Funcionamiento en invierno (recuperación de calor, calentamiento, humectación, pérdidas de calor)

Planteamiento

Unidad de tratamiento de aire exterior de 1500 m³/h con una temperatura exterior de cálculo de invierno de −18 °C. El aire debe llegar al local a 22 °C y con la humedad específica correspondiente a las condiciones de proyecto del local, 20 °C / 40 % HR. La cadena tiene cinco nodos —punto exterior, recuperación de calor, calentamiento, humectación por vapor y pérdidas de calor del local— y responde a cuatro preguntas: cuánto calor devuelve el recuperador, cuánto queda para la batería de calor, cuánto vapor consume el humectador y en qué estado se estabiliza el local.

1. Aire exterior: −18 °C

El primer nodo es un punto de estado a −18 °C y 99 % de humedad relativa. Una humedad relativa tan alta a una temperatura tan baja solo sorprende a primera vista: el aire helado está prácticamente saturado, pero su humedad específica es de apenas W = 0,76 g/kg, aproximadamente la séptima parte de la que contiene el aire del local. Bajo cero, la diferencia entre el 90 % y el 99 % es irrelevante para el balance, porque la presión de saturación es ínfima.

La entalpía de este estado es de −16,2 kJ/kg y la densidad, de 1,383 kg/m³. A un caudal de 1500 m³/h le corresponden 2073 kg/h de aire seco, la magnitud que se mantiene constante a lo largo de toda la cadena. El caudal volumétrico, en cambio, aumenta con cada calentamiento: al final de la cadena alcanza 1755 m³/h, un 17 % más que en la toma de aire. Para dimensionar el ventilador y los conductos es determinante en qué punto de la unidad se indica el caudal.

2. Recuperación de calor: intercambiador de placas con una eficiencia del 75 %

El intercambiador de placas es seco —no transfiere humedad entre las corrientes—, de modo que el aire de impulsión evoluciona a humedad específica constante:

• impulsión: −18 °C → 10,5 °C con W = 0,76 g/kg; la humedad relativa baja al 9,7 %
• potencia recuperada: 16,53 kW
• extracción: 20 °C → −4,6 °C; el aire cruza su punto de rocío (6,1 °C) y cede 5,82 kg/h de condensado
• temperatura superficial media en el lado de extracción: −8,5 °C

Las dos últimas líneas van juntas y son el núcleo de este ejemplo: condensado sobre una superficie bajo cero significa escarcha. Por eso la aplicación muestra en este nodo una advertencia de riesgo de congelación junto con la temperatura superficial. El modelo indica así que la unidad no puede funcionar en condiciones de proyecto sin protección antihielo: bypass, batería de precalentamiento o regulación de la velocidad de los ventiladores. Pruebe a reducir la eficiencia al 60 %: la temperatura superficial sube a −2,8 °C; el riesgo disminuye, pero no desaparece. Este compromiso entre eficiencia y formación de escarcha es lo que determina el funcionamiento en invierno.

3. Calentamiento hasta 22 °C

La batería de calor eleva la temperatura de 10,5 °C a los 22 °C requeridos a humedad específica constante, con una potencia de 6,67 kW.

Lo interesante es la comparación: calentar 1500 m³/h de −18 °C a 22 °C sin recuperación requeriría 23,2 kW. El intercambiador de placas cubre 16,53 kW, es decir, el 71 %, y a la batería de agua le queda menos de un tercio. Ese es el argumento a favor de la recuperación de calor, traducido a cifras concretas para unas condiciones de proyecto.

Sin embargo, a la salida de la batería la humedad relativa es de solo el 4,7 %. El calentamiento no aporta humedad, solo aumenta la presión de saturación; por eso, en invierno, el aire interior de los edificios sin humectación es seco. La causa no es la calefacción en sí, sino la poca agua que trae el aire exterior.

4. Humectación por vapor hasta W = 5,83 g/kg

El vapor saturado a 150 °C eleva la humedad específica hasta el objetivo de 5,83 g/kg. Ese valor no es arbitrario: es exactamente la humedad específica de las condiciones de proyecto del local, 20 °C / 40 % HR.

• consumo de vapor: 10,5 kg/h, equivalente térmico 8,01 kW
• la temperatura sube solo de 22 °C a 23,0 °C; el estado resultante es 23,0 °C / 33,3 % HR
• la entalpía pasa de 24,1 a 38,0 kJ/kg

Por eso la humectación por vapor se considera prácticamente isoterma: la entalpía del aire aumenta 13,9 kJ/kg, pero casi todo ese incremento es calor latente contenido en el vapor de agua (la entalpía del vapor saturado es de 2746 kJ/kg). El aumento sensible es de apenas 1 K y, en el diagrama, el proceso sigue casi una isoterma.

Cambie el tipo de humectación a agua (adiabática) y verá la diferencia de inmediato: el proceso sigue una línea de entalpía constante, la misma cantidad de agua enfría el aire de 22 °C a 9,6 °C con un 78 % HR, y la batería previa tendría que aportar tanto más calor.

5. Pérdidas de calor del local: 1,88 kW

El último nodo aplica las pérdidas de calor del local. El aire de impulsión las cubre con calor sensible, por lo que se enfría a humedad específica constante de 23,0 °C a 19,8 °C y su humedad relativa sube al 40,5 %.

Aquí la cadena se cierra. El estado del local, 19,8 °C / 40,5 %, coincide con los 20 °C / 40 % supuestos al principio para el aire de extracción que entra en el recuperador. El modelo es, por tanto, coherente consigo mismo. Si el final de la cadena hubiera quedado en otro punto, sería señal de que conviene recalcular la recuperación con el estado real de la extracción, o bien vincular la entrada a un punto para que el lado de extracción del intercambiador tome automáticamente el estado del local.

Balance en condiciones de proyecto

• calor recuperado: 16,53 kW, el 71 % de la demanda total de calentamiento
• batería de calor: 6,67 kW
• humectación por vapor: 8,01 kW con 10,5 kg/h de vapor
• pérdidas de calor del local cubiertas: 1,88 kW
• condensado en el lado de extracción del recuperador: 5,82 kg/h

Qué probar en el modelo

• Cambiar la eficiencia del recuperador al 60 % o al 85 % y observar cómo se desplaza la potencia entre la recuperación y la batería de calor, y qué ocurre con la temperatura superficial y el riesgo de congelación.
• Cambiar la humectación a adiabática y comparar la dirección del proceso y el calentamiento previo que exige.
• Fijar otra temperatura exterior según la ubicación: los datos climáticos de la aplicación ofrecen valores de cálculo para un emplazamiento concreto en lugar de unos −18 °C genéricos.
• Añadir una carga de humedad al local (personas, procesos): el estado del local se desplaza hacia una humedad específica mayor, el objetivo de humectación baja y la humectación puede llegar a ser innecesaria.