Tecnologías de enfriamiento evaporativo : hacia una climatización descarbonizada y eficiente [1 ed.] 8400108116, 9788400108113

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc  N.º 434

421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017. 426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubizarreta Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 427. Eloy Asensio de Lucas (coord.), Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas, 2018. 428. Ignacio Oteiza San José (coord.), La envolvente energética de la vivieda social. El caso de Madrid en el periodo 1939-1979, 2018. 429. Ronaldo Soares Teixeira (coord.), Celulosa nanofibrilada y pulpa celulósica usada como refuerzo en materiales, 2019. 430. Esperanza Menéndez Méndez, Estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali, 2019. 431. Fernando Martínez Soriano y Enrique Martínez Sierra, Análisis y cálculo de refuerzo de forjados de madera: el CLT como alternativa al hormigón armado, 2019. 432. David Hernández Falagán, Innovación tecnológica en la arquitectura de Tous y Fargas, 2020. 433. Laura Caneda Martínez, Moisés Frías Rojas, César Medina Martínez y María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Aprovechamiento de los residuos procedentes de la minería del carbón como puzolanas para la fabricación de nuevos eco-cementos, 2021.

El enfriamiento evaporativo es un fenómeno que observamos constantemente en la naturaleza: cuando refresca el ambiente tras una tormenta de verano, el efecto del sudor al evaporarse desde la piel o la fresca brisa marina son solo algunos ejemplos. Desde las civilizaciones antiguas, el ser humano ha desarrollado estrategias para aprovecharlo, logrando confort en las severas condiciones estivales de ciertas climatologías. El aprovechamiento del enfriamiento evaporativo se vio relegado con la aparición de los sistemas basados en la compresión mecánica de un refrigerante, que permitía climatizar hasta condiciones ideales, pero desatendía el consumo energético. Actualmente, el sector de la edificación se erige como uno de los focos clave de actuación frente al cambio climático, pero a la vez sigue aumentando la demanda de energía en los espacios ocupados. Volver la vista atrás puede permitirnos salvar este problema. En climatización, recuperar recursos del pasado no es retroceder en la técnica, sino adaptarla a las necesidades actuales de ahorro de energía. Este monográfico presenta las tecnologías existentes basadas en el aprovechamiento del fenómeno del enfriamiento evaporativo para su integración en los sistemas de climatización, mejorando su eficiencia y reduciendo la demanda de energía, pero también para su aplicación en espacios no climatizados y exteriores. En este texto se presenta una revisión de los avances más recientes de investigación en el campo, tanto los desarrollados por el Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, del que forman parte los autores, como los de otros investigadores de todo el mundo.

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE

420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014.

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TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE Ana Tejero González (coord.) Paula M. Esquivias Fernández, Francisco Javier Rey Martínez, Julio Francisco San José Alonso, Javier María Rey Hernández, Eloy Velasco Gómez

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Ana Tejero González Es profesora titular en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Universidad de Valladolid, donde ha desarrollado su labor docente e investigadora desde 2009. Pertenece al Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, en el que trabaja dentro del campo de la eficiencia energética en edificios, con el objetivo principal de reducir la demanda de energía antes de buscar fuentes alternativas. Esta inquietud la ha movido a trabajar en un amplio rango de estrategias, como la recuperación de energía, el enfriamiento evaporativo, el enfriamiento gratuito, etc. Es ingeniera industrial por la Universidad de Valladolid (2008) y experta en ingeniería de climatización (2009). Obtuvo el título de doctor europeo y premio extraordinario de doctorado tras la defensa de su tesis doctoral en 2012. Imparte docencia en asignaturas de Transmisión de Calor, Termodinámica Técnica, Ingeniería Térmica, Instalaciones Térmicas, Climatización y Eficiencia Energética en la Edificación. Ha participado en siete proyectos de investigación nacionales y regionales, de los que han derivado dieciséis artículos publicados en revistas internacionales indexadas, seis libros y capítulos de libros y más de treinta comunicaciones en congresos. También trabaja activamente en la transferencia de conocimiento; es coautora de una patente y ha colaborado en once contratos y convenios con empresas del sector.

Imagen de cubierta: detalle de un relleno rígido de fibra de vidrio en funcionamiento.

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421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017. 426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubizarreta Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 427. Eloy Asensio de Lucas (coord.), Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas, 2018. 428. Ignacio Oteiza San José (coord.), La envolvente energética de la vivieda social. El caso de Madrid en el periodo 1939-1979, 2018. 429. Ronaldo Soares Teixeira (coord.), Celulosa nanofibrilada y pulpa celulósica usada como refuerzo en materiales, 2019. 430. Esperanza Menéndez Méndez, Estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali, 2019. 431. Fernando Martínez Soriano y Enrique Martínez Sierra, Análisis y cálculo de refuerzo de forjados de madera: el CLT como alternativa al hormigón armado, 2019. 432. David Hernández Falagán, Innovación tecnológica en la arquitectura de Tous y Fargas, 2020. 433. Laura Caneda Martínez, Moisés Frías Rojas, César Medina Martínez y María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Aprovechamiento de los residuos procedentes de la minería del carbón como puzolanas para la fabricación de nuevos eco-cementos, 2021.

El enfriamiento evaporativo es un fenómeno que observamos constantemente en la naturaleza: cuando refresca el ambiente tras una tormenta de verano, el efecto del sudor al evaporarse desde la piel o la fresca brisa marina son solo algunos ejemplos. Desde las civilizaciones antiguas, el ser humano ha desarrollado estrategias para aprovecharlo, logrando confort en las severas condiciones estivales de ciertas climatologías. El aprovechamiento del enfriamiento evaporativo se vio relegado con la aparición de los sistemas basados en la compresión mecánica de un refrigerante, que permitía climatizar hasta condiciones ideales, pero desatendía el consumo energético. Actualmente, el sector de la edificación se erige como uno de los focos clave de actuación frente al cambio climático, pero a la vez sigue aumentando la demanda de energía en los espacios ocupados. Volver la vista atrás puede permitirnos salvar este problema. En climatización, recuperar recursos del pasado no es retroceder en la técnica, sino adaptarla a las necesidades actuales de ahorro de energía. Este monográfico presenta las tecnologías existentes basadas en el aprovechamiento del fenómeno del enfriamiento evaporativo para su integración en los sistemas de climatización, mejorando su eficiencia y reduciendo la demanda de energía, pero también para su aplicación en espacios no climatizados y exteriores. En este texto se presenta una revisión de los avances más recientes de investigación en el campo, tanto los desarrollados por el Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, del que forman parte los autores, como los de otros investigadores de todo el mundo.

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420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014.

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Ana Tejero González Es profesora titular en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Universidad de Valladolid, donde ha desarrollado su labor docente e investigadora desde 2009. Pertenece al Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, en el que trabaja dentro del campo de la eficiencia energética en edificios, con el objetivo principal de reducir la demanda de energía antes de buscar fuentes alternativas. Esta inquietud la ha movido a trabajar en un amplio rango de estrategias, como la recuperación de energía, el enfriamiento evaporativo, el enfriamiento gratuito, etc. Es ingeniera industrial por la Universidad de Valladolid (2008) y experta en ingeniería de climatización (2009). Obtuvo el título de doctor europeo y premio extraordinario de doctorado tras la defensa de su tesis doctoral en 2012. Imparte docencia en asignaturas de Transmisión de Calor, Termodinámica Técnica, Ingeniería Térmica, Instalaciones Térmicas, Climatización y Eficiencia Energética en la Edificación. Ha participado en siete proyectos de investigación nacionales y regionales, de los que han derivado dieciséis artículos publicados en revistas internacionales indexadas, seis libros y capítulos de libros y más de treinta comunicaciones en congresos. También trabaja activamente en la transferencia de conocimiento; es coautora de una patente y ha colaborado en once contratos y convenios con empresas del sector.

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Dirección Isabel María Martínez Sierra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Secretaría Maximina Romero Pérez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Consejo de Redacción Ana María Fernández Jiménez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Ángel Manuel González Santos, Centro de Estudios Históricos de Obras Públicas y Urbanismo, CEDEX Mónica Martínez Martínez, Universidad de Alcalá Isabel María Martínez Sierra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Ignacio de Oteiza San José, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC David Revuelta Crespo, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Maximina Romero Pérez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Elena María Tejado Garrido, Universidad Politécnica de Madrid Rena C. Yu, Universidad de Castilla-La Mancha Consejo Asesor Tomás Abad Balboa, Universidad de Alcalá Francisco Javier Castilla, Universidad de Castilla-La Mancha Ángel Castillo Talavera, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antón García-Abril Ruiz, Massachusetts Institute of Technology Inés García-Lodeiro, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Eva M.ª Jiménez Relinque, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Ángel Leiro López, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas Fernando Martín-Consuegra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Beatriz Martín Pérez, University of Ottawa Antonia Pacios Álvarez, Universidad Politécnica de Madrid Rafael Piñeiro Martínez de Lecea, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Ángela Sorli Rojo, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE

Ana Tejero González (coord.) Paula M. Esquivias Fernández Francisco Javier Rey Martínez Julio Francisco San José Alonso Javier María Rey Hernández Eloy Velasco Gómez

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Madrid, 2021

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, solo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones.

Catálogo de publicaciones de la Administración General del Estado: https://cpage.mpr.gob.es Editorial CSIC: http://editorial.csic.es (correo: [email protected])

© CSIC © Ana Tejero González (coord.), y de cada texto su autor © De las imágenes, las fuentes mencionadas a pie de figura

ISBN: 978-84-00-10811-3 e-ISBN: 978-84-00-10812-0 NIPO: 833-21-064-2 e-NIPO: 833-21-065-8 Depósito Legal: M-17850-2021 Maquetación, impresión y encuadernación: Gráficas Blanco, S. L. Impreso en España. Printed in Spain

En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

ÍNDICE Perfil académico de los autores.................................................................................................................9 Agradecimientos........................................................................................................................................

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Resumen ejecutivo....................................................................................................................................13 Notación.....................................................................................................................................................15 1. Introducción. Uso de energía limpia para el acondicionamiento de aire...........................................17 1.1. Introducción.................................................................................................................................17 1.2. Aspectos clave para desarrollos presentes y futuros del sector de la climatización..................19 1.3. Aprovechamiento de recursos energéticos gratuitos en climatización...................................... 21 2. Enfriamiento evaporativo: tecnologías simples para un fenómeno natural......................................23 2.1. Fundamentos del enfriamiento evaporativo...............................................................................23 2.1.1. Variables del aire húmedo................................................................................................24 2.1.2. Balances energéticos a los procesos de enfriamiento evaporativo..................................27 2.2. Estado de la técnica......................................................................................................................27 2.2.1. Sistemas de enfriamiento evaporativo directos...............................................................28 2.2.2. Sistemas de enfriamiento evaporativo indirectos............................................................ 30 2.2.3. Sistemas mixtos................................................................................................................ 31 2.2.4. Desecación para aumentar el potencial del enfriamiento evaporativo...........................32 2.2.5. Integración en arquitectura bioclimática.........................................................................32 2.3. Eficiencia energética de los sistemas evaporativos.....................................................................32 2.3.1. Eficiencia de los enfriadores evaporativos directos.........................................................33 2.3.2. Eficiencia de los enfriadores evaporativos indirectos......................................................35 2.4. Regulación y control de los sistemas evaporativos.....................................................................37 2.5. Consumo de agua en los sistemas evaporativos..........................................................................39 2.6. Impacto de los sistemas evaporativos sobre la salubridad......................................................... 40 2.6.1. Impacto de la humedad sobre la salubridad.................................................................... 41 2.6.2. Legionella en los sistemas evaporativos..........................................................................42 3. Mejora de los sistemas convencionales mediante hibridación con enfriamiento evaporativo..........47 3.1. Hibridación de sistemas de refrigeración de compresión mecánica con enfriamiento evaporativo............................................................................................................................................47 3.2. Incorporación de sistemas de enfriamiento evaporativo en la condensación...........................49 3.3. Pretratamiento del aire de ventilación........................................................................................ 51 3.4. Incorporación de sistemas de enfriamiento evaporativo en recuperadores de calor................52 4. Adecuación de espacios no acondicionados mecánicamente.............................................................55 4.1. Espacios exteriores......................................................................................................................55 4.2. Espacios interiores con ocupación humana................................................................................58 4.2.1. Aplicación residencial con y sin ventilación cruzada.......................................................58 4.2.2. Enfriamiento localizado de puestos de trabajo en oficinas............................................. 61 4.2.3. Acondicionamiento de otros espacios habitables............................................................62

8 Índice

4.3. Espacios interiores no destinados a ocupación humana............................................................65 4.3.1. Invernaderos.....................................................................................................................66 4.3.2. Ganadería intensiva..........................................................................................................66 4.3.3. Procesos y espacios industriales.......................................................................................67 4.3.4. Conservación de productos...............................................................................................67 5. Potencial del enfriamiento evaporativo en la recuperación de energía..............................................69 5.1. Descripción de los enfriadores evaporativos indirectos.............................................................69 5.2. Enfriador evaporativo indirecto en configuración recuperativa................................................. 71 5.3. Análisis termodinámico de un sistema evaporativo indirecto....................................................73 6. Desarrollos actuales y prototipos.........................................................................................................77 6.1. Equipos de medida y calibración.................................................................................................77 6.2. Sistemas indirectos...................................................................................................................... 80 6.2.1. Enfriador evaporativo indirecto de metal........................................................................ 81 6.2.2. Enfriadores evaporativos indirectos de materiales plásticos..........................................86 6.3. Sistemas directos y semi-indirectos............................................................................................ 90 6.3.1. Enfriadores evaporativos cerámicos................................................................................ 90 6.3.2. Enfriadores evaporativos textiles.....................................................................................98 6.3.3. Uso de otros materiales alternativos en sistemas directos..............................................104 7. Conclusiones: aplicabilidad actual y perspectivas futuras..................................................................107 7.1. Funcionamiento y eficiencia de los sistemas...............................................................................107 7.2. Aplicabilidad actual de los sistemas de enfriamiento evaporativo.............................................108 7.3. Perspectivas futuras.....................................................................................................................111 8. Bibliografía...........................................................................................................................................113 9. Lista de figuras.....................................................................................................................................121

PERFIL ACADÉMICO DE LOS AUTORES Ana Tejero González.  Es profesora titular en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Universidad de Valladolid, donde ha desarrollado su labor docente e investigadora desde 2009. Pertenece al Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, en el que trabaja dentro del campo de la eficiencia energética en edificios, con el objetivo principal de reducir la demanda de energía antes de buscar fuentes alternativas. Esta inquietud la ha movido a trabajar en un amplio rango de estrategias, como la recuperación de energía, el enfriamiento evaporativo, el enfriamiento gratuito, etc. Es ingeniera industrial por la Universidad de Valladolid (2008) y experta en ingeniería de climatización (2009). Obtuvo el título de doctor europeo y premio extraordinario de doctorado tras la defensa de su tesis doctoral en 2012. Imparte docencia en asignaturas de Transmisión de Calor, Termodinámica Técnica, Ingeniería Térmica, Instalaciones Térmicas, Climatización y Eficiencia Energética en la Edificación. Ha participado en siete proyectos de investigación nacionales y regionales, de los que han derivado dieciséis artículos publicados en revistas internacionales indexadas, seis libros y capítulos de libros y más de treinta comunicaciones en congresos. También trabaja activamente en la transferencia de conocimiento; es coautora de una patente y ha colaborado en once contratos y convenios con empresas del sector. Francisco Javier Rey Martínez.  Es catedrático de Universidad en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Universidad de Valladolid, desde 1989. Fue director del mismo departamento entre 1999 y 2001. Fundó y dirigió entre el 1993 y el 1997 el Centro Tecnológico de Ahorro y Diversificación Energética (CADE) de Castilla y León. Ha sido miembro del Comité Científico Europeo EUROTHERM desde 1996 hasta 2000 y director del Área de Calidad de Ambientes Interiores y Sostenibilidad de la Universidad de Valladolid entre 2006 y 2014, además de evaluador de la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación (ANECA). Actualmente lidera el Grupo de Investigación en Termotecnia de la Universidad de Valladolid, reconocido como Unidad Investigadora Consolidada por la Junta de Castilla y León. También es miembro del Comité Científico KONWAKAI de la compañía Daikin. Tiene una amplia experiencia docente en titulaciones oficiales de grado, máster y doctorado. Ha dirigido veinte tesis doctorales en sistemas de climatización, simulación energética, energías renovables y calidad de ambientes interiores. Ha dirigido y colaborado en más de treinta y cinco proyectos de investigación y es autor de más de doscientos artículos en revistas y diez libros. Ha sido galardonado con tres premios nacionales por su investigación en materia de sistemas de climatización, energías renovables y medio ambiente. Julio San José Alonso.  Catedrático de universidad del área de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de Valladolid, es doctor ingeniero industrial por la Universidad de Valladolid y tiene el título de Especialista Universitario en Climatización por la UNED. Imparte docencia en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica, con seis quinquenios reconocidos. Desarrolla su actividad investigadora en los campos de combustión de biolíquidos en cámaras a presión constante, eficiencia de la ventilación en sector terciario y recuperación de energía en climatización mediante sistemas evaporativos indirectos. Cuenta con cuatro sexenios de investigación y un sexenio de transferencia reconocidos. Ha ostentado numerosos cargos, entre ellos el de director del Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica, director de la cátedra de Energías Renovables de la Universidad de Valladolid, subdirector de Ordenación Académica de la ETS de Ingenieros Industriales de la Universidad de Valladolid; director de Investigación del Centro Tecnológico de Ahorro y Diversificación Energética (CADE); responsable del área de Ahorro y Diversificación Energética de CIDAUT. Es miembro del claustro de la Universidad de Valladolid y vocal de la Comisión de Supervisión de Proyectos de la Universidad de Valladolid, entre otros.

10 Perfil académico de los autores

Eloy Velasco Gómez.  Catedrático de Universidad en la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid. Es doctor ingeniero industrial y licenciado en Químicas (especialidad en Ingeniería Química). Desde 1995 es profesor en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica, donde imparte Transmisión de calor e Ingeniería térmica. Coordinador durante cinco años del máster en Energía Generación, Gestión y Uso Eficiente, participa como profesor en diferentes másteres nacionales de eficiencia energética. Miembro del GIR de Termotecnia de la Universidad de Valladolid y de la Unidad de Investigación Consolidada de la Junta de Castilla y León UIC-053. Ha dirigido quince tesis doctorales, relacionadas con la energética edificatoria y es autor de más de cien contribuciones entre libros, capítulos de libro, artículos indexados y contribuciones a congresos tanto nacionales como internacionales. Ha participado en diferentes proyectos, con financiación tanto pública como privada, con el objetivo de reducir el consumo de energía en la climatización de edificios. Se destaca su investigación sobre recuperadores de energía en sistemas todo aire, procesos de enfriamiento evaporativo, sistemas de acumulación térmica utilizando disipación radiante y calidad de ambientes interiores. Paula Matilde Esquivias Fernández.  Es doctora arquitecta y máster universitario por la Universidad de Sevilla, e investigadora posdoctoral de la Universidad de Valladolid. Su trabajo se centra en el acondicionamiento, pasivo y activo, de los espacios interiores, para lograr una adecuada calidad ambiental interior (CAI-IEQ), abarcando aspectos como la eficiencia energética en sus tres vertientes: reducción de la demanda, reducción del consumo y reducción de las emisiones equivalentes de CO2 mediante la integración de fuentes de bajo impacto ambiental; la provisión de calidad ambiental integrando y equilibrando los diferentes aspectos involucrados; la salubridad y el bienestar físico, psíquico y emocional que proporcionan las condiciones de los espacios interiores; y el impacto ambiental en el ciclo de vida. Desde 2007 realiza diferentes actividades de transferencia del conocimiento a la sociedad: ha participado en proyectos y contratos de investigación; publicado doce artículos científicos de alto impacto y varios libros; organizado congresos internacionales; editado y revisado artículos científicos; es miembro del comité editorial de revistas científicas, del comité científico de congresos; participa como experta en foros; imparte docencia en cursos de posgrado de varias universidades; coordina y codirige un curso propio de postgrado de la Universidad de Sevilla; y realiza actividades de asesoramiento y consultoría del diseño arquitectónico. Javier María Rey Hernández.  Profesor contratado doctor de la Escuela Politécnica Superior (EPS) en la Universidad Europea Miguel de Cervantes. Director académico y fundador del máster en Energías Renovables y Sostenibilidad Energética. Graduado en Ingeniería Mecánica, con posgrado en Climatización (HVAC) y Máster en Energía. Doctor en Ingeniería Industrial, con Mención Internacional y cum laude, sobre edificios cero energía y cero emisiones de carbono (ZEB y ZCO2B) por el Departamento de Ingeniería Energética Fluidomecánica, en la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid. Posee una amplia experiencia investigadora en el ámbito nacional e internacional con el Grupo de Investigación Reconocido (GIR) de Termotecnia desde el año 2014, con estancias en prestigiosos centros de investigación extranjeros. Es miembro de la American Association for Science and Technology (AASCIT).

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación obtenida para el desarrollo de los siguientes pro­yectos: — «Alternativas de recuperadores de calor en el diseño de edificios próximos a cero energía (nZEB) y rehabilitación de edificios (EREN_2019_L2_UVA)», a través del Programa de Actuaciones de I+D+i en materia de eficiencia energética del del Ente Regional de la Energía de Castilla y León (EREN). — «Análisis de tecnologías energéticamente eficientes para la sostenibilidad de los edi­ficios (VA272P18), a través del Programa de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León de Apoyo a proyectos de investigación cofinanciados por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. — «Diseño, fabricación y caracterización de un sistema combinado de climatización de alta eficiencia energética: refrigerador evaporativo semi-indirecto cerámico, captadores térmicos solares de aire y bomba de calor (GR 181)», a través del Programa de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León de Actividad investigadora a realizar por los grupos de investigación de excelencia de Castilla y León. — «Reducción del consumo y emisiones de anhídrido carbónico en edificios combinando enfriamiento evaporativo, enfriamiento gratuito y recuperación de energía en sistemas todo aire (ENE200802274/CON)», a través del Plan Nacional de I+D+i 2008-2011 del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. — «Cálculo, diseño, construcción y caracterización de un sistema de enfriamiento evaporativo por difusión convectiva agua-aire desde superficie húmeda, compatible con el medio ambiente (VA004B7)», a través del Programa de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León de Apoyo a Proyectos de investigación para proyectos a realizar por grupos de investigación y grupos de investigación noveles. — «Fabricación, monitorización y modelado de un equipo de aire acondicionado de bajo impacto ambiental utilizando un sistema combinado: refrigerador evaporativo cerámico y recuperador de tubos de calor (ENE2005-08594), a través del Plan Nacional de I+D+i 2004-2007 del Ministerio de Educación y Ciencia del Gobierno de España cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. — «Tri-recuperación de energía a baja temperatura mediante un sistema combinado de refrigerador evaporativo cerámico, recuperador de tubos de calor y bomba de calor aire-aire (VA059/04)», a través del Programa de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León de Apoyo a Proyectos de investigación. — «Diseño, fabricación y análisis energético de un refrigerador evaporativo indirecto cerámico en sistemas de aire acondicionado (DPI2001-1786)», a través del Plan Nacional de I+D+i 2000-2003 del Ministerio de Ciencia y Tecnología del Gobierno de España cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. — «Recuperación de energía residual de flujos de aire a baja temperatura mediante sistemas de intercambio de tipo cerámico con refrigeración evaporativa (VA050/01)», a través del Programa de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León de Apoyo a Proyectos de investigación.

RESUMEN EJECUTIVO La necesidad de reducir el consumo de energía en los edificios precisa: primero, que la demanda energética del edificio sea lo menor posible; segundo, que los sistemas integrados en el edificio presenten una alta eficiencia energética y, finalmente, que la energía consumida tenga el mínimo impacto ambiental posible (EERR). Dentro de esta metodología, los sistemas que utilizan el enfriamiento evaporativo se manifiestan como sistemas con una alta eficiencia energética, debido a su bajo consumo de energía, entre otros beneficios. Los sistemas de enfriamiento evaporativo permiten acondicionar en verano los espacios con un consumo de energía mucho menor que los sistemas convencionales de compresión mecánica, disponiendo de diferentes tecnologías que pueden ser utilizadas en muchas aplicaciones, incluidas aquellas que presentan características singulares. El grupo de investigación de Termotecnia de la Universidad de Valladolid ha mantenido una línea de investigación sobre sistemas evaporativos activa los últimos treinta años, que ha derivado en el desarrollo de diferentes tesis doctorales, Trabajos Fin de Grado y Máster, proyectos de investigación competitivos y con empresas, publicaciones, etc., en este tiempo, ha adquirido una gran experiencia en la caracterización de las distintas tipologías de sistemas evaporativos y en el desarrollo de nuevos prototipos que permitan reducir alguno de los problemas asociados al uso de estas tecnologías, como la Legionella. Con la publicación de esta monografía se pretende, por una parte, dar a conocer la tecnología del enfriamiento evaporativo como alternativa eficiente y sostenible, que puede ser utilizada en el acondicionamiento de los espacios, útil para alcanzar el objetivo de la descarbonización de los edificios. Por otra parte, se busca transmitir la experiencia investigadora que el grupo ha desarrollado en la realización de nuevos prototipos, así como la caracterización de los mismos. En la monografía se abordarán todos los conceptos fundamentales y se desarrollarán todas las tecnologías y aplicaciones de estos sistemas, así como su combinación con otras tecnologías, como la hibridación con sistemas convencionales de compresión mecánica, que permitan reducir la carga térmica que tienen que vencer y, por tanto, su consumo de energía y la carga de refrigerante necesaria en los equipos. También se presentará el estado de la técnica y los prototipos desarrollados por el grupo en los diferentes proyectos y trabajos de investigación, aportando las características operativas de los mismos, la forma de caracterizar la eficiencia energética de su integración en un sistema de climatización y los resultados de investigación obtenidos durante su caracterización.

NOTACIÓN N: número de variables de la regla de las fases de Gibbs. C: número de componentes de la regla de las fases de Gibbs. F: número de fases de la regla de las fases de Gibbs. T: temperatura (°C), siendo: Ts la temperatura seca o de bulbo seco (°C). TSatAd la temperatura de saturación adiabática (°C). Tbh la temperatura de bulbo húmedo (°C). TH2Oe la temperatura del agua a la entrada del proceso (°C). TH2Os la temperatura del agua a la salida del proceso (°C). Taire e la temperatura del aire a la entrada del proceso (°C). Taire s la temperatura del aire a la salida del proceso (°C). Tevap la temperatura del aire tras el enfriador evaporativo (°C). Timp e la temperatura del aire de impulsión a la entrada del proceso (°C). Timp s la temperatura del aire de impulsión a la salida del proceso (°C). Tr la temperatura radiante (°C). w: humedad específica del aire húmedo (kgagua/kgaire seco), siendo: wsatad la humedad específica de saturación adiabática (kgagua/kgaire seco). we la humedad específica a la entrada del proceso (kgagua/kgaire seco). ws la humedad específica a la salida del proceso (kgagua/kgaire seco). m: masa (kg). P: presión (Pa), siendo: Pv la presión parcial de vapor de agua (Pa). Patm la presión atmosférica (Pa). Psat la presión de saturación (Pa). ΔPH20 el incremento de presión en el agua (Pa). ΔPaire el incremento de presión en el aire (Pa). HR: humedad relativa (%), siendo: HRimp la humedad relativa del aire impulsión (%). h: entalpía específica del aire húmedo (kJ/kg), siendo: has la entalpía específica del aire seco (kJ/kg). hv la entalpía específica del vapor de agua (kJ/kg).

hSatAd la entalpía específica de saturación adiabática (kJ/kg). he la entalpía específica del aire húmedo a la entrada del proceso (kJ/kg). hH2Oe la entalpía específica del agua a la entrada del proceso (kJ/kg). hs la entalpía específica del aire húmedo a la salida del proceso (kJ/kg). hH2Os la entalpía específica del agua a la salida del proceso (kJ/kg). himp e la entalpía específica del aire de impulsión a la entrada del proceso (kJ/kg). himp s la entalpía específica del aire de impulsión a la salida del proceso (kJ/kg). hsat s la entalpía específica del aire saturado a la salida del proceso (kJ/kg). hsat e la entalpía específica del aire saturado a la entrada del proceso (kJ/kg). U: energía interna (J). V: volumen (m3). Cp: calor específico (J/kg K), siendo: Cpas el calor específico del aire seco (J/kg K). Cpv el calor específico del vapor de agua (J/kg K). Cpah el calor específico del aire húmedo (J/kg K). CpH2O el calor específico del agua (J/kg K). Cpaire el calor específico del aire (J/kg K). CL: calor latente de cambio de fase del agua (kJ/kg). Q: transferencia de calor (kJ), siendo: Qconvección la transferencia de calor por convección (kJ). Qevaporación la transferencia de calor por evaporación (kJ). hc: coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K), siendo: hc imp el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire de impulsión (W/m2K). hc agua el coeficiente de transferencia de calor por convección del agua (W/m2K). A: área, superficie, sección (m2); siendo: AT: Sección de transferencia de calor (m2). Ac: Sección del flujo (m2).

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km: coeficiente de transferencia de masa (m/s). ρ: densidad (kg/m3), siendo: ρas: densidad del aire seco (kg/m3). k’: coeficiente de intercambio másico (kg/s m2). Le: número de Lewis (adimensional). ṁ: flujo de masa (kg/s), siendo: ṁas el flujo de masa de aire seco (kg/s). ṁase el flujo de masa de aire seco a la entrada del proceso (kg/s). ṁass el flujo de masa de aire seco a la salida del proceso(kg/s). ṁaire el flujo de masa de aire (kg/s). ṁH2O el flujo de masa de agua (kg/s). ṁH2Oe el flujo de masa de agua a la entrada del proceso (kg/s). ṁH2Os el flujo de masa de agua a la salida del proceso(kg/s). ṁH2Oevap el flujo de masa de agua evaporada en el proceso(kg/s). ṁimp el flujo de masa de aire de impulsión (kg/s). ṁsat el flujo de masa de aire saturado (kg/s). V̇: caudal volumétrico (m3/s), siendo: V̇H2O: el caudal volumétrico de agua (m3/s). V̇aire el caudal volumétrico de aire (m3/s). W: consumo de energía (kW/h), siendo: Woperación el consumo de energía de funcionamiento del sistema (kW/h). Wbomba el consumo de energía de la bomba de impulsión (kW/h). Wventilador el consumo de energía del ventilador (kW/h). E: energía (kWh), siendo: Eútil la energía útil (kWh). Eenfriamiento la energía empleada para enfriamiento/ refrigeración (kWh).

RT: resistencia térmica (m2K/W), siendo: RT imp la resistencia térmica del aire de impulsión (m2K/W). RT mat la resistencia térmica del material (m2K/W). RT agua la resistencia térmica del agua (m2K/W). λ: conductividad térmica (W/m K). e: espesor (m). U: coeficiente global de transferencia de calor (W/m2 K). NUT: número de unidades de transferencia (adimen­ sional). ε: eficiencia (adimensional). Cr: Relación de Capacidades Caloríficas (adimensional). jagua: difusión molar del agua en el aire (mol s/m2). D: difusividad másica (m2/s), siendo: Dagua/aire: difusividad másica del agua en el aire (m2/s). C: grado de concentración (mol/m3). Cvapor: grado de concentración del vapor (mol/m3). Csal e: grado de concentración del sales a la entrada del proceso (mol/m3). Csal s: grado de concentración del sales a la salida del proceso (mol/m3). R: constante universal de los gases. Sh: número de Sherwood (adimensional). Re: número de Reynolds (adimensional). Sc: número de Schmidt (adimensional). v: velocidad (m/s), siendo:. vm la velocidad media (m/s). ν: volumen específico (m3/kg). σ: Reducción de sección/área/superficie en tanto por uno. f: Factor de fricción. IT: radiación solar incidente total (W/m2).

1. INTRODUCCIÓN. USO DE ENERGÍA LIMPIA PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 1.1. Introducción La energía es una de las principales bases sobre las que se sustenta la sociedad moderna. Su disponibilidad a bajo coste económico hasta la década de 1970 ha permitido un desarrollo tecnológico hasta nuestros días con una mejora del bienestar social en los países industrializados. Por otra parte, los recursos energéticos que han soportado esta evolución, mayoritariamente combustibles de origen fósil, son recursos limitados, cuya utilización ha seguido una tendencia exponencial en las últimas décadas. Esta situación, debido a la problemática del cambio climático ha hecho que en las últimas décadas haya surgido un debate en torno a la sostenibilidad de este modelo y una preocupación creciente acerca de una problemática energética, socioeconómica y medioambiental [1]. El marco de la política energética y medio ambiental en España está determinado por la Unión Europea (UE), que, a su vez, se encuentra condicionada por el Acuerdo de París, alcanzado en 2015 sobre el reto del cambio climático, cuyo objetivo fundamental será reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, aumentar la proporción de renovables en el sistema y mejorar la eficiencia energética en la Unión en el horizonte 2030. A ello hay que añadir que la Comisión Europea actualizó el 28 de noviembre de 2018 su hoja de ruta hacia una descarbonización sistemática de la economía con la intención de convertir a la Unión Europea en neutra en carbono en 2050 [2]. El Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [3] identifica los retos y oportunidades a lo largo de las cinco dimensiones de la Unión de la Energía: la descarbonización, incluidas las energías renovables; la eficiencia energética; la seguridad energética; el mercado interior de la energía y la investigación, innovación y competitividad. En las regiones desarrolladas, el consumo de energía final se distribuye principalmente entre tres grandes ámbitos económicos: la industria, el transporte y la edificación, distinguiendo entre edificios terciarios (oficinas, hostelería, hospitales, educación, etc.) y edificios residenciales. La distribución

del consumo entre los sectores varía en función de las áreas geográficas y sus condiciones económicas, culturales, climatológicas, etc. Sin embargo, es indudable el peso de la edificación como gran consumidor de energía ya que, en la Unión Europea representa el 40 % del consumo total [2], y es responsable del 28 % de las emisiones de CO2 asociadas al consumo energético a nivel mundial [4]. El consumo de la edificación en la UE no es homogéneo: Alemania, Francia, Reino Unido, Italia y España concentran aproximadamente 2/3 de la  superficie total construida, con un consumo ­medio específico anual repercutido en 2012 de 210 kWh/m2, y con grandes diferencias entre el sector terciario (286 kWh/m2) y el sector residencial (185 kWh/m2) [5]. En nuestro país, tres de cada cuatro toneladas de gases de efecto invernadero (GEI) se originan en el sistema energético [3], por lo que su descarbonización es un elemento central sobre la que debe desarrollarse la transición energética. Esta transformación incidirá de manera positiva en la eficiencia energética. En mayo de 2018, la Directiva 2018/844/UE [6] ha introducido un nuevo objetivo aplicado a los edificios para conseguir que estos tengan una alta eficiencia energética y estén descarbonizados antes de 2050, facilitando la transformación económicamente rentable de los edificios existentes en edificios de consumo de energía casi nulo. Entre las mejoras de la eficiencia energética está la renovación de instalaciones térmicas de calefacción y aire acondicionado. Actualmente, y con el fomento de los edificios de consumo de energía casi nulo (nZEB) en la UE, existe una tendencia hacia la electrificación del sector de la edificación que puede favorecer un futuro más sostenible desde el punto de vista medioambiental, siempre que venga acompañada de una apuesta por la electricidad de origen renovable y una importante reducción del uso de combustibles fósiles en la generación [7]. Sin embargo, la mejora de la eficiencia energética de los edificios debe centrarse en la reducción de su consumo energético, partiendo de la reducción de su demanda energética y siguiendo con la mejora del rendimiento de sus

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instalaciones y con el uso de fuentes energéticas gratuitas o de alta eficiencia. En este sentido, se estima que, respecto a la situación actual, se pueden

Disminución de las necesidades energéticas

obtener reducciones del 20 % [8]. Los métodos de reducción del consumo energético de los edificios (Figura 1.1) se pueden clasificar en:

Optimización de la eficiencia de utilización en los procesos

Uso de fuentes energéticas o de alta eficiencia

Adecuado aislamiento térmico y control solar de la evolvente

Adecuación de la producción a la demanda

Energías renovables

Estrategias de aprovechamiento pasivo de la energía

Reducción de pérdidas

Energía residual

Adecuación del tiempo de funcionamiento

Regulación y control de las condiciones operacionales

Almacenamiento térmico

Recuperación de energía

Figura 1.1.  Estrategias de mejora de la eficiencia energética de los edificios [9].

El Acondicionamiento de Aire o Climatización (calefacción, refrigeración y ventilación) tiene como función principal la generación y el mantenimiento de un adecuado nivel de confort para los ocupantes de un ambiente cerrado o bien la garantía del mantenimiento de un conjunto de condiciones ambientales para el desarrollo de un proceso o actividad ambiental dentro de un recinto. Los sistemas de climatización suponen el 50 % del consumo energético total de los edificios en los países desarrollados [10], lo cual justifica la necesidad y conveniencia de abordar la mejora del uso de la energía asociado a estos sistemas. El aire acondicionado empezó a ser una reconocida rama de la ingeniería en 1911. Sus principios eran el control de la temperatura, humedad, pureza y movimiento del aire en un espacio cerrado independientemente de las condiciones del aire exterior. En un principio se extendió en el ámbito de los espacios comerciales, culturales e industriales, pero en los años setenta, aproximadamente 71 millones de viviendas tenían aire acondicionado centralizado. La crisis del petróleo de 1973 focalizó la atención sobre la eficiencia de la energía. Los sistemas de climatización tenían que diseñarse y funcionar

para alcanzar un balance adecuado en términos de confort, calidad de aire y consumo energético. Las instalaciones con bajo costo de operación empezaron a ser la mayor preocupación en el diseño para los ingenieros. Se inventaron nuevas formas de recuperación de energía térmica, y surgió un interés por el desarrollo de nuevas tecnologías en climatización de bajo consumo de energía. Debido a la demostración de que los clorofluorocarbonos (CFC) evacuados a la atmósfera desprendían iones de cloro destruyendo moléculas de la capa de ozono (O3), se evidenció el impacto medioambiental que supone el uso de ciertos refrigerantes como los CFCs y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC). Por lo tanto, se llevaron a cabo diversas acciones internacionales para reducir las emisiones de estos contaminantes químicos a la atmósfera. Esto dio como resultado nuevas investigaciones para reemplazar los refrigerantes existentes en el ámbito de la climatización, problema que hoy en día se sigue investigando. Finalmente, estas evidencias llevaron a que, en 1987, varios países firmaran el Protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono con el fin de intentar reducir, escalonadamente, la producción de CFCs y otras sustancias químicas que destruyen el ozono.

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE 19

Actualmente, nuestra sociedad tiene un gran reto frente al cambio climático, siendo el efecto invernadero uno de los factores importantes del mismo. Además de las emisiones de CO2 asociadas al consumo energético, los refrigerantes químicos que se utilizan en los equipos de climatización también contribuyen en gran medida a ello. Es por ello por lo que se plantea a nivel internacional la necesidad de reducir y sustituir estos refrigerantes promoviendo un cambio hacia nuevas tecnologías de climatización de forma que se consiga una descarbonización global. Este es el objetivo fundamental del Pacto Verde Europeo para el año 2050 [11]. En este sentido, en la Unión Europea existen diferentes normativas que afectan directamente al medioambiente. Entre ellas se encuentra el Reglamento (EU) 517/2014 [12] y su incorporación a la normativa nacional mediante el Real Decreto 552/2019 [13], que implica a las instalaciones de aire acondicionado y refrigeración, con disposiciones legislativas relativas a los Gases Fluorados de Efecto Invernadero (GFEI). El objetivo de ese reglamento es proteger el medio ambiente mediante la reducción de las emisiones de GFEI, para ello: establece normas sobre contención, uso, recuperación y destrucción de gases fluorados de efecto invernadero; establece condiciones a la comercialización de productos y aparatos específicos que contengan GFEI o cuyo funcionamiento dependa de ellos; establece condiciones a usos específicos de GFEI y fija límites cuantitativos para la comercialización de hidrofluorocarburos (HFCs). Otro punto importante derivado de la reducción gradual de HFCs es que hay que buscar alternativas a los refrigerantes con un alto PCA (Potencial de Calentamiento Atmosférico). En este contexto se ha creado un impuesto de GFEI, que es un tributo de naturaleza indirecta que recae sobre el consumo de esos gases y grava, en fase única, el consumo de estos productos atendiendo al potencial de calentamiento atmosférico. Finalmente, en España el Código Técnico de la Edificación (CTE), cuyo Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) ha sido actualizado en 2019 [14], regula diversos aspectos técnicos de la edificación. El documento HE 2 de Condiciones de las instalaciones térmicas, que se desarrolla en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) [15], establece los requisitos y con­ diciones que deben cumplir las instalaciones destinadas a atender la demanda de bienestar térmico e higiene, como es el caso de las correspondientes a calefacción, aire acondicionado y agua caliente

sanitaria, para conseguir un uso racional de la energía. En esta línea, las exigencias en eficiencia energética que establece el RITE se refieren, entre otras, a la mejora del rendimiento energético en sistemas de calefacción y aire acondicionado, así como, la incorporación de subsistemas de recuperación de energía y el aprovechamiento de energías residuales. Por otro lado, los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), las nuevas políticas energéticas y ambientales, así como la implantación de la economía circular, imponen la necesidad de diseñar nuevas tecnologías de climatización que permitan conseguir un elevado confort térmico y una alta Calidad Ambiental Interior (IEQ) de los espacios habitables, con el menor consumo energético e impacto ambiental.

1.2. Aspectos clave para desarrollos presentes y futuros del sector de la climatización Para conseguir la sostenibilidad en el sector de la climatización, son necesarios los desarrollos, presentes y futuros, en aspectos tales como: — Diseño ecológico: los productos relacionados con la energía representan una gran proporción del consumo de recursos naturales y de energía en la UE y tienen otros impactos importantes en el medio ambiente. Es necesario actuar durante la fase de diseño de los productos relacionados con la energía, ya que resulta que la contaminación provocada durante el ciclo de vida del producto se determina en esta fase y en ese momento se comprometen la mayoría de los gastos correspondientes. Los productos consumidores de energía, entre los que se encuentran los equipos de climatización, deben cumplir unos requisitos mínimos de eficiencia energética, conocidos como requisitos de diseño ecológico, antes de ser introducidos en el mercado, siguiendo las indicaciones de la Directiva 2009/125/EC [16]. — Etiquetado energético: el etiquetado energético permite a los clientes tomar decisiones fundadas sobre el consumo energético de los productos relacionados con la energía. La información sobre productos eficientes y sostenibles relacionados con la

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energía constituye una significativa contribución al ahorro de energía y a la reducción de la factura energética, promoviendo al mismo tiempo la innovación y las inversiones en la producción de productos cada vez más eficientes desde el punto de vista energético. El Reglamento (UE) 2017/1369 [17] sienta las bases para el etiquetado de los productos relacionados con la energía, facilitando información básica sobre eficiencia energética —así como sobre el consumo de energía y otros recursos— con el fin de ayudar a los clientes en sus decisiones de compra. — Residuos: la política medioambiental de la Unión Europea tiene como objetivos la conservación, la protección y la mejora de la calidad del medio ambiente, la protección de la salud de las personas y la utilización prudente y racional de los recursos naturales. Como el mercado sigue expandiéndose y los ciclos de innovación se hacen más breves, la sustitución de los aparatos se acelera, convirtiendo rápidamente a los aparatos eléctricos y electrónicos en una creciente fuente de residuos. Conforme la Directiva 2012/19/UE [18], traspuesta mediante el Real Decreto 110/2015 [19], resulta especialmente importante avanzar en un tipo de diseño y producción de aparatos eléctricos y electrónicos, entre los que se incluyen los equipos de climatización, que tenga plenamente en cuenta y facilite la reparación de estos productos y su posible actualización, así como su reutilización, desmontaje y reciclado. — Energía renovable: el uso de energía procedente de fuentes renovables es vital cuando se habla de electrificación del sistema y los equipos de climatización tienen mucho que decir en ese aspecto, sobre todo para conseguir nZEB. En este ámbito es de especial relevancia la tecnología Bomba de Calor, ya que es capaz de calentar y enfriar un fluido caloportador de una forma eficiente y respetuosa con el medio ambiente utilizando la energía aerotérmica, geotérmica o hidrotérmica, según la Directiva (UE) 2018/2001 [20]. El Anexo VII establece el método de cálculo de la cantidad de energía renovable utilizada por las bombas de calor que complementa las directrices establecidas en la Decisión de la Comisión 2013/114/EU [21].

Respecto al impulso de las energías renovables, cabe destacar que el Gobierno de España en su Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [3] plantea alcanzar en 2030 una presencia de las energías renovables sobre el uso final de la energía del 42 % debido a la inversión prevista en renovables eléctricas y térmicas, así como a la notable reducción en el consumo final de energía. Con el avance de las renovables en el periodo 2021-2030 se prevé un incremento de aportación renovable de las bombas de calor de 629 a 3523 ktep. — Eficiencia energética: la Unión Europea se ha comprometido a establecer un sistema energético, sostenible, competitivo y descarbonizado de aquí a 2050. Para alcanzar ese objetivo, la Directiva (UE) 2018/844 [6] establece una tasa media anual de renovación del parque inmobiliario existente del 3 %, de forma que se transformen los edificios existentes en edificios de consumo de energía casi nulo. En este sentido, la eficiencia energética de la climatización es un elemento clave ya que actualmente el consumo de energía final de la Unión Europea que se destina a calefacción y refrigeración de edificios es del 40 % [11]. — Refrigerantes: sabiendo del impacto ambiental de los fluidos refrigerantes, actualmente está prohibido el uso de CFCs y en un futuro próximo se prohibirá el uso de HCFCs. Las alternativas que se plantean son los hidrofluorocarbonos (HFC) y los fluidos refrigerantes naturales como el amoniaco, los hidrocarburos lineales o cíclicos y sus mezclas, entre otros. El Reglamento (EU) 517/2014 [12], y su incorporación a la normativa nacional mediante el Real Decreto 552/2019 [13], establecen normas sobre contención, uso, recuperación y destrucción de gases fluorados de efecto invernadero, así como limitación de su comercialización y fomento del uso de refrigerantes con bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA). Estos son solo algunos de los aspectos más relevantes a tener en cuenta, que dejan claro que el sector de la climatización está muy regulado, a la vez que concienciado de su gran protagonismo en las políticas de descarbonización y en la electrificación del sistema. A lo anterior, hay que añadir, que es una industria clave para contribuir a los tres objeti-

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE 21

vos prioritarios de la UE en materia de cambio climático: aumento de eficiencia energética, uso de energía procedente de fuentes renovables y reducción de emisiones de CO2, favoreciendo, además, el progreso de algunos de los ODS, dirigidos a proteger el planeta y a equilibrar la sostenibilidad, desde el punto de vista social, económico y medioambiental. A la hora de seleccionar un sistema de climatización, el proyectista, además de apoyarse en el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE) [15], tiene la responsabilidad de elegir distintos sistemas tecnológicos eficientes que presenten bajo impacto medioambiental y que funcionen conforme a las condiciones establecidas. Así mismo, estos sistemas se deben dimensionar conforme a la demanda del edificio, ubicarse adecuadamente en el edificio y proporcionar al propietario la mejor relación entre la inversión económica, el coste de funcionamiento y la fiabilidad del sistema [22]. 1.3. Aprovechamiento de recursos energéticos gratuitos en climatización En el contexto energético actual, además de reducir la demanda energética de los edificios, es fundamental reducir el consumo energético de las instalaciones de climatización, ya sea por la mejora de su rendimiento energético como por el aprovechamiento de recursos energéticos gratuitos, considerando también aspectos medioambientales como la reducción de las emisiones de CO2 o del uso de gases fluorados de efecto invernadero. Los sistemas de climatización con mayores rendimientos energéticos requieren menos consumo de energía eléctrica para proporcionar la misma energía térmica, lo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero debido a la reducción del consumo de energía primaria no renovable. Una mejora tecnológica que permite aumentar el rendimiento energético de los equipos a la vez que reduce la cantidad de refrigerante necesaria es la utilización de microcanales en los intercambiadores de calor, así como su acoplamiento hidrónico. Esta tecnología permite reducir el tamaño de los intercambiadores, aumentando la compacidad de los equipos y reduciendo la carga de refrigerante de estos [23]. Existen múltiples recursos para reducir el consumo energético de las instalaciones de climati­

zación, entre ellos destacan los sistemas de en­ friamiento gratuito (free-cooling), los sistemas de recuperación de energía residual y los sistemas de enfriamiento evaporativo como técnicas de bajo consumo energético que aprovechan fuentes energéticas gratuitas [8]. Los sistemas de enfriamiento gratuito reducen la energía necesaria para la adecuación higrotérmica del aire de impulsión de ventilación de los espacios debido al uso del aire exterior. La aplicación más directa consiste en la introducción del aire exterior sin acondicionar en el espacio para vencer las cargas térmicas, lo cual redunda en una mejora en la Calidad del Aire Interior (IAQ) debido al aumento del caudal de ventilación. Los recuperadores de energía en los sistemas de climatización van a conciliar calidad del aire interior con ahorro energético, ya que permiten aportar los caudales de ventilación requeridos para renovación de aire sin penalizar energéticamente los sistemas de acondicionamiento higrotérmico, simplemente preacondicionando este flujo de aire mediante el aprovechamiento de la energía residual del aire extraído para la renovación. Los equipos de recuperación del calor residual son generalmente intercambiadores térmicos más o menos complejos, pudiendo darse en ellos tanto flujos de calor como de masa. Sin embargo, estos sistemas no dejan de estar integrados dentro de un proceso de acondicionamiento más global, por lo que deben plantearse como medios de reducción del consumo energético de esta instalación suponiendo unos costes económicos aceptables de inversión en la misma. Los sistemas de enfriamiento evaporativo se basan en el fenómeno natural de enfriamiento y humidificación del aire debido a la evaporación del agua que se produce al ponerla en contacto con una corriente de aire con bajo contenido en humedad. A pesar de los múltiples usos que tiene el enfriamiento evaporativo, tiene un especial interés en la aplicación en el acondicionamiento higrotérmico de los edificios debido a sus bajos porcentajes de consumo eléctrico en comparación con otros sistemas convencionales, así como su relativa simplicidad constructiva, operativa y de mantenimiento unido a su bajo coste y a su impacto ambiental, ya que no requiere del uso de refrigerantes para su funcionamiento [24].

2. ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: TECNOLOGÍAS SIMPLES PARA UN FENÓMENO NATURAL El enfriamiento evaporativo es un proceso natural en el que interviene la transferencia de calor y masa al poner en contacto agua y aire que no se encuentre saturado de humedad. Este proceso permite reducir la temperatura (calor sensible) mediante la evaporación del agua en el aire no saturado (calor latente) en el cual se incrementa su contenido en humedad. Este fenómeno se muestra frecuentemente en la naturaleza, como después de una tormenta de verano o en la brisa del mar, así como en la evaporación del sudor desde la piel. Algunos animales cuya transpiración es reducida o nula, en épocas de calor se impregnan de barro húmedo, además de para desparasitarse, para enfriar evaporativamente su cuerpo desde la piel. Por lo tanto, no resulta extraño que fuera el método más utilizado para enfriar el aire cuando aún no se habían desarrollado los sistemas de refrigeración por compresión. En este capítulo se presentan los conceptos fundamentales asociados a esta tecnología, el estado del arte, las principales ventajas relacionadas sobre todo con la simplicidad de los sistemas y su elevada eficiencia energética, la regulación y control de las condiciones interiores, el consumo de agua de estos sistemas y, finalmente, su principal inconveniente que, además del consumo de agua asociado, radica en que son sistemas que pueden ser susceptibles de contaminación por Legionella y que sean un foco de contagio para la población, además de las implicaciones del uso de estos sistemas sobre las condiciones de salubridad e higiene en la edificación. Su aprovechamiento data de cerca de 2500 años antes de Cristo, difundiéndose principalmente en Oriente Próximo, donde la climatología árida y calurosa favorece especialmente el fenómeno [25]. 2.1. Fundamentos del enfriamiento evaporativo El desarrollo histórico, la cultura tradicional y sus técnicas, o la observación y análisis de los procesos naturales que ocurren en nuestro entorno, pueden aportar ideas o conceptos útiles para resolver algu-

no de los problemas actuales, como la necesidad de reducir la demanda, el consumo y las emisiones asociadas al uso de fuentes de energía no renovables. A modo de ejemplo, se puede observar la arquitectura musulmana medieval en la Península Ibérica, en la que una característica común es el uso de fuentes, canales, sistemas que generan salpicaduras de agua, etc., que permiten reducir varios grados la temperatura del interior de sus edificios respecto a la del ambiente exterior. Un sistema tradicional basado en el enfriamiento evaporativo es el botijo o las vasijas cerámicas que se pueden encontrar en muchas culturas a lo largo de todo el mundo, en las que, gracias al agua que atraviesa la estructura porosa de la cerámica y que se evapora desde la superficie exterior hacia el aire, pueden mantener el agua que contienen a una temperatura menor que la del ambiente en el que se encuentran. Los procesos de enfriamiento evaporativo se basan en los principios de psicrometría que determinan el comportamiento del aire y de las diferentes evoluciones a las que puede estar sometido. El aire del ambiente (aire húmedo) es una mezcla formada por multitud de gases en la que, exceptuando el vapor de agua, su composición se puede considerar constante en el tiempo. El estudio del aire húmedo puede así abordarse como el de una mezcla formada por dos componentes: el vapor de agua y el aire seco, este último compuesto por todos aquellos gases cuya concentración se considera constante e invariable con el tiempo. Aunque en la realidad la concentración de estos gases que conforman el aire seco sí varía con el tiempo, lo hace de manera muy lenta. Por ejemplo, la concentración promedio del anhídrido carbónico (CO2), que se ha incrementado debido al consumo de energías de origen fósil —por lo que es uno de los causantes del calentamiento global— ha variado desde 250 ppm de la era preindustrial hasta más de 410 ppm en la actualidad. Esta reducida velocidad de variación es despreciable a efectos de considerar la composición del aire seco constante. La regla de las fases de Gibbs establece que el número de variables (N) que se necesitan para ca-

24 ANA TEJERO GONZÁLEZ ET AL.

racterizar un sistema se puede determinar mediante la siguiente expresión: N = C – F + 2 Siendo C el número de componentes y F el número de fases. Para el caso del sistema «aire húmedo», el número de componentes, por lo indicado anteriormente, son dos (aire seco y vapor de agua), el número de fases es uno (gas, a no ser que el aire esté en estado de niebla y sobresaturado con mezcla de gas y líquido), por lo que se necesitarán normalmente tres variables para caracterizar el aire húmedo. La variable que primero se establece es la presión atmosférica, para poder conocer las condiciones del aire, o caracterizar las posibles evoluciones de este (evoluciones psicrométricas). La presión atmosférica depende de la altura sobre el nivel del mar de la localidad, por lo que, una vez fijada la localidad, se necesitan otras dos variables para tener caracterizado el sistema.

2.1.1. Variables del aire húmedo Existen múltiples propiedades que permiten caracterizar el aire húmedo. Las más utilizadas, relacionadas con la magnitud a la que pertenecen son: — Temperatura: seca, de bulbo húmedo, de saturación adiabática y de rocío. — Presión: total (o atmosférica), de saturación del vapor de agua, parcial del vapor de agua y parcial del aire seco. — Humedad: específica, relativa, absoluta y grado de saturación. — Entalpía específica: del aire seco, del vapor de agua y total (o del aire húmedo). — Densidad del aire húmedo. — Volumen específico del aire húmedo. De todas las variables enumeradas, las que mayor interés presentan en la técnica del enfriamiento evaporativo, bien porque estén relacionadas con las evoluciones psicrométricas asociadas a este tipo de procesos o porque afectan al nivel del confort térmico, son las que se abordan a continuación con mayor detalle. Temperatura seca o de bulbo seco (Ts, °C): temperatura a la que se encuentra el aire húmedo y, por tanto, también la de sus dos componentes, el aire seco y el vapor de agua.

Humedad específica (w, kgagua/kgaire seco): la humedad específica se define como la masa de vapor de agua contenida en la unidad de masa de aire seco. w = 

mvapor kg  [=]  vapor mas mas

Considerando que tanto el aire seco como el vapor de agua se comportan como un gas ideal, y desarrollando cada uno de los términos en función de las presiones parciales para los dos componentes del aire, la humedad específica se puede calcular utilizando la siguiente expresión, donde 0,622 es la relación entre los pesos moleculares del vapor de agua y del aire seco, Pv es la presión parcial del ­vapor de agua (Pa) y Patm es la presión atmosférica (Pa). w = 0,622 · 

Pv Patm – Pv

Presión de saturación (Psat, Pa): el aire húmedo tiene una presión parcial de vapor de agua determinada (Pv). Si este estuviera saturado, el aire tendría la máxima presión parcial de vapor posible a esa misma temperatura. Esta presión se denomina presión de saturación (Psat). La presión de saturación depende de la temperatura a la que se encuentra el aire. Indica la capacidad del aire de contener vapor de agua, por lo que tiene mucho interés en los sistemas de enfriamiento evaporativo. Humedad relativa (HR, %): es el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación a esa temperatura. El aire saturado (100 % de HR) no tendrá capacidad de enfriamiento evaporativo, pues no podrá incrementar su contenido de vapor de agua. Dado que la hu­ medad relativa se suela expresar en porcentaje, la expresión que define el valor de la humedad relativa es: HR = 

Pv  · 100 [%] Psat

Entalpía específica del aire húmedo (h, kJ/kg): representa la cantidad de calor que el aire húmedo intercambia con su entorno en condiciones de presión constante referida a cada kg de aire seco. La entalpía sirve para medir las variaciones de energía que se producen en un sistema, y es negativa cuando al aire húmedo se le aporta calor para au-

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE 25

mentar su temperatura (proceso de calentamiento del aire), y positiva cuando al aire húmedo se le extrae calor para reducir su temperatura (proceso de enfriamiento natural). La entalpía específica es una función de estado que se define en función de la energía interna (U, J), la presión (P, Pa), el volumen (V, m3) y la masa (m, kg). U + P · V h =  m Esta entalpía se determina a partir de los aportes energéticos asociados al aire seco (entalpía específica del aire seco/has) y la del vapor de agua (entalpía específica del vapor de agua/hv) que la contienen, utilizando como referencia el aire seco a 0 °C y teniendo en cuenta que el aire seco no cambia de fase, pero que sí lo tiene que hacer el vapor de agua. La expresión que permite determinar el valor de la entalpía específica del aire húmedo, utilizando como referencia aire seco a 0 °C, es: h = has + hv = Cpas · Ts + (Cpv · Ts + CL ) · w Siendo, Cpas el calor específico del aire seco (J/kg K), Cpv el calor específico del vapor de agua (J/kg K) y CL el calor latente de cambio de fase del agua desde líquido a vapor (kJ/kg). Nótese que, en el segundo miembro de la igualad el primer término se corresponde con la entalpía del aire seco, y el segundo con la del vapor de agua. La anterior expresión, que depende de la humedad específica, debido a que sus valores en el intervalo habitual de operación de los sistemas de acondicionamiento de aire son muy pequeños y con poca variación, se puede modificar de forma que la

determinación de la entalpía específica sea función del calor específico del aire húmedo como: h = (Cpas + Cpv · w) · Ts + CL · w luego: h = Cpah · Ts + CL · w Siendo Cpah el calor específico del aire húmedo (J/kg K). Cuando se produce una variación en el valor de la entalpía específica debido solo a una modificación en la temperatura, se trata de una variación de entalpía sensible, mientras que si esa modificación está relacionada con el contenido de vapor de agua hablamos de variación de entalpía latente. Puede observarse que, en una evolución isoentálpica, en la se basan muchos de los procesos de acondicionamiento mediante sistemas de enfriamiento evaporativo del aire, aunque no hay variación total de la entalpía específica, sí se produce una disminución de la entalpía sensible que se compensa con el aumento de entalpía latente debida al incremento en el contenido de humedad específica del aire. Temperatura de saturación adiabática (Tsat ad, °C): es la temperatura que alcanza el aire cuando se satura de humedad adiabáticamente. El proceso que permite definir esta temperatura utiliza un túnel muy largo y adiabático, en el que se introduce una corriente de aire húmedo, que se pone en contacto con agua pulverizada que se recircula utilizando una bomba de agua, cuyo consumo de energía es idealmente nulo y que satura de humedad la corriente de aire. En la Figura 2.1 se muestra el proceso de saturación adiabática. La tempera-

Pared aislada Aire húmedo Entrada T, h, w

Aire saturado Salida TSatAd, hSatAd, wSatAd

Agua a TSatAd

Figura 2.1.  Túnel de saturación adiabática del aire.

26 ANA TEJERO GONZÁLEZ ET AL.

tura de saturación adiabática es la que alcanza el aire a la salida del túnel. Cuando el aire esté saturado, no habrá ni intercambio de masa ni de calor, pues la presión parcial del vapor y la presión de saturación coinciden y la temperatura del aire y del agua pulverizada coinciden. Utilizando el concepto de entalpía específica, se puede encontrar la expresión que permite calcular la temperatura de saturación adiabática, considerando que la entalpía del aire tiene que ser la misma a la entrada que a la salida y que el calor específico del aire húmedo se mantiene constante:

Tbh

T QConvección Tbh wSaty

Cpah · Ts + CL · w = Cpah · TSat Ad + CL · wSat Ad Por tanto:

QEvaporación

TSat Ad = Ts – 

Temperatura de bulbo húmedo (Tbh, °C): esta variable también depende de la capacidad de evaporación de agua por el aire, pero es más fácil de medir que la temperatura de saturación adiabática, ya que basta mantener humedecido el bulbo de un termómetro convencional o el sensor de una sonda de temperatura mediante una superficie húmeda (bulbo húmedo) desde la que se produce la evaporación del agua. Si se hace pasar sobre el bulbo la corriente de aire húmedo, a suficiente velocidad para evitar la saturación de la corriente de aire en contacto con la superficie húmeda, se observa un descenso en la temperatura del termómetro, producida por la evaporación del agua. Pasado un cierto tiempo se alcanza el equilibrio en el que el calor ganado por convección entre el aire y el bulbo húmedo coincide con el necesario para que se produzca la evaporación del agua desde el bulbo húmedo hasta el aire, según se muestra en la Figura 2.2. Las expresiones asociadas a los intercambios de calor y masa permiten determinar la expresión de la temperatura de bulbo húmedo: QConvección = hcA(Ts – Tbh) QEvaporación = kmρasA CL (wSat Ad – w) Luego, si  QConvección coincide con QEvaporación: hc A(Ts – Tbh) = kmρasA CL (wSat Ad – w) Tbh = Ts – 

w

CL  (wSat Ad – w) Cpah

kmρasCL  (wSat Ad – w) hc

Figura 2.2.  Termómetro de bulbo húmedo y balance energético.

Siendo: hc: el coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K). A: el área o superficie de contacto (m2). km: el coeficiente de transferencia de masa (m/s). ρas: la densidad del aire seco (kg/m3). CL: Calor latente de cambio de fase del agua (kJ/kg). Comparando las expresiones de la temperatura de saturación adiabática y de bulbo húmedo, se observa que la temperatura de saturación adiabática y la temperatura de bulbo húmedo coinciden cuando se cumple: Ts – 

CL k ρ C  (wsat ad – w) = Ts –  m as L  (wsat ad – w) Cpah hc 1 k ρ k'  =  m as  =  Cpah hc hc

Siendo k’ el coeficiente de intercambio másico (kg/s m2). La agrupación adimensional resultante relaciona el transporte de calor con el transporte de masa y es una forma de expresar el número de Lewis [26]: hc  = Le k'Cpah

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE 27

Para el intercambio entre el aire y el agua, el número de Lewis es prácticamente la unidad, por lo que se puede concluir que, cuando el número de Lewis sea la unidad, la temperatura de saturación adiabática coincidirá con la de bulbo húmedo. Estrictamente, el valor del número de Lewis no será uno, pero en los intervalos y condiciones de operación habituales utilizadas en el acondicionamiento del aire su valor es muy próximo a la unidad, por lo que la temperatura de saturación adiabática y la de bulbo húmedo son muy próximas. 2.1.2. Balances energéticos a los procesos de enfriamiento evaporativo Como ocurre en cualquier proceso, para poder caracterizarlo hay que plantear los correspondientes balances de masa y energía. En la Figura 2.3 se muestra un esquema para poder realizar dichos balances. Entrada de agua

ṁH2Oe hH2Oe, TH2Oe

Entrada de aire ṁase he , w e

PROCESO PSICROMÉTRICO

Salida ṁass de aire h s, w s

hH2Os, TH2Os Salida de agua

ṁH2Os

Figura 2.3.  Balances de masa y energía en un proceso psicrométrico.

son:

Las ecuaciones representativas de los balances

Balance de masa al aire seco: ṁase = ṁass = ṁas. Balance de masa al agua: ṁasewe + ṁH2Oe = = ṁassws + ṁH2Os. Balance de energía: ṁasehe + ṁH2OehH2Oe = = ṁasshs + ṁH2OshH2Os. Debido a que la entalpía del agua en estado líquido solo está relacionada con la temperatura a la que se encuentra, y considerando que su calor específico permanece prácticamente constante, el balance energético se puede expresar como: ṁH2OeCpH2OTH2Oe – ṁH2OeCpH2OTH2Os = ṁas(hs – he)

Una vez planteados los balances de masa y energía es posible analizar diferentes procesos asociados al enfriamiento evaporativo. Hay que tener en cuenta que, además de las contribuciones presentadas en el balance de energía, cuando en los procesos existan otros aportes energéticos como los consumos de bombas de circulación de agua, ventiladores, etc., estos también deben tenerse en cuenta en el balance energético.

2.2. Estado de la técnica Este apartado revisa el estado actual de las tecnologías de enfriadores evaporativos. Puesto que la monografía está orientada al aprovechamiento del ­fenómeno para el enfriamiento del aire, no se relacionan aquí las tecnologías de disipación de calor como torres de enfriamiento o condensadores evaporativos, etc. La principal distinción entre sistemas se basa en cuál es la corriente de aire en la que tiene lugar la evaporación del agua. Hablamos de sistemas «directos» cuando el agua se evapora en el seno de la corriente de aire primaria o de impulsión, mientras que denominamos «indirectos» a aquellos en los que el proceso tiene lugar en una corriente de aire secundaria. Estas dos opciones, junto con su combinación en los llamados sistemas «mixtos», flexibilizan la aplicabilidad del fenómeno en mayor variedad de climatologías. Las tecnologías existentes también pueden distinguirse en función del diseño del sistema para poner en contacto el aire con el agua. Nos encontramos así con dos grupos principales: los equipos que pulverizan el agua y aquellos que la aportan desde superficies húmedas. Los primeros pueden favorecer una mayor tasa de aporte de agua, mientras que los segundos abogan por evitar la generación de aerosoles. Asimismo, la eficiencia de los equipos puede potenciarse mediante distintas configuraciones en cuanto a su conexión dentro del sistema global de ventilación y climatización. Este punto se revisará en el Capítulo 5. Finalmente, este apartado recoge las tecnologías actualmente en desarrollo orientadas a mejorar el efecto logrado por los equipos o a su integración dentro de estrategias de climatización pasiva.

28 ANA TEJERO GONZÁLEZ ET AL.

2.2.1. Sistemas de enfriamiento evaporativo directos Como se ha indicado, los sistemas directos implementan el enfriamiento evaporativo en la propia corriente de aire a acondicionar. Así, el aire es tratado no solo de manera sensible, sino que también es humidificado. Esta es, por lo tanto, la mejor opción si la aplicación particular requiere de humidificación. Sin embargo, resulta inconveniente en el caso más general en el que la humedad del espacio objeto debe limitarse. La Figura 2.4 esquematiza este tipo de sis­ temas.

Aire primario sin tratar

Enfriador evaporativo DIRECTO

Aire primario tratado

Figura 2.4.  Esquema de los sistemas de enfriamiento evaporativo directos.

El tipo de proceso psicrométrico que tiene lugar es una evolución adiabática, idealmente hasta

saturación, según se muestra en la Figura 2.5, siendo las condiciones 2’ finales ideales las correspondientes a la temperatura de saturación adiabática del estado inicial. Se puede comprobar que la evolución psicrométrica que sufre el aire en este tipo de sistemas es de hecho prácticamente adiabática. Para ilustrarlo, en la Tabla 2.1 se presentan los resultados obtenidos de un ensayo realizado sobre un equipo de relleno rígido comercial de la casa Munters, modelo FA6 95 – 060-060-C1-0-L, siendo el caudal volumétrico (m3/h). La eficacia de humidificación del relleno es del 95 %. Como ya se ha reseñado con anterioridad, el enfriamiento del aire en estos sistemas se basa por lo tanto en la humidificación por dos posibles vías: a) aportando el agua directamente en el seno del aire, por ejemplo, mediante pulverización, o b) trabajando desde una superficie húmeda. Dentro de esta segunda opción puede encontrarse un abanico de equipos disponibles según el tipo de material del medio de humectación o su construcción, aunque los equipos más utilizados son los de relleno rígido (rigid media pad). Los rellenos más extendidos son de celulosa, pero también se usan habitualmente rellenos de fibra de vidrio o incluso otros materiales como fibras de PVC y fibras naturales. El uso de materiales alternativos como medios de humectación se revisa en el Capítulo 6. Hay que tener en cuenta que el incremento de la humedad del aire tiene inconvenientes; no siem-

Aire primario

h

2'

2

w2 1

w1

T1

TSat Ad1 T2

Figura 2.5.  Evolución psicométrica tipo del aire a su paso por un sistema de enfriamiento adiabático.

Tabla 2.1.  Resultados experimentales obtenidos sobre un equipo comercial de relleno rígido. Ts (°C)

HR (%)

w (kgagua/kgaireseco)

Tbh(°C)

h (kJ/kg)

Pv (Pa)

ρ (kg/m3)

(m3/h)

Entrada

26,6

53,2

0,0127

19,5

59

1852

1,0549

2728

Salida

19,6

99,1

0,0156

19,5

59,2

2266

1,0751

2677

Estado

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: HACIA UNA CLIMATIZACIÓN DESCARBONIZADA Y EFICIENTE 29

pre es adecuado aumentar la humedad de ciertos recintos y, por otro lado, supone una variación en los parámetros de confort térmico, voto medio estimado (PMV) y porcentaje de personas insatisfechas (PPD). En este sentido, con un aire con una temperatura de 25 °C y 50 % de humedad relativa, considerando una tasa metabólica de 1,2 met (70 W/m2), un aislamiento de la ropa de 1 clo (0,155 m2 °C/W), una temperatura radiante media de 25 °C y una velocidad relativa del aire de 0,10 m/s, conforme con la norma UNE-EN ISO 7730:2006 [27] se obtiene un PMV de 0,43 y un PPD de 8,90 y un aire con igual temperatura (25 °C) pero con una humedad relativa del 90 % proporciona un PMV de 0,71 y un

PPD de 15,80, estando, por tanto, fuera de los criterios de bienestar (PMV