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Calefacción y refrigeración radiante

Vista en sección de una habitación con techo de losa de hormigón climatizado y refrigerado internamente. La calefacción y refrigeración radiante es una categoría de tecnologías ...

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Vista en sección de una habitación con techo de losa de hormigón climatizado y refrigerado internamente.
Vista en sección de una habitación con techo de losa de hormigón climatizado y refrigerado internamente.

La calefacción y refrigeración radiante es una categoría de tecnologías HVAC que intercambian calor por convección y radiación con los ambientes que están diseñados para calentar o enfriar. Existen muchas subcategorías de calefacción y refrigeración radiante, entre las que se incluyen: «paneles radiantes de techo», [ 1 ] «sistemas de superficie integrados», [ 1 ] «sistemas de construcción térmicamente activos», [ 1 ] y calentadores infrarrojos . Según algunas definiciones, una tecnología solo se incluye en esta categoría si la radiación comprende más del 50 % de su intercambio de calor con el ambiente; [ 2 ] por lo tanto, tecnologías como los radiadores y las vigas frías (que también pueden implicar transferencia de calor por radiación) generalmente no se consideran calefacción o refrigeración radiante. Dentro de esta categoría, es práctico distinguir entre calefacción radiante de alta temperatura (dispositivos con temperatura de fuente emisora ​​>≈300  °F) y calefacción o refrigeración radiante con temperaturas de fuente más moderadas. Este artículo se centra principalmente en la calefacción y refrigeración radiante con temperaturas de fuente moderadas, utilizadas para calentar o enfriar ambientes interiores. La calefacción y refrigeración radiante a temperatura moderada generalmente se compone de superficies relativamente grandes que se calientan o enfrían internamente mediante fuentes hidráulicas o eléctricas. Para calefacción radiante de alta temperatura en interiores o exteriores, consulte: Calentador infrarrojo . Para aplicaciones de deshielo, consulte: Sistema de deshielo .

Historia

La calefacción y la refrigeración radiantes se originaron como sistemas separados, pero ahora comparten una forma similar. La calefacción radiante tiene una larga historia en Asia y Europa. Los sistemas más antiguos, que datan de alrededor del 5000 a. C., se encontraron en el norte de China y Corea. Los hallazgos arqueológicos muestran kang y dikang, camas y suelos calefactados en las antiguas casas chinas. Kang se originó en el siglo XI a. C. como "secar" y posteriormente evolucionó a una cama calefactada, mientras que dikang amplió este concepto a un suelo calefactado. En Corea, el sistema ondol , que significa "piedra caliente", utilizaba conductos bajo el suelo para canalizar el humo de una estufa de cocina, calentando piedras planas que irradiaban calor a la habitación superior. Con el tiempo, el sistema ondol se adaptó para usar carbón y posteriormente, en el siglo XX, pasó a utilizar sistemas basados ​​en agua, manteniéndose como un sistema de calefacción común en los edificios coreanos. [ 3 ]

En Europa, el sistema romano de hipocausto , desarrollado alrededor del siglo III a. C., fue un método primitivo de calefacción radiante que utilizaba un horno conectado a conductos de humos bajo el suelo y en las paredes para hacer circular aire caliente en baños públicos y villas . Esta tecnología se extendió por todo el Imperio Romano, pero decayó tras su caída, siendo reemplazada por chimeneas más sencillas en la Edad Media. En este periodo, sistemas como el Kachelofen de Austria y Alemania utilizaban masas térmicas para un almacenamiento y distribución eficientes del calor. Durante el siglo XVIII, la calefacción radiante resurgió en Europa, impulsada por los avances en las técnicas de almacenamiento térmico, como los conductos de humos calefactados para una distribución eficiente del calor y una mejor comprensión de cómo los materiales retienen y transfieren el calor. A principios del siglo XIX, los avances en los sistemas de agua con tuberías de agua caliente integradas allanaron el camino para la calefacción radiante moderna, que proporciona confort en interiores mediante la transferencia de calor. [ 4 ]

La refrigeración radiante también tiene raíces antiguas. En el siglo VIII, los constructores mesopotámicos utilizaban paredes cubiertas de nieve para enfriar espacios interiores. El concepto resurgió en el siglo XX con los sistemas de refrigeración hidrónica en Europa, que incorporaban tuberías de agua fría en las estructuras para absorber y disipar el calor, satisfaciendo así las necesidades de refrigeración. [ 4 ] [ 5 ] La refrigeración radiante se adoptó más ampliamente en la década de 1990 con la implementación de la refrigeración por suelo radiante. [ 6 ] Hoy en día, los sistemas radiantes modernos suelen utilizar agua como medio térmico para una transferencia de calor eficiente y se utilizan ampliamente en edificios residenciales, comerciales e industriales. Si bien se valora por su potencial para mejorar la eficiencia energética, el funcionamiento silencioso y el confort térmico , [ 7 ] su rendimiento varía según el diseño y la aplicación, lo que da lugar a debates continuos. [ 8 ]

Calefacción radiante

Calentadores eléctricos infrarrojos halógenos
Calentador de alta intensidad a gas
Calentador de patio a gas

La calefacción radiante es una tecnología para calentar espacios interiores y exteriores. El calentamiento por energía radiante se observa a diario, siendo el calor del sol el ejemplo más común. La calefacción radiante, como tecnología, se define de forma más específica. Es el método de utilizar intencionadamente los principios del calor radiante para transferir energía radiante desde una fuente de calor a un objeto. Los diseños con calefacción radiante se consideran una alternativa a la calefacción por convección convencional , así como una forma de proporcionar calefacción a espacios exteriores confinados.

Interior

La energía térmica se emite desde elementos calientes de gran tamaño, como un suelo, una pared o un panel del techo, o desde elementos calientes más pequeños, y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. La temperatura del aire interior en edificios con calefacción radiante puede ser inferior a la de un edificio con calefacción convencional para lograr el mismo nivel de confort corporal, siempre que se ajuste de forma que la temperatura percibida sea la misma. Una de las principales ventajas de los sistemas de calefacción radiante es la considerable reducción de la circulación del aire dentro de la habitación y, por consiguiente, de la dispersión de partículas en suspensión.

Los sistemas de calefacción radiante se pueden dividir en:

Los sistemas de calefacción por suelo radiante y mural suelen denominarse sistemas de baja temperatura. Dado que su superficie de calentamiento es mucho mayor que la de otros sistemas, se requiere una temperatura mucho menor para lograr el mismo nivel de transferencia de calor , lo que hace que los sistemas hidrónicos sean ideales para su uso con bombas de calor. La temperatura máxima de la superficie de calentamiento puede variar entre 29 y 35 °C (84 y 95 °F) según el tipo de habitación. Los paneles radiantes de techo se utilizan principalmente en instalaciones de producción y almacenamiento o en centros deportivos; cuelgan a pocos metros del suelo y sus temperaturas superficiales son más elevadas. También existen paneles eléctricos de tamaño y temperatura medios para su instalación en paredes o techos domésticos.  

Las chimeneas o estufas que funcionan con combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, o con electricidad, suelen emitir un brillo rojo intenso o amarillo. Esto también se aplica a los dispositivos portátiles, aunque algunos, como los calefactores catalíticos, pueden emitir un brillo rojo tenue, difícil de percibir. Las instalaciones o dispositivos individuales calientan a personas y animales principalmente de forma unilateral, aunque en menor medida también calientan superficies opuestas.

Todos estos sistemas pueden proporcionar un clima ambiente con menor circulación de aire, menor temperatura y mayor humedad que los sistemas de calefacción por aire. Esto ahorra energía, especialmente en usos a corto plazo, y en algunos casos puede ser más saludable.

Al aire libre

En el caso de la calefacción de áreas exteriores, el aire circundante está en constante movimiento. Confiar en la calefacción por convección suele ser poco práctico, ya que, una vez que se calienta el aire exterior, este se dispersa con el viento. Incluso en ausencia de viento, la flotabilidad disipa el aire caliente. Los calefactores radiantes para exteriores permiten calentar áreas específicas dentro de un espacio exterior, calentando únicamente a las personas y los objetos que se encuentran en su trayectoria. Los sistemas de calefacción radiante pueden funcionar con gas o utilizar elementos calefactores infrarrojos eléctricos. Un ejemplo de calefactor radiante de techo son los calentadores de patio que se utilizan habitualmente para servir comidas al aire libre. El disco metálico superior refleja el calor radiante sobre una pequeña área.

Refrigeración radiante

La refrigeración radiante consiste en el uso de superficies refrigeradas para eliminar el calor sensible principalmente por radiación térmica y solo secundariamente por otros métodos como la convección . Los sistemas radiantes que utilizan agua para refrigerar las superficies radiantes son ejemplos de sistemas hidrónicos . A diferencia de los sistemas de aire acondicionado de "aire puro" que solo hacen circular aire refrigerado, los sistemas radiantes hidrónicos hacen circular agua refrigerada por tuberías a través de paneles especialmente instalados en el suelo o el techo de un edificio para proporcionar temperaturas confortables. Existe un sistema independiente para proporcionar aire para ventilación , deshumidificación y, potencialmente, refrigeración adicional. [ 9 ] Los sistemas radiantes son menos comunes que los sistemas de aire puro para refrigeración, pero pueden tener ventajas en comparación con estos últimos en algunas aplicaciones. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Dado que la mayor parte del proceso de enfriamiento resulta de la eliminación del calor sensible mediante el intercambio radiante con personas y objetos, y no con el aire, el confort térmico de los ocupantes se puede lograr con temperaturas del aire interior más cálidas que con los sistemas de enfriamiento basados ​​en aire. Los sistemas de enfriamiento radiante ofrecen potencialmente reducciones en el consumo de energía de enfriamiento. [ 10 ] Las cargas latentes (humedad) de los ocupantes, la infiltración y los procesos generalmente deben ser gestionadas por un sistema independiente. El enfriamiento radiante también puede integrarse con otras estrategias de eficiencia energética, como la ventilación nocturna, el enfriamiento evaporativo indirecto o las bombas de calor geotérmicas , ya que requiere una pequeña diferencia de temperatura entre la temperatura del aire interior deseada y la superficie enfriada. [ 13 ]

El enfriamiento radiativo pasivo diurno utiliza un material que fluoresce en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencias donde la atmósfera es inusualmente transparente, de modo que la energía se dirige directamente al espacio. Esto puede enfriar el objeto fluorescente por debajo de la temperatura ambiente, incluso a pleno sol. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

Ventajas

Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen un menor consumo de energía que los sistemas de refrigeración convencionales, según una investigación realizada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . El ahorro energético de la refrigeración radiante depende del clima, pero en promedio en los EE. UU. el ahorro se sitúa en torno al 30 % en comparación con los sistemas convencionales. Las regiones frías y húmedas podrían tener un ahorro del 17 %, mientras que las regiones cálidas y áridas tienen un ahorro del 42 %. [ 10 ] Los climas cálidos y secos ofrecen la mayor ventaja para la refrigeración radiante, ya que tienen la mayor proporción de refrigeración mediante la eliminación de calor sensible. Si bien esta investigación es informativa, se necesita más investigación para tener en cuenta las limitaciones de las herramientas de simulación y los enfoques de sistemas integrados. Gran parte del ahorro energético también se atribuye a la menor cantidad de energía necesaria para bombear agua en comparación con la distribución de aire con ventiladores. Al acoplar el sistema con la masa del edificio, la refrigeración radiante puede trasladar parte de la refrigeración a las horas nocturnas de menor demanda. La refrigeración radiante parece tener menores costos iniciales [ 17 ] y costos de ciclo de vida en comparación con los sistemas convencionales. Los menores costos iniciales se atribuyen en gran medida a la integración con la estructura y los elementos de diseño, mientras que los menores costos de ciclo de vida resultan de la disminución del mantenimiento. Sin embargo, un estudio reciente sobre la comparación del recalentamiento VAV frente a las vigas frías activas y DOAS cuestionó las afirmaciones de un menor costo inicial debido al costo adicional de las tuberías [ 18 ].

Factores limitantes

Debido al potencial de formación de condensación en la superficie radiante fría (lo que resulta en daños por agua, moho y similares), los sistemas de enfriamiento radiante no se han aplicado ampliamente. La condensación causada por la humedad es un factor limitante para la capacidad de enfriamiento de un sistema de enfriamiento radiante. La temperatura de la superficie no debe ser igual o inferior a la temperatura del punto de rocío en el espacio. Algunas normas sugieren un límite para la humedad relativa en un espacio del 60% o 70%. Una temperatura del aire de 26 °C (79 °F) significaría un punto de rocío entre 17 y 20 °C (63 y 68 °F) . [ 13 ] Sin embargo, hay evidencia que sugiere que disminuir la temperatura de la superficie por debajo de la temperatura del punto de rocío durante un corto período de tiempo puede no causar condensación . [ 17 ] Además, el uso de un sistema adicional, como un deshumidificador o DOAS , puede limitar la humedad y permitir una mayor capacidad de enfriamiento.    

Clasificación de los sistemas radiantes

Los sistemas radiantes, que abarcan tanto la calefacción como la refrigeración, transfieren calor o frío directamente a través de superficies, como suelos, techos o paredes, en lugar de depender de sistemas de aire forzado. Estos sistemas se clasifican generalmente en tres tipos: [ 19 ] sistemas de construcción activados térmicamente (TABS), [ 20 ] sistemas de superficie integrados y paneles radiantes de techo.

Losas refrigeradas

La refrigeración radiante de una losa puede distribuirse desde el suelo o el techo. Dado que los sistemas de calefacción radiante suelen estar en el suelo, lo lógico sería utilizar el mismo sistema de circulación para el agua refrigerada. Si bien esto tiene sentido en algunos casos, distribuir la refrigeración desde el techo presenta varias ventajas.

En primer lugar, es más fácil dejar los techos expuestos que los suelos, lo que aumenta la eficacia de la masa térmica. Los suelos presentan el inconveniente de que los revestimientos y el mobiliario disminuyen la eficacia del sistema.

En segundo lugar, se produce un mayor intercambio de calor por convección a través de un techo refrigerado a medida que el aire caliente asciende, lo que provoca que una mayor cantidad de aire entre en contacto con la superficie enfriada.

La refrigeración a través del suelo tiene más sentido cuando hay una gran cantidad de ganancia solar por penetración del sol, porque el suelo frío puede eliminar esas cargas más fácilmente que el techo. [ 13 ]

Las losas refrigeradas, en comparación con los paneles, ofrecen una mayor masa térmica y, por lo tanto, aprovechan mejor las fluctuaciones de temperatura diurnas exteriores. Además, las losas refrigeradas tienen un menor costo por unidad de superficie y se integran mejor con la estructura.

Sistemas radiantes parciales

Las vigas refrigeradas son sistemas híbridos que combinan la transferencia de calor radiante y convectiva. Si bien no son puramente radiantes, son adecuadas para espacios con cargas térmicas variables y se integran bien con los techos para una colocación y ventilación flexibles. [ 9 ]

Confort térmico

La temperatura operativa es un indicador de confort térmico que tiene en cuenta los efectos de la convección y la radiación. Se define como la temperatura uniforme de un recinto negro radiante en el que un ocupante intercambiaría la misma cantidad de calor por radiación y convección que en el entorno real, que no es uniforme.

Con los sistemas radiantes, el confort térmico se logra a una temperatura interior más alta que con los sistemas de aire acondicionado convencionales en el caso de refrigeración, y a una temperatura más baja que con los sistemas de aire acondicionado convencionales en el caso de calefacción. [ 21 ] Por lo tanto, los sistemas radiantes pueden contribuir al ahorro energético en el funcionamiento del edificio, manteniendo al mismo tiempo el nivel de confort deseado.

Confort térmico en edificios con calefacción radiante frente a edificios con calefacción por aire forzado.

Según un amplio estudio realizado utilizando la encuesta de calidad ambiental interior (CAI) del Centro para el Entorno Construido para comparar la satisfacción de los ocupantes en edificios con calefacción radiante y edificios con aire acondicionado general, ambos sistemas crean condiciones ambientales interiores iguales, incluida la satisfacción acústica, con una tendencia hacia una mayor satisfacción con la temperatura en los edificios con calefacción radiante. [ 22 ]

Asimetría de la temperatura radiante

La asimetría de la temperatura radiante se define como la diferencia entre la temperatura radiante plana de los dos lados opuestos de un pequeño elemento plano. En lo que respecta a los ocupantes de un edificio, el campo de radiación térmica alrededor del cuerpo puede ser no uniforme debido a superficies calientes y frías y a la luz solar directa, lo que provoca incomodidad localizada. La norma ISO 7730 y la norma ASHRAE 55 proporcionan el porcentaje previsto de ocupantes insatisfechos (PPD) en función de la asimetría de la temperatura radiante y especifican los límites aceptables. En general, las personas son más sensibles a la radiación asimétrica causada por un techo caliente que a la causada por superficies verticales calientes y frías. El método de cálculo detallado del porcentaje de insatisfacción debido a una asimetría de la temperatura radiante se describe en la norma ISO 7730.

Consideraciones de diseño

Si bien los requisitos de diseño específicos dependerán del tipo de sistema radiante, existen algunos problemas comunes a la mayoría de estos sistemas.

  • En aplicaciones de refrigeración, los sistemas radiantes pueden provocar problemas de condensación . Es necesario evaluar el clima local y tenerlo en cuenta en el diseño. En climas húmedos, puede ser necesaria la deshumidificación del aire.
  • Muchos sistemas radiantes incorporan elementos constructivos de gran tamaño. La masa térmica involucrada influye en la respuesta térmica del sistema. El programa de funcionamiento del espacio y la estrategia de control del sistema radiante son fundamentales para su correcto funcionamiento.
  • Muchos sistemas radiantes incorporan superficies duras que influyen en la acústica interior. Puede ser necesario considerar soluciones acústicas adicionales.
  • Una estrategia de diseño para reducir el impacto acústico de los sistemas radiantes consiste en utilizar paneles acústicos suspendidos. Experimentos de refrigeración con paneles acústicos suspendidos en una oficina demostraron que, con una cobertura del 47 % del área del techo, la cobertura de los paneles acústicos provocó una reducción del 11 % en la capacidad de refrigeración. Se puede lograr una buena calidad acústica con una reducción mínima de la capacidad de refrigeración. [ 23 ] La combinación de paneles acústicos y ventiladores de techo puede compensar la modesta reducción en la capacidad de refrigeración de un techo radiante causada por la presencia de los paneles, lo que resulta en un aumento de dicha capacidad. [ 23 ] [ 24 ]

Estrategias y consideraciones de control

Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) requieren un sistema de control para suministrar calefacción o refrigeración a un espacio. Las estrategias de control aplicadas dependen del tipo de sistema HVAC utilizado y, en última instancia, determinan el consumo energético del sistema. [ 25 ] Los sistemas radiantes se diferencian de otros sistemas HVAC en cuanto a los mecanismos de transferencia de calor y el riesgo potencial de condensación , lo que requiere estrategias de control específicas para abordar estas características únicas.

Consideraciones sobre la alta masa térmica

Los sistemas radiantes transfieren calor calentando o enfriando elementos estructurales, como losas de hormigón o techos , en lugar de suministrar directamente aire caliente o frío. Estos elementos liberan calor principalmente por radiación. El tiempo de respuesta —el tiempo que tarda el sistema en alcanzar la temperatura de consigna— depende de la masa térmica del material : los materiales de baja masa térmica, como los paneles metálicos , responden rápidamente, mientras que los de alta masa térmica, como las losas de hormigón, se ajustan más lentamente. Cuando se integran con elementos de alta masa térmica, los sistemas radiantes presentan problemas debido a los retrasos en los ajustes de temperatura. Este retraso puede provocar sobreajustes, lo que resulta en un mayor consumo de energía y una menor comodidad térmica . [ 26 ] Para abordar este problema, a menudo se emplea el Control Predictivo de Modelo (MPC) para predecir las futuras demandas térmicas y ajustar el suministro de calor de forma proactiva. Por ejemplo, el MPC aprovecha la masa térmica de los sistemas radiantes almacenando calor durante las horas de menor demanda, antes de que se necesite. Esto permite que las operaciones comiencen por la noche, cuando los costos de la electricidad y las cargas de la red eléctrica urbana son menores. Además, el aire más frío durante la noche mejora la eficiencia de los equipos de refrigeración, como las bombas de calor aerotérmicas , optimizando aún más el uso de la energía. Al emplear estas estrategias, los sistemas radiantes superan eficazmente los desafíos de la masa térmica, al tiempo que reducen la demanda de electricidad durante el día, mejoran la estabilidad de la red y disminuyen los costos operativos. [ 27 ]

Riesgos de condensación y estrategias de mitigación

Los sistemas de refrigeración radiante pueden sufrir condensación cuando la temperatura de la superficie desciende por debajo del punto de rocío del aire circundante. Esto puede causar incomodidad a los ocupantes, favorecer el crecimiento de moho y dañar las superficies radiantes. [ 28 ] El riesgo es particularmente alto en climas húmedos , donde el aire cálido y húmedo entra por las ventanas abiertas y entra en contacto con las superficies frías de refrigeración radiante. Para evitarlo, los sistemas de refrigeración radiante deben combinarse con estrategias de ventilación eficaces para controlar los niveles de humedad interior .

Sistemas radiantes hidrónicos

Los sistemas de refrigeración radiante suelen ser hidráulicos , enfriando mediante agua circulante que fluye por tuberías en contacto térmico con la superficie. Normalmente, el agua circulante solo necesita estar entre 2 y 4  °C por debajo de la temperatura ambiente deseada. [ 13 ] Una vez absorbido por la superficie enfriada activamente, el calor se elimina mediante agua que fluye a través de un circuito hidráulico, reemplazando el agua caliente por agua más fría.

Según la ubicación de las tuberías en la construcción del edificio, los sistemas radiantes hidráulicos se pueden clasificar en 4 categorías principales:

  • Sistemas de superficie integrados : tuberías integradas en la capa superficial (no dentro de la estructura).
  • Sistemas de construcción térmicamente activos (TABS) : tuberías acopladas térmicamente e integradas en la estructura del edificio (losas, muros) [ 29 ]
  • Sistemas de superficie capilar : tuberías incrustadas en una capa en la superficie interior del techo/pared.
  • Paneles radiantes : tuberías metálicas integradas en los paneles (no dentro de la estructura); fluido caloportador cerca de la superficie.

Tipos (ISO 11855)

La norma ISO 11855-2 [ 30 ] se centra en los sistemas de calefacción y refrigeración superficiales a base de agua integrados y en los sistemas TABS. Según los detalles constructivos, esta norma distingue 7 tipos diferentes de estos sistemas (Tipos A a G).

  • Tipo A con tuberías empotradas en la solera o el hormigón (sistema "húmedo")
  • Tipo B con tuberías empotradas fuera de la capa de mortero (en la capa de aislamiento térmico , sistema “seco”).
  • Tipo C con tuberías incrustadas en la capa de nivelación, sobre la cual se coloca la segunda capa de mortero.
  • El tipo D incluye sistemas de sección plana (plástico extruido / grupo de rejillas capilares).
  • Tipo E con tuberías incrustadas en una capa de hormigón macizo.
  • Tipo F con tuberías capilares incrustadas en una capa en el techo interior o como una capa separada en el yeso.
  • Tipo G con tuberías incrustadas en una estructura de piso de madera.

Fuentes de energía

Los sistemas radiantes se asocian con sistemas de baja exergía. La baja exergía se refiere a la posibilidad de utilizar «energía de baja calidad» (es decir, energía dispersa con poca capacidad para realizar trabajo útil). Tanto la calefacción como la refrigeración pueden obtenerse, en principio, a temperaturas cercanas a la ambiente. La baja diferencia de temperatura requiere que la transmisión de calor se produzca sobre superficies relativamente grandes, como por ejemplo en techos o sistemas de calefacción por suelo radiante. [ 31 ] Los sistemas radiantes que utilizan calefacción a baja temperatura y refrigeración a alta temperatura son un ejemplo típico de sistemas de baja exergía. Fuentes de energía como la geotérmica (refrigeración directa/bomba de calor geotérmica) y el agua caliente solar son compatibles con los sistemas radiantes. Estas fuentes pueden generar importantes ahorros en el consumo de energía primaria en los edificios.

Edificios comerciales que utilizan refrigeración radiante

Algunos edificios conocidos que utilizan refrigeración radiante incluyen el Aeropuerto Suvarnabhumi de Bangkok , [ 32 ] el Edificio de Desarrollo de Software Infosys 1 en Hyderabad, IIT Hyderabad , [ 33 ] y el Exploratorium de San Francisco . [ 34 ] La refrigeración radiante también se utiliza en muchos edificios de energía neta cero . [ 35 ] [ 36 ]

Física

La radiación térmica es la energía en forma de ondas electromagnéticas emitida por un sólido, líquido o gas como resultado de su temperatura. [ 37 ] En los edificios, el flujo de calor radiante entre dos superficies internas (o una superficie y una persona) está influenciado por la emisividad de la superficie emisora ​​de calor y por el factor de visión entre esta superficie y la superficie receptora (objeto o persona) en la habitación. [ 38 ] La radiación térmica (de onda larga) viaja a la velocidad de la luz, en línea recta. [ 9 ] Puede reflejarse. Las personas, los equipos y las superficies en los edificios se calentarán si absorben radiación térmica, pero la radiación no calienta de forma perceptible el aire por el que viaja. [ 9 ] Esto significa que el calor fluirá desde los objetos, ocupantes, equipos y luces en un espacio hacia una superficie fría siempre que sus temperaturas sean más altas que la de la superficie fría y estén dentro de la línea de visión directa o indirecta de la superficie fría. Parte del calor también se elimina por convección , ya que la temperatura del aire disminuye cuando este entra en contacto con la superficie enfriada.

La transferencia de calor por radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura superficial absoluta.

La emisividad de un material (generalmente escrita como ε o e) es la capacidad relativa de su superficie para emitir energía por radiación. Un cuerpo negro tiene una emisividad de 1 y un reflector perfecto tiene una emisividad de 0. [ 37 ]

En la transferencia de calor por radiación, un factor de visión cuantifica la importancia relativa de la radiación que sale de un objeto (persona o superficie) e incide sobre otro, considerando los demás objetos circundantes. En recintos cerrados, la radiación que sale de una superficie se conserva; por lo tanto, la suma de todos los factores de visión asociados a un objeto dado es igual a 1. En el caso de una habitación, el factor de visión de una superficie radiante y de una persona depende de sus posiciones relativas. Dado que una persona suele cambiar de posición y que una habitación puede estar ocupada por varias personas simultáneamente, se pueden utilizar diagramas para una persona omnidireccional. [ 39 ]

Tiempo de respuesta térmica

El tiempo de respuesta (τ95), también conocido como constante de tiempo , se utiliza para analizar el rendimiento térmico dinámico de los sistemas radiantes. El tiempo de respuesta de un sistema radiante se define como el tiempo que tarda la temperatura superficial del sistema en alcanzar el 95 % de la diferencia entre sus valores final e inicial cuando se aplica un cambio escalonado en el control del sistema como entrada. [ 40 ] Está influenciado principalmente por el espesor del hormigón, el espaciamiento de las tuberías y, en menor medida, el tipo de hormigón. No se ve afectado por el diámetro de la tubería, la temperatura operativa de la habitación, la temperatura del agua de suministro ni el régimen de flujo de agua. Mediante el uso del tiempo de respuesta, los sistemas radiantes se pueden clasificar en respuesta rápida (τ95 < 10 min, como RCP), respuesta media (1 h < τ95 < 9 h, como los tipos A, B, D, G) y respuesta lenta (9 h < τ95 < 19 h, como los tipos E y F). [ 40 ] Además, los sistemas radiantes de suelo y techo tienen diferentes tiempos de respuesta debido a los diferentes coeficientes de transferencia de calor con el entorno térmico de la habitación y la posición de empotramiento de la tubería.

Otros sistemas de climatización que intercambian calor por radiación

Chimeneas y estufas de leña

Una chimenea proporciona calefacción radiante, pero también introduce aire frío. A: El aire para la combustión, en habitaciones con corrientes de aire, se toma del exterior. B: Los gases de escape calientes calientan el edificio por convección al salir por la chimenea. C: El calor radiante, principalmente de la llama de alta temperatura, calienta al ser absorbido.

Véase también

Referencias

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  6. ↑ Olesen, Bjarne W. (febrero de 2012). "Sistemas de edificios termoactivos que utilizan la masa del edificio para calentar y enfriar" (PDF) . ASHRAE Journal . Vol. 54, n.º 2. Atlanta, GA (EE. UU.): ASHRAE . Consultado el 20 de noviembre de 2017 .  
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Lecturas adicionales

  • Manual ASHRAE. Sistemas y equipos de climatización (HVAC) 2012. Capítulo 13. Calefacción y refrigeración hidrónica.
  • Kessling, W., Holst, S., Schuler, M. Concepto de diseño innovador para el nuevo aeropuerto internacional de Bangkok, NBIA.
  • Olesen, BW. Calefacción y refrigeración radiante mediante sistemas basados ​​en agua. Universidad Técnica de Dinamarca, Centro Internacional para el Medio Ambiente Interior y la Energía.
  • Investigación sobre refrigeración radiante en el Centro para el Entorno Construido.
  • Encuesta sobre la calidad ambiental interior (CAI) de los ocupantes del Centro para el Entorno Construido. Archivada el 22 de febrero de 2004 en Wayback Machine .
  • Guía del Departamento de Energía de EE. UU. sobre calefacción radiante
  • Consejo de Seguridad de Calentadores Infrarrojos
  • Asociación de Paneles Radiantes
  • Mapa de edificios que utilizan sistemas de calefacción y refrigeración radiante hidrónicos.