Para entender y conceptualizar la manera en que se puede refrigerar un edificio
Escrito por Industria Ambiental
Este es un análisis de transferencia de calor de una importante Estación Transformadora perteneciente a la Empresa Provincial de la Energía de la Provincia de Santa Fe (EPESF) ubicada en la ciudad de Rosario. El objetivo del mismo es disminuir la carga aportada por los dos transformadores (usualmente denominados trafos), al aplicar ventilación forzada, para de esta manera aumentar las renovaciones de aire del recinto. Se intervienen principalmente las cargas conductivas y radiactivas aportadas por los trafos, muros, ventanas y techo y por la ventilación.
Figura 1.Izquierda: Esquema del Edificio EPESF donde el plano horizontal que intercepta el edificio describe el nivel de piso; Derecha: detalle de la fachada .Fuente: Plano 04 Obra Civil E.T. Mendoza EPESF.
En la Figura 1 podemos observar una vista del edificio mencionado y su fachada. En esta construcción se albergarán dos trafos de 40 MVA cada uno, con un volumen de aceite de aproximadamente 18000 litros, los cuales pueden alcanzar una temperatura de operación de hasta 60°C. En la Figura 2 podemos observar un corte esquemático del trafo.
Figura 2: Corte de Trafo 40 MVA. Fuente: Plano 03 Obra Civil E.T. Mendoza EPESF
Se realizaron diversos análisis empleando modelización matemática, de manera de disminuir la carga térmica para un día cálido promedio del periodo estival. En la Figura 3 podemos observar una representación esquemática del Edificio, donde se detallan los ingresos y egresos del aire, cuyo número de renovaciones será modificado, de modo de lograr que el edificio no supere determinados niveles de temperatura interior.
Se desestimó incorporar un film reflectivo a las dos grandes fachadas vidriadas al Sur, debido a que la cristalería existente presenta una rugosidad que dificulta la colocación del film reflectivo y que la contribución a la reducción de la carga térmica es relativamente baja, respecto de otras contribuciones.
Figura 3: Representación esquemática del edificio. Las flechas amarillas indican el ingreso del aire exterior y las flechas rojas, el egreso de aire interior más caliente. También se han considerado las transferencias de calor por conducción y por radiación
En la Tabla 1 detallamos el valor máximo de carga de refrigeración en función de las renovaciones de aire por hora y los componentes de refrigeración de las ventanas y ventilación. Adoptamos como Temperatura de ajuste de refrigeración 36ºC, como ejemplo típico (ver la gráfica 4 para otras temperaturas).
Tabla 1: Valor máximo de carga de refrigeración para distintas renovaciones de aire y una temperatura de 36 ªC.
De acuerdo a los resultados obtenidos de la Tabla 1 se propone diseñar ventiladores con la potencia necesaria para realizar 10 renovaciones por hora del volumen del ambiente analizado. Siendo el volumen del edificio igual a 4550 m3 y cinco los ventiladores a instalar (estratégicamente de modo que la circulación del aire sea la más eficiente posible) para efectuar las renovaciones, resulta: Volumen a renovar por hora por ventilador: 9100 m3/hora.
Asumiendo una eficiencia de los motores y sistema a instalar del 80% deberá adoptarse ventiladores con un Caudal de aire de 11500 m3/hora. Para mejorar la eficiencia del sistema, se propone además la instalación de cuatro forzadores que impulsen el aire caliente producido por los transformadores, a fin de disminuir la carga de los mismos por convección forzada.
Caudal de aire de cada forzador: 5750 m3/hora. Los forzadores deberán incorporar deflectores de manera de dirigir el flujo hacia la arista formada por la cara sur y la parte superior de los trafos. Se recomienda además 3 ventiladores hacia cada una de las caras Este, Norte y Oeste de cada trafo, lo que implica un total de 6 ventiladores interiores.
Figura 4: Gráfica de cargas necesarias (valores positivos) o de cargas no necesarias o superfluas si se aplica más renovación de aire que el punto de cruce con la línea horizontal de valor 0 de carga (valores negativos) (W) en función de las renovaciones por hora, para distintas temperaturas de ajuste de refrigeración del aire.
En la Figura 4 podemos observar el comportamiento del edificio en función de las renovaciones de aire por hora, para distintas temperaturas de ajuste de refrigeración. Estas últimas han sido fijadas en 35°C, 36°C y 37°C. Observamos que para una misma cantidad de renovaciones de aire, la carga necesaria para distintos ajustes disminuye a medida que los valores de ajuste de refrigeración aumentan. Así tenemos por ejemplo que la carga para 9 renovaciones por hora y un ajuste de 35°C es igual a 22076W y para 37°C arroja un valor negativo de -4980W, indicándonos este último valor que 9 renovaciones por hora sobrepasa la exigencias teóricas planteadas.
En la Figura 5 podemos observar un corte donde se aprecian los trafos, el forzador para mejorar la convección y el extractor axial en la parte superior de la construcción.
Figura 5: Corte Transversal del edificio mostrando las ubicaciones de los extractores y forzadores de aire.Fuente: Plano 03 Obra Civil E.T. Mendoza EPESF
Propuesta Final:
De acuerdo al estudio realizado y las consignas planteadas por el comitente, se propone:
* Instalación de cinco (5) extractores axiales con un caudal mínimo de 11500 m3/hora cada uno. Dichos extractores estarán ubicados en la fachada sur. Ver corte de Figura 5.
* Instalación de cuatro (4) forzadores axiales con un caudal mínimo de 5750 m3/hora cada uno. Dichos forzadores estarán ubicados en la fachada sur. Ver corte de Figura 5.
* Instalación de tres (3) ventiladores interiores por cada trafo (6 en total), orientados hacia las caras verticales Este, Norte y Oeste de cada uno de los trafos, con potencia suficiente como para producir una alta convección del aire en cada cara.
Por. Ing. Marcelo Vega
Docente investigador (LESyC)-IMAE- FCEIA- UNR
Coordinador del Comité Académico de Energías AUGM
Miembro del Organismo de Estudio de Normas IRAM. Subcomité: Acondicionamiento Térmico de Edificios y Subcomité: Eficiencia Energética Edificios