Sunday, August 15, 2010

enfriamiento natural y/o FREE cooling

Este es un tema que en México empieza a levantar interés, pues los clientes que invertirán en 2011, empiezan a incluir en sus Requerimientos de Propuesta (RFP en sus siglas en inglés) el que hagamos un proyecto que incluya el enfriamiento natural y/o FREE cooling; ¿pero cuál sería la diferencia principal?

Se trata de un tema prolijo que abordaré en una serie de post a partir de ésta y sucesivas semanas.

En primer lugar, quisiera apuntar varios conceptos y técnicas que se incluyen en esta práctica. Comenzaremos en este post con los elementos externos al edificio que atañen al clima, y que son los siguientes:

- Micro-clima: El clima es el promedio de las condiciones atmosféricas en una región y período de tiempo dado. Los parámetros específicos de clima como resultado de la topografía, estructura y composición del suelo, formas urbanas, es conocido como micro-clima.

Los principales parámetros que caracterizan al clima:

* Temperatura del Aire: Normalmente decrece como la altura crece en 1º C por cada 100m en la atmósfera. Las diferencias de temperatura son menores sobre los líquidos (p.ej. agua) que sobre la tierra, debido a su mayor capacidad térmica.
* Radiación Solar: La cantidad de radiación solar recibida varía con la latitud. A la misma latitud, esta radiación varía dependiendo de la inclinación y la orientación de la superficie en estudio.
* Humedad y Precipitación Pluvial: Esta es afectada por presencia y tamaño de las colinas y montañas. El lado de sotavento en las montañas tiene mayor posibilidad de lluvias que el contrario.
* Viento: Es el movimiento de la masa de aire por diferencia de temperatura; el coeficiente de fricción hace que la velocidad del viento sea mayor sobre el mar que sobre la tierra y ésta aumenta con la altitud. Así que montañas y colinas obstruyen el movimiento del viento y el flujo del aire se divide, presentándose a mayores velocidades en lo alto de ellas del lado que pega –barlovento- y con menos turbulencia en el extremo opuesto –sotavento-.

Este mismo efecto se presenta en los conjuntos urbanos con la presencia de edificaciones de diversas alturas y formas. El clima de un área urbana difiere de una rural en sus parámetros climáticos básicos, esto debido principalmente a la estructura de las ciudades, y el calor despedido por los vehículos. En lo general encontraremos en las ciudades un clima con altas temperaturas ambientales, una humedad relativa reducida, una velocidad del viento reducida y una radiación solar directa recibida también reducida; todos estos parámetros en comparación con los encontrados en un área rural.

* Control Solar: La radiación solar afecta a todas las superficies externas de una edificación; de manera directa, difusa y reflejada, esta energía –luminosa y térmica penetra al interior del edificio a través de todos los elementos constructivos (azoteas, muros, ventanas, puertas, etc.). La radiación incidente varía con la latitud, longitud, altitud sobre el nivel del mar; además de las condiciones atmosféricas de cada hora, día y año. Deben ser consideradas también como variables de la radiación solar la orientación y el ángulo con respecto al plano horizontal de la superficie del terreno donde se encuentra la edificación.

En cuanto a las condicionantes del interior del edificio, existe la:

* Masa Térmica: La temperatura interna de un centro de datos, es influenciado por los parámetros climatológicos externos (radiación solar, temperatura externa) y las cargas térmicas internas (actividad humana, equipo de TI, iluminación, etc.). Así que las condiciones internas pueden variar con picos que ocurren durante los períodos más desfavorables del día (mediodía y en la tarde). Así que es necesaria la expulsión del calor durante esas horas.

El almacenaje del calor en la estructura del edificio es una alternativa para reducir la carga térmica. Este material de almacenamiento del calor es la masa de la edificación en sí misma y es llamada masa térmica. Son los muros, particiones, techos y pisos con una alta capacidad calorífica como el concreto, ladrillos y losetas quienes le contienen.

Es esta masa térmica la que tiene un efecto directo en las condiciones interiores en verano e invierno. Durante las horas de la mañana y mediodía la carga térmica es menor en los edificios de construcción pesada que en los construcción ligera, como resultado de las cargas externas.

Para los edificios de construcción pesada los picos de la carga mayores ocurren por la tarde-noche.

Tras describir los conceptos relacionados con las condiciones climáticas en el exterior e interior del edificio, pasamos ahora a detallar algunas técnicas de ventilación.

Ventilación Natural: Esta técnica es la más importante en el enfriamiento pasivo. La ventilación (pasiva, híbrida ó activa –mecánica-) de ambientes interiores requiere por supuesto mantener niveles de oxigeno y de calidad del aire en dichos espacios de la edificación. En los edificios antiguos la ventilación se logra simplemente por infiltración ó abriendo las ventanas.

La arquitectura actual ha reducido –sellado- la infiltración del aire a los edificios en un intento de reducir el impacto de la carga térmica y la necesidad del enfriamiento; esto simplemente evita el abrir las ventanas, para lograr una ventilación natural a los espacios interiores. Es el micro-clima, las condiciones de la edificación (orientación, ventanas –número, localización, tamaño-) las variables que inciden en la eficiencia de una ventilación natural por medio del flujo del aire externo.

La temperatura exterior, la velocidad del aire, el entorno –urbano o rural-; son factores determinantes para la aplicación de las técnicas y tecnologías de la ventilación natural. Al usar técnicas eficientes de ventilación natural se reduce: la carga térmica interior, la necesidad de un enfriamiento mecánico y se mantiene la calidad del aire.

Dentro de estas se encuentran las soluciones por: Flujo de Aire, Enfriamiento natural, Sistemas Oasivos directos, Sistemas Pasivos indirectos, Sistemas de Enfriamiento indirecto por evaporación, Sistemas de enfriamiento de dos etapas de evaporación, Sistemas de enfriamiento por el suelo, Sistemas de enfriamiento de suelo a aire y Sistemas de enfriamiento por radiación.

A continuación detallamos algunos de ellos:

* Flujo de Aire: El diseño exitoso de una ventilación natural en el edifico del CDS requiere que el diseñador entienda los patrones de movimiento del flujo de aire; alrededor de este y de los edificios circundantes. Los edificios actuales permiten de 0.2 a 0.5 cambios de aire por hora (CAH) por infiltración, esto significa que un sistema de aberturas diseñado apropiadamente podría manejar de 20 a 30 CAH; lo que significa un cálculo y simulación de flujo de aire cuidadoso para establecer las aberturas en el lugar adecuado, con las dimensiones necesarias.

En tanto el viento pasa alrededor de un edificio una presión positiva se ejerce en la fachada donde pega el viento. Este se divide y una presión negativa se forma en las paredes laterales, debido a la alta velocidad del flujo sobre estas; al pasar el flujo a la fachada contraria se produce una succión pequeña.

* Enfriamiento Natural: Este es un proceso que la humanidad conoce desde hace miles de años (Egipto y Persia). Para lograr el enfriamiento se utiliza el efecto de evaporación como disipador de calor natural, el calor sensible del aire es absorbido para ser considerado un calor latente y usarse para evaporar el agua. La cantidad de calor absorbido depende de la cantidad de agua que pueda evaporarse.
* Sistemas Pasivos directos: En esta categoría se incluye el uso de la vegetación, fuentes, cascadas, albercas y pozas, así como el uso de la técnica de torres de enfriamiento. Los árboles y plantas “transpiran” humedad -evapotranspiración-para rechazar su calor sensible, lo cual es sustantivo.
* Sistemas Pasivos indirectos: Estos sistemas incluyen técnicas como el uso de las azoteas con:

- Espejos de agua; Esta técnica aprovecha la evaporación del agua con una capa de rocío -producida por boquillas- que al evaporarse absorbe calor. Es posible lograr un decremento de 3º C a 5º C.
- Pozas ó estanque; aunque más sencillas en diseñar e instalar; para ser eficientes –no perder agua- deben estar sombreadas, la temperatura de la azotea debe ser mayor que la temperatura de bulbo húmedo del aire.
- Películas de agua en movimiento, es una variación de la técnica de espejos/pozas, en esta es necesario circular la película en movimiento desde un tanque de almacenamiento del agua fría hasta la azotea; el agua debe circular a una velocidad que permita la transferencia del calor. La temperatura de la azotea debe ser mayor que la temperatura de bulbo húmedo del aire.

* Sistemas de enfriamiento indirectos por evaporación: Estos sistemas híbridos utilizan un intercambiador de calor; el aire exterior, circula a través de un circuito primario, donde ocurre la evaporación. Es en el segundo circuito por donde pasa el aire a ser enfriado; esto reduce la temperatura del aire sin modificar la relación de humedad.
* Sistemas de enfriamiento de dos etapas de evaporación: Este sistema es una combinación de enfriadores directos e indirectos de evaporación.
* Sistemas de enfriamiento por el suelo: El concepto de enfriamiento por el suelo, está basado en la disipación del calor de un edificio vía el terreno; el cual en la estación más fría, la temperatura es menor que el aíre exterior. Esta disipación puede lograrse por contacto directo con el terreno, de una sección sustantiva de la envolvente de la edificación ó por la inyección de aire, previamente circulado por intercambiadores de calor llamados tierra a aire.
* Sistemas de enfriamiento de suelo a aire: Si no es posible usar el terreno para lograr enfriar la envolvente de la edificación, las propiedades térmicas del suelo pueden ser usadas para enfriar indirectamente el aire que es inyectado al centro de datos; por medio de intercambiadores de calor del tipo suelo – aire. Básicamente un intercambiador de este tipo es una tubería enterrada horizontalmente, -a cierta profundidad-, por el cual se conduce la entrada y circulación de aire hacia el edificación.
* Sistemas de enfriamiento por radiación: El enfriamiento por radiación se basa en la pérdida de calor por la emisión de radiación de onda larga, de un cuerpo a otro cuerpo de menor temperatura, que actúa como disipador de calor, en el caso de las edificaciones es el edifico el cuerpo enfriado y el medio ambiente –cielo- el disipador de calor ó térmico:

*Pintura: La técnica más simple de enfriamiento pasivo por radiación es aplicar a la azotea pintura blanca., durante el día este color absorbe menos radiación solar esto es tiene menos carga térmica, por lo que la temperatura del techo permanece más fría; y por la noche permite más fácilmente enfriarse por radiación por la noche. Mediciones de esta técnica dan un potencial de enfriamiento de 0.014 kWh/m2 por día.

*Aislamiento movible: Estos sistemas son aplicados en el techo/ azotea de las edificaciones; consisten en un material aislante que puede ser movido ó desplegado sobre el techo. Permiten la exposición de la masa térmica de techo, -o de un material de almacenamiento de calor sensible colocado en el hacia el cielo durante la noche. Durante el día la misma masa es cubierta para minimizar la ganancia de calor en la masa térmica, debido a la radiación solar.

*Masa térmica movible La técnica de masa térmica movible es una variación de la anterior; pero a mayor costo, ya que requiere la construcción de un espejo ó poza en el techo del edificio, con un aparato aislante movible sobre esta. Generalmente entre la poza y el techo de la edificación existe un espacio por el cual el agua es canalizada.

*Enfriador de aire de placa plana: Este tipo de enfriador puede ser usado para enfriar agua en un circuito similar a un colector solar conectado s un tanque de almacenamiento. Consiste en un ducto rectangular y horizontal. La parte superior del ducto es el radiador, consistente en una placa metálica, esta placa debe estar cubierta con un material de alta emisión en la sección de onda larga del espectro electromagnético –ya que la emitancia decrece con el ancho de onda. Generalmente se usa una pantalla que le protege de los efectos del viento.

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