2005-11-28 Climatización de piscinas cubiertas

Transcripción

COMPAÑÍA INDUSTRIAL DE APLICACIONES TÉR MICAS, S.A.
Climatización de piscinas cubiertas
Agustín Maillo
Director de Calidad de CIATESA
1. INTRODUCCIÓN
El incremento de instalaciones lúdico-deportivas ha hecho que las necesidades de climatización de piscinas
cubiertas se hayan incrementado de forma importante en nuestro país en los últimos años. Este tipo de
instalaciones, por sus peculiares características, requieren de un estudio específico en las necesidades del
recinto y de las posibles soluciones a adoptar.
En el presente artículo se enumeran los distintos factores a tener en cuenta en el cálculo de este tipo de
instalaciones y se apuntan algunas posibles sistemas a adoptar, recordando que existen múltiples soluciones y
que en cada caso, como siempre, será el proyectista el que decidirá la solución más adecuada a cada
problema concreto.
2. OBJETIVOS
En el proyecto de climatización de una piscina cubierta debe tenerse en cuenta que las diferencias
fundamentales con respecto a un sistema de climatización de un edificio residencial o comercial son, en primer
lugar, que en el recinto hay una fuerte evaporación y, en segundo lugar, que los ocupantes tienen un grado de
vestimenta muy bajo. Como consecuencia de ello la obtención de unas condiciones de confort adecuadas y el
evitar condensaciones, que son los dos objetivos específicos de este tipo de instalaciones, pasa por:
1.
La consecución de una temperatura y humedad ambientales adecuadas
2.
El mantenimiento de la temperatura del agua del vaso de piscina
3.
Garantizar el aire de ventilación mínimo higiénico
4.
Evitar las corrientes de aire en la zona de ocupación y sobre la lámina de agua.
5.
Evitar que se produzcan condensaciones en los distintos cerramientos como consecuencia de la alta
humedad absoluta y relativa del aire ambiente interior.
En cuanto a la temperatura del aire ambiente, la del agua y la humedad ambiental tenemos que en la ITE 10
del RITE se aconsejan los valores de la Tabla 01 (marcados con *), aunque dependiendo del uso de la piscina
se puedan adoptar otros valores diferentes reflejados también en dicha tabla, así como los valores que se han
considerado como nominales en los ejemplos de cálculo del presente artículo
Tabla 01. Condiciones de confort
Temperatura del agua
Temperatura del aire
Humedad relativa
25 ºC
27 ºC
65 %
-
Temperaturas del agua S/RITE 10.2.1.2 (*)
Competición (*)
Entrenamiento (*)
24 ºC
26 ºC
Enseñanza y recreo (*)
Disminuidos físicos
Piscina infantil
Niños de 3 a 6 años y tercera edad
Mujeres embarazadas
25
29
30
32
30
ºC
ºC
ºC
ºC
- 32 ºC
Como regla general se ac onseja que la temperatura del aire se sitúe siempre dos o tres grados por encima de
la del agua y la humedad relativa en torno al 65%, las razones son en primer lugar el confort, ya que debemos
evitar en lo posible que los bañistas que salen mojados tengan sensación de frío, bien sea por una temperatura
ambiente baja o bien por el calor cedido por el cuerpo en el proceso de evaporación del agua de la piel mojada,
que es más rápida cuanto menor sea la humedad del ambiente. En segundo lugar es que, como veremos más
adelante, existe una relación directa entre el agua evaporada de la piscina y las condiciones de temperatura y
humedad del aire ambiente.
3. NECESIDADES EN LA CLIMATIZACIÓN DE UNA PISCINA CUBIERTA
Veamos cuáles son las necesidades en una piscina cubierta y cómo calcularlas:
1.
Necesidades de deshumectación en el aire ambiente como consecuencia de la evaporación de agua.
2.
Necesidades para mantener la temperatura del agua del vaso de piscina.
3.
Necesidades para mantener la temperatura en el recinto que, en este caso, son las propias de
cualquier local que deba ser climatizado, de ahí que su cálculo sea idéntico al de este tipo de sistemas
de climatización.
3.1. CÁLCULO DE LAS NECESIDADES DE DESHUMECTACIÓN
La evaporación en la lámina de agua será tant o mayor cuanto mayor sea la ocupación de la piscina, y en
especial el número de bañistas, ya que la mayor interacción entre agua y aire en flujo turbulento que se crea
como consecuencia del chapoteo, favorece la evaporación. De la misma forma que una elevada velocidad de
aire sobre la lámina favorecerá también el fenómeno de la evaporación.
Por otro lado, las playas mojadas son elementos que aumentan la evaporación de agua así como el agua que
los bañistas se llevan sobre la piel al salir del vaso.
Existen dos factores más que suponen un aporte de humedad extra al ambiente y que como tales hay que
tener en cuenta a la hora de calcular el incremento de humedad absoluta. Estos factores son la carga latente (
considerada en cualquier cálculo de climatización) de los propios bañistas y la del público en general, que en
piscinas de competición, por ejemplo, pueden llegar a ser un factor importante si la ocupación de las gradas es
elevada. Y por último, el aire exterior de ventilación, que en algunos casos puede tener más humedad absoluta
que el aire ambiente interior, y como consecuencia suponer un aumento en la humedad ambiental, aunque
debe decirse que, en la mayoría de los casos, es justo al contrario ayudando a deshumectar por estar este aire
exterior más seco que el interior.
Existen multitud de fórmulas para calcular la cantidad de agua evaporada en función de los factores
anteriormente mencionados. En este sentido debemos decir que los resultados obtenidos por las diversas
fórmulas pueden ser dispares, pero hay que considerar también que las hipótesis de cálculo respecto al
número y tipo de bañistas (profesionales, personas de tercera edad, niños, etc.) tienen gran importancia en la
cantidad de agua evaporada y pueden ser más significativas en cuanto a resultados que la fórmula que
escojamos para dicho cálculo
A continuación se exponen dos de las posibles fórmulas, una de ellas es de las más usadas (fórmula de
Bernier) y la segunda (fórmula de Carreras) que es una de las más completas al tener en cuenta el número de
espectadores y la velocidad del aire sobre la lámina del agua. De cualquier modo, será en cada caso el
proyectista el que deberá decidir en función a los condicionantes de cada instalación la fórmula que más le
convenga y se ajuste a sus necesidades.
La fórmula de Bernier para piscinas cubiertas contempla la suma de dos términos: piscina sin agitación
(coeficiente 16) y piscina con ocupación (coeficiente 133 n).
Me= S •[( 16+ 133n) • ( We – Ga • Wa s) ] + 0,1 • N
Donde:
Me = masa de agua evaporada (kg/h)
2
S = superficie de piscina (m )
We = humedad absoluta del aire saturado a la temperatura del agua (kg ag /kga)
Was =humedad absoluta del aire saturado a la temperatura del aire interior (kg ag /kga)
Ga = grado de saturación
2
n = nº de nadadores por m de superficie de lámina de agua
N = nº total de ocupantes (espectadores)
Y la fórmula de Carreras en la además de las variables anteriores se considera la velocidad del aire,
Me = 9 x (We- Wa ) x ( 1+V / 1. 20) x S +0, 42 x n + 0, 08 x N.
Donde :
Me = masa de agua evaporada (kg/h)
We = humedad absoluta en saturación a la temperatura del agua de la piscina
Wa = humedad absoluta a la temperatura del aire ambiente (kg ag /kga)
2
S = superficie de la lámina de agua (m )
n = nº de bañistas.
N = nº de espectadores
(kgag /kga)
En ambas expresiones podemos ver que el agua evaporada depende de la diferencia entre humedad absoluta
en la saturación a la temperatura del agua y la humedad absoluta del aire ambiente, y por supuesto, del
número de bañistas. Por tanto, cuanto mayor sea la temperatura del agua será mayor su humedad absoluta en
la saturación y como consecuencia aumentará la cantidad de agua evaporada, en las mismas condiciones del
aire ambiente. Por el contrario, si la temperatura del aire interior, su humedad relativa, o ambas bajan, su
humedad absoluta disminuye y, como consecuencia, aumenta la evaporación. Luego es conveniente que la
temperatura del agua no sea excesivamente alta y que la temperatura del aire sea siempre mayor que la del
agua para que la evaporación y las condiciones de confort sean las adecuadas.
Para ver la importancia de la ocupación basta con realizar un ejemplo de una piscina semiolímpica en
condiciones nominales de temperatura de agua 25ºC, y aire 27ºC, con un 65% HR. Utilizando los valores de las
humedades absolutas del aire húmedo en la saturación de la Tabla 02.
Tabla 02. Humedad absoluta del aire saturado
T ºC
20
21
22
23
24
W (Kg
AGUA /
Kg
AIRE)
0,0147
0,0155
0,0165
0,0177
0,0187
25
26
27
28
29
30
0,0200
0,0213
0,0225
0,0240
0,0255
0,0270
Y aplicando la fórmula de Bernier en sus dos términos:
El primero de ellos con la superficie de agua en reposo, se tiene una cantidad de masa de agua evaporada de:
Me = 16 x ( 0. 0200 – 0.65 x 0.0225) = 0. 086 Kg agu a / h / m2.
Que para una piscina semiolímpica de 25 x 12.5 m, se tiene
Me = 0. 086 x 312.5 m2 = 26.9 K g / h.
2
Y el segundo de ellos debido al efecto del número n de bañistas por m de superficie de lámina o lo que es lo
mismo, si consideramos ya la superficie de la lámina del agua, al número total de bañistas B:
Me = 133 x ( 0.0200 – 0. 65 x 0. 0225) x B. = 0.715 x B. K g ag / h.
Considerando tres casos de ocupación: alta (60 Bañistas), media( 40 Bañistas) y baja ( 20 Bañistas), tenemos
que:
Me (60 B) = 0,715 x 60 = 42,90 kg/h
Me (40 B) = 0,715 x 40 = 28,60 kg/h
Me (20 B) = 0,715 x 20 = 14,30 kg/h.
Si además tenemos en cuenta un número de espectadores o bañistas no activos hasta una ocupación total de
70 personas, y sumando los tres aportes de vapor de agua: lámina en reposo, bañistas y espectadores,
tenemos para una piscina semiolímpica las siguientes masas de agua evaporada por hora, y también por
unidad de superficie de lámina de agua, son:
2
Me (60 B) = 26,90 + 42,90 + 0,1 x (70-60) = 70,80 kg/h ( 0.227 Kg/h/m )
2
Me (40 B) = 26,90 + 28,60 + 0,1 x (70-40) = 58,50 kg/h ( 0.187 Kg/h/m )
2
Me (20 B) = 26,90 +14,30 + 0,1 x (70-20) = 46,20 kg/h ( 0.148 Kg/h/m )
2
Me ( 0 B) = 26.90
= 26,90 kg/h ( 0.086 Kg/h/m )
2
Como podemos apreciar, el agua evaporada oscila desde 0,086 kg/h por m de lámina de agua en reposo (p. e.
2
cuando el recinto está cerrado o sin ocupación alguna) hasta 0,227 kg/h por m de lámina de agua en el caso
de máxima ocupación. Es decir, casi se triplica la cantidad de agua evaporada.
3.2. PÉRDIDAS DE CAL OR EN EL AGUA DEL VASO DE PISCINA
En la Figura 01 pueden verse cuáles son las pérdidas de calor en el vaso de piscina:
1.
Evaporación de agua del vaso (Qe).
2.
Radiación de calor por diferencias de temperatura (Qr).
3.
Convección de calor entre agua y aire(Qc).
4.
Renovación del agua del vaso(Qre).
5.
Transmisión de calor del agua del vaso ( Qt).
Figura 01. Esquema pérdidas de calor del vaso
R
27ºC 65% HR
S
Q
Q
E
Q
R
Q
C
25ºC
T
Q
Q
C
Q
RE
T
T
Y estas pérdidas dependen de los siguientes factores:
1.
Temperatura del agua de la piscina
2.
Temperatura del aire ambiente
3.
Humedad del aire ambiente
4.
Ocupación de la piscina
5.
Características constructivas del vaso.
A continuación examinaremos cada una de estas pérdidas de calor.
3.2.1.- PÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN
En el proceso de evaporación del agua del vaso de la piscina se absorbe calor por o
l que se produce un
enfriamiento del resto del agua que no se evapora, es decir, disminuye la temperatura del agua del vaso. Por
tanto, cuanta más evaporación exista más se enfriará el agua de la piscina y mayores serán las necesidades
que habrá que aportar para mantener la temperatura de la misma.
Teniendo en cuenta que el calor de vaporización del agua (Cv) a una temperatura de 25ºC es de 676 wh /Kg,
las pérdidas de calor por la evaporación del agua, sin considerar el aporte de humedad de los espectadores, es
la siguiente en los distintos supuestos de ocupación.
Qe (60 B) = Me x Cv = 69,80 kg/h x 676 wh/kg = 47.185 w
Qe ( 0 B) = Me x Cv = 26,90 kg/h x 676 wh/kg = 18.148 w.
2
Referido a unidad de superficie en el caso de ocupación media de 40 bañistas las pérdidas son 120 w/m .
3.2.2.- PÉRDIDAS POR RADIACIÓN
Como puede verse en la siguiente fórmula de Stefan Boltzmann las pérdidas por radiación están en función de
la diferencia entre la temperatura media de los cerramientos y la del agua, elevadas ambas a la cuarta potencia
y expresadas en grados Kelvin (ºK = ºC + 273)
Q
R
= D × E × ( T4
ag
− Tc4)
Donde:
W
m2
2
D = constante de stefan-boltzmann = 5,67 x 10-8 w / m ºk4.
E = emisividad de la superficie = 0,95 (agua)
Tag = temperatura de agua (ºk)
Tc = temperatura superficial de los cerramientos (ºk)
En el caso de piscinas cubiertas los cerramientos deben encontrarse a muy pocos grados de temperatura por
debajo, dependiendo del tipo de cerramiento y coeficiente de transmisión de calor, de la del aire ambiente, y
por tanto a muy poca diferencia con la del agua, así pues estas pérdidas por radiación en piscinas cubiertas se
consideran generalmente despreciables.
3.2.3. PÉRDIDAS POR CONVECCIÓN
Al igual que las pérdidas por radiación en el caso de piscinas cubiertas las pérdidas por convección (Qc)
también se suelen despreciar, ya que al aplicar la fórmula el valor resultante es pequeño, pues la diferencia de
temperaturas también lo es.
Q
C
= 0 , 6246 × ( T
ag
4
− Ta )
3
W
m2
Y en cualquier caso, cuando el recinto está a régimen tendríamos una ganancia de calor al ser la temperatura
del aire ( Ta= 27ºC) superior a la del agua (Tag=25ºC).
3.2.4. PÉRDIDAS POR RENOVACIÓN
En una piscina cubierta, como ya hemos visto, existen pérdidas continuas de agua, desde la evaporada, a la
que los propios bañistas sacan del vaso, o la gastada en la limpieza de fondos y filtros. Sin embargo, estas
cantidades son muy inferiores al 5% del volumen total del vaso que obligatoriamente por formativa, debido a
razones higiénicas sanitarias, debe reponerse diariamente. Esta renovación conlleva que las pérdidas de calor
(Qr, en w) por este concepto sean importantes, y en todo caso, dependerán de la temperatura de agua de la
red y de la temperatura del agua de la piscina que se pretenda alcanzar. Se puede calcular de la siguiente
forma:
Qr=Vr x D x C
e
x (T ag – T x)
Donde:
Vr = volumen de agua de renovación (m3) (5% volumen vaso)
D = densidad del agua = 1000 kg/m3
Ce = calor específico del agua = 1,16 (wxh / kgºc)
Ta = temperatura agua piscina (ºc) = 25ºc
Tx = temperatura agua red (ºc) = 10ºc
3
Suponiendo un volumen total de agua del vaso de 500 m , y con los datos anteriores tendremos un valor para
las pérdidas diarias de calor de 435 kwh, que corresponden a una potencia de enfriamiento de 18.125 w, y si lo
2
referimos a pérdidas por unidad de superficie de lámina de agua el valor será de 58 w/m .
3.2.5.- PÉRDIDAS POR TRANSMISIÓN
Dependerán de las características constructivas del vaso (enterado, visto, etc.) y del coeficiente de transmisión
térmica del material empleado. En el caso más habitual de vaso de hormigón construido dentro del propio
sótano del recinto las pérdidas por transmisión (Qt, en w), se calculan con la fórmula:
Q T = C T x S x (T ag – T ex)
Y con las siguientes hipótesis de cálculo:
2
CT = coeficiente de transmisión de muros y solería (1,50 W / m x ºC)
2
S = superficie de cerramiento del vaso (450 m )
Tag = temperatura agua piscina (25ºC)
Tex = temperatura exterior al cerramiento (sótano) (15ºC)
Con los datos anteriores, son de 6.750 w, y si las referimos a unidad de superficie de lámina de agua serán de
2
21,60 w/m .
3.2.6.- GANANCIAS POR RADIACIÓN SOLAR
En este caso se trata de ganancias y por lo tanto no se tienen en cuenta puesto que contribuyen a paliar las
necesidades térmicas. Sólo debemos comentar que según la orientación en la que estén los distintos
cerramientos, la superficie y el tipo de carpintería y acristalamiento, en media temporada estas ganancias
pueden hacer aumentar considerablemente la temperatura ambiente en el recinto, por lo que en estos casos es
conveniente prever la instalación de un sistema de free-cooling para disminuir la temperatura interior de
manera gratuita, y si la piscina va a ser usada en verano puede que entonces se necesite incluso prever
baterías de refrigeración para contrarrestar dichas ganancias térmicas.
3.2.7. RESUMEN PÉRDIDAS DE CALOR EN EL AGUA DEL VASO DE PISCINA.
De manera general podemos decir que las pérdidas más importantes en el vaso de una piscina cubierta son la
evaporación y la renovación de agua, pues juntas suelen representar más del 90% de las pérdidas totales, tal
como podemos ver en la Tabla 03.
Tabla 03. Resumen pérdidas de calor de agua del vaso.
Totales (W)
Pérdidas por evaporación (40 P)
Pérdidas por radiación
Pérdidas por convección
Pérdidas por renovación
Pérdidas por transmisión
Ganancias por radiación solar
2
W/m
%
37.518
--
120
--
60,0
--
18.125
6.750
-62.393
58
22
-200
29,0
11,0
-100,0
A la vista de estos datos, es fácil concluir, que desde el punto de vista de ahorro energético, habría que actuar
sobre las pérdidas por evaporación, durante las horas de no utilización de la piscina, colocando una manta
térmica que cubra la lámina de agua, y recuperar mediante un intercambiador de placas la energía calorífica de
3
los casi 25 m de agua a 25ºC que hay que tirar diariamente.
Con estas dos actuaciones se podría ahorrar hasta un tercio de la energía consumida, teniendo en cuenta que
más de ocho diarias casi no habría pérdidas por evaporación y que fácilmente podríamos recuperar el 50% de
las pérdidas por renovación del agua mediante un intercambiador agua -agua para precalentar el agua de
reposición.
3.2.8. POTENCIA NECESARIA PARA PUESTA A REGIMEN.
Cuando haya que llenar el vaso de la piscina completamente con agua de red, la potencia calo rífica necesaria
es superior a la de mantenimiento, que es la que hemos calculado anteriormente. Para determinarla tendremos
que aplicar la siguiente fórmula.
Q PR =
V × D × CE × (Tag − Tx )
T
y considerando las siguientes hipótesis de cálculo:
Qpr
V
D
Ce
Tag
Tx
T
= potencia puesta a régimen (w)
= volumen de agua de la piscina (500 m3)
= densidad del agua (1000 kg / m3)
= calor específico del agua (1,16 w x h / kg ºC)
= temperatura agua piscina (25ºC)
= temperatura llenado red (10ºC)
= tiempo de puesta en régimen (48 h).
La potencia necesaria para puesta a régimen es 181.250 w, que es casi el triple que la de mantenimiento (
62.393 w).
Si el tiempo de puesta a régimen lo consideramos en 72 horas, en lugar de 48 h, por ser un periodo también
razonable, lógicamente la potencia necesaria sería sólo de 120.833 w.
Hay que tener en cuenta que mientras estamos calentando el agua de la piscina también se están produciendo
pérdidas que dependerán fundamentalmente de las condiciones del aire ambiente interior y en función del
sistema de climatización elegido, se podría alargar el tiempo de la puesta a régimen previsto inicialmente.
3.3.- NECESIDADES DEL AIRE AMBIENTE
Como ya hemos adelantado, el aporte de vapor de agua al aire ambiente interior aumenta su humedad
absoluta y relativa, y en consecuencia también la temperatura de rocío por lo que sí este aire está en contacto
con cerramientos cuya temperatura superficial esté por debajo de la de rocío tendremos condensaciones de
agua con los problemas que ello puede acarrear. En las condiciones nominales ambiente que hemos definido
de 27ºC y 65% HR la temperatura de rocío es de 19,9ºC, y como resultado en cualquier superficie que se
encuentre por debajo de esta temperatura aparecerá agua condensada.
Por otro lado, hay que mantener controlada la temperatura ambiente al menos dos grados por encima de la
temperatura del agua para conseguir las condiciones de confort adecuadas.
Las necesidades del aire ambiente, aparte del mantenimiento de su calidad ( renovación y filtrado), son su
calentamiento y específicamente su deshumidificación.
Además hay que tener en cuenta que la distribución del aire de impulsión se realice de la forma más adecuada
para evitar temperaturas superficiales de los cerramientos inferiores al punto de rocío, poniéndose atención
especial con las superficies acristaladas que son las más susceptibles de presentar condensaciones. También
hay que evitar corrientes de aire sobre la lámina de agua para no potenciar el fenómeno de la evaporación.
Además, estas corrientes de aire, que deben evitarse en cualquier tipo de recinto, cobran más importancia en
las piscinas climatizadas, ya que acelerarían la evaporación del agua de la piel mojada de los bañistas,
provocando una rápida disminución de su temperatura corporal, y consecuentemente, la molesta sensación de
frío.
En definitiva, por las razones expuestas anteriormente, el aire caliente y seco hay que impulsarlo sobre los
cerramientos exteriores, preferiblemente de abajo a arriba, cuando las características constructivas del recinto
lo permitan. A modo de ejemplo, se podría instalar un conducto perimetral por el sótano, o en el suelo de la
propia playa, para impulsar el aire verticalmente hacia el techo justo al lado de los cerramientos del recinto.
Por último, comentar que deben evitarse masas de aire estancado para impedir que se enfríen y condensen,
para ello es recomendable asegurar una tasa de recirculación de aire entre 4 y 8 veces el volumen del recinto.
4.- SISTEMAS DE DESHUMIDIFICACIÓN Y CLIMATIZACIÓN
Como ya hemos dicho anteriormente existen multitud de sistemas para acometer la climatización de una
piscina cubierta, y en este artículo se exponen algunas de las posibles opciones que se consideran más
interesantes pensando en claves de confort y eficiencia energética.
4.1.- DESHUMIDIFICACIÓN MEDIANTE AIRE EXTERIOR
Si el aire exterior se encuentra a una humedad absoluta menor que el aire interior, situación que se produce
con mucha frecuencia en nuestro entorno geográfico, puede parecer, en principio, una buena idea extraer aire
del recinto y sustituirlo por el aire exterior. En este caso es necesario realizar un tratamiento térmico de dicho
aire ya que normalmente se encontrará a temperatura inferior a la del recinto, además deberá recalentarse
para vencer las pérdidas de calor por transmisión de dicho recinto.
El caudal de aire a introducir dentro del local dependerá de la humedad absoluta que éste tenga en cada
momento y de la cantidad de vapor de agua a eliminar del recinto proveniente de la evaporación del agua del
3
vaso (apartado 3.1). En la siguiente fórmula aparece cómo calcular este caudal de aire exterior (Va, en m /h).
Va =
Me
M3
Da •(Wa i -Wa e) h
Donde:
Me = cantidad de vapor de agua a evacuar (kg/h)
Da = densidad del aire exterior (kg/m3 )
Wai = humedad absoluta del aire interior. 0.0149 kgAGUA/kg AIRE . Para 27ºC y 65% HR
Wae = humedad absoluta del aire exterior.
Si hacemos un cálculo en distintas condiciones de temperatura y humedad exterior y para una ocupación de 40
personas obtenemos los valores de aire exterior de la Tabla 04, necesario para eliminar la humedad del aire
interior a 27ºC y 65% HR, cuya humedad absoluta (Wa) es de 0,0149 Kg ag./Kg aire.
Nota sobre la Tabla 04: los valores de temperatura seca (Ts), húmeda ( Th), y sus respectivos valores de
frecuencias acumuladas (Fa) y de frecuencias del intervalo correspondiente (Fi), corresponden a Madrid –
Barajas, y han sido elaborados a partir de la Publicación realizada por ATECYR centro, con el título “ Datos
Trihorarios de Madrid”, siendo datos correspondientes a un periodo de veinte años, por lo que son de alta
fiabilidad, y han resultado muy útiles para la elaboración de este artículo.
Tabla 04. Caudal de aire para deshumectación y potencia necesaria
Ts
(ºC)
Fa
(%)
-4
0
4
12
20
26
28
32
38
Fi
(%)
0,5
4,4
12,7
47,3
76,3
89,2
92,2
97,0
99,9
0,5
2,4
4,8
9,3
5,9
3,8
3,0
2,1
0,3
Th
(ºC)
-4,0
-0,4
3,1
9,8
14,9
18,1
18,9
20,6
22,0
Wa
0,0028
0,0035
0,0044
0,0067
0,0086
0,0099
0,0101
0,0107
0,0103
Pe
3
(Kg/m )
1,305
1,285
1,266
1,225
1,189
1,163
1,155
1,138
1,116
Me
(Kg/h)
Q
3
(m /h)
58,5
58,5
58,5
58,5
58,5
58,5
58,5
58,5
58,5
P
(w)
3.798 42.786
4.100 39.616
4.531 36.724
6.020 30.807
8.200 19.001
10.704
3.465
11.258 -3.619
13.185 -20.880
12.190 -41.663
PP (w)
231
939
1.763
2.856
1.129
132
-109
-449
-142
PPA (w)
231
1.793
4.872
16.354
23.547
24.811
-109
-852
-1.821
Aquí podemos ver que el caudal de aire exterior (Q) a introducir aumenta de manera ostensible cuando
tenemos temperaturas y humedades altas, situación bastante común en media temporada, y que puede verse
especialmente agravada en zonas más húmedas que las de Madrid, cuyo clima es seco.
El sistema de climatización propuesto en este caso consistiría (Figura 02) en una unidad de tratamiento de aire
(climatizador) con un recuperador de calor que permita aprovechar la energía del aire de extracción y
traspasarla al aire exterior de forma que se precalienta antes de introducirse en el local.
Figura 02.ESQUEMA DESHUMIDIFICACIÓN POR RENOVACIÓN DE AIRE
H
T
AIRE DE EXPULSIÓN
AIRE RECIRCULACIÓN
AIRE EXTERIOR
AIRE DE RETORNO
27ºC - 66%AR
AIRE DE IMPULSIÓN
25ºC
Es conveniente incluir un cajón de mezcla free-cooling de forma que se pueda aprovechar en media temporada
el aire exterior para controlar la temperatura interior de forma gratuita. La apertura o cierre de dichas
compuertas irá controlada en función de la humedad de retorno y de la humedad del aire exterior. El control de
temperatura se hace con una batería de agua caliente que es la que trata térmicamente el aire, cuya potencia
calorífica tiene que ser la suma de:
-
Pérdidas por los cerramientos.
-
Potencia necesaria para llevar el caudal de aire exterior desde la temperatura exterior hasta la del
recinto.
Para controlar esta potencia se instala una válvula de tres vías proporcional que actuará en función a la
temperatura de retorno. La producción de calor puede obtenerse de una caldera, bomba de calor aire-agua, o
cualquier otro sistema de producción de energía calorífica.
Este sistema es sencillo de instalar y controlar, sin embargo presenta desventajas como el elevado coste de
energía que puede suponer el calentamiento de los grandes caudales de aire exterior que hay que introducir
para bajar la humedad interior, el consumo de los ventiladores de la unidad de tratamiento de aire y lo que es
más importante, la dificultad para realizar una correcta distribución de aire cuando se manejan caudales tan
dispares como los que aparecen en la Tabla 04, y la imposibilidad, en ocasiones, de mantener la humedad
relativa próxima al 65%, porque la humedad absoluta del aire exterior esté cerca o por encima de los 0,0149 Kg
ag/Kg aire de humedad absoluta del aire interior.
Como también vemos en la tabla 04, la máxima potencia necesaria a instalar en concepto de aportación de aire
exterior es de 42.782 w y la potencia media ponderada acumulada (PPA) realizada sobre la base a las
frecuenci as de temperaturas es de 24.811 w.
Igualmente podemos observar que a partir de 27ºC, como es lógico, es necesario refrigerar si se pretende
tener la temperatura controlada todo el año, aspecto que no es muy común en instalaciones de piscinas.
4.2.- DESHUMIDIFICACIÓN MEDIANTE BATERÍA DE FRÍO
Si hacemos pasar el aire del recinto por una batería de frío, ya sea de expansión directa o alimentada con agua
fría, el aire experimenta un enfriamiento sensible con disminución de la temperatura, y un enfriamiento latente
con pérdida de humedad por haber alcanzado su temperatura de rocío.
Una vez que el aire ha perdido la humedad deseada, habrá que calentarlo para devolverlo a las condiciones
iniciales de temperatura y por último habrá que recalentarlo para vencer las pérdidas de calor propias del
recinto.
En este caso el aire exterior a aportar será el mínimo higiénico que marque la normativa y que en el caso de
3
una piscina semiolímpica es de 2.700 m /h.
4.2.1.- DESHUMIDIFICACIÓN MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA PISCINAS (BCP)
Existen gran cantidad de equipos, tipo bomba de calor, que se diseñan específicamente para deshumidificación
de piscinas cubiertas. Su uso supone una gran simplicidad en la instalación, independientemente que el
rendimiento energético del sistema es muy alto ya que se aprovecha toda la energía residual del ciclo
frigorífico.
Por otro lado, permiten adicionar baterías de apoyo eléctrico o de agua caliente, secciones de free-cooling,
varias etapas de filtración, e incluso intercambiadores de placas para puesta a régimen del agua de piscina. El
control de todos los elementos está generalmente integrado en el propio equipo.
Debe saberse que están concebidos como deshumectadores y por lo tanto, su funcionamiento está controlado
por el humidostato en función de la humedad relativa del local, y que la aportación calorífica al local se hará
empleando baterías de calentamiento (resistencias eléctricas, caldera, bomba de calor, etc), independientes
del ciclo frigorífico.
Dicho lo anterior, veamos su principio de funcionamiento. En la Figura 03 aparece el esquema de principio de
uno de ellos. Básicamente se hace pasar el aire de retorno por el evaporador del equipo donde se produce la
deshumectación.
Figura 03. ESQUEMA FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA DE CALOR DESHUMECTADORA
27ºC 66 %
780 m3/h
+ +
27ºC 66 %
2.080 m3/h
14ºC 95 %
1.300 m3/h
27ºC 66 %
1.300 m3/h
19 ºC
2.080 m3/h
7.05 l/h
El aire al pasar por el evaporador se enfría y pierde humedad, y a continuación se le hace pasar por el
condensador del circuito frigorífico (evapoarador y condensador están en serie y físicamente juntos uno a
continuación del otro), de forma que toda la potencia calorífica del ciclo frigorífico se recupera sobre el aire frío
y seco, que es calentando hasta temperatura similar a la que entró en el evaporador. No obstante como ya
hemos dicho, será necesario contar con una batería de calentamiento integrada dentro del propio equipo.
Si el equipo tiene dos circuitos frigoríficos, lo normal es emplear uno de ellos sobre el aire y utilizar otro de los
circuitos con intercambiador refrigerante/agua para condensar con el agua del vaso, de tal forma que el calor
cedido en la condensación nos sirva para el calentamiento del agua del vaso, y contrarrestar así las pérdidas
descritas en el apartado 3.1.
En la Tabla 05 aparece un resumen de los datos fundamentales de un equipo con dos circuitos frigoríficos, el
primero condensado por aire y el segundo de condensación por agua, cuya potencia se diseña para ajustarla a
las pérdidas de calor ya mencionadas del agua del vaso. El equipo por tanto es de dos etapas de
deshumectación teniendo prioridad generalmente la primera de ellas, es decir, la condensada por aire.
También se cuenta con una batería de recalentamiento, en este caso alimentada por agua caliente proveniente
de otro generador de calor, para compensar las pérdidas de calor del recinto.
Tabla 05. Características técnicas BCP Aquair de dos circuitos frigoríficos.
Modelos
Pot. Frig (W)
Pot. Absorbida (kW)
Agua condens. (l/h)
Caudal nominal
Presión disponible
Pot. bat. Recalentam
agua 82-65ºC (w)
Potencia condensador de agua
(w)
BCP-110
31.600
7
21.7
5.500
15 mm.c.a
BCP-140
39.700
8.8
27.3
7.000
15 mm.c.a
BCP -180
53.300
12.4
36.1
9.000
15 mm.c.a
BCP -230
67.300
15.6
44.6
11.500
15 mm.c.a
BCP -265
77.100
18.5
53.4
13.250
15 mm.c.a
61.500
71.500
90.000
105.000
129.000
10.000
16.900
20.700
24.900
28.200
Dentro de los equipos compactos con mayores prestaciones y funciones a realizar está la BCP Air Master de
tres circuitos frigoríficos, dos condensados por aire, y un tercero condensando por el agua de la piscina.
Además de la batería de recalentamiento cuenta con las opciones de recuperador de calor para el aire de
extracción (no montado en el interior del equipo), free cooling para que en el caso de que la piscina está abierta
en el verano, la temperatura interior sea similar a la del exterior, es decir, se trata de trabajar con todo aire
exterior para que no se sobrecaliente el recinto respecto de la temperatura que hay fuera del recinto.
Otra de las opciones es incluir el intercambiador de calor de placas de acero inoxidable de puesta a régimen
del vaso (necesidades descritas en el apartado 3.1.8) y que en el esquema de la Figura 04 está representado
fuera del equipo. Por otra parte, cabe decir que con este equipo de la serie BCP Air Master se cubren las
necesidades de cualquier recinto con varios vasos o de una piscina olímpica, no sólo por la potencia de
deshumectación disponible (hasta 126 Kg de agua/ hora), sino por que contando con otro generador de calor
(en la Figura 04 con una caldera) se tienen las siguientes prestaciones:
1.
Deshumectación.
2.
Renovación de aire.
3.
Calentamiento del aire ambiente.
4.
Puesta a régimen y calentamiento del agua del vaso
5.
Free cooling para utilizar la piscina incluso en verano.
6.
Recuperación del calor del aire de extracción.
7. Producción del A.C.S. para las duchas.
Figura 04.esquema instalación BCP air master 3 circuitos con recuperador de calor y freecooling
En el esquema se puede apreciar que el agua caliente del condensador se puede usar indistintamente para el
calentamiento del vaso o para el precalentamiento del agua caliente sanitaria (A.C.S.), que después ha de
pasar a un segundo depósito para calentarla hasta 60ºC, y eventualmente hasta 70ºC, para la prevención de la
Legionelosis.
4.2.2. DESHUMECTACIÓN CON GRUPOS AGUA-AGUA Y CLIMATIZADORES
Con este sistema el principio de funcionamiento es similar al que hemos visto anteriormente con las BCP, la
diferencia es que se utilizan baterías de aire alimentadas por agua provenientes de un grupo frigorífico o planta
enfriadora de agua de condensación por agua. En el climatizador (unidad de tratamiento de aire) la batería de
agua fría es la encargada de deshum ectar y la batería de agua caliente es la que aporta la potencia calorífica
necesaria, que es la suma de las cargas térmicas del recinto más la potencia sensible de la batería
deshumectadora . No hay que pensar que esta sea una carga adicional desde el punto de vista de consumo
energético, ya que toda la energía consumida para eliminar la humedad a través del equipo frigorífico se
recupera en el condensador del mismo.
En la siguiente figura 05 podemos ver el esquema del principio de funcionamiento de este sistema.
En este esquema se puede apreciar que la recuperación de calor del aire de extracción se hace mediante una
batería de agua fría conectada al circuito de agua del evaporador del equipo frigorífico.
Hay que hacer notar que la selección del grupo frigorífico se debe hacer en función de la potencia necesaria
para la deshumectación más la potencia de recuperación de calor del aire de extracción. La potencia térmica
del condensador sirve como base para el calentamiento del recinto y la compensación de las pérdidas del agua
del vaso, teniéndose que suplir la potencia total necesaria con otro generador de calor (en el esquema A-C,
Agua de caldera).
Como podemos apreciar, este sistema, aunque es muy eficiente energéticamente, necesita de un generador
complementario para la climatización global del sistema.
Para tener un sistema totalmente autónomo y con una eficiencia energética muy alta, se puede utilizar una
bomba de calor de 4 ciclos y un climatizador definido para las necesidades globales de las necesidades del
aire ambiente.
El equipo de 4 ciclos tiene los siguientes modos de funcionamiento (ciclos) :
•
Planta enfriadora condensada por aire.
•
Bomba de calor aire/agua.
•
Bomba de calor agua/agua.
•
Desescarche en el ciclo bomba de calor aire/agua.
En su forma de operación, está produciéndose agua fría y agua caliente simultáneamente en el ciclo
agua/agua, cambiando de ciclo para ajustarse a la demanda que sea necesaria en cada momento. Está claro
que mientras esté funcionado en el ciclo agua/agua la eficiencia energética global, o rendimiento de la
recuperación (R.R.), es máxima.
R.R. = (Pot. Frío + Pot. Calor)/ Pot. Absorbida = EER + COP = 2 x EER + 1.
En definitiva el rendimiento de la recuperación es el doble del coeficiente de eficiencia energét ica (EER) más
uno, debido a que se están aprovechando la producción de agua fría para deshumectar y recuperar el calor de
aire de extracción, y el agua caliente para las necesidades caloríficas propias de la piscina cubierta.
En el esquema de principio de la Figura 06 podemos ver que se ha prescindido de un segundo generador de
calor, por no ser necesario, en cuanto a climatización, pero sí es cierto, que la producción de A. C. S,
necesitaría de un aporte calorífico extra para elevar la temperatura del agua a los 70ºC requeridos, como ya se
dijo anteriormente.
Con este sistema se cuenta con la ventaja adicional de disponer de agua fría sobrante, ya que normalmente en
la climatología de nuestro entorno geográfico y en este tipo de aplicación en concreto, es mayor la potencia
calorífica que la frigorífica. Este agua fría, que se puede considerar como residual o gratuita, se podría utilizar
para refrigerar otras dependencias, despachos u otros locales dentro del edificio que lo precisen.
Por último comentar que en estos sistemas de climatización a 4 tubos es muy conveniente el uso de depósitos
de inercia en los dos circuitos de agua, y especialmente en esta aplicación, en el lado del agua fría del
evaporador.
4.3. EJEMPLO A MODO DE RESUMEN FINAL
Utilizando los datos anteriores de una piscina semiolímpica a climatizar en Madrid vamos a comparar el
consumo de energía necesaria deshumectando con aire exterior y con una bomba de calor deshumectadora de
dos circuitos frigoríficos:
Dimensiones de piscina semiolímpica 25x12,5 = 312,5 m2.
•
Condiciones del ambiente interior.
27ºC. 65% HR y humedad absoluta de 0,0149 Kg ag/Kg aire.
•
Temperatura del agua: 25ºC.
•
Necesidades de deshumidificación para una ocupación de 20 personas.
2
2
312,5 m x 0,148 Kg ag/ m /h = 46,20 Kg ag/h.
•
Potencia calorífica media ponderada necesaria PPA (Tabla 04).
PPA = 24.811 w.
•
Consumo de energía anual (Ec) suponiendo 3000 h de funcionamiento y con la utilización de un
recuperador de calor de una eficiencia nominal de 0,55 y una recuperación media a lo largo del año
del 35% de la energía del aire de extracción.
Ec = 24,811 Kw x 3000 h x0,65 = 48.381 Kwh/año.
Equipo seleccionado BCP-265 de dos circuitos frigoríficos:
•
Potencia de deshumectación = 53,4 Kg ag/h.
•
Potencia calorífica condensador de aire.
= 67,4 Kw.
•
Potencia condensador de agua.
= 28,2 Kw.
•
Potencia frigorífica total (Pf).
= 77, 1 Kw.
•
Potencia frigorífica sensible(Pfs).
= 41,0 Kw.
•
Potencia eléctrica absorbida (Pa)
= 18,5 Kw.
•
Potencia calorífica total (Pct).
= 95,6 Kw.
•
Potencia calorífica útil total.(Pcu)
= 54,6 Kw.
Se ha descontado 41,0 Kw de Pot. frigorífica sensible.
Ahorro de energía:
•
Saldo neto de potencia recuperada en la BCP.
•
Pr = Pcu – Pa = 54,6 – 18,5 = 36,7 Kw.
•
Eficiencia global de la BCP = (Pcu + Pf -Pfs)/Pa = (54,6+36,1)/18,5 = 4,9.
•
Se considera como prestaciones térmicas la potencia calorífica útil Pcu y la potencia frigorífica
latente (Pf-Pfs) que es la empleada en deshumectar.
•
Energía ahorrada (Ea) en las 3000 h de uso de las instalaciones de climatización suponiendo un
coeficiente de utilización de 0,865 de la BCP ( relación entre Potencia nominal y necesaria).
•
Ea = 36,7 Kw x 3000 h x 0,865 = 95.237 Kwh/año. Con el precio medio de 0,09 € el Kwh, el ahorro
anual es de 8.570 € lo que permite la amortización del equipo aproximadamente en tres años.
Sirva como aclaración que a la energía consumida Ec= 48.381 Kwh/año para deshumectar con aire exterior
hay que sumar la energía necesaria para el calentamiento del recinto.
Utilizando la BCP -265, aparte de deshumectar hemos conseguido un ahorro energético de 95.273 Kwh al año
(8.570€/año), después de descontar a la potencia calorífica total (Pct) la absorbida por el compresor (Pa), y
este hecho se basa en la recuperación de calor en los condensadores de aire y agua.
Resumiendo, podemos decir que una de las grandes ventajas de climatizar piscinas cubiertas utilizando
equipos frigoríficos es el considerable ahorro de energía que proporciona n, además de simplificar las
instalaciones en cuanto a caudales de aire a mover, y de asegurar las condiciones de confort
independientemente de las condiciones exteriores.

2005-11-28 Climatización de piscinas cubiertas

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