras o fotocopiadoras, que no estaban previstas durante el diseño original del sistema. La incomodidad también puede ocurrir debido a los cambios estacionales en la cantidad de radiación solar que recibe una habitación, o incluso debido a los cambios de una habitación a otra durante el día.

• Sistemas para múltiples zonas: los sistemas de este tipo pueden proporcionar aire a diferentes zonas a diferentes temperaturas y humedades calentando, enfriando, humidificando o deshumidificando el aire de cada zona y variando el caudal de aire. Estos sistemas, si bien generalmente cuentan con una unidad de refrigeración por aire común y centralizada (compresor, evaporador, etc.), están equipados con una variedad de elementos, como dispositivos que controlan el flujo de aire, serpentines de calefacción y humidificadores. Estos sistemas son capaces de ajustar las condiciones de una habitación en función de cargas térmicas específicas, que detectan mediante sensores distribuidos en las habitaciones a lo largo del área que sirven.

• En función del caudal de aire que estos sistemas bombean al interior del edificio se clasifican de la siguiente forma:

• Volumen constante (CV): estos sistemas bombean un flujo constante de aire en cada habitación. Los cambios de temperatura se efectúan calentando o enfriando el aire. Estos sistemas frecuentemente mezclan un porcentaje de aire exterior con aire interior reciclado.

• Volumen variable (VAV): estos sistemas mantienen el confort térmico variando la cantidad de aire calentado o enfriado que se suministra a cada espacio. Aunque su funcionamiento se basa principalmente en este principio de mezcla, también se pueden combinar con sistemas que modifican la temperatura del aire que introducen en la habitación.

Los problemas que con mayor frecuencia aquejan a este tipo de sistemas son el exceso de calefacción o refrigeración si el sistema no está ajustado para responder a las variaciones de las cargas térmicas, o la falta de ventilación si el sistema no introduce una cantidad mínima de aire exterior para renovar el aire circulante. aire interior Esto crea ambientes interiores viciados en los que la calidad del aire se deteriora.

Los elementos básicos de todos los sistemas de aire acondicionado son (ver también la figura 4):

• Unidades para retener materia sólida, generalmente filtros de mangas o precipitadores electrostáticos.

• Unidades de calefacción o refrigeración por aire: en estas unidades se intercambia calor por intercambio térmico con agua fría o líquidos refrigerantes, por ventilación forzada en verano y por calefacción con serpentines eléctricos o por combustión en invierno.

• Unidades para el control de la humedad: en invierno se puede añadir humedad por inyección directa de vapor de agua o por evaporación directa del agua; en verano puede eliminarse mediante serpentines refrigerados que condensan el exceso de humedad en el aire, o mediante un sistema de agua refrigerada en el que el aire húmedo fluye a través de una cortina de gotas de agua más fría que el punto de rocío del aire húmedo.

Figura 4. Esquema simplificado del sistema de aire acondicionado

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