Calefacción, ventilación y aire

Calefacción, ventilación y aire acondicionado, son los procesos relativos a la regulación de las condiciones ambientales con propósitos industriales o para hacer más confortable el clima de las viviendas. La calefacción eleva la temperatura en un espacio determinado, con respecto a la temperatura atmosférica, a un nivel satisfactorio. Los sistemas de ventilación controlan el suministro y la salida de aire, de forma independiente o en combinación con los sistemas de calefacción o aire acondicionado, para proporcionar el oxígeno suficiente a los ocupantes del recinto y eliminar olores. Los sistemas de aire acondicionado controlan el ambiente del espacio interior (temperatura, humedad, circulación y pureza del aire) para la comodidad de sus ocupantes o para conservar los materiales que ahí se manejen o almacenen.

CALEFACCIÓN

La calefacción puede ser directa, como en el caso de chimeneas o estufas en una habitación, o un sistema central con vapor, agua caliente o aire caliente que recorre tubos y cañerías para transportar su energía térmica a todas las estancias de un edificio. El primer sistema de calefacción fue la hoguera, con la que las personas calentaban sus moradas. Los antiguos romanos desarrollaron estufas y braseros de diversos tipos, algunos de los cuales se siguen utilizando en muchas partes del mundo.

Chimenea

La chimenea, uno de los primeros métodos de calefacción, sigue empleándose en la actualidad. Los antecedentes de la chimenea eran simples hogueras realizadas en un agujero de la vivienda, que servían para cocinar, obtener luz y como elemento de protección contra las fieras. Las chimeneas modernas suelen ser hogares abiertos de piedra, y a veces son más apreciadas por su carácter ornamental que por sus propiedades caloríficas. Las chimeneas no son un sistema ideal de calefacción, porque irradian el calor directamente y no calientan de modo uniforme las habitaciones.

La chimenea es un avance del método de calentar habitaciones mediante una hoguera. Las primeras chimeneas eran fogones empotrados en la pared de la habitación, provistos de conductos cortos para canalizar al exterior el humo de la combustión. Las chimeneas con tubos de escape lo bastante largos para superar el tejado de la casa y proporcionar así un tiro adecuado no se empezaron a utilizar hasta el siglo XII.

Las chimeneas comunes consisten en una hoguera encerrada por tres paredes de ladrillo y coronada por una campana y un tubo de salida de humos y otros productos de la combustión. En el fuego hay una parrilla metálica con unos soportes metálicos llamados morillos. La parrilla se utiliza para quemar combustibles como carbón, coque, o carbón vegetal, y los morillos se utilizan para sostener troncos de madera. Estos útiles mejoran la combustión, ya que permiten la circulación de aire por debajo del combustible.

El calor útil que proporcionan las chimeneas es la emisión directa de calor que irradia el combustible al quemarse y la radiación indirecta del calentamiento de las paredes que lo encierran. Entre el 85 y el 90% del calor generado por la combustión se pierde en los gases que escapan por el tiro. Las chimeneas se construyen en las casas modernas sobre todo por razones estéticas más que por eficacia calorífica. Hay chimeneas modernas de mayor rendimiento que tienen tubos interiores que calientan el aire frío de la habitación y lo reparten por la misma.

Estufas

Las estufas son recipientes cerrados, de metal o materiales cerámicos, en cuyo interior se quema el combustible. Presentan un avance con respecto a las chimeneas: su superficie está en contacto con el aire de la habitación y transmiten el calor por convección. Una estufa eficaz puede liberar cerca del 75% de la energía del combustible. Los combustibles que se emplean son madera, carbón, coque y queroseno.

Calefacción central

Sistemas de calefacción radiante

Los sistemas de calefacción radiante resultan invisibles, porque se emplea toda una pared o el suelo como elemento radiante, en lugar de utilizar radiadores aislados. Una ventaja de los sistemas de calefacción radiante es que producen una temperatura casi uniforme en las habitaciones, algo que muchos consideran más cómodo y eficiente. La habitación de la izquierda emplea un elemento calefactor eléctrico bajo el suelo; la de la derecha utiliza un sistema de tuberías o tubos de agua caliente.

En los sistemas de calefacción central un solo centro calorífico calienta muchas habitaciones o un edificio entero. Este sistema ya lo utilizaban los romanos, pero en el siglo XIX aún se usaba muy poco: sólo algunos sistemas de agua caliente en Inglaterra. En 1835 se perfeccionó el primer sistema central óptimo, que utilizaba aire caliente y se instaló de forma generalizada en Estados Unidos. Los sistemas de vapor se desarrollaron hacia el año 1850.

Los sistemas de calefacción central actuales suelen distribuir calor de una caldera central a un edificio o a un grupo de ellos. Los sistemas más extensos suelen funcionar con vapor o agua caliente. Este sistema se utiliza además en muchas viviendas, en casi todos los edificios de oficinas, hoteles y en grandes superficies como centros comerciales o grandes almacenes.

Las calderas de estos sistemas utilizan combustibles como fuel, gas o carbón. Cuando se quema el combustible se calientan las paredes metálicas de la caldera, y el calor se transfiere al agua, vapor o aire.

La mayoría de las calderas, tanto las grandes como las pequeñas, son de funcionamiento automático, controladas por termostatos situados en las habitaciones que se van a calentar. Las que funcionan con fuel o gas sólo precisan el control de los quemadores para regular el calor, pero las que funcionan con combustibles sólidos requieren un mantenimiento mayor. Precisan la admisión de combustible adicional y la eliminación de cenizas del alimentador o de la parrilla. La cámara de combustión y la caldera están situadas en un recinto aislado.

Los dispositivos que transfieren el calor que genera la caldera central a las habitaciones son los radiadores y convectores. Los radiadores consisten en una serie de rejas o bloques de hierro forjado que presentan una gran superficie para disipar más calor. Los convectores consisten en una red de tubos de un reducido espesor, de acero o de metales no ferrosos. Esta red se coloca en los recintos de manera que permita la circulación del aire, y efectúan el proceso de calentamiento por convección más que por radiación (véase Transferencia de calor). Los almacenes, industrias y fábricas suelen llevar este tipo de convectores, que incorporan unos ventiladores eléctricos que desvían el aire a la superficie radiante.

Aunque el calor se transfiere —al menos en parte— por radiación en todos los métodos de calefacción directa, el término ‘calor radiante’ se aplica a los sistemas en los que el suelo, paredes o techo se utilizan como superficies radiantes. En estos casos se colocan tuberías para vapor o agua caliente en las paredes y techos durante la construcción del edificio. Los sistemas eléctricos funcionan a través de paneles que contienen los elementos caloríficos. Estos paneles se introducen en las paredes, el techo o el suelo de las habitaciones. Los sistemas radiantes proporcionan un reparto uniforme de calor a un coste comparativamente bajo. Su rendimiento es alto, ya que calientan las superficies desde su interior y proporcionan confort sin elevar en exceso la temperatura del aire.

Sistemas de aire caliente

Los sistemas más sencillos de calefacción por aire caliente consisten en una caldera y un conducto para eliminar gases, situados en una cámara o recinto metálico, y una red de tuberías hacia las habitaciones. Para asegurar la circulación natural del aire caliente, que tiende a elevarse, la caldera se coloca por debajo del primer piso del edificio. El aire frío del interior del edificio o del exterior, penetra en la cámara y se calienta por contacto con las paredes calientes de la caldera. Se suele colocar en la caldera un pequeño depósito de agua para que el aire caliente se humidifique antes de circular por la casa. Según se calienta el aire, sube a las habitaciones y atraviesa las rejillas o los elementos que haya en ellas. Estos se abren o cierran para regular la temperatura de la habitación.

El problema principal de estos sistemas radica en conseguir la adecuada circulación del aire. A no ser que los tubos que transportan el aire caliente tengan un diámetro grande, cuenten con una adecuada inclinación y estén aislados correctamente para prevenir pérdidas de calor, el sistema no calentará la casa como es debido.

Los sistemas de circulación forzada llevan un ventilador o soplador en la cámara de la caldera. Esto asegura la circulación de gran cantidad de aire incluso en condiciones desfavorables. También incorporan filtros para retener el polvo y asegurar la limpieza del aire. Si se asocian con unidades de refrigeración, humidificadores y desecadores, constituyen uno de los sistemas de calefacción y refrigeración más efectivos.

Sistemas de agua caliente

Los primeros sistemas de calefacción por agua caliente funcionaban —de acuerdo a algunos datos históricos— con aguas termales de manantiales naturales. Los sistemas actuales emplean una caldera donde el agua se calienta a una temperatura entre 60 y 83 °C. El agua se envía a los radiadores de las habitaciones por un circuito de tuberías. La circulación del agua caliente se consigue por presión y gravedad, y en algunos casos se utilizan bombas. La circulación forzada es más eficaz, ya que permite mayor control y flexibilidad.

Hay sistemas de uno y dos conductos. En los sistemas de una tubería, el agua se envía a la boca de entrada del radiador, circula por éste y sale por la misma tubería. La desventaja de este sistema es que el agua se enfría cada vez más a medida que se aleja de la caldera, por lo que los radiadores más alejados deben ser más grandes que los cercanos a la caldera para proporcionar la misma cantidad de calor. En los sistemas de dos conductos, el agua caliente se envía a los radiadores por una tubería de suministro y les llega a la misma temperatura; el agua de todos los radiadores se recoge con una tubería común de retorno a la caldera. Este sistema es más eficaz y más fácil de controlar. Los dos requieren un tanque de expansión para compensar las variaciones de la cantidad de agua. Estos tanques contienen aire (más o menos la mitad de su volumen), que se comprime o expande para compensar las fluctuaciones del volumen de agua.

Sistemas de vapor

Los sistemas de calefacción por vapor son similares a los de agua caliente, con la diferencia de que circula vapor por las cañerías y radiadores en lugar de agua caliente. El vapor se condensa en los radiadores y transmite su calor latente (véase Calor: Calor latente). Se utilizan también sistemas de una y dos tuberías para hacer circular el vapor y devolver a la caldera el agua formada por condensación. Hay tres tipos principales de sistemas de vapor: por orificios de aireación, por vaporización y sistemas de vacío o de bomba mecánica. También hay sistemas subatmosféricos, pero se utilizan muy poco.

Los sistemas por orificios de aireación de una tubería se basan en que la fuerza de la gravedad obliga al vapor condensado en el radiador a bajar a la caldera por la misma tubería por la cual sube el vapor a los radiadores. Es el sistema de instalación más barata, pero los conductos deben ser lo bastante anchos como para albergar el vapor y recoger el condensado. Los orificios de los radiadores permiten la salida del aire una vez calentado por el vapor durante la fase de encendido o cuando está a pleno funcionamiento.

Los sistemas de vaporización son sistemas de dos tuberías en los que el vapor se introduce en el radiador por una válvula de admisión, y el aire y el condensado se liberan por un purgador de vapor. El agua vuelve a la caldera y el aire se descarga a través de un orificio central situado en la base o, en grandes instalaciones, por respiraderos en cada zona que se debe calentar. Si el sistema tiene juntas de poco calibre el aire retorna al sistema en cantidades mínimas, por lo que se requiere muy poca presión para propulsar el vapor. Estos sistemas requieren de una instalación más costosa que los de una tubería, pero resultan más económicos porque pueden trabajar con mucho menos combustible.

Los sistemas de vacío se parecen a los de vaporización, en los que cada radiador tiene una válvula de entrada y un purgador de vapor, pero incorporan una bomba de vacío en la tubería de retorno a la caldera. Esta bomba mantiene un vacío parcial en el sistema para que el vapor, el aire y el condensado circulen con mayor facilidad. El vapor condensado y el aire se envían a un punto central en el que el primero se bombea a la caldera y el aire se expele a la atmósfera. En los sistemas de vacío completo, el condensado no necesita de la fuerza de la gravedad para volver a la caldera, por lo que no tiene una importancia esencial que éstos se ubiquen por encima o por debajo de los radiadores.

Calefacción eléctrica

La utilización de la electricidad en los sistemas de calefacción está aumentando tanto en uso doméstico como en sistemas de grandes edificios públicos. La energía eléctrica suele ser más cara que la obtenida por la combustión de materiales, pero su bajo mantenimiento, limpieza y su reducida necesidad de espacio justifican su uso. Los elementos caloríficos se pueden situar sobre las paredes, o en ventanas o en zócalos instalados por toda la habitación; también se pueden incorporar en techos y suelos durante la construcción para irradiar calor a una temperatura media. El coste total de la calefacción eléctrica se reduce de manera sustancial empleando una bomba de calor.

Bomba de calor

Es un sistema diseñado para proporcionar calefacción y refrigeración, y su actuación es en esencia la misma en ambos procesos. En lugar de generar calor, como las calderas y los hornos, la bomba de calor transfiere el calor de un lugar a otro. Durante el invierno, un líquido refrigerante se bombea a un circuito situado en el exterior del recinto a calentar. El refrigerante está muy frío, por lo que absorbe el calor de la atmósfera, del suelo, del agua de un pozo, o de cualquier fuente externa. Después se envía a un compresor que eleva su temperatura y presión hasta convertirlo en vapor, que se manda entonces a una rejilla interior, y el calor se transmite por radiación o convección al recinto. El refrigerante, cuando ya ha disipado gran parte del calor que contenía, atraviesa una válvula y se licúa; así descienden su temperatura y presión. Después se envía al dispositivo exterior para continuar el ciclo. Para acondicionar el aire del espacio interior, las válvulas invierten el sentido del flujo, de manera que el refrigerante absorbe calor del interior y lo descarga en el exterior. Las bombas de calor también se regulan con termostatos, como las calderas.

La mayoría de las bombas de calor utilizan el aire de la atmósfera como fuente de calor. Esto constituye un problema en las zonas donde en invierno las temperaturas descienden por debajo de los cero grados, ya que estas condiciones hacen difícil elevar la temperatura y la presión del refrigerante. Para obtener un funcionamiento rentable, el calor liberado debe ser mayor que el doble de la cantidad obtenida de la fuente exterior. La bombas de calor se utilizan en residencias, escuelas y centros comerciales.

Calor solar

Durante una hora de sol, casi un kilovatio de energía solar alcanza cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre. La cantidad real de energía recibida varía de acuerdo al momento del día, la época del año, la latitud, la claridad de la atmósfera y la dirección relativa del sol con respecto a la superficie absorbente que recibe la energía. Esta energía es suficiente para calentar edificios diseñados exprofeso, que cuentan con las superficies absorbentes y sistemas de almacenamiento de calor adecuados para abastecer al edificio durante la noche y cuando la climatología sea inestable. El método más común consiste en colocar paneles que incorporan circuitos de agua en el tejado. El agua, que se calienta por la acción del sol, baja a un depósito o tanque aislado, situado en el interior de la casa, que constituirá la fuente de calor. En zonas donde el frío es intenso, es necesario disponer de una fuente de calor suplementaria. Sistemas de este tipo funcionan con éxito en muchos países, sobre todo en áreas donde el clima no es especialmente frío. El sellado adecuado de los cristales de las ventanas, o la utilización de doble cristal, también reduce el consumo de combustible y de electricidad para calefacción en invierno.

Calentadores portátiles

Las viviendas que no disponen de sistema de calefacción central pueden calentarse con diversos tipos de aparatos portátiles o semiportátiles, muchos de los cuales se pueden transportar de una habitación a otra según las necesidades. Dos de estos aparatos son las estufas de petróleo y los calefactores eléctricos. Una estufa de petróleo está hecha con chapa de metal y contiene uno o varios quemadores de mecha que calientan varios conductos metálicos en su interior. Estas estufas calientan tanto por radiación como por convección: reciben aire frío por diversos orificios en su base y emiten aire caliente por las perforaciones de la parte superior. Hay estufas de este tipo de gran tamaño, que pueden calentar varias habitaciones. Deben utilizarse con ventilación adecuada porque los gases de la combustión pueden ser perjudiciales. Los calefactores eléctricos más sencillos calientan por radiación; consisten en una resistencia que se calienta, situada delante de un reflector que concentra el calor radiante en un haz estrecho. Ciertos calefactores incorporan un ventilador que obliga al aire a circular a través de la unidad calentadora, por lo que calientan por radiación y convección. Otros modelos consisten en una lámina o tubo de cuarzo o de cristal resistente al calor en el que se introducen los alambres de resistencia eléctrica. Estos alambres calientan la lámina o tubo que irradia el calor. De esta manera, al no haber alambres incandescentes, su utilización es más segura.

Los radiadores eléctricos de vapor se utilizan para completar otros sistemas de calefacción. Son calderas de vapor en miniatura en las que un dispositivo eléctrico genera vapor para calentar un pequeño radiador convencional relleno en parte de agua. No precisan la instalación de tuberías y se pueden transportar de un lugar a otro; basta con enchufarlos a la red eléctrica. También hay radiadores de aceite que se calientan por electricidad.

VENTILACIÓN

Los edificios en los que viven y trabajan las personas deben ventilarse para reponer oxígeno, diluir la concentración de dióxido de carbono, así como de vapor de agua, y eliminar los olores desagradables. Suele haber circulación de aire o ventilación a través de los huecos en las paredes del edificio, en especial a través de puertas y ventanas. Pero esta ventilación natural, quizá aceptable en viviendas, no es suficiente en edificios públicos, como oficinas, teatros o fábricas.

Los sistemas de ventilación en fábricas deben eliminar los contaminantes que pueda transportar el aire de la zona de trabajo. Casi todos los procesos químicos generan gases residuales y vapores que deben extraerse del entorno de trabajo con efectividad y en ocasiones contando con un presupuesto ajustado. Los ingenieros químicos, en particular, se encargan del diseño de los sistemas de ventilación para fábricas y refinerías.

La mayoría de los ingenieros consideran que para mantener un recinto ventilado hay que renovar el aire por completo de una a tres veces por hora, o proporcionar a cada ocupante de 280 a 850 litros de aire fresco por minuto. Para conseguir esta ventilación es necesario utilizar dispositivos mecánicos para aumentar el flujo natural del aire.

Los dispositivos de ventilación más sencillos son ventiladores instalados para extraer el aire viciado del edificio y favorecer la entrada de aire fresco. Los sistemas de ventilación pueden combinarse con calentadores, filtros, controladores de humedad y dispositivos de refrigeración. Muchos sistemas incorporan intercambiadores de calor. Estos sistemas aprovechan el aire extraído para calentar o enfriar el aire nuevo; así aumentan la eficacia del sistema y reducen la cantidad de energía necesaria para su funcionamiento.

AIRE ACONDICIONADO

Un sistema de aire acondicionado consiste teóricamente en un conjunto de equipos que proporcionan aire y mantienen el control de su temperatura, humedad y pureza en todo momento y con independencia de las condiciones climáticas. Sin embargo, suele aplicarse de forma impropia el término ‘aire acondicionado’ al aire refrigerado. Muchas unidades llamadas de aire acondicionado son sólo unidades de refrigeración equipadas con ventiladores, que proporcionan un flujo de aire fresco filtrado.

Muchos procesos de fabricación, como los de la producción de papel, procesos textiles y de artes gráficas, requieren el acondicionamiento del aire y el control de las condiciones a las que se efectúan. Este tipo de acondicionamiento suele consistir en el ajuste de la humedad del aire. Cuando se precisa aire seco suele obtenerse por refrigeración o por deshidratación; después se conduce a unas cámaras que contienen compuestos químicos adsorbentes como gel de sílice (óxido de silicio). Para humedecer el aire se le hace circular por agua pulverizada. Si el aire tiene que estar libre de polvo, como en el caso de la fabricación de medicamentos, el sistema de aire acondicionado debe incorporar algún tipo de filtro. El aire circula a través de agua pulverizada o, en algunas ocasiones, por una red de láminas lubricadas; en otros sistemas, el polvo se elimina electrostáticamente mediante precipitadores (véase Precipitador electrostático).

Los sistemas centralizados de aire acondicionado, que proporcionan ventilación, aire caliente y aire frío, según las necesidades, se emplean en grandes almacenes, restaurantes, cines, teatros y en otros edificios públicos. Estos sistemas son complejos y suelen instalarse durante la construcción del edificio. Cada vez se automatizan más para ahorrar energía y se controlan por computadoras u ordenadores. En edificios antiguos, como edificios de apartamentos o de oficinas, se suele instalar una unidad refrigeradora con ventiladores, conductos para el aire y una cámara en la que se mezcla el aire del interior del edificio con el aire del exterior. Estas instalaciones se utilizan para refrigerar y deshumectar el aire durante los meses de verano. Hay aparatos más pequeños para enfriar una habitación, que consisten en una unidad refrigeradora y un ventilador en una estructura compacta que puede montarse en una ventana.

El diseño del sistema de aire acondicionado depende del tipo de estructura en la que se va a instalar, la cantidad de espacio a refrigerar, el número de ocupantes y del tipo de actividad que realicen. Una habitación con grandes ventanales expuestos al sol, o una oficina interior con muchos focos o bombillas, que generan mucho calor, requieren un sistema con capacidad refrigeradora mucho mayor que una habitación sin ventanas iluminada con tubos fluorescentes. La circulación del aire debe ser mayor en espacios en los que los ocupantes pueden fumar que en recintos de igual capacidad en los que no está permitido. En viviendas y apartamentos, la mayor parte del aire calentado o enfriado puede circular sin molestar a sus ocupantes; pero en laboratorios y fábricas donde se realizan procesos que generan humos nocivos el aire no se puede hacer circular; hay que proporcionar constantemente aire fresco refrigerado o calentado y extraer el aire viciado.

Los sistemas de aire acondicionado se evalúan según su capacidad efectiva de refrigeración, que debería medirse en kilovatios. Sin embargo todavía se mide en algunas ocasiones en toneladas de refrigeración, que es la cantidad de calor necesaria para fundir una tonelada de hielo en 24 horas, y equivale a 3,5 kilovatios.