Calefacción y refrigeración radiante

Categoría de tecnologías HVAC

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

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

Historia

La calefacción radiante tiene una larga historia tanto en Asia como en Europa. Los primeros sistemas, que datan del año 5000 a. C., se encontraron en el norte de China y Corea. Los hallazgos arqueológicos muestran que en las antiguas casas chinas había kang y dikang, camas y suelos calentados. En Corea, el sistema ondol , que significa "piedra caliente", utilizaba conductos bajo el suelo para canalizar el humo caliente de una cocina, calentando eficazmente toda la habitación. Con el tiempo, el sistema ondol se adaptó al uso de carbón y, más tarde, en el siglo XX, pasó a utilizar sistemas basados ​​en agua, y sigue siendo una parte fundamental de las casas coreanas. [3]

En Europa, el sistema de hipocausto romano , desarrollado alrededor del siglo III a. C., fue un método temprano de calefacción radiante que utilizaba un horno conectado a conductos de humos en el suelo y en la pared para hacer circular aire caliente en baños y villas. Esta tecnología se extendió por todo el Imperio Romano, pero decayó después de su caída, reemplazada por chimeneas más simples en la Edad Media. La calefacción radiante ganó un uso renovado en Europa durante el siglo XVIII, impulsada por técnicas mejoradas de transferencia de calor. Sistemas como el Kachelofen de Austria y Alemania utilizaban masas térmicas para el almacenamiento y distribución eficiente del calor. A principios del siglo XIX, los avances en sistemas basados ​​en agua con tuberías de agua caliente integradas allanaron el camino para la calefacción hidrónica moderna, que ofrece calor radiante efectivo para el confort en interiores. [4]

La refrigeración radiante también tiene raíces antiguas. En el siglo VIII, los constructores mesopotámicos usaban paredes cubiertas de nieve para enfriar los espacios interiores. El concepto resurgió en el siglo XX con los sistemas de refrigeración hidrónica en Europa, que incorporaban tuberías de agua fría en las estructuras para un control eficaz de la temperatura. [4] [5] La refrigeración radiante ganó popularidad en la década de 1990, especialmente en Europa, [6] donde los techos refrigerados combinados con sistemas de ventilación avanzados mejoraron la comodidad sin un movimiento excesivo del aire. Hoy en día, la calefacción y la refrigeración radiantes se utilizan ampliamente en edificios residenciales, comerciales e industriales por su eficiencia energética, funcionamiento silencioso y mayor comodidad térmica . [7]

Calefacción radiante

Frico IH Halogeninfra
Calentador de patio a gas

La calefacción radiante es una tecnología para calentar espacios interiores y exteriores. La calefacción mediante energía radiante se observa todos los días, siendo el calor de la luz del sol el ejemplo más común. La calefacción radiante como tecnología se define de forma más estricta. Es el método de utilizar intencionalmente los principios del calor radiante para transferir energía radiante desde una fuente de calor emisora ​​a un objeto. Los diseños con calefacción radiante se consideran sustitutos de la calefacción por convección convencional , así como una forma de proporcionar calefacción al aire libre en espacios reducidos.

Interior

La energía térmica se emite desde un elemento cálido, como un suelo, una pared o un panel superior, y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. La temperatura del aire interior de los edificios con calefacción radiante puede ser inferior a la de un edificio con calefacción convencional para lograr el mismo nivel de confort corporal, cuando se ajusta de forma que la temperatura percibida sea realmente la misma. Una de las principales ventajas de los sistemas de calefacción radiante es una circulación mucho menor del aire dentro de la habitación y la correspondiente propagación de partículas en suspensión.

Los sistemas de calefacción radiante se pueden dividir en:

Los sistemas de calefacción por suelo radiante y por pared suelen denominarse sistemas de baja temperatura. Dado que su superficie de calentamiento es mucho mayor que la de otros sistemas, se requiere una temperatura mucho más baja para lograr el mismo nivel de transferencia de calor . Esto proporciona un clima ambiental mejorado con niveles de humedad más saludables. Las temperaturas más bajas y la gran superficie de los sistemas de calefacción por suelo radiante los convierten en emisores de calor ideales para las bombas de calor de fuente de aire , que irradian de manera uniforme y eficaz la energía térmica del sistema a las habitaciones de una casa.

La temperatura máxima de la superficie de calefacción puede variar entre 29 y 35 °C (84 y 95 °F) según el tipo de habitación. Los paneles radiantes de techo se utilizan principalmente en instalaciones de producción y almacenamiento o en centros deportivos; cuelgan a unos metros del suelo y sus temperaturas superficiales son mucho más altas.

Al aire libre

En el caso de la calefacción de zonas exteriores, el aire circundante está en constante movimiento. En la mayoría de los casos, depender de la calefacción por convección resulta poco práctico, ya que, una vez que se calienta el aire exterior, este se dispersará con el movimiento del aire. Incluso en condiciones de ausencia de viento, los efectos de flotabilidad arrastrarán el aire caliente. Los calentadores radiantes para exteriores permiten dirigirse a espacios específicos dentro de una zona exterior, calentando solo a las personas y los objetos que se encuentran en su camino. Los sistemas de calefacción radiante pueden funcionar a gas o utilizar elementos de calefacción infrarrojos eléctricos. Un ejemplo de los calentadores radiantes de techo son los calentadores de patio que se utilizan a menudo en exteriores. El disco de metal superior refleja el calor radiante sobre una zona pequeña.

Refrigeración radiante

El enfriamiento radiante es el uso de superficies enfriadas para eliminar el calor sensible principalmente por radiación térmica y solo secundariamente por otros métodos como la convección . Los sistemas radiantes que utilizan agua para enfriar las superficies radiantes son ejemplos de sistemas hidrónicos . A diferencia de los sistemas de aire acondicionado "todo aire" que hacen circular solo aire frío, los sistemas radiantes hidrónicos hacen circular agua fría en tuberías a través de paneles especialmente montados en el piso o el techo de un edificio para proporcionar temperaturas agradables. Hay un sistema separado para proporcionar aire para ventilación , deshumidificación y potencialmente enfriamiento adicional. [8] Los sistemas radiantes son menos comunes que los sistemas todo aire para enfriamiento, pero pueden tener ventajas en comparación con los sistemas todo aire en algunas aplicaciones. [9] [10] [11]

Dado que la mayor parte del proceso de refrigeración resulta de la eliminación de calor sensible a través del intercambio radiante con personas y objetos y no con aire, el confort térmico de los ocupantes se puede lograr con temperaturas del aire interior más cálidas que con los sistemas de refrigeración basados ​​en aire. Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen potencialmente reducciones en el consumo de energía de refrigeración. [9] Las cargas latentes (humedad) de los ocupantes, la infiltración y los procesos generalmente deben ser gestionadas por un sistema independiente. La refrigeración radiante también se puede integrar con otras estrategias de eficiencia energética, como el lavado nocturno, la refrigeración evaporativa indirecta o las bombas de calor geotérmicas , ya que requiere una pequeña diferencia de temperatura entre la temperatura del aire interior deseada y la superficie enfriada. [12]

El enfriamiento radiativo pasivo diurno utiliza un material que emite fluorescencia en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencia en el que la atmósfera es inusualmente transparente, de modo que la energía se transmite directamente al espacio. Esto puede enfriar el objeto fluorescente por debajo de la temperatura del aire ambiente, incluso a pleno sol. [13] [14] [15]

Ventajas

Los sistemas de refrigeración radiante ofrecen un menor consumo de energía que los sistemas de refrigeración convencionales según la investigación realizada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . El ahorro de energía de la refrigeración radiante depende del clima, pero en promedio en los EE. UU. los ahorros están en el rango del 30% en comparación con los sistemas convencionales. Las regiones frías y húmedas pueden tener ahorros del 17%, mientras que las regiones cálidas y áridas tienen ahorros del 42%. [9] Los climas cálidos y secos ofrecen la mayor ventaja para la refrigeración radiante, ya que tienen la mayor proporción de refrigeración mediante la eliminación de calor sensible. Si bien esta investigación es informativa, se necesita realizar más investigación para tener en cuenta las limitaciones de las herramientas de simulación y los enfoques de sistemas integrados. Gran parte del ahorro de energía también se atribuye a la menor cantidad de energía necesaria para bombear agua en lugar de distribuir aire con ventiladores. Al acoplar el sistema con la masa del edificio, la refrigeración radiante puede trasladar parte de la refrigeración a las horas nocturnas de menor demanda. La refrigeración radiante parece tener menores costos iniciales [16] y costos de ciclo de vida en comparación con los sistemas convencionales. Los menores costos iniciales se atribuyen en gran medida a la integración con la estructura y los elementos de diseño, mientras que los menores costos de ciclo de vida son resultado de un menor mantenimiento. Sin embargo, un estudio reciente sobre la comparación del recalentamiento VAV frente a las vigas frías activas y DOAS cuestionó las afirmaciones de un menor costo inicial debido al costo adicional de las tuberías [17].

Factores limitantes

Debido a la posibilidad de formación de condensación en la superficie radiante fría (lo que provoca daños por agua, moho y similares), los sistemas de refrigeración radiante no se han aplicado ampliamente. La condensación causada por la humedad es un factor limitante para la capacidad de refrigeración de un sistema de refrigeración radiante. La temperatura de la superficie no debe ser igual o inferior a la temperatura del punto de rocío en el espacio. Algunas normas sugieren un límite para la humedad relativa en un espacio del 60% o 70%. Una temperatura del aire de 26 °C (79 °F) significaría un punto de rocío entre 17 y 20 °C (63 y 68 °F). [12] Sin embargo, hay evidencia que sugiere que disminuir la temperatura de la superficie por debajo de la temperatura del punto de rocío durante un corto período de tiempo puede no causar condensación . [16] Además, el uso de un sistema adicional, como un deshumidificador o DOAS , puede limitar la humedad y permitir una mayor capacidad de refrigeración.

Clasificación de los sistemas radiantes

Los sistemas radiantes, que abarcan tanto la calefacción como la refrigeración, transfieren calor o frío directamente a través de superficies, como pisos, techos o paredes, en lugar de depender de sistemas de aire forzado. Estos sistemas se clasifican en tres tipos: [18] sistemas de edificios activados térmicamente (TABS), [19] sistemas de superficie integrados y paneles de techo radiante.

Losas refrigeradas

La refrigeración radiante de una losa se puede suministrar a un espacio desde el suelo o el techo. Dado que los sistemas de calefacción radiante suelen estar en el suelo, la opción obvia sería utilizar el mismo sistema de circulación para el agua fría. Si bien esto tiene sentido en algunos casos, suministrar refrigeración desde el techo tiene varias ventajas.

En primer lugar, es más fácil dejar los techos expuestos a una habitación que los pisos, lo que aumenta la eficacia de la masa térmica. Los pisos tienen la desventaja de tener revestimientos y muebles que reducen la eficacia del sistema.

En segundo lugar, se produce un mayor intercambio de calor convectivo a través de un techo frío a medida que el aire caliente se eleva, lo que hace que más aire entre en contacto con la superficie enfriada.

El enfriamiento distribuido a través del piso tiene más sentido cuando hay una gran cantidad de ganancia solar por penetración del sol, porque el piso frío puede eliminar esas cargas más fácilmente que el techo. [12]

Las losas refrigeradas, en comparación con los paneles, ofrecen una masa térmica más significativa y, por lo tanto, pueden aprovechar mejor las oscilaciones de temperatura diurnas exteriores. Las losas refrigeradas cuestan menos por unidad de superficie y están más integradas con la estructura.

Sistemas radiantes parciales

Las vigas frías son sistemas híbridos que combinan la transferencia de calor radiante y convectivo. Si bien no son puramente radiantes, son adecuadas para espacios con cargas térmicas variables y se integran bien con los techos para una colocación y ventilación flexibles. [8]

Confort térmico

La temperatura de funcionamiento es un indicador de confort térmico que tiene en cuenta los efectos tanto de la convección como de la radiación. La temperatura de funcionamiento se define como una temperatura uniforme de un recinto de color negro radiante en el que un ocupante intercambiaría la misma cantidad de calor por radiación más convección que en el entorno no uniforme real.

Con los sistemas radiantes, el confort térmico se logra a una temperatura interior más cálida que con los sistemas de aire puro para el escenario de refrigeración, y a una temperatura más baja que con los sistemas de aire puro para el escenario de calefacción. [20] Por lo tanto, los sistemas radiantes pueden ayudar a lograr ahorros de energía en el funcionamiento del edificio manteniendo el nivel de confort deseado.

Confort térmico en edificios con sistema radiante frente a edificios con sistema de aire acondicionado

Según un estudio de gran escala realizado utilizando la encuesta de ocupantes de calidad ambiental interior (IEQ) del Centro para el Medio Ambiente Construido para comparar la satisfacción de los ocupantes en edificios con aire acondicionado radiante y en edificios con aire acondicionado completo, ambos sistemas crean condiciones ambientales interiores iguales, incluida la satisfacción acústica, con una tendencia hacia una mejor satisfacción térmica en los edificios radiantes. [21]

Asimetría de temperatura radiante

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

Consideraciones de diseño

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

  • En el caso de las aplicaciones de refrigeración, los sistemas radiantes pueden provocar problemas de condensación . Es necesario evaluar el clima local y tenerlo en cuenta en el diseño. La deshumidificación del aire puede ser necesaria en climas húmedos.
  • Muchos tipos de sistemas radiantes incorporan elementos de construcción masivos. La masa térmica involucrada tendrá una consecuencia en la respuesta térmica del sistema. El cronograma de funcionamiento de un espacio y la estrategia de control del sistema radiante juegan un papel clave en el correcto funcionamiento del sistema.
  • Muchos tipos de sistemas radiantes incorporan superficies duras que influyen en la acústica interior. Es posible que sea necesario considerar soluciones acústicas adicionales.
  • Una estrategia de diseño para reducir los impactos acústicos de los sistemas radiantes es el uso de nubes acústicas suspendidas. Los experimentos de enfriamiento con nubes acústicas suspendidas para una sala de oficinas mostraron que, para una cobertura de nubes del 47 % del área del techo, la reducción de la capacidad de enfriamiento fue del 11 % debido a la cobertura de nubes. Se puede lograr una buena calidad acústica con solo una reducción menor de la capacidad de enfriamiento. [22] La combinación de nubes acústicas y ventiladores de techo puede compensar la modesta reducción de la capacidad de enfriamiento de un techo refrigerado radiante causada por la presencia de nubes, y da como resultado un aumento de la capacidad de enfriamiento. [22] [23]

Estrategias y consideraciones de control

Los sistemas radiantes transfieren calor a un espacio y a sus ocupantes calentando o enfriando elementos estructurales, como losas de hormigón , o superficies, como techos , en lugar de suministrar directamente aire caliente o frío. Estos elementos liberan calor principalmente a través de la radiación. La rapidez con la que un espacio alcanza su temperatura de referencia depende de la masa térmica de los elementos: los materiales de baja masa térmica, como los paneles de metal , responden rápidamente, mientras que los materiales de alta masa térmica, como losas de hormigón, se ajustan más lentamente.

Según un artículo de revisión, los sistemas de enfriamiento radiante requieren una tasa de extracción de calor más alta que los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) basados ​​en convección para condiciones térmicas similares, como se demostró experimentalmente en investigaciones anteriores. [24] [25] Sin embargo, con estrategias de control que aprovechan la masa térmica para los sistemas de enfriamiento radiante, es posible consumir menos energía que los sistemas HVAC basados ​​en convección. [25]

Consideraciones sobre la alta masa térmica

Cuando los sistemas radiantes se integran en elementos de alta masa térmica, puede llevar un tiempo significativo para que un espacio alcance la temperatura establecida después de ajustar el termostato . Este retraso puede provocar un ajuste excesivo, lo que aumenta el consumo de energía y afecta negativamente al confort térmico . Para abordar esto, se utilizan estrategias como el Control Predictivo de Modelos (MPC) para predecir las demandas térmicas futuras y ajustar el suministro de calor de manera proactiva. [26] Por otro lado, las estrategias de control pueden aprovechar la alta masa térmica de los sistemas radiantes al utilizar su capacidad de almacenamiento de calor. Estas estrategias implican iniciar la operación por la noche, antes del uso del edificio. Durante la noche, los precios de la electricidad son más bajos debido a la reducción de las cargas de la red eléctrica urbana . El aire exterior más frío también mejora la eficiencia de los equipos de fuente de calor, como las bombas de calor de fuente de aire . Esto también ayuda a reducir las cargas de la red durante el día. [27]

Riesgos de condensación y estrategias de mitigación

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

Sistemas radiantes hidrónicos

Los sistemas de refrigeración radiante suelen ser hidrónicos , es decir, utilizan agua circulante que circula por tuberías en contacto térmico con la superficie. Normalmente, el agua circulante solo necesita estar entre 2 y 4 °C por debajo de la temperatura deseada del aire interior. [12] Una vez que la superficie enfriada activamente absorbe el calor, este se elimina mediante agua que fluye a través de un circuito hidrónico, reemplazando el agua calentada por agua más fría.

Dependiendo de la posición de las tuberías en la construcción del edificio, los sistemas radiantes hidrónicos se pueden clasificar en 4 categorías principales:

  • Sistemas de superficie integrados : tuberías integradas dentro de la capa superficial (no dentro de la estructura)
  • Sistemas de construcción térmicamente activos (TABS) : las tuberías acopladas térmicamente e integradas en la estructura del edificio (losas, paredes) [29]
  • Sistemas de superficie capilar : tuberías incrustadas en una capa en la superficie interior del techo o la pared.
  • Paneles radiantes : tubos metálicos integrados en los paneles (no dentro de la estructura); portador de calor cerca de la superficie

Tipos (ISO 11855)

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

  • Tipo A con tuberías empotradas en el solado o en el hormigón (sistema “húmedo”)
  • Tipo B con tuberías empotradas fuera de la solera (en la capa de aislamiento térmico , sistema “seco”)
  • Tipo C con tubos embebidos en la capa de nivelación, sobre la que se coloca la segunda capa de solera
  • El tipo D incluye sistemas de sección plana (plástico extruido / grupo de rejillas capilares)
  • Tipo E con tuberías incrustadas en una capa masiva de hormigón
  • Tipo F con tubos capilares incrustados en una capa en el techo interior o como una capa separada en yeso
  • Tipo G con tuberías empotradas en una construcción de piso de madera
Diagrama de sección de un sistema de superficie radiante empotrada (ISO 11855, tipo A)
Diagrama de sección de un sistema de superficie radiante empotrada (ISO 11855, tipo B)
Diagrama de sección de un sistema de superficie radiante empotrada (ISO 11855, tipo G)
Diagrama de sección de un sistema de construcción activado térmicamente (ISO 11855, tipo E)
Diagrama de sección del sistema capilar radiante (ISO 11855, tipo F)
Diagrama de sección de un panel radiante

Fuentes de energía

Los sistemas radiantes se asocian a sistemas de baja exergía. La baja exergía se refiere a la posibilidad de utilizar "energía de baja calidad" (es decir, energía dispersa que tiene poca capacidad para realizar trabajo útil). En principio, tanto la calefacción como la refrigeración se pueden obtener a niveles de temperatura cercanos al ambiente. La baja diferencia de temperatura requiere que la transmisión de calor se realice sobre superficies relativamente grandes, como por ejemplo en los techos o los sistemas de calefacción por suelo radiante. [31] Los sistemas radiantes que utilizan calefacción a baja temperatura y refrigeración a alta temperatura son un ejemplo típico de sistemas de baja exergía. Las fuentes de energía como la geotermia (refrigeración directa / calefacción con bomba de calor geotérmica) y el agua caliente solar son compatibles con los sistemas radiantes. Estas fuentes pueden generar importantes ahorros en términos de uso de energía primaria para los edificios.

Edificios comerciales que utilizan refrigeración radiante

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

Información sobre edificios y sistemas
EdificioAñoPaísCiudadArquitectoDiseño de sistemas radiantesCategoría de sistema radiante
Casa de arte de Bregenz1997AustriaBregenzPeter ZumthorMeierhans+SocioSistemas de construcción activados térmicamente
Aeropuerto de Suvarnabhumi2005TailandiaBangkokMurphy JahnTranssolar y IBESistemas de superficies embebidas
Escuela Zollverein2006AlemaniaEssenSANÁTranssolarSistemas de construcción activados térmicamente
Centro de información Klarchek, Universidad Loyola de Chicago2007Estados UnidosChicago , IllinoisSalomón Cordwell BuenzTranssolarSistemas de construcción activados térmicamente
Centro Lavin-Bernick, Universidad de Tulane2007Estados UnidosNueva Orleans , LAVAJJTranssolarPaneles radiantes
Centro David Brower2009Estados UnidosBerkeley , CaliforniaSocios de diseño de Daniel SolomonGrupo IntegralSistemas de construcción activados térmicamente
Hidroeléctrica de Manitoba2009CanadáWinnipeg , MassachusettsArquitectos KPMBTranssolarSistemas de construcción activados térmicamente
Cooperativa2009Estados UnidosNueva York , NYArquitectos de MorphosisIBE / Grupo Syska HennessyPaneles radiantes
Exploratorium (Muelle 15-17)2013Estados UnidosSan Francisco , CaliforniaDisco duro externoGrupo IntegralSistemas de superficies embebidas
Centro Federal Sur2012Estados UnidosSeattle, WashingtonArquitectos ZGFWSP Flack+KurtzPaneles radiantes
Edificio de Ciencias Vivas de la Escuela Bertschi2010Estados UnidosSeattle, WashingtonArquitectos KMDApresurándoseSistemas de construcción activados térmicamente
Edificio de ingeniería molecular de la Universidad de Wisconsin2012Estados UnidosSeattle, WashingtonArquitectos ZGFIngenieros afiliadosSistemas de superficies embebidas
Operaciones del tranvía First Hill2014Estados UnidosSeattle, WashingtonArquitectura de WaterleafIngeniería LTKSistemas de construcción activados térmicamente
Centro Bullitt2013Estados UnidosSeattle, WashingtonAsociación Miller HullIngeniería PAESistemas de superficies embebidas
Centro de operaciones de John Prairie2011Estados UnidosShelton, WashingtonArquitectura TCFInterfazSistemas de superficies embebidas
Centro de investigación Lake Nona de la Universidad de Florida2012Estados UnidosOrlando, FloridaGanchoIngenieros afiliadosPaneles radiantes
Biblioteca Presidencial William Jefferson Clinton2004Estados UnidosLittle Rock, ArkansasAsociación PolacaWSP Flack+Kurtz/CromwellSistemas de construcción activados térmicamente
Museo de Arte Hunter2006Estados UnidosChattanooga, TennesseeRandall StoutEBISistemas de superficies embebidas
Oficina de HOK en San Luis2015Estados UnidosSan Luis, MisuriGanchoGanchoPaneles radiantes
Laboratorio de Soluciones Energéticas Carbono Neutral, Georgia Tech2012Estados UnidosAtlanta, GeorgiaArquitectura HDRArquitectura HDRSistemas de construcción activados térmicamente
Ayuntamiento, Londres (Newham), The Crystal.2012Reino UnidoLondresWilkinson-EyreArup
Complejo del campus de Ewha, Universidad Femenina de Ewha2008Corea del SurSeúlDominique Perrault , arquitectos BAUMCentro de información de medios de comunicación de HimejiSistemas de construcción activados térmicamente

Física

La radiación térmica es la energía en forma de ondas electromagnéticas emitidas por un sólido, líquido o gas como resultado de su temperatura. [37] En los edificios, el flujo de calor radiante entre dos superficies internas (o una superficie y una persona) está influenciado por la emisividad de la superficie emisora ​​de calor y por el factor de visión entre esta superficie y la superficie receptora (objeto o persona) en la habitación. [38] La radiación térmica (onda larga) viaja a la velocidad de la luz, en línea recta. [8] Puede reflejarse. Las personas, los equipos y las superficies de los edificios se calentarán si absorben la radiación térmica, pero la radiación no calienta notablemente el aire por el que viaja. [8] Esto significa que el calor fluirá desde los objetos, ocupantes, equipos y luces en un espacio a una superficie enfriada siempre que sus temperaturas sean más cálidas que la de la superficie enfriada y estén dentro de la línea de visión directa o indirecta de la superficie enfriada. Algo de calor también se elimina por convección porque la temperatura del aire se reducirá cuando el aire entre en contacto con la superficie enfriada.

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

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

En la transferencia de calor por radiación, un factor de visión cuantifica la importancia relativa de la radiación que sale de un objeto (persona o superficie) y llega a otro, considerando los otros objetos circundantes. En los recintos cerrados, la radiación que sale de una superficie se conserva, por lo tanto, la suma de todos los factores de visión asociados con un objeto dado es igual a 1. En el caso de una habitación, el factor de visión de una superficie radiante y una persona dependen de sus posiciones relativas. Como una persona cambia de posición con frecuencia y una habitación puede estar ocupada por muchas personas al mismo tiempo, se pueden utilizar diagramas para personas omnidireccionales. [39]

Tiempo de respuesta térmica

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

Otros sistemas HVAC que intercambian calor por radiación

Chimeneas y estufas de leña

Una chimenea proporciona calefacción radiante, pero también absorbe aire frío. A: Aire para la combustión, en habitaciones con corrientes de aire, extraído del exterior. B: Los gases de escape calientes calientan el edificio por convección cuando salen por la chimenea. C: El calor radiante, principalmente de la llama a alta temperatura, calienta a medida que es absorbido.

Véase también

Referencias

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  6. ^ Olesen, Bjarne W. (febrero de 2012). "Sistemas de construcción termoactivos que utilizan la masa de la construcción para calentar y enfriar" (PDF) . Revista ASHRAE . Vol. 54, núm. 2. Atlanta, GA (EE. UU.): ASHRAE . Consultado el 20 de noviembre de 2017 .
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Lectura adicional

  • Manual ASHRAE. Sistemas y equipos HVAC 2012. Capítulo 13. Calefacción y refrigeración hidrónicas.
  • Kessling, W., Holst, S., Schuler, M. Concepto de diseño innovador para el nuevo aeropuerto internacional de Bangkok, NBIA.
  • Olesen, BW Calefacción y refrigeración radiantes mediante sistemas basados ​​en agua. Universidad Técnica de Dinamarca, Centro Internacional de Medio Ambiente y Energía Interior.
  • Investigación sobre refrigeración radiante en el Centro para el Entorno Construido
  • Encuesta sobre la calidad ambiental interior de los ocupantes (IEQ) del Centro para el entorno construido
  • Guía de calefacción radiante del Departamento de Energía de EE. UU.
  • Consejo de seguridad de calentadores infrarrojos
  • Asociación de Paneles Radiantes
  • Mapa de edificios que utilizan sistemas de calefacción y refrigeración radiantes hidrónicos
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