aire acondicionado clara caballero raúl garcía javier herce marta marbán silvia san segundo belén vigil
composición
índice 1. ¿Cómo funciona el aire acondicionado? 1.1 Introducción a la termodinámica 1.2 Ciclo de Carnot 1.2.1 fases 1.2.2 componentes 1.3 tipos de aire acondicionado 1.3.1 aire aire 1.3.2 agua – aire 1.3.3 agua – agua 1.3.4 aire – agua 2. Evolución de los sistemas de refrigeración/ventilación 2.1 Antecedentes. Sistemas pasivos 2.2 Antecedentes. Sistemas activos 2.3 Aparición del aire acondicionado de Carrier 3. El aire acondicionado y la arquitectura 3.1 Introducción: cambio del paradigma 3.2 Fichas 3.2.1
Instalación aire acondicionado convencional
3.2.2
Arquitectura pasiva
3.2.3
Aire acondicionado integrado en la arquitectura
3.2.4
Investigación
Âż CĂłmo funciona el aire acondicionado?
Figura 1. Esquema sobre el principio de transmisiĂłn de energĂa 6
introducción a la termodinámica
Figura 2. Esquema sobre la conduc-
Figura 3. Esquema sobre la convec-
Figura 4. Esquema sobre la conducción
La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Para la comprensión del funcionamiento del aire acondicionado debemos comprender los dos ciclos termodinámicos que se producen en su interior. Ciclo del aire La refrigeración de un espacio no se produce por la introducción de aire frío sino por la extracción de calor. Esta transición se fundamenta en el “Principio de la transmisión de calor”: siempre que dos cuerpos o sistemas que estén en contacto y cuyas temperaturas sean distintas, existirá un flujo de calor que se trasladará del más caliente al menos caliente. La transferencia de calor entre dos sistemas se clasifica en tres situaciones diferentes dependiendo del medio de transmisión: • Conducción: intercambio a través del contacto de los dos sistemas. • Convección: intercambio a través de un fluido gas o líquido en movimiento que transporta la energía térmica. • Radiación: intercambio a través de las ondas electromagnéticas que todo cuerpo irradia. El sistema que provoca la transferencia de calor en el aire acondicionado es la convección. Por tanto lo que se realiza dentro del aire acondicionado es la transición de aire caliente a aire frio tras su paso por conductos portadores de refrigerante que provocan el cambio de temperatura en el aire. 7
Figura 5. Esquema de transmisiรณn de calor en el interior y exterior del local a acondicionar 8
ciclo de carnot Una vez es explicada la recirculación y el cambio de temperatura que se produce en el aire gracias al paso de éste a través de conductos de refrigerante, es necesario comprender cómo se obtiene unos conductos “fríos” (evaporador) por los que pasar el aire interior para “enfriar” un espacio, y a su vez el paso de aire exterior por conductos “calientes” para expulsar el calor. Esto significa comprender el circuito continuo del refrigerante y con ello el entendimiento del ciclo continuo de extracción de calor de un espacio. El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de alta temperatura y cediendo un calor Q2 a la de baja temperatura. Este proceso consta de varias fases donde el refrigerante pasa por diferentes estados que permiten la extracción del calor de un local (seguir las fases atendiendo al esquema realizado en la siguiente página).
Figura 6. Esquema de las fases del circuito de Carnot 9
Figura 7. Esquema de las fases del ciclo de carnot 10
fases Evaporación: en un primer momento el refrigerante se encuentra en estado líquido a baja presión, el cual se evapora durante su recorrido a través de un serpentín (evaporadora) al estar en contacto con el aire caliente del interior del espacio.
Figura 8. Compresión
Figura 9. Estado neutro del gas
Compresión: el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada del compresor donde un pistón comprime el gas. En este momento el gas ve aumentado su presión y temperatura. Condensación: el gas a alta presión y temperatura llega al segundo serpentín del circuito, el condensador, el cual permite poner en contacto el refrigerante con el aire exterior a menor temperatura a través de un ventilador. Esto provoca por un lado, la transmisión del calor al exterior y por otro, el cambio de estado de gas a líquido del refrigerante, ya que cuando el vapor caliente evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a la nueva temperatura y el vapor se condensa, volviendo al estado líquido. Expansión: el líquido traspasa una válvula de expansión que produce una reducción brusca de la presión del refrigerante y que permite el nuevo comienzo del ciclo a la llegada del evaporador.
Figura 10. Diagrama de fases. Expansión 11
Figura 11. Esquema de los componentes principales del circuito de 12
componentes Una vez mencionadas las fases del proceso es relevante señalar los componentes fundamentales que permiten los cambios de presión y temperatura requeridos. La morfología de los componentes puede variar según el tipo de acondicionador que sea utilizado y de las solicitaciones que este necesite, pero siempre se mantendrán los principios funcionales que permite establecer la continuidad del ciclo. Figura 12. Compresor
Figura 13. Válvula de escape
Figura 14. Serpentín tubular para evaporador y condensador
1. Evaporador: es un conducto tubular enrollado en espiral, en donde el refrigerante que se encuentra a baja presión y temperatura modifica su estado para absorber el calor del interior del espacio. El refrigerante a baja temperatura entra en contacto con las paredes del evaporador las cuales se encuentran a su vez en relación con el aire caliente del interior del local que pretende ser recirculado. Gracias al principio de transmisión térmica que hemos mencionado, el calor del ambiente es absorvido por el refrigerante, es decir, el calor se traslada de lo mas caliente a lo más frio por lo que el aire recirculado es enfriado y el refrigerante calentado. Dicha absorción provoca el enfriamiento de las paredes del aparato y por consiguiente, el enfriamiento del aire que lo rodea. 2. Compresor: máquina esencialmente compuesta por un equipo rotativo de biela y manivela, un pistón y válvulas de aspiración y descarga. El compresor succiona los vapores del refrigerante desde el evaporador y los comprime, o sea, eleva la presión a una temperatura tal que permita licuar posteriormente en el 13
Figura 15. Diagrama de funcionamiento de los componentes del ciclo de carnot 14
condensador debido a la diferencia de temperatura. En este elemento es donde es entregada la fuerza motriz necesaria para el funcionamiento del sistema, es decir, aquí se realiza el gasto de energía. 3. Condensador: constituye el segundo intercambiador de calor y se conforma con la misma morfología que el evaporador, un conducto tubular enrollado en espiral. Tiene por finalidad condensar los vapores refrigerantes a alta presión provenientes del compresor y transformarlo en líquido gracias a la menor temperatura del aire exterior. El calor extraído al refrigerante es entregado al medio ambiente, ya sea por un enfriamiento de este elemento mediante agua (expansión indirecta) o gracias a la menor temperatura del aire exterior (expansión directa). A la salida del condensador nos encontramos con líquido refrigerante a alta presión. 4. Válvula de expansión: dispositivo cuya finalidad es reducir la presión del líquido refrigerante proveniente del condensador y entregarlo como líquido a baja presión al evaporador. Esta reducción de presión es fundamental para poder lograr la evaporación del refrigerante en el evaporador. Es posible clasificar los elementos según su principal función, siendo evaporador y condensador elementos que modifican la temperatura y en los cuales se produce el intercambio de calor. Y por el otro lado, el compresor y la válvula de expansión como modificadores de presión del refrigerante. 15
Figura 16. Componentes y fases del aire acondicionado 16
tipos de aa Los distintos sistemas de aire acondicionado se clasifican basándose en los distintos medios que se emplean como focos para su funcionamiento. De esta manera se establece una clasificación en el que el primer término se refiere al medio del que se toma el calor, y el segundo se refiere al medio receptor (medio al que se cede el calor). De esta manera podemos encontrar distintos elementos mecánicos que realizan las fases del ciclo de refrigeración pero siempre se conservará las etapas anteriormente mencionadas. Hay distintas maneras de clasificar los aires acondicionados en base a su morfología, en este caso se ha seleccionado la clasificación según los focos de salida y de llegada:
Esquema de clasificación 17
Figura 17. Esquema del circuito aire-aire 18
sistema descentralizado (aire-aire) Se denomina sistema descentralizado porque se encuentra basado en la dispersión de los elementos. Se utilizan máquinas individuales que realizan el tratamiento completo del aire en cada local que se desea climatizar, a diferencia de los centralizados que poseen un equipo central distribuidor. Se define aire – aire porque el calor siempre se toma del aire y se cede al aire que se encuentra en el exterior e interior del local a condicionar. Un equipo de aire acondicionado descentralizado es un equipo autónomo y por tanto cuenta con su propia producción de frio y calor, y con todos los elementos necesarios para efectuar el tratamiento del aire. A su vez, estos equipos tienen un intercambio directo entre el aire a acondicionar y el refrigerante, no utilizando agua como fluido calo portador, presentando también baterías de expansión directa como son los condensadores y evaporadores que se encuentran en contacto directo con el medio a enfriar o calentar. Este sistema es idóneo cuando se trata de acondicionar un local pequeño o vivienda independiente del resto del edificio. Refrigerante
aire interior
aire exterior
Figura 18. Diagrama aire-aire 19
Figura 19. Esquema aa compacto
Figura 20. Esquema aa split
Figura 21. Esquema aa de conductos 20
aa compacto Un aparato de aire acondicionado de ventana es aquel que consta de una única unidad que se instala en el hueco de una ventana o muro exterior, quedando medio equipo fuera y medio dentro.
Figura 22. Dispositivo de aire acondicionado compacto de ventana
Los aires acondicionados de ventana tienen a favor su bajo costo de instalación y fácil mantenimiento, y en contra que consumen bastante electricidad, son ruidosos y en algunas comunidades de vecinos no se permite su instalación.
aa partido: split En este tipo de aparatos está conformado por unidades separadas. Una de ellas se monta en el interior del local a condicionar (evaporador) y la otra en el exterior (condensador). Ambas partes del circuito son conectadas mediante conexiones eléctricas y frigoríficas.
Figura 23. Dispositivo de aire acondicionado split
También podemos encontrar sistemas donde exista multiplex unidades interiores y una única unidad exterior, este sistema es denominado multi-split.
aa de conductos
Figura 24. Dispositivo de aire acondicionado de conductos
El aire acondicionado de conductos es aquel que unifica los procesos de evaporación y condensación en una única unidad exterior y es mediante una red de conductos de aire mediante los cuales el aire es recirculado a los distintos espacios. 21
Figura 25. Esquema de circuito agua-aire 22
sistema centralizado (agua-aire) Los sistemas centralizados son aquellos que presentan un intercambio indirecto entre el aire a acondicionar y el refrigerante a través de agua como fluido intermedio. Su principal característica es la existencia de una unidad exterior productora del frio o calor. Figura 26. Suministro de fan-coil
Figura 27. Dispositivo evaporador
Este sistema utiliza el agua como medio del que se toma el calor y el aire como medio receptor. Los sistemas centralizados agua-aire se caracterizan por ser sistemas basados en la producción de agua fría en plantas enfriadoras condensadas por aire. La enfriadora contiene el ciclo de Carnot en el interior y mediante otro circuito (cerrado de agua) la evaporadora le roba calor al agua siendo entonces esta la encargada de transportar el frío a los elementos de difusión de las diferentes áreas a acondicionar (fan - coils,suelos radiantes o radiadores de baja temperatura). Por otro lado por la condensadora es recirculado el aire exterior, el cual permite la transmisión de calor del gas refrigerante a alta presión y temperatura al exterior.
Agua
aire interior
Figura 28. La unidad terminal interior puede ser suelo radiante frío
Refrigerante
aire exterior
Figura 29. Diagrama agua-aire 23
Figura 30. Esquema de circuito agua-agua 24
sistema centralizado (agua-agua) En este caso de sistema centralizado, el agua es tanto el medio del que se toma el calor como el medio receptor.
Figura 31. Torre de refrigeración
Los sistemas centralizados agua-agua se caracterizan por ser sistemas basados en la producción de agua fría en plantas enfriadoras condensadas por agua. Existen tres circuitos cerrados en este tipo de sistema. El circuito del refrigerante (dentro de la enfriadora) está en contacto con los dos circuitos de agua existentes, es en esos puntos donde se produce el intercambio de calor de un circuito/medio a otro.
Figura 32. Máquina frigorífica en cuyo interior se realiza el ciclo de
El circuito de agua exterior debe estar conectado a aerorefrigeradores o a torres de enfriamento donde se produce el intercambio de calor del agua al aire exterior. En el caso de que se realice mediante torre de enfriamiento, al no tratarse de un circuito cerrado puro, deberá tenerse en cuenta el problema de la legionela, para lo cual hay que instalar sistemas de dosificación y control de biocida. El segundo circuito de agua es el encargado de llevar el frío a los elementos de difusión de las áreas a acondicionar: fan coils.
Figura 33. Rejillas superiores de emisión de aire tratado 25
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Figura 34. Esquema de circuito
sistema centralizado (aire-agua)
Figura 35. Aerorefrigerador
Los sistemas centralizados aire agua son los menos comunes y menos utilizados, siendo el aire el medio del que se toma calor y el agua el medio receptor. Al igual que en el sistemas agua-agua, existe un circuito de agua en contacto con el circuito de refrigerante que debe estar conectado a aerorefrigeradores o a torres de enfriamiento para reducir su temperatura. La evaporadora en cambio está directamente en contacto con el aire, que mediante conductos se canaliza hasta los diferentes difusores encargados de repartir el aire en el local. Los sistemas centralizados aire-agua tienen el inconveniente de tener que distribuir el aire ya tratado hasta los locales a climatizar, para lo que se precisan conductos de considerables secciones que precisan la reserva de espacios en patinillos y falsos techos de manera amplia.
Figura 36. Red de conductos de ventilación
Finalmente es necesario mencionar que dentro de cada uno de los sistemas descritos existen múltiplex variaciones que permiten adecuarse más específicamente a las solicitaciones individuales de cada tipo de edificación o programa, presentándose en este documento los conceptos más generales y relevantes para la comprensión de los circuitos de aire acondicionado.
Figura 37. Conductos de ventilación 27
Evoluciรณn de los sistemas ventilaciรณn/ refrigeraciรณn
2.1 Antecedentes. Sistemas pasivos Antes de que el aire acondicionado hiciera su aparición, la arquitectura se servía de diversos recursos para conseguir la ventilación y refrigeración de sus espacios interiores. Es lo que se conoce como ventilación natural, que a diferencia de la ventilación con dispositivos mecánicos hace uso de los medios de su entorno y no supone un gasto energético al uso. Sin embargo, este tipo de ventilación es más complicada y difícil de controlar en cuanto a la velocidad del aire, el caudal, o los posibles ruidos o entradas de polvo por las ventanas. La ventilación sustituye el aire interior del edificio, renovándolo y por otro lado moviéndolo, en ocasiones sin producirse la renovación. En ambos casos, bien sea por una entrada de aire a menor temperatura o incrementando la velocidad del aire, se reduce la temperatura efectiva del interior de los edificios. La ventilación se produce cundo existen diferencias de presión entre el interior y el exterior. De esta manera, son las ventanas abiertas las que ponen en contacto dos ambientes con distintas presiones, las cuales tienden a equilibrarse. En todos los edificios hay fachadas con sobrepresiones y fachadas con depresiones. En las zonas con depresiones habrá detrimento de la ventilación. En estos casos, las zonas de remanso pueden evitarse reduciendo la altura del edificio o elevándolo sobre el terreno.
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Figura 38. Cabaña clima cálido húmedo
Figura 39. Esquema de ventilación de las cabañas en clima cálido hú-
Encontramos dentro de la ventilación natural dos tipos de ventilación relacionados. Son la ventilación cruzada y la ventilación inducida. Mientras que la ventilación cruzada se da al abrir huecos en fachadas distintas (que no tienen por qué ser opuestos), la ventilación inducida es la que trata de canalizar grandes cantidades de aire forzando la entrada de viento a través de grandes aberturas bien ubicadas potenciando su salida con la diferencia de presión o temperatura del aire gracias a elementos como las chimeneas de viento. En función del clima predominante podemos encontrar que se llevan a cabo una serie de estrategias u otras diferentes. 1. Clima cálido-húmedo [figuras 38 y 39] Las características de estos climas son la radiación intensa; Las temperaturas altas con pocas oscilaciones diarias y estacionales; La humedad alta; Y las lluvias abundantes al menos una parte del año.
Figura 40. Ejemplo de construcciones en clima cálido seco
Las estrategias más extendidas para sobreponerse a las condiciones climatológicas y conseguir el confort en el interior de los edificios son generar una arquitectura ligera que esté muy ventilada; Con materiales sin gran inercia térmica; Colocar protecciones acusadas contra la radiación solar a través de pronunciados aleros; Y emplear grandes volúmenes interiores. 2. Clima cálido-seco [figuras 40 y 41] Las características de estos climas son las temperaturas diurnas altas y nocturnas bajas; Un intenso asoleo; Precipitaciones poco frecuentes; Zonas áridas con poca vegetación.
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Las estrategias más efectivas son construir unos edificios compactos, con pocos huecos; Paredes gruesas con materiales de alta inercia térmica; Y el uso de estrategias de enfriamiento latente. Encontramos varios tipos de arquitectura vernácula con estos principios, como la casa-cueva del Sacromonte y la Capadocia, en Granada y Turquía respectivamente; La casa enterrada, menos habitual y extendida; La construcción de edificios con tierra de adobe y huecos pequeños, como en la ciudad marroquí de Uarzazate; O el tipo de edificio-patio, que nos ofrece la oportunidad de introducir sombras y una estratificación de las temperaturas; Aportes de humedad al ambiente a través de la vegetación o curso del agua (enfriamiento evaporativo); Iluminación y ventilación natural de las estancias.
Figura 41. Sección tipo de circulación del aire en clima cálido seco
Figura 42. Sistemas de protección utilizados
3. Clima templado [figuras 42 y 43] En este tipo de climas tenemos en primer lugar un amplio abanico de posibilidades; Se suele dar en un clima continental de inviernos fríos y veranos calurosos. Por lo que la variación de temperaturas a lo largo del año tiene una amplitud importante. Las estrategias pasan por hacer una arquitectura adaptable con sistemas flexibles a través de protecciones y aislamientos, tratando de corregir las condiciones del entorno.
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Figura 43. Tipos de arquitectura utilizados en clima templado
4. Clima variable [figuras 44, 45, 46, 47, 48, 49 y 50]
Figura 44. Arquitectura transportable de madera y piel
- Arq. Transportable [Madera y piel] Baja inercia térmica basada en el movimiento del aire donde se utilizan estructuras ligeras, adaptables, flexibles y transportables; Se busca un alto rendimiento de escasos recursos en base a sistemas estancos. Los ejemplos más conocidos son la Yurta de Asia central, el Tipi de los pueblos indígenas de Estado Unidos o la Jaima de los pueblo nómadas árabes. - Arquitectura efímera [Hielo y piel] El Iglú de los esquimales.
Figura 45. Funcionamiento bioclimático de un iglú
- Torres de viento Dispositivo arquitectónico de tradición iraní, también conocido como captador de viento o catavientos. En persa, bagdir, en árabe, malqaf. Utilizado durante muchos siglos para proveer de ventilación natural y de refrigeración al interior de los espacios. Un captador de viento en altura, con cuatro aperturas tradicionalmente, cierra todas ellas menos la orientada a la dirección predominante del viento. Obligando al aire a descender a las estancias, a la vez que el aire caliente sube por efecto chimenea por las otras tres aperturas.
Figura 46. Ejemplo de una torre del viento en funcionamiento
Por otro lado, el aire de cotas más bajas, desciende hacia un conducto con agua bajo el edificio, llamado qanat, el cuál a través de paños húmedos humedece el aire seco y absorbe parte del calor sensible. Estas estrategias, se combinan con una arquitectura compacta con materiales de alta inercia térmica como el adobe o el ladrillo que minimizan las pérdidas y reducen los efectos de la radiación solar.
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- El Baori [evaporaciรณn de agua] Aljibe escalonado de la India que permite acceder al agua mediante una serie de gradas o escaleras. Pueden estar cubiertos y protegidos y eran abundantes en el Oeste de la India. Bรกsicamente son cuerpos de agua encapsulada en una serie descendiente de escalones con una finalidad tanto de acopio de agua como de ser un lugar social Cuando el agua expuesta al sol se evapora, inmediatamente la temperatura de alrededor baja. De esta manera se produce un enfriamiento pasivo actuando como un disipador de calor.
Figura 47. Tipos de planta de las torres de viento
Figura 48. Esquema de funcionamiento de las torres de viento
Es el mismo sistema que permite que el agua dentro de un botijo se mantenga fresca. El material cerรกmico que acoge el agua permite el paso del agua hacia el exterior gracias a la porosidad del mismo, de esta manera esa agua en contacto con el sol se evapora. Acto seguido, la temperatura del agua del interior desciende como consecuencia directa de la evaporaciรณn. Figura 49. Botijos que funcionan con el mismo sistema que los baori
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Figura 50. Ejemplo de baorí
- Estrategias generales
1. Para provocar la ventilación cruzada lo mejor es abrir huecos en la cubierta, generando corrientes de aire desde las plantas inferiores a las superiores, ya que el aire caliente está en capas superiores 2. Colocar ciertos obstáculos salientes en fachada para inducir con ello el movimiento de aire. 3. Colocar obstáculos en planta para lograr renovar el aire en el mayor número de estancias posibles. 4. Crear huecos de distinto tamaño para modificar la velocidad del aire gracias al efecto Venturi. 35
2.2 Antecedentes. Sistemas activos Como hemos podido comprobar, durante miles de años el hombre advirtió que las corrientes de aire mitigaban el calor, pero era incapaz de hacer algo al respecto. A lo máximo que llegó fue a refugiarse en cuevas o a meterse en el agua. Pero llegó un día en que comenzó a pensar cómo podría disminuir la temperatura del ambiente a su antojo. El primer acondicionador fue idea de un mercader de Babilonia que hace cuatro mil años se fijó en que la baja humedad del aire da lugar a una rápida evaporación que enfría el ambiente. Varias civilizaciones antiguas enfriaron sus palacios de esa manera: al ponerse el sol, los criados regaban el suelo y las paredes para que la evaporación resultante, combinada con el enfriamiento de la noche, aliviara el calor. En la India antigua se colgaban esteras de hierba húmeda en puertas y ventanas para que al filtrarse el aire rebajara la temperatura. Hace más de mil años, en algunos palacios del imperio musulmán el aire pasaba por una pared de vegetación rociada con agua cuya evaporación enfriaba el ambiente. Aunque se sabe que Leonardo da Vinci se había interesado por el problema, el primer procedimiento técnico para acondicionar el aire surgió en el año 1555. Estaba basado en la ventilación artificial, sistema utilizado en la minería de la época, basado en dos
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figura 51. Ilustración de los métodos de ventilación minería en 1555
figura 52. Ilustración de los elementos de ventilación minería en 1555
métodos diferenciados [figuras 51, 52, 53, 54 y 55]. Si bien ambos eran activados con la ayuda de hombres o animales, en unos casos eran empleados ventiladores basados en el funcionamiento de las norias, donde se hacía girar la máquina compuesta por varias paletas con “abanicos” incorporados, haciendo circular el aire del interior de los túneles hacia el exterior, mientras que el otro método existente que permitía la ventilación consistía en la impulsión de aire al interior de los túneles, poniendo en circulación el mismo, haciendo con ello efectiva la ventilación de cualesquiera que fueran los espacios de los que las minas estaban compuestas. Básicamente la diferencia de ambos métodos se basaba en las máquinas empleadas para insuflar el aire al interior de las galerías. figura 53. Ilustración de las palas de los ventiladores en 1555
figura 54. Ilustración de los métodos de ventilación minería en 1555
No obstante de aquel logro, el primer ventilador del que hay noticia, no funcionó hasta 1711, forma científica de aportar aire fresco a los ambientes cerrados ideado por Johann Justus Bartels, que con su artilugio introducía aire fresco en los túneles y espacios cerrados a la vez que extraía el aire viciado. Pero el invento del acondicionador de aire se atribuye a Stephen Hale [figura 56 y 57] que en 1741, quien introdujo sus ideas acerca de la ventilación en los barcos y mejoras sobre las mismas para los viajes por mar. En función de la configuración de la máquina, el aire era conducido hasta su destino a través de válvulas, tanto para el interior como para el exterior. Esta máquina necesitaba de la actuación constante de dos hombres para su correcto funcionamiento, lo que implicaba la realización de turnos en la tripulación para mantenerla en
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figura 55. Ilustración de los métodos de ventilación minería en 1555 38
constante movimiento. Con este invento Stephen Hales era capaz de hacer circular cerca de 5000m3/hora de aire. Además de su empleo en barcos, el sistema de ventilación diseñado por Stephen Hales, fue también utilizado en minas y prisiones [figura 58] – como la cárcel de Newgate, que contaba con este artefacto incorporado en la puerta de la fachada principal-, así como para el secado de grano y la conservación de alimentos. En ese mismo año, el miembro de la Royas Society of Sciences de Uppsala, Marten Triewald introdujo otra máquina ventiladora que permitía la circulación de 843.820m3/hora de aire. Ambos mecanismos constaban de palas que al entrar en movimiento bombeaban el aire y lo dirigían a través de conductos, generando con ello corrientes de aire. Figura 56. Ventilador de Stephen Hales
Figura 57. Espacios de impulsión de aire de Stephen Hales
Es en el año 1769 con la aparición del motor de vapor, diseñado por James Watt, desapareció la necesidad de mano de obra humana o animal para activar los sistemas de ventilación, llegando a ver en acción a 1820 ventiladores completamente accionados mediante motores de vapor, lo que llevó a un aumento aún mayor en las cantidades de aire que podían ser puestas en movimiento y, consecuentemente, de las condiciones de confort. En el año 1834 David Boswell Reid recibe el encargo del diseño de la ventilación de la cámara de los lores [figura 59] en Londes, poniendo en marcha un sistema formado por ventiladores y torreones de toma de aire desde los cuales se hacía circular el aire a través de conductos, impulsando posteriormente el mismo desde diferentes puntos del espacios, logrando climatizar el mismo con ventiladores accionados de manera mecánica, sin hacer uso de la mano de obra humana en estas instalaciones.
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Estos métodos de ventilación impulsados por el propio Reid fueron puestos en marcha en St. Georges Hall [figuras 60, 61 y 62], en la ciudad de Liverpool, siendo ésta la única obra en la que el sistema se puso en marcha al completo, según palabras del propio Reid. El sistema era puesto en movimiento con la ayuda de un motor de vapor de 12kW que movía 4 palas de 3 metros de diámetro cada una, las cuales, mediante la variación de la velocidad a la que eran puestas en marcha y del número de ellas que eran puestas en movimiento, movían entre 0,5 m3/s y 25 m3/s. Los dos principales tanques que suministraban el aire fresco estaban situados en la parte Este del edificio, los cuales contaban con fuentes en su parte inferior para “limpiar” aire que se hacía circular por el interior del edificio. Fue ya en el siglo XIX cuando comenzó a tratarse la refrigeración y, consecuentemente, a introducir la misma en los sistemas de ventilación, permitiendo con ello la mejora de las condiciones de confort en el interior de los espacios. En el año 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. Para ello, se basó en 3 principios: -El calor se transmite de la temperatura más alta a la más baja, como cuando enfriamos un café introduciendo una cuchara de metal a la taza y ésta absorbe el calor. -El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Por ejemplo, si humedecemos la mano en alcohol, sentimos frío en el momento en que éste se evapora, puesto que absorbe el calor de nuestra mano.
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Figura 58. Ventilador instalado en la puerta principal de la cárcel de Newgate
figura 59. Sistema de climatizacion de la cรกmara de los lores por David Boswell Ried 41
figura 60. Sistema de ventilaciรณn de St. Georges Hall, en Liverpool
figura 61. Sistema de ventilaciรณn de St. Georges Hall, en Liverpool
figura 62 Sistema de ventilaciรณn de St. Georges Hall, en Liverpool 42
-La presión y la temperatura están directamente relacionadas. En un recipiente cerrado, como una olla, necesitamos proporcionar menor cantidad de calor para llegar a la misma temperatura que en uno abierto.
Figura 63. John Gorrie. Diseñador de la primera máquina frigorífica
En el año 1851, el médico americano John Gorrie [figura 63, ideó una máquina frigorífica que utilizaba el principio de la expansión del aire [figura 64]. Gorrie, que era médico en Florida, conseguía con esta máquina reducir la temperatura de sus pacientes, mejorando con ello las condiciones de los mismos frente a las fiebres. A pesar de ello fue objeto de burlas por parte de la prensa y de ciertos sectores de la población, lo que le impidió llevar a cabo la producción de sus máquinas antes de fallecer.
figura 64. Modelo de la primera máquina frigorífica
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2.3. Aparición del aire acondicionado de Carrier A pesar de los avances mostrados acerca de la ventilación por medios mecánicos de los espacios y los primeros acercamientos a los elementos de refrigeración, fue Willis H. Carrier [figura 65] quien se convirtió en el precursor del aire acondicionado moderno. Carrier consiguió una beca para estudiar en la Universidad de Cornell, donde se sintió fascinado por la posibilidad de manipular la temperatura, dedicándose a experimentar en los acondicionadores de aire, y demostrando que la refrigeración podía introducirse en las casas y mitigar los estragos del calor.
figura 65. Willis H. Carrier. Inventor del aire acondicionado
Su primer encargo lo recibió de un impresor de Brooklyn en 1901, y durante diez años experimentó en torno a la posibilidad de regular la humedad del aire, lo que le llevó en 1904 a concebir el aparato de aire acondicionado central con filtro de aire mediante un sistema de pulverización de agua [figura 66], que aún hoy se utiliza. Fue en 1911 cuando Carrier reveló su fórmula racional psicométrica básica a la Sociedad American de Ingenieros Mecánicos. Esta fórmula continúa siendo a día de hoy la base de todos los cálculos fundamentales para la industria del aire acondicionado, comprendiendo con ella la relación existente entre temperatura, humedad y punto de condensación. Esta revolución permitió un nuevo florecimiento de las industrias gracias a la capacidad de controlar la
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figura 66. Primer aparato de aire acondicionado central con filtro de aire diseñado por Carrier
temperatura y los niveles de humedad durante la producción, con lo que productos como las películas, el tabaco, las carnes procesadas o las cápsulas medicinales obtuvieron mejoras significativas en su calidad gracias al aire acondicionado.
Figura 67. Máquina de refrigeración centrífuga patentada por Carrier
figura 68. Modelo de la primera máquina frigorífica
Fue cuatro años más tarde, en 1915, cuando Carrier y otros seis compañeros ingenieros reunieron el dinero suficiente para la formación de la Compañía de Ingeniería Carrier, dedicada por completo a la innovación tecnológica del aire acondicionado. El primer edificio climatizado fue un cine de Chicago en 1919 para, poco después, ser los almacenes Abraham & Strauss de Nueva York quienes instalaran el sistema de aire acondicionado en sus almacenes, consiguiendo con ello disparar las ventas de sus productos debido a las mejoras en las condiciones de confort de los clientes dentro de sus tiendas. En 1921 Carrier patentó la máquina de refrigeración centrífuga [figura 67], también conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, convirtiéndose este en el primer método para acondicionar el aire de grandes espacios. Si bien las máquinas anteriores utilizaban compresores impulsados por pistones para bombear el refrigerante a través del sistema, en este nuevo modelo se diseñó un compresor centrífugo similar a las paletas giratorias de una bomba de agua, consiguiendo con ello mayor eficiencia y seguridad en el proceso. Este sistema se estrenó en 1924 en la tienda departamental Hudson de Detroit, Michigan, convirtiéndose posteriormente en un elemento indispensable en espacios de similares características.
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Animados por el éxito, muchos se interesaron por el invento. Carrier instaló en 1925 una gigantesca unidad de aire acondicionado en el teatro neoyorquino Rivoli. La gente iba al teatro sin importarle el espectáculo. El éxito de taquilla era sorprendente. En 1930, más de trescientos teatros americanos anunciaban junto al programa que los locales contaban con aire acondicionado. Las parejas se arremolinaban en las puertas de los cines con aire acondicionado, provistos de sus cubos gigantes de palomitas de maíz. Acercándonos al aparato del aire acondicionado en relación con la vivienda podemos decir que la primera aparición del mismo en relación al entorno de la vivienda unifamiliar tuvo lugar en 1914, cuando Charles Gates, en la ciudad de Minneapolis, fue el primer propietario de una vivienda con aire acondicionado. Lamentablemente el elevado coste de mantenimiento que acarreaba la vivienda - cercano a los 60.000 $ - provocó que ninguna persona pudiera hacerse cargo de ello, teniendo como consecuencia la demolición de la vivienda en el año 1933. Sin embargo fue en el año 1926 cuando apareció en escena el acondicionador de aire para hogares de la mano de Schutz y Sherman, los cuales lo patentaron en 1931 [figura 69]. Este artilugio podía ser instalado en el antepecho de las ventanas de las casas, proclamando el estatus de sus moradores, convirtiéndose en signo externo de riqueza. Las revistas de sociedad solían incluir la siguiente coletilla cuando hablaban de encuentros sociales a celebrar: “La residencia de los señores de X cuenta con aire acondicionado”. Era un reclamo y a su vez un signo externo de afluencia económica y categoría social.
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figura 69. Primer aparato de aire acondicionado para hogares de Schutz y Sherman
Además de la comodidad que disfrutamos con el aire acondicionado en un día cálido y húmedo de verano, actualmente muchos productos y servicios vitales en nuestra sociedad dependen del control del clima interno, como los alimentos, la ropa y la biotecnología para obtener químicos, plásticos y fertilizantes. figura 70. Interior de un avión presurizado
figura 71. Astronauta en el espacio
El aire acondicionado juega un rol fundamental en campos de la medicina moderna, desde el cuidado de recién nacidos y las salas de cirugía hasta su uso en laboratorios de investigación. Es también gracias a esta capacidad de controlar con exactitud la temperatura y humedad que pueden ser producidos elementos de alta tecnología como los circuitos integrados o microprocesadores, haciendo imposible el funcionamiento de centros computacionales sin la existencia de estos avances en la climatización de los espacios. También está intrínsecamente ligado el aire acondicionado a los grandes avances acaecidos en el transporte e investigación, ya que es el aire acondicionado el que ha permitido al ser humano llegar a realizar viajes en avión [figura 70] y, aún más importante, viajes espaciales [figura 71], así como la posibilidad de generar espacios vivideros en lugares como la luna o marte, donde las condiciones atmosféricas diferentes a las de la Tierra hacen necesaria la aparición de entornos herméticos completamente climatizados.
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El aire acondicionado y la arquitectura
El cambio de paradigma y los espacios herméticos ¿Qué supone la aparición del aire acondicionado para la arquitectura? Remontándonos a la aparición de la electricidad, ese evento supone una revolución en todos los ámbitos de la sociedad. Tiene una enorme influencia en el mundo de la arquitectura y en la propia concepción del habitar. La aparición de la electricidad hace que las restricciones propias de la arquitectura para poder crear espacios habitables se diluyan y se vayan perdiendo. Ya no dependemos de la luz natural para iluminar el interior de las habitaciones, y la orientación de las ventanas deja de ser un factor clave en el confort. Lo mismo sucede con la ventilación. La necesidad imperiosa de ventilar los espacios interiores para hacerlos habitables se transforma. Los sistemas mecánicos de ventilación hacen que la fachada deje de ser un elemento clave en el confort. Supone un cambio en el paradigma de la arquitectura – ahora podemos diseñar edificios completamente ajenos al exterior, estancos, en los que todos los procesos de acondicionamiento estén automatizados. Con el aire acondicionado hacemos habitables espacios que anteriormente parecían impensables. Podemos proyectar espacios anteriormente utópicos, de total transparencia. Fachadas completamente acristaladas en las que incide el sol durante todo el día y que, sin embargo, albergan unos espacios interiores perfectamente habitables. 50
Los nuevos espacios que la aparición de los sistemas de ventilación y climatización mecánicos permiten una mayor flexibilidad de la planta. Todos los grandes edificios comerciales de la era moderna deben su existencia, en muchos sentidos, al aire acondicionado. La aparición de éste ha permitido a los edificios elevarse en altura y aumentar la crujía. El Home Insurance Building en Chicago de Le Baron Jenney [figura 72], considerado el primer rascacielos, ya sienta el precedente para el muro cortina, sustituyendo paños completos por grandes espacios acristalados, independientes del muro de carga. figura 72. Home Insurance Building
En los primeros rascacielos de Chicago se define el estilo de la ventana Chicago, con un paño central fijo de gran dimensión rodeado por pequeños vidrios practicables. Esto daba la ilusión de mayor dimensión. Un nuevo estilo queda definido y vinculado a la tipología edificatoria en altura. Estas partes practicables quedan obsoletas con la aparición de los sistemas de ventilación mecánicos. A lo largo de la primera parte del siglo XX los edificios de oficinas se siguen desarrollando, confiando más y más en los sistemas mecánicos y obviando el tratamiento de fachada.
figura 73. Seagram Building
figura 74. Archizoom
En los años cincuenta y con la llegada de los movimientos posmodernistas, el rechazo a la estandarización de la fachada y la radicalidad de las propuestas – Koolhaas, Isozaki, grupos como Archizoom o Superstudio, utopías de Archigram - muchas veces se basan en la existencia de este artefacto y ya lo dan por supuesto. La implicación del aire acondicionado genera una controversia puesto que, estos edificios que desafían las leyes naturales de lo evitable no pueden existir sin estar conectados a estas máquinas. 51
Lleva también a un proceso de deslocalización de la arquitectura, de globalización del diseño de esta. La imagen de la ciudad se convierte en un continuo. La fachada se globaliza y parece que, bajo cada ventana, aparece una unidad condensadora del aire acondicionado. El elemento coloniza la arquitectura. Las soluciones constructivas dejan de ser inherentes al lugar y se convierten en un catálogo que se utiliza una y otra vez sin tener en cuenta el entorno del proyecto. Todos los problemas derivados de la mala elección de las soluciones constructivas (puentes térmicos, efecto invernadero, radiación solar insoportable) se solventan mediante el uso de la tecnología. El aire acondicionado pasa de ser una herramienta que soluciona un problema puntual a un elemento necesario en el edificio, en la norma.
figura 75. Esquema muro cortina
elementos Este cambio en el paradigma que supone la aparición del aire acondicionado es el punto de partida para el desarrollo de elementos en la arquitectura. Los cambios en el modo de proyectar y la desaparición de las constricciones anteriormente mencionadas crean nuevas posibilidades y a la vez nuevas necesidades. Los elementos que se desarrollan no nacen explícitamente a la vez que el aire acondicionado, pero sí su desarrollo está vinculado al desarrollo de éste. El muro cortina aparece con anterioridad al aire acondicionado, pero no es hasta la aparición de éste y la sistematización de su inclusión en los edificios en altura que el uso del muro cortina se generaliza. Se trata de un sistema que permite total libertad entre la disposición 52
figura 76. Detalle de canto de forjado estrecho. Louvre Lens, Sanaa.
de la estructura y el despiece del muro cortina en fachada. Al proporcionar un acristalamiento prácticamente completo, la radiación solar y el aislamiento son dos de los temas a tratar con otros métodos complementarios. Es como método complementario que se incluye en aire acondicionado, sin el cual las zonas orientadas al sur y cuyo cerramiento es un muro cortina se convierten en inhabitables. figura 77. Instalaciones integradas en zócalo de 70cm. Caja de arquitectos de Madrid. Luis Mtz. Santa María
Otro de los elementos que surge en relación al aire acondicionado es el falso techo, como espacio contenedor de las intalaciones en el edicio. La distribución vertical se resuelve con patinillos de instalaciones, pero es la distribución horizontal la que obliga a la incorporación de este nuevo elemento El canto del forjado aumenta, y se convertirá en un tema importante a tener en cuenta a la hora de proyectar. A la larga, se pretenderá resolver el canto de una manera más eficaz, haciéndolo cada vez más estrecho, introduciendo nuevas técnicas constructivas más innovadoras como placas alveolares, forjados técnicos y con perforaciones.
figura 78. Detalle de falso techo. Sede empresarial en Deiro.
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el aire prefabricado El hermetismo de las nuevas construcciones busca el control total de los espacios interiores del mismo. El aire es un factor fundamental de control y cálculo en este tipo de edificios. Hablamos de hermetismo en cuanto al aislamiento de los edificios y la imposibilidad de circulación de aire a través de los paramentos. Pero para el correcto funcionamiento de cualquier edificio es necesaria una circulación de aire de ventilación controlada. Los sistemas de climatización aseguran un confort pero no aseguran una calidad del aire. Existe una gran controversia con el control del aire. ¿Se ha de primar el confort térmico y el control climático sobre la calidad del aire? Existen ciertas tipologías de edificios donde el control del aire es primordial a nivel de calidad – especialmente aquellas vinculadas a un uso sanitario. También existen espacios que por sus singularidades morfotipológicas fomentan el control del aire a través de sistemas mecánicos y evitan el intercambio directo de aire con el exterior. Hablamos de aire prefabricado en estos casos, aquellos en los que el aire se controla desde el inicio del ciclo de climatización/ventilación hasta su renovación y tratamiento. Como ejemplo paradigmático de aire prefabricado encontramos los aeropuertos. Todos los sistemas de renovación de aire que se utilizan en los aeropuertos se procesan a través de unas cabinas de control de calidad del aire. Podemos volar de una ciudad a otra y pasaríamos siempre por aires tratados, aires artificiales. El control de calidad del aire del interior de los aeropuertos y su naturaleza prefabricada se une a la necesaria 54
figura 79. Terminal 4, aeropuerto de Barajas
hermeticidad del aviรณn. Los sistemas de ventilaciรณn y refrigeraciรณn mecรกnicos supusieron toda una revoluciรณn en la arquitectura, que se deshizo de las ataduras impuestas por la naturaleza, con todos los pros y contras que esto conlleva.
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Ejemplos: Instalaciรณn aa convencional
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AUTOR: Frank Lloyd Wright AÑO DE PROYECTO: 1903-1905
hermeticidad medio - alto
DEMOLICIÓN: 1950 UBICACIÓN: Buffalo, Nueva York, EE.UU. USO: oficinas
superficie
1344 m2/planta
canto forjado
0,3+0,5
sistema aa refrigerante-aire 1. Toma de aire exterior 2. Distribución de aire templado 3. Aire viciado y expulsión 4. Conducto para instalaciones 5. Rejillas de salida de aire templado bajo el borde de las galerías
5
1
0
1
4 3
5
10
2
Figura 80. corte axonométrico - conductos principales de aire 58
Edificio Larkin Figura 81. Vista exterior del edificio de Administración Larkin
Figura 82. Interior de una galería de trabajo, con las rejillas de ventilación a la vista bajo la viga de la galería
1
El sistema de climatización se reconoce en la configuración del volumen exterior e interior. La fachada de ladrillos está pensada para ser lo sufiente hermética para evitar los gases tóxicos de los trenes que pasaban por su lado. Se localizan cuatro torres independientes del volumen central para comunicaciones y el sistema de ventilación. La entrada de aire se toma desde los huecos adosados a cada núcleo de escaleras. Después el aire es limpiado y enfriado en planta sótano, donde está la enfriadora, todavía sin control de humedad. El aire templado es distribuido al interior por los montantes de los muros ciegos de ladrillo, y distribuido a las galerías de trabajo por las rejillas de ventilación bajo la viga.
432
33,85
5
7,20
29,60
60,85
Figura 83. planta de trabajo tipo- conductos principales de aire 59
AUTOR: Vicente Eced y Luis Feduchi AÑO DE PROYECTO: 1931-1933 UBICACIÓN: Madrid, España USO: teatro
hermeticidad
medio
superficie
300 m2
canto forjado
3,1 m
sistema aa
aire-aire
2 1
6
3
Ubicación en el sótano de la UTA del auditorio 1. Aire de retorno del auditorio 2. Aire exterior 3. Impulsión al auditorio 4. Mezcla aire exterior y retorno 5. Ventilador impulsión 6. Ventilador extracción
4
5
Figura 84. corte axonométrico - conductos principales de aire 60
Edificio Capitol Se ha tomado este edificio como ejemplo de integración del aire acondicionado en espacios públicos en España, sistemas que ya se habían implantado en América y Europa (Francia, Alemania…) El espacio del teatro está cubierto por vigas vierendeel que cubren una luz de 31 metros x 3,1 metros de canto. Permiten el paso de voluminosas instalaciones de aire acondicionado a través de ellas La difusión de aire en la sala principal se hace desde el techo en el caso del aire frío, y desde las butacas para el aire caliente. Se aprovecha la forma de los falsos techos para ocultar los difusores y las rejillas necesarias para la impulsión y el retorno de aire. Figura 85. Vista exterior instalaciones espacios con aa
Figura 86. planta de trabajo tipo- conductos principales de aire 61
AUTOR: R. Buckminister Fuller AÑO DE PROYECTO: 1945 UBICACIÓN: Buffalo, Nueva York, EE.UU. USO: viviendas
hermeticidad
medio
superficie
95m2
canto forjado
-
sistema aa refrigerante-aire
Figura 87. corte axonométrico - conductos principales de aire 62
Casa Dymaxion
Figura 90. Vista exterior de la casa Dymaxion
Se ha elegido este proyecto como ejemplo de instalación de aire acondicionado en vivienda. Una vivienda autónoma unifamiliar sostenible, pensada para su prefabricación y construcción en masa. De ahí la necesidad de crear un clima artificial que no tenga en cuenta las condiciones del lugar. Son varios los prototipos. La casa Wichita dispone de un techo giratorio que proporciona una renovación total de aire y un forjado con perforaciones por donde va el sistema de aire acondicionado.
Figura 91. patente Dymaxion, desarrollo de la unidad 63
AUTOR: Fco. Javier Saenz de Oiza AÑO DE PROYECTO: 1981 UBICACIÓN: Madrid, España USO: oficinas / mixto
hermeticidad medio - alto superficie
2200 m2/planta
canto forjado
2,97 / 0.51
sistema aa
aire aire
Figuras 92 y 93. sección y planta de instalaciones 64
torre bbva Vista exterior del edificio de Administración Larkin
Figura 94. Vista exterior
Figura 95. planta interior libre / falso techo con instalaciones
El diseño pasivo y activo de la energía se define por los elementos de protección solar diferenciada en cada fachada, según la orientación; o en los inductores, que permiten conseguir un espacio térmicamente uniforme que posibilita cualquier distribución interior, tanto estructural como de instalaciones. Se consigue una planta de oficinas totalmente libre, diáfana en todas las fachadas y funcionalmente flexible. El edificio incluye todos los adelantos técnicos de la época, incluyendo consideraciones energéticas. Las instalaciones no permanecen ocultas. Las unidades de tratamiento del aire se ordenan en plantas de instalaciones.
Figura 96. planta de trabajo tipo- conductos principales de aire 65
AUTOR: Foster & Partners AÑO DE PROYECTO: 1971 UBICACIÓN: Cosham, Reino Unido USO: oficinas
hermeticidad
alto
superficie
10869 m2
canto forjado
0,65
sistema aa
aire-aire
Figuras 97. sección esquemática funcionamiento aire acondicionado
Figura 98. Perspectiva falso techo por el que circulan las instalaciones 66
IBM Pilot Headquarters Se ha seleccionado este edificio como ejemplo de uso del aire acondicionado en un espacio hermético. Se trata de una construcción hermética en su totalidad, presentada como una caja de cristal de paños fijos en fachada. Figura 99. Vista exterior
Figura 100. Vista exterior, fachada
Se idea como una sede piloto, temporal de la empresa IBM. El edificio resultante es una sola planta rectangular, 73m x 146m con una altura de 3.25m. La capacidad de responder a los cambios de uso y programa ha hecho que sobreviva durante más de treinta años. Las ventanas no se pueden abrir, lo que significa que el aire acondicionado es necesario.
Figura 100. Vista del interior
Se desarrolló un sistema que llega a las diferentes zonas refrigerando un área de 7,3 metros de manera que se puede controlar individualmente en lugar de refrigerar todo el espacio a la vez. Las columnas huecas de acero aprovechadas como conductos para el cableado desde el techo hasta las áreas de trabajo, facilitó la tarea y el enrejado de vigas soporta varias instalaciones tales como el tratamiento del aire.
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Ejemplos: arquitectura pasiva
figuras 101,102. Planta y secciรณn - flujo de calor dentro del edificio 70
learning hub Se ha seleccionado este edificio como caso de estudio por la utilización de métodos pasivos de refrigeración y acondicionamiento de los espacios, aún siendo un edificio de nueva construcción en el que se podrían haber incorporado todo tipo de tecnologías. Huyendo de la forma tradicional de edificio educativo, el Learning Hub, también conocido como The Hive (la Colmena) nos muestra en planta doce torres redondeadas dispuestas en torno a un atrio central.
figura 103. Espacio del atrio desde una de las terrazas
Es imprescindible garantizar el confort térmico en el interior del edificio, dado el clima tropical de Singapur, cuyas temperaturas oscilan entre los 25ºC y los 31ºC. Todos los usos se disponen en torno al atrio central, que se ventila de forma natural, lo cual propicia la circulación del aire entre las doce torres que lo componen. Cada aula a su vez tiene su propio método de refrigeración por convección silenciosa, lo cual hace que no se necesiten ventiladores de aire acondicionado tradicionales, que suponen un gran uso de energía.
figura 104. Vista atrio interior 71
figura 105. secciรณn - flujo de calor dentro del edificio 72
second home Se ha seleccionado este edificio como caso de estudio por la utilización de métodos pasivos de refrigeración y acondicionamiento de los espacios, aún siendo un edificio de nueva construcción en el que se podrían haber incorporado todo tipo de tecnologías. figura 106. Espacio interior.
Huyendo de la forma tradicional de edificio educativo, el Learning Hub, también conocido como The Hive (la Colmena) nos muestra en planta doce torres redondeadas dispuestas en torno a un atrio central. Es imprescindible garantizar el confort térmico en el interior del edificio, dado el clima tropical de Singapur, cuyas temperaturas oscilan entre los 25ºC y los 31ºC. Todos los usos se disponen en torno al atrio central, que se ventila de forma natural, lo cual propicia la circulación del aire entre las doce torres que lo componen. Cada aula a su vez tiene su propio método de refrigeración por convección silenciosa, lo cual hace que no se necesiten ventiladores de aire acondicionado tradicionales, que suponen un gran uso de energía.
figura 107. Detalle suelo radiante.
second home
AUTOR: Selgascano AÑO DE PROYECTO: 2016 UBICACIÓN: Lisboa, Portugal USO: co-working 73
figuras 108 y 109. secciรณn - diagramas de flujos de aire 74
Eastgate center
figura 110. Fachada norte
Las termitas africanas construyen montículos en los que se cultiva un hongo que debe permanecer a 30 ˚C, lo que es bastante sorprendente ya que las temperaturas exteriores oscilan entre 1˚C y 40˚C. El sistema de climatización de un termitero se basa de una red de cámaras y túneles que forman corrientes de aire y conducen el aire caliente al exterior por el efecto Venturi. Durante el día, para refrigerar el aire, corrientes de aire caliente se ponen en contacto con la tierra húmeda del suelo, mientras que por la noche se regula la temperatura generando corriente de convección al ir tapando y abriendo túneles. El Eastgate Center se plantea como una adaptación sensible a estos procesos biomiméticos. El aire frío de la noche enfría la masa del edificio, que absorbe calor durante el día. El funcionamiento del sistema de ventilación se organiza en todo a dos conductos verticales en cada uno de los dos edificios. El aire exterior ingresa a través de múltiples y éste es empujado hacia el exterior a través de unos ventiladores colocados en el primer piso. El aire fresco reemplaza el aire viciado de las estancias a través de los huecos de extracción en los techos de cada piso que dan paso al conducto vertical de extracción. Finalmente, el aire sale al exterior por las chimeneas de cada conducto.
eastgate center figura 111. Espacio del atrio desde el interior
AUTOR: Micheal Pearce Partnership AÑO DE PROYECTO: 1996 UBICACIÓN: Harare, Zimbabwe USO: mixto y oficinas 75
INVIERNO
VERANO
figura 112. secciรณn - diagramas de flujos de aire 76
Centro de investigación ICTA-ICD
figura 113. Vista del patio interior central
El edificio ICTA-ICP, situado en el campus de la UAB (Universidad Autónoma de Barcelona), es un centro de investigación en ciencias ambientales y paleontología. Los despachos y los laboratorios son espacios con mucha carga interna, por lo que el edificio está diseñado para que de forma pasiva aproveche esas cargas en invierno y las disipe en verano. La estructura es de hormigón, con mucha inercia térmica, y los forjados están hechos a base de losas de hormigón postensadas y aligeradas con tubos por donde circula el aire. En la parte superior e inferior se colocan sistemas radiantes a partir de energía geotérmica. La fachada es bastante permeable, regula la captación solar y la ventilación en base a las distintas épocas del año. Está constituida por sistemas industrializados de invernaderos agrícolas, que se abren y se cierran para la obtención de la mejor temperatura interior de manera natural. Se plantean tres climas en base a los distintos usos: los espacios intermedios se climatizan de forma pasiva, los despachos combinan sistemas pasivos y radiantes semipasivos; y los laboratorios y aulas tienen un funcionamiento más hermético y convencional.
centro de investigación icta-icd
figura 114. Fachada sureste
AUTOR: H Arquitectes, DATAAE AÑO DE PROYECTO: 2014 UBICACIÓN:Cerdanyola, Barcelona, España USO: centro de investigación 77
Ejemplos: aa integrado en la arquitectura
figura 115. diagramas instalaciรณn conductos de aire 80
Medialab Prado
figuras 116. conducto de aire acondicionado
figura 117. sala diafana con instalación de los conductos de aire a cada lado
La intervención intentó desmaterializarse de la estructura ya existente adoptando nuevas tecnologías y formas de construcción. Frente a los muros de hormigón y fábrica de ladrillo de la antigua Serrería, se plantea la incorporación de una nueva estructura metálica y cerramientos de madera y textil, que permiten su desmantelamiento con el mínimo impacto. El trazado de las instalaciones queda a la vista, lo que permite una fácil reconfiguración del espacio para la introducción de nuevas actividades. Los conductos de aire son conductos de tela plástica que se hinchan cuando el aire circula por ellos para percatarse de cuándo está encendido y cuando no. Es un espectáculo a la puesta en marcha del aire acondicionado en el edificio.
medialab prado
AUTOR: Langarita Navarro Arquitectos AÑO DE PROYECTO: 2008 UBICACIÓN: Madrid USO: centro cultural 81
figura 118. vista axonomĂŠtrica - inclusiĂłn de los impulsores de aire como elemento en la arquitectura 82
terminal cuatro madrid-barajas Se ha seleccionado este proyecto como caso de estudio por la integración como elementos arquitectónicos de los sistemas de ventilación. La difusión del aire supone un punto clave del sistema de climatización. Los edificios de la T4 se han proyectado con un sistema de difusión de aire por desplazamiento. El aire se impulsa a baja velocidad y con un reducido salto térmico a nivel del suelo en las zonas de tránsito. Para el resto de los espacios, se diseñan unos elementos que se incluyen dentro de la imagen del edificio en los que se colocan una serie de toberas. A partir de estas se impulsa el aire con un sistema convencional de aire por mezcla. figura 119. Vista atrio interior
La utilización combinada de los dos sistemas permite una climatización que cumple los standard de confort.
terminal cuatro madrid-barajas figura 120. Vista atrio interior
AUTOR: Estudio Lamela + RSHP AÑO DE PROYECTO: 2005 UBICACIÓN: Madrid USO: transporte
83
figura 121. detalle en planta de las torres de instalaciones
figura 122. detalle en secciรณn de la instalaciรณn de aire 84
Lloyd´s Center En el Lloyd´s Center la concepción de espacio abierto se asienta y la profundidad de la crujía aumenta, situando al exterior tanto parte de la estructura portante como las torres de instalaciones.
figura 123. Alzado
El forjado atiende a tres cavidades: cavidad del suelo técnico, que aloja la inducción de aire y los trazados de redes de electricidad y telecomunicaciones; la cavidad definida por los pivotes, ocupada por los sistemas de detección, extinción de incendios y retorno de aire acondicionado a través de luminarias; el canto de la estructura principal, para luminarias y reflectores. El cerramiento se convierte en lugar de ubicación de equipos, redes y estructura. La piel forma parte activa del sistema energético, como elemento continuo de conexión de cavidades horizontales.
figura 124. Perspeciva exterior
La distribución horizontal de redes energéticas y la concepción del techo como un plano que irradia condiciones ambientales homogéneas establecen un sistema constructivo que se adapte a estas condiciones: sistema reticular.
Lloyd´s Center figura 125. Vista desde el atrio interior
AUTOR: Richard Rogers AÑO DE PROYECTO: 1978-1986 UBICACIÓN: Londres, Inglaterra USO: oficinas 85
figura 126. secciรณn - diagrama de instalaciones de ventilaciรณn 86
mews gallery Se ha seleccionado este proyecto como caso de estudio por el especial cuidado a la hora de integrar los sistemas de ventilación y acondicionamiento dentro de un espacio de especial conservación. El diseño del sistema de ventilación parte del especial interés de integrar el mismo dentro de la arquitectura de forjados de madera.
figura 127. Detalle: difusores de aire integrados en el forjado de madera
Se trata de un sistema de ventilación mecánica que controla el ambiente para propiciar las condiciones necesarias de conservación en una galería. El diseño de los conductos se ha realizado de manera vertical (al contrario de los más habituales diseños de ventilación por falso techo en un plano horizontal) para ser ubicados entre las ya existentes viguetas, que se conservan en la remodelación y se dejan expuestas a la vista. Cada conducto parte del semisótano en el que se encuentran las unidades de tratamiento del aire, y sigue en vertical hasta el punto de difusión de la ventilación. Para reducir la naturaleza visualmente intrusiva de los sistemas de ventilación convencionales se diseñan unos difusores especiales, adaptados a la dimensión existente entre viguetas.
mews gallery figura 128. Espacio interno
AUTOR: 6a architects / Ritchie + Daffin AÑO DE PROYECTO: 2017 UBICACIÓN: Londres USO: cultural 87
Ejemplos: Investigaciรณn
VERANO
figura 129. diagramas flujo de aire funcionamiento en verano
VERANO
INVIERNO
figura 130. detalle de secciรณn - diagramas de flujos de aire 90
Swiss Re. Building
figura 131. Vista del alzado
Se ha seleccionado este edificio por su innovación en cuanto al tratamiento de aire, reduce el uso de aire acondicionado y posibilita que consuma la mitad de energía que un edificio de torres de oficinas con una instalación convencional. El sistema de ventilación sigue el funcionamiento básico de un muro trombe. En verano se aprovechan las corrientes de aire para refrigerar, mientras que en inverno se potencia la entrada de radiación solar para calentar el espacio. La fachada exterior es un muro cortina de paneles transparentes de doble acristalamiento. Por el interior, otro muro cortina de paneles rectangulares de un solo vidrio con persianas. En verano, el calor que se acumula en el espacio entre los dos muros cortina se expulsa por los respiraderos de la parte superior de cada uno o dos pisos. Se dispone de una serie de atrios en espiral por los que circula el aire. En los atrios no hay muro cortina interior, el vidrio exterior es tintado para evitar el exceso de radicación solar y se dispone de unas ventanas operables para la entrada de aire fresco. En verano, se extrae el aire caliente para generar corrientes de aire frío. En invierno,las ventanas se cierran y la temperatura está regulada por el sistema de aire acondicionado automático.
swiss re.building figura 132. Muro cortina exterior de paneles transparentes de doble acristalamiento y vidrio tintado en espiral.
AUTOR: Norman Foster + Partners AÑO DE PROYECTO: 2004 UBICACIÓN: Londres, Reino Unido USO: oficinas 91
figura 133. diagramas esquemรกticos
figura 134. diagramas en planta del flujo del calor 92
Tadeusz kantor museo
figura 135. Vista del volumen exterior
El proyecto se base literalmente en el funcionamiento de una ventana de doble o tripe acristalamiento, haciendo habitable el espacio entre vidrios. Conforme se van añadiendo capas, aumenta el aislamiento disminuyendo el coeficiente de transmisión térmica, de manera que en los extremos la temperatura es menor que en el interior del espacio. Se propone una diversidad de climas y ambientes, con gradientes de luz y temperaturas diferentes. Dependiendo del tipo de actividad o temporada se escoge una capa u otra.
figura 136. Vista del espacio interior de la capa más exterior
Se trata de un sistema de refrigeración pasivo, que funciona por medio de la adición de capas de vidrio. En invierno las capas aislan del frío, aumenta la temperatura hasta 15 ˚C en la capa más interior, mientras que en verano la temperatura disminuye hasta 6 ˚C, lo que es sufiente al ser un clima frío. La fachada es completamente hermética. La ventilación del recinto se haráw de forma mecanizada.
figura 137. Vista del espacio interior entre capas intermedias
tadeusz kantor museo
AUTOR: Philippe Rahm AÑO DE PROYECTO: 2006 UBICACIÓN: Cracovia, Polonia USO: museo 93
figura 138. secciĂłn - flujos de aire frĂo 94
cristalleries planell Se ha seleccionado este edificio como ejemplo de acondicionamiento pasivo del edificio. Durante el invierno se controla la pérdida de calor mediante la renovación de aire, acompañándolo de una gran inercia térmica del edificio. En cuanto al verano, el calor se tiene que disipar mediante el movimiento de la mayor cantidad de aire posible, y todo el aire fresco debe de ser natural. Se basa en chimeneas solares y torres de viento que mediante el efecto Venture captan el aire. El aire circula de manera vertical, puesto que las “chimeneas” tiran hacia arriba de él. figura 139. Maqueta de sección bioclimática.
figura 140. Croquis del sistema de circulación del aire.
cristalleries planell AUTOR: H arquitectes AÑO DE PROYECTO: 2016 UBICACIÓN: Barcelona USO: equipamiento 95
figura 141. fase de verano - diferentes condiciones climรกticas, estacionales y horarias 96
centro nacional de energías renovables Se ha seleccionado este edificio como caso de estudio por el uso de todo tipo de sistemas de climatización, tanto activos como pasivos. El proyecto se denomina como “ingenio bioclimático”. La principal estrategia bioclimática es la atenuación de los saltos térmicos que tienen lugar tanto estacionalmente (verano/invierno) como horariamente (día/ noche). Se trabaja desde la sección en la que se diseñan una serie de sistemas de ventilación cruzada, utilizando las corrientes por convección que se producen, y ayudándose de una zona en altura que funciona como torre de viento.
figura 142. Maqueta de sección bioclimática.
figura 143. Croquis del sistema de circulación del aire.
Los subsistemas y mecanismos que contiene son pasivos, galería-invernadero para captación solar para calefacción, muros y forjados de gran inercia, efecto semisótano (inercia térmica), cortina aislante, protección solar (toldos), torre de viento para captación del cierzo y efecto chimenea; y activos, colectores térmicos para agua caliente sanitaria y para apoyo de calefacción y refrigeración por suelo radiante mediante máquina de absorción. centro nacional de energías renovables AUTOR: Ruiz Larrea Arquitectos AÑO DE PROYECTO: 2005 UBICACIÓN: Pamplona USO: oficinas 97
bibliografía -
Compañia Roca Radiadores. 1980. Aparato de aire acondicionado: catálogo general. Editor Roca
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Georgius Agricola. 1950. De Re Metallica. Edited by Herbert Clark Hoover and Lou Henry Hoover. – New York: Dover Publications.
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