Introducción: Análisis HVAC
En este proyecto realizado por ICEMM se busca llevar a cabo un análisis comparativo de cinco sistemas HVAC diferentes para una nave industrial de gran tamaño. Para ello se empleará la simulación CFD. En la nave existen requisitos térmicos tanto por el confort humano como por el proceso que se lleva a cabo en el interior, que requiere algunos materiales cuya temperatura debe mantenerse por encima de un valor mínimo. Por temas de confidencialidad los mapas de resultados aportados serán simplemente ejemplos sin datos cuantitativos o relación con los casos reales estudiados.
Las simulaciones de ventilación y climatización se llevan a cabo modelando las paredes con los cerramientos proyectados para la nave. Así mismo, se ajustan las infiltraciones de aire en el modelo para tener en cuenta esta carga térmica adicional que existirá en la nave real. Estas condiciones serán iguales en todos los análisis térmicos para tener una comparativa real entre los sistemas. Las alternativas que se comparan en las simulaciones HVAC son:
- Sistema de aerotermos
- Sistema de toberas
- Sistema de suelo radiante
- Sistema de techo radiante
- Sistema de pared radiante
Este estudio se realizó con el software ScStream de MSC Cradle.
Predimensionamiento y creación del modelo CFD
En una primera fase se realiza un cálculo analítico en base al cuaderno de cargas térmicas. De esta forma se asigna un tamaño inicial a los sistemas de climatización. Este prediseño se hace considerando los requisitos y restricciones del cliente y tomando los datos de los equipos de suministradores especializados.
De esta forma se obtiene una estimación del número de aerotermos y toberas a colocar en cada propuesta, y la potencia que deben ser capaz de aportar los elementos radiantes para lograr la temperatura objetivo.
En paralelo al predimensionamiento se crea un modelo CAD que contenga la geometría principal de la nave, considerando los elementos externos e internos que resultan de interés. También se realiza un estudio de las infiltraciones que predice el modelo CFD para que su efecto en el modelo se ajuste a la realidad.
Partiendo de este modelo base, se generan los cinco modelos correspondientes a cada sistema de climatización a simular. En las siguientes imágenes se muestran la geometría de la nave y una vista interior con el sistema de toberas preliminar modelado.
Simulación CFD de los sistemas HVAC
En la primera etapa de simulación se parte del prediseño realizado y se calculan los cinco sistemas HVAC propuestos. Este tipo de análisis permite obtener mapas de temperatura operativa, velocidad del aire, temperatura de las superficies y PMV (Predicted Mean Vote) entre otros muchos resultados.
Las simulaciones CFD tienen en cuenta los efectos de transferencia de calor por convección, por conducción (pérdidas de calor al terreno, por ejemplo) y por radiación, de especial relevancia en algunos de los sistemas propuestos. También resuelven los campos de velocidades del fluido, de forma que puede valorarse el confort térmico de forma integral considerando los efectos de las corrientes de aire.
Para simular correctamente los efectos térmicos, el mallado y los modelos físicos deben ser los adecuados para el problema considerado. En este estudio se emplean mallados de entre 15 y 25 millones de elementos (celdillas) para captar bien los fenómenos de interés.
En esta primera etapa se comprueba que algunos de los sistemas propuestos se encuentran muy lejos de dar resultados satisfactorios. Esto hace que en la etapa de optimización posterior se comparen únicamente los sistemas que han dado resultados más favorables. En la siguiente imagen se observan los resultados de temperatura operativa en un corte vertical de uno de los sistemas analizados.
Y en la siguiente se puede ver el mapa de PMV calculado con los valores de aislamiento térmico por vestimenta y actividad física esperables para los trabajadores de la nave. Este se da en un corte horizontal a la altura habitual de trabajo.
Optimización de las propuestas
En los análisis iniciales, se observa que los sistemas convectivos pueden tener un problema de eficiencia causado por la estratificación del aire en el recinto, un fenómeno habitual en naves de gran altura. Esto quiere decir que el aire caliente se acumula en la parte alta de la nave y deja la zona ocupada a menor temperatura de lo esperado.
Para prevenir esta situación se estudia la adición de ventiladores destratificadores en el sistema de aerotermos y un aumento de la velocidad de impulsión en el caso de toberas. Algunos ejemplos de destratificadores se muestran en la siguiente imagen.
Los resultados de la simulación HVAC muestran que el uso de ventiladores destratificadores tiene un impacto significativo en la temperatura únicamente si el impulso es a gran velocidad. Sin embargo esto genera zonas de elevada velocidad que penalizan el confort térmico. Estos efectos se amplifican por algunos pasillos que crean los elementos fijos de la nave, como puede verse en la siguiente imagen.
Para los sistemas radiantes se decide estudiar otras condiciones exteriores, simulando un caso menos desfavorable de temperatura fuera de la nave. De esta forma se puede valorar mejor el comportamiento del sistema disponiendo de información adicional.
La solución optimizada que se termina escogiendo presenta resultados muy satisfactorios en cuanto a eficacia y eficiencia. En las siguientes imágenes pueden verse los mapas de temperatura operativa en un corte vertical y PMV en una vista en planta obtenidos con este sistema.
Estudio de detalle con modelo de termorregulación humana
Como etapa final del estudio de climatización, se realizan una serie de simulaciones incluyendo un modelo de termorregulación humana. Estas se escogen en base a las alternativas que han resultado más ventajosas en cuanto a confort térmico y eficiencia energética.
El modelo empleado, conocido como JOS2, simula el comportamiento térmico del cuerpo humano y su interacción con el ambiente. Para ello tiene en cuenta factores como la vestimenta, la edad o el nivel de actividad física. Esto permite predecir el confort térmico en detalle en combinación con la simulación CFD. Un esquema del funcionamiento del modelo se muestra en la imagen, extraída de la página del software empleado en los análisis.
Para el estudio se colocan una serie de dummies en diferentes posiciones de la nave y se simula el modelo en conjunto. A continuación se muestran tres ejemplos de resultados de la temperatura de la piel en diferentes escenarios. Este dato es un buen indicador de la sensación térmica percibida y del confort térmico real de los ocupantes.
