Climatización

La climatización puede hacerse en un solo local (unitaria), frecuentemente con un aparato que produce y emite su energía térmica, y centralizada, en la que un aparato produce o recibe la energía térmica (calor o frío), se lleva a los locales a climatizar por medio de conducciones y se emite por medio de emisores.

• Climatización unitaria. Este sistema es muy frecuente. En calefacción se emplea con chimeneas-hogar, diferentes tipos de estufas (de carbón, de gas butano, eléctricas). Para refrigeración lo más conocido es el llamado climatizador o acondicionador de ventana.

Son en general sistemas con deficiencias importantes: en calefacción, cuando hay combustión (carbón, gas) es necesaria la entrada de aire para la combustión, aire proveniente del exterior, que está frío, y que enfría el ambiente a calefactar.

Además, en la climatización de verano, los aparatos unitarios de refrigeración no suelen tener un buen control de la humedad, por lo que pueden dar ambientes húmedos en los locales.

En ambos casos (calefacción y refrigeración), los aparatos pequeños tienen menores rendimientos que los grandes, por lo que la suma de varios de ellos para distintos locales puede consumir más energía que uno solo, más potente, para todos ellos.

• Climatización centralizada. En este sistema de climatización pueden, a su vez, distinguirse dos posibilidades: para un pequeño usuario (vivienda, p. ej.) y para un usuario grande (un edificio completo, de cualquier dimensión).

Los sistemas más sencillos (y tradicionales) para calefacción constan de una caldera y de una red de tuberías que lleva el calor, por medio de un caloportador, a los aparatos terminales, generalmente radiadores. Los sistemas de calefacción por agua caliente pueden servir desde una instalación pequeña (de vivienda) hasta instalaciones urbanas, pasando por instalaciones de edificio y de barriada.

En refrigeración existen aparatos que tienen una parte, que comprende el compresor y el condensador, que se sitúa en el exterior y uno o varios evaporadores que se colocan en los locales a climatizar (sistemas partidos múltiples o multisplit). Suelen tener mejores rendimientos que los aparatos unitarios, pero adolecen de falta de control de la humedad ambiente.

Para sistemas de mayor tamaño, tanto de calefacción como de refrigeración, véase a continuación.

La energía térmica puede llevarse a los locales por medio de fluidos o refrigerantes, llamados caloportadores (que transportan el calor o energía térmica), y pueden ser: agua, aire o un fluido refrigerante. Se puede establecer una clasificación en función del fluido caloportador que llega a los locales. Se advierte que el aire es siempre el fluido que se trata de acondicionar, pero ello no quiere decir que sea siempre un fluido caloportador.

• Sistemas con refrigerante. El fluido refrigerante se lleva, por tuberías, a los evaporadores, situados en los locales a climatizar. La necesaria ventilación ha de hacerse por otros medios.
• Sistemas todo aire. A los locales no llega más que el aire tratado en un climatizador o UTA por medio de conductos e impulsado a través de diversos tipos de rejillas o difusores. Dado que el caudal de aire mínimo exigible para ventilación suele ser insuficiente para llevar la energía térmica necesaria, hay que implantar sistemas de mezcla de aire de retorno con el aire exterior (de ventilación o de renovación), de lo que se encarga el climatizador.
• Sistemas agua-aire. A los locales llega el aire estrictamente necesario para la ventilación, tratado en un climatizador (llamado aire primario) pero, la mayor parte del tiempo, con caudales insuficientes para transportar toda la energía térmica necesaria, de modo que se suple esa falta mediante aparatos terminales añadidos (ventiloconvectores, inductores) situados en los locales y alimentados por agua. Es este el sistema más caro de instalar, pero tiene muchas ventajas: el aire no se recircula, por lo que tampoco se recirculan olores de unos locales a otros; mejor regulación de los parámetros de cada local teniendo en cuenta muy precisamente sus necesidades específicas.
• Sistemas todo agua. A los locales no llega más que agua, que puede ser caliente o fría. Cuando solamente se trate de calor (calefacción), se utilizarían como emisores los clásicos radiadores y cuando se trate de frío (refrigeración) o cuando haya las dos posibilidades (calor y frío) se utilizarán ventiloconvectores. Hay que resaltar que en este caso será una climatización incompleta, pues la necesaria ventilación ha de hacerse por otros medios.

Un sistema completo de climatización comprendería estas partes:

• Generación de energía térmica (frío y calor)
• Transporte (primario) de esa energía térmica a donde será utilizada. Este trasporte se hará generalmente por agua.
• Uso de la energía térmica, que puede ser:
  • En un climatizador: aparato de tratamiento del aire (UTA) que recibe la energía de una red de agua, caliente o fría, y, por otro lado el aire, del exterior (aire de ventilación) y que también puede ser recirculado, lo mezcla (en su caso), lo trata y lo impulsa hacia los locales a climatizar.
  • Directamente a aparatos terminales; lo que se da cuando se trata de sistemas que no integran la ventilación. Para refrigeración se utilizarían ventiloconvectores (llamados en inglés fan-coils) y para calefacción, radiadores, superficies radiantes o también ventiloconvectores.
  • Las dos cosas a la vez: climatizadores y aparatos terminales.
• Transporte (secundario) por medio de aire tratado, por conductos adecuados para llevarlo a los locales a climatizar.
• Emisión en los locales y, en caso de ser climatización por aire, difusión en los ambientes, de modo que el aire tratado alcance toda la zona considerada como "habitada" dentro de ellos.

Hay instalaciones que no tienen todos los componentes. Un ejemplo corriente de instalación reducida es la calefacción por radiadores: tiene generación térmica, trasporte primario (por agua) y aparatos terminales que emiten al ambiente (radiadores); pero no trata el aire, ni ventila (no lleva aire a los locales).

Para la climatización de invierno lo más lógico es emplear un sistema de calentamiento por caldera de combustible que produce calor de modo económico y desde la que se lleva agua caliente a los climatizadores por tuberías. Y mejor todavía si la caldera es de condensación.

También puede emplearse una máquina en todo semejante a la de refrigeración por compresión, que funciona al revés: tomando calor del aire exterior de invierno, frío, y cediéndolo al aire interior, más caliente. En este caso, la máquina refrigeradora se conoce como bomba de calor. Cuando las temperaturas exteriores son relativamente benignas, el rendimiento de estos aparatos es notable y compensa los precios, generalmente más elevados, de la energía eléctrica utilizada para mover el compresor, pero en días muy fríos, con temperaturas por debajo de 4 °C, los rendimientos descienden rápidamente y llegan en seguida a ser muy deficientes.

Los generadores denominados reversibles permiten, además, hacer el ciclo antes indicado para refrigeración y también para el proceso de calentamiento. Un generador reversible extrae el calor del aire frío (sea exterior o interior) y lo transfiere hacia el aire más caliente (interior o exterior) dependiendo de las estaciones del año. Por consiguiente, el generador reversible constituye un sistema de calefacción separado y permite calentar y refrigerar con el mismo aparato.

Recientemente ha aparecido en el mercado un sistema que llaman híbrido, que tiene una caldera y una bomba de calor. Una centralita electrónica decide cual de las dos máquinas se pone en marcha en función de las condiciones exteriores (rendimiento de la bomba de calor) y de los precios de la energía, de modo que funcione la que resulte más económica en cada momento.

El enfriamiento puede hacerse fundamentalmente por dos medios: por compresión y por absorción. Estos dos sistemas se basan en que transportan calor de un punto de menor nivel energético (el nivel se mide por la temperatura) a otro de mayor nivel, y el medio generalmente usado para este movimiento de calor es un refrigerante.

Las máquinas refrigeradoras grandes, conocidas como enfriadoras de agua, plantas refrigeradoras, equipos de refrigeración (o, en inglés, chiller), enfrían agua que después se distribuye a los climatizadores por tuberías. Los máquinas de refrigeración grandes tienen mejores rendimientos.

En el sistema conocido como partido (split o multi-split), el caloportador es el propio líquido refrigerante, que se lleva a los evaporadores de los terminales situados en los locales a climatizar. En este caso, la máquina refrigeradora es por compresión.

Una vez producida la energía térmica, debe llevarse al punto de tratamiento de aire (UTA) o a los terminales, mediante agua por tuberías (de acero, de cobre o de materiales plásticos). A veces también mediante fluido refrigerante.

El agua puede llevarse por sistemas de dos, tres o cuatro tuberías.

• Sistema de dos tuberías.- Es el sistema más económico y el que se emplea comúnmente en las instalaciones de solo calefacción, por ejemplo, pero también en los sistemas de climatización de verano y de invierno, a condición de que solo uno de los dos sistemas funcione a la vez. Es muy adecuado para edificios de vivienda: hay unos meses de calefacción, luego unos meses de primavera, sin ningún tipo de climatización artificial, luego el verano, con refrigeración y finalmente una parte del otoño, también sin climatización, de modo que, entre una estación y otra, un simple inversor hace funcionar una u otra instalación.
• Sistemas de cuatro tuberías.- Se emplea cuando en un edificio pueden darse casos de necesidad simultánea de refrigeración en una zona y calefacción en otra. Es un caso que se da en tiempo no muy frío, en edificios con locales para diversos usos; en él, un local de reuniones multitudinarias (un salón de actos), se calentará por la emisión de las personas y requerirá refrigeración, mientras que los despachos, con poca ocupación, seguirán necesitando calefacción. Entonces se emplea el sistema de cuatro tuberías, dedicadas, por parejas (ida y retorno), a calefacción y a refrigeración, y los sistemas de regulación de cada uno de los ambientes se encargan de poner en marcha el sistema necesario en cada caso.
• Sistema de tres tuberías.- Se ha dejado para el final porque es un sistema cada vez menos utilizado. Una tubería lleva calor, otra frío, y la tercera sirve de retorno para las dos, de modo que mezcla agua fría con agua caliente. La mayoría de las normativas, celosas de conseguir ahorros de energía, prohíben el sistema, dejándolo utilizar en los contados casos en que la necesidad simultánea de calor y de frío no se da más que rara vez. Tiene las ventajas de ser más económica de instalación que la de cuatro tuberías y que, como esta, permite suministrar simultáneamente calor a unos locales y frío a otros.

Climatizador abierto mostrando el ventilador centrífugo de impulsión. Puede verse la entrada de las tuberías del transporte primario con sus correspondientes válvulas de regulación

Un climatizador (en la normativa española, unidad de tratamiento del aire, UTA; en ciertos países americanos, unidad manejadora de aire, UMA, traducción literal del inglés, que desde el punto de vista lingüístico es un tanto impropio pues el verbo manejar implica utilizar las manos y los procesos son automáticos), es el aparato encargado de tratar el aire en todas sus vertientes e impulsarlo, bien directamente, bien por una red de distribución de aire, a los locales a climatizar. En principio, un climatizador no produce energía térmica, sino que la recibe de generadores de calor y frío específicos (caldera o máquina frigorífica), aunque a veces se llama climatizadores a ciertos aparatos que producen el frío (climatizadores de ventana).

Consta de una serie de elementos que permiten los diversos tratamientos que han de hacerse al aire. Una UTA muy completa, constaría de los dispositivos que se relacionan y explican a continuación, aunque no todos los climatizadores tienen todas las partes:

• Admisión de aire:
  • Entrada del aire de retorno, con un ventilador.
  • Expulsión de una parte del aire de retorno (en los sistemas con aire mezcla).
  • Entrada o admisión de aire exterior y caja de mezcla con el resto del aire de retorno.
• Alternativamente, sustituyendo a los tres dispositivos anteriores, puede ser una entrada de aire exterior, para sistemas de solo aire primario (o aire-agua).
• Filtros de aire.
• Baterías de calentamiento y de enfriamiento (en sistemas de dos tuberías, una sola batería)
• Humificador del aire (para climatización de invierno)
• Separador de gotas

Estos dos dispositivos y la batería de frío deben de tener una bandeja de recogida de condensaciones, con vertido a desagüe, y el humificador, suministro de agua.

• En su caso, batería de poscalentamiento.
• Ventilador de impulsión.

No todos los climatizadores tienen todos los dispositivos enumerados. Muy a menudo no tienen más que el ventilador de impulsión, especialmente los que solamente tratan el aire de ventilación, sin mezcla con el aire de retorno. La batería de poscalentamiento no se suele usar más que en sistemas que integran la calefacción o, en refrigeración, cuando el ambiente exterior es muy húmedo.

Conducto de aire con derivaciones, en una instalación de solo ventilación (no tiene aislamiento térmico)

El transporte, aquí llamado secundario, consiste en llevar la energía térmica a los locales mediante aire tratado, por conductos desde el aparato de tratamiento (climatizador).

Los conductos pueden tener sección circular o rectangular. Pueden ser de chapa galvanizada, de cobre, de planchas de fibra de vidrio y hasta de escayola. Es condición indispensable que las superficies sean lisas y fácilmente limpiables, para lo que deben tener registros de limpieza. Por regla general, los conductos de climatización han de tener un adecuado aislamiento térmico.

Como consecuencia de las últimas directivas europeas relacionadas con la eficiencia energética los conductos de climatización han de ser lo más estancos posible. Los niveles de estanquidad se clasifican desde el nivel A, el menor, al nivel máximo D. La red de conductos está formada por una mezcla de elementos de diferente tipología y forma que confieren a las instalaciones un nivel medio de estanquidad del tipo B. Construir conductos más estancos de nivel C, representaría aumentar el triple la estanquidad de los mismos, contribuyendo de forma sensible a la mejora energética de las instalaciones y al sostenimiento energético global.[4]

A veces se emplea como conducto, especialmente en retorno del aire, el espacio sobre un falso cielorraso e incluso un pasillo (plenum).

La emisión se hace por diversos tipos de bocas de impulsión (rejillas, difusores...) desde los conductos del transporte de aire.

Cuando se trata de sistemas aire-agua, además del aire de ventilación (llamado aire primario) tratado en el climatizador, se emplean como apoyo ventiloconvectores (fan-coils) o inductores.

Si se trata de sistemas partidos (split o multi-split), los evaporadores emiten directamente con un ventilador.

Finalmente, el aire impulsado debe difundirse por el local, de modo que alcance todo el volumen habitable, pero este tema, Difusión de aire en locales, es tan amplio que merece un artículo aparte.

Cuando se disponga de calor de una fuente residual puede emplearse para refrigeración con máquinas enfriadoras de absorción. Estas máquinas tienen un rendimiento inferior al de las máquinas por compresión, pero tienen la ventaja de poder aprovechar un calor gratuito (residual).

Se emplea mucho esta solución en sistemas de cogeneración o trigeneración, en los cuales se produce electricidad con un alternador movido por un motor de explosión, que utiliza gas natural. El calor residual del motor puede utilizarse para calefacción en invierno y para refrigeración en verano. La trigeneración se utiliza actualmente en muchos edificios (estaciones de ferrocarril, terminales de aeropuertos, grandes superficies de venta...)

También se ahorra energía con plantas de producción de calor a escala de barriada (distrito) o de ciudad; los sistemas térmicos muy grandes funcionan con mayor rendimiento, e incluso pueden ser sistemas de trigeneración, aprovechando el calor residual de la producción de electricidad para utilizarlo directamente en calefacción y para refrigeración por un sistema de absorción.

En Barcelona hay un sistema urbano de reparto de agua fría para refrigeración.[6][7] La fuente es la planta de gasificación de gas natural, que absorbe gran cantidad de calor en el proceso.