Diseño de climatización en el diagrama psicrométrico

Todo proyecto de climatización empieza con dos preguntas: cuáles son las condiciones de entrada (el aire exterior y las cargas del local) y cuáles las de salida que se exigen (la temperatura y la humedad en el local). El diagrama psicrométrico hace visibles esas condiciones, permite elegir la secuencia de procesos adecuada (enfriamiento, mezcla, calentamiento, humectación) y calcular la potencia de cada componente. Este artículo recorre el procedimiento de forma simplificada con un solo ejemplo: una oficina de 100 personas en Madrid, en funcionamiento de verano.

Paso 1: fijar las condiciones de proyecto

Aire exterior: condiciones de proyecto de verano

Las condiciones de proyecto salen de datos climáticos, no de la intuición. En España, la referencia es la guía técnica del IDAE Condiciones climáticas exteriores de proyecto, que da para cada estación los percentiles del 0,4 %, 1 % y 2 %. Para Madrid-Barajas da dos condiciones de verano al 0,4 %, y conviene usar las dos:

• Temperatura seca máxima: 36,4 °C con una temperatura de bulbo húmedo coincidente de 19,1 °C. En el diagrama corresponde a φ ≈ 18 %, $W = 6{,}7$ g/kg y $h = 53{,}9$ kJ/kg.
• Temperatura de bulbo húmedo máxima: 20,8 °C con una temperatura seca coincidente de 32,8 °C, es decir, φ ≈ 34 %, $W = 10{,}5$ g/kg y $h = 59{,}8$ kJ/kg.

La primera es el día más caluroso; la segunda, el más bochornoso. En un clima continental seco como el de Madrid no coinciden, y cada una dimensiona una cosa distinta.

Condiciones interiores de proyecto

Las condiciones interiores las fija el RITE (IT 1.1.4.1.2): en verano, 23–25 °C y 45–60 % de humedad relativa para personas con actividad sedentaria. Tomamos 25 °C y φ = 50 %: entalpía 50,4 kJ/kg y humedad específica 9,9 g/kg.

Paso 2: cargas térmicas y de humedad del local

• Calor sensible: personas (100 × 65 W = 6,5 kW), iluminación, equipos informáticos y radiación solar. Para el ejemplo, 35 kW en total.
• Calor latente: el vapor que desprenden las personas (100 × 55 W = 5,5 kW) y la humedad de otras fuentes. Para el ejemplo, 7,5 kW en total.

La relación entre la carga sensible y la total, el factor de calor sensible (FCS), da la pendiente de la recta de carga del local en el diagrama. Para esta oficina, $\text{FCS} = 35/42{,}5 = 0{,}82$.

Paso 3: el estado del local y el aire de impulsión

El estado del aire interior (25 °C, 50 %) es el punto de partida. Desde él se traza la recta de carga con la pendiente que fija el FCS: indica cómo cambia el estado del aire a medida que absorbe las cargas. El aire de impulsión tiene que estar sobre esa recta, normalmente a 14–16 °C. Una temperatura de impulsión más baja reduce el caudal pero aumenta el riesgo de corrientes molestas; una más alta exige más caudal.

Con la impulsión a 15 °C, el caudal másico sale de la carga sensible: $\dot{m} = 35 / (1{,}02 \cdot 10) \approx 3{,}4$ kg/s, unos 10 200 m³/h. Para absorber los 7,5 kW latentes, el aire de impulsión debe llegar con $W$ unos 0,9 g/kg por debajo del local, es decir, con $W \approx 9{,}05$ g/kg.

Paso 4: mezcla de aire exterior y recirculado

El sistema aporta una parte de aire exterior y recircula el resto. El caudal mínimo de aire exterior lo fija el RITE (IT 1.1.4.2.3): para una oficina, calidad de aire interior IDA 2, 12,5 dm³/s por persona. Con 100 personas son 4500 m³/h, algo menos de la mitad del caudal total: tomamos 45 % de aire exterior y 55 % de recirculación.

El estado de la mezcla está sobre la recta que une el estado exterior con el interior, a un 45 % del camino desde el punto interior. Con la condición de temperatura seca máxima sale 30,1 °C, $W$ = 8,5 g/kg, $h$ = 52,0 kJ/kg.

Aquí aparece la particularidad de Madrid: la mezcla ya tiene menos humedad (8,5 g/kg) que la que necesita el aire de impulsión (9,05 g/kg). El aire exterior de un día caluroso de la meseta es más seco que el de la oficina.

Paso 5: enfriamiento hasta el estado de impulsión

Condición de temperatura seca máxima. Como la mezcla ya está suficientemente seca, la batería solo tiene que enfriarla hasta 15 °C con $W$ constante: una línea horizontal hacia la izquierda en el diagrama, que se queda por encima del punto de rocío de la mezcla (11,5 °C). No hay condensado.

$$P = \dot{m} \cdot (h_{mezcla} - h_{impulsión}) = 3{,}4 \cdot (52{,}0 - 36{,}5) \approx 52{,}5\ \text{kW}$$

El local se estabiliza algo más seco de lo previsto, en torno al 47 %, todavía dentro de la banda del RITE.

Condición de bulbo húmedo máximo. Ahora la mezcla sale a 28,5 °C con $W$ = 10,2 g/kg y $h$ = 54,6 kJ/kg: más humedad de la que admite la impulsión. La batería tiene que enfriar por debajo del punto de rocío, hasta unos 13 °C, para bajar $W$ a 9,05 g/kg. En el diagrama, la línea baja hacia la izquierda en dirección al ADP sobre la curva de saturación (los detalles del factor de bypass están en el artículo sobre la batería de frío).

$$P = \dot{m} \cdot (h_{mezcla} - h_{salida\ batería}) \approx 3{,}4 \cdot (54{,}6 - 35{,}9) \approx 64\ \text{kW}$$

con unos 14 kg/h de condensado. Es la condición que dimensiona la batería: el día más bochornoso pide un 20 % más de potencia que el más caluroso, y casi toda la diferencia es deshumectación. Una parte de esa potencia se debe a la carga del aire exterior, además de la carga propia del local del paso 2.

Paso 6: recalentamiento y selección de los componentes

Si el aire sale de la batería demasiado frío o demasiado húmedo (φ > 95 %), se añade un recalentamiento: una línea horizontal hacia la derecha en el diagrama ($W$ constante, $t$ creciente). En el ejemplo, pasar de 13 a 15 °C en el caso húmedo cuesta unos 7 kW. A partir de las diferencias de entalpía y de los caudales se eligen después la potencia de la batería de frío, las de calor, el caudal del fluido caloportador y la potencia de humectación para el invierno. Cada valor tiene su equivalente visual en el diagrama. Por eso compensa dibujar una vez el resultado a mano en una hoja en blanco para imprimir y comprobar por su forma si la cadena de procesos tiene sentido.

Funcionamiento en invierno: otro diagrama, la misma lógica

En invierno el aire exterior es frío y seco, y el local hay que calentarlo y humectarlo. La condición de proyecto de invierno de Madrid-Barajas en la misma guía es −3,8 °C (percentil 99,6 %) con una humedad coincidente del 84 %. Ese aire tiene muy poca humedad específica ($W \approx 2{,}3$ g/kg), y al calentarlo a 22 °C su humedad relativa cae al 14 %. Un recuperador de calor entálpico resuelve una parte; aun así, para llegar al 40 % que el RITE pide como mínimo en invierno, la humectación es prácticamente imprescindible en cualquier edificio con ventilación mecánica.

Iterar el diseño a mano es tedioso. En PsychroView se introducen los estados del aire exterior e interior, se fija la proporción de recirculación y se ven al momento el estado de la mezcla, el recorrido del enfriamiento y las potencias resultantes: un cambio en un parámetro se refleja en todo el esquema.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la potencia frigorífica se calcula con la entalpía y no con la temperatura? Una batería de frío extrae calor sensible y latente. La diferencia de temperaturas solo recoge la parte sensible; el calor del vapor que condensa solo lo recoge la diferencia de entalpías. Dimensionar solo con la temperatura lleva a una batería siempre corta, sobre todo en la costa y en el día bochornoso de proyecto.

¿Dónde está en el diagrama el estado de la mezcla de aire exterior y recirculado? Sobre el segmento que une los dos estados, en la posición que fija la proporción de caudales, más cerca del estado con mayor fracción másica. Con un 45 % de aire exterior, la mezcla está a un 45 % del camino desde el punto interior.

¿De dónde salen las condiciones exteriores de proyecto de mi localidad? En España, de la guía técnica del IDAE Condiciones climáticas exteriores de proyecto, que da los percentiles de invierno y de verano de más de cien estaciones. Fuera de España, de ASHRAE Climatic Design Data o de las bases nacionales; lo habitual es el valor con una probabilidad de superación del 0,4 % anual. La aplicación busca además condiciones de proyecto para cualquier emplazamiento a partir de datos de reanálisis.