calefacción, ventilación y refrigeración (historia)

1. El aire, elemento fundamental en la ventilación, es la capa gaseosa que rodea la Tierra y que envuelve cuanto se encuentra en su superficie. Consiste en una mezcla de nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y anhídrido carbónico, a los que acompañan cantidades variables de impurezas, como humo y polvo, mantenidas en suspensión. Alcanza su máxima densidad al nivel de la superficie terrestre, donde tiene un valor de 1,293 kg/m2 en las condiciones técnicas de temperatura y presión (0°C y 760 mm de Hg). La mezcla gaseosa se enrarece y por tanto se hace más ligera conforme nos alejamos del suelo, o mejor dicho, a medida que aumenta la altitud sobre el nivel del mar, hasta el punto de considerarse prácticamente inexistente a los 80 o 100 km de altura.
   
   El hombre descubrió hace tiempo que la atmósfera en que vivía desempeñaba un importante papel en su comodidad y su salud, que un tiempo demasiado frío o demasiado caliente le producía malestar y que enfermaba con una atmósfera pesada, cargada de polvo o contaminada. Si quería conservar su salud y aumentar su bienestar debía controlar rigurosamente las características del aire, que en tan íntimo contacto se hallaba con su piel y que incluso penetraba en su organismo a través de las vías respiratorias.
   
   El acondicionamiento del aire ambiente es una rama de la ingeniería que ha progresado muy de prisa en los últimos tiempos. Desde la chimenea o el hogar como únicos medios de calefacción y los postigos, ventanillos o montantes de la ventilación rudimentaria han progresado tanto estas técnicas que hoy llegan a regularse automáticamente los distintos factores que intervienen en el establecimiento de la atmósfera adecuada a cada circunstancia. Los primeros intentos se limitaron a proporcionar calor en tiempo frío, ya que la primera sensación que se percibe al penetrar en un recinto es la de su temperatura; siguieron luego los de eliminación del calor en espacios cerrados, rebajándolo a límites tolerables, y finalmente se pasó a regular el grado de humedad del ambiente y la limpieza del aire; con ello habían nacido la ciencia y técnica de la ventilación. Véase Aire, Acondicionamiento del.
   
   Ventilación. Consiste simplemente en el abastecimiento o renovación del aire de un recinto cualquiera por medios naturales o artificiales. Esto implica desplazamientos de aire; de hecho, los problemas de ventilación abarcan los de movimiento y distribución del aire. Pero en esta simple definición se tiene en cuenta únicamente la cantidad de aire y en las aplicaciones prácticas modernas —tanto si la ventilación se hace con el propósito de mejorar las condiciones de habitabilidad y de confort como si de lo que se trata es de cumplir determinadas exigencias industriales— hay que atender no sólo al volumen de aire renovado sino a sus características, es decir, a su calidad. Por esto, los modernos proyectos de ventilación abarcan detalles como la temperatura del aire, su humedad relativa y su renovación, junto con la filtración y desodorización.
   
   
   Reacciones físicas. Sobre una superficie húmeda, como es la piel, la acción del aire depende de su movimiento, de su temperatura y de su humedad relativa. El aire en movimiento provoca sensación de frío por incrementar las pérdidas de calor por conducción, convección y evaporación; la temperatura del ambiente afecta a la rapidez con que el cuerpo pierde su calor y la humedad relativa del aire influye en la velocidad con que transpira la piel húmeda, de tal modo que cuanto más seco es el aire más rápidamente absorbe humedad y mayor efecto refrescante produce. Por otra parte, las estadísticas sanitarias, con sus datos acerca de los perjudiciales efectos producidos sobre los pulmones y vías respiratorias por un aire cargado de partículas extrañas y gases tóxicos, demuestran la conveniencia de conservar la pureza del aire. La mayoría de los países han reconocido los peligros que entraña la contaminación que las aglomeraciones urbanas e industriales provocan en la atmósfera y han dictado leyes tendentes a asegurar la pureza del aire que respiramos.
   
   
   La ventilación se ocupa, por tanto, del continuo suministro de aire en la cantidad y calidad requerida para el bienestar de las personas obligadas a pasar buena parte de su vida en recintos cerrados. Demasiado frecuentemente el aire exterior suele designarse como «aire fresco» (aire libre) y es, sin embargo, bien evidente que, en los centros urbanos e industriales, este aire se aparta bastante en sus características de las antes citadas como convenientes y debe ser sometido a un tratamiento previo, que comprende, entre otros, la filtración, lavado, precipitación electrostática, etc. Las exigencias modernas no se conforman con abrir o cerrar una ventana o simplemente accionar la válvula de un radiador.
   
   Son generalmente las características físicas del aire y no las químicas las que deciden el grado de ventilación necesario. Si en un espacio cerrado no se realizan trabajos que originen polvo o gases nocivos, la cantidad de aire nuevo que debe introducirse será solamente la necesaria para diluir los olores por debajo del umbral de la percepción y para mantener la humedad relativa dentro de lo razonable; el número de ocupantes y la naturaleza de sus diversas actividades son datos decisivos para fijar aquella cifra. Normalmente se requieren unos 280 litros de aire nuevo por persona y por minuto en lo que concierne a la eliminación de olores, pero, como en este aspecto la ventilación no es sino una dilución, el volumen real necesario será diferente según el grado de contaminación. Cuando se realizan actividades generadoras de gases tóxicos, polvo, humo, etc., lo mejor es proceder a su eliminación en el punto de origen mediante exhaustores o aspiradores que eviten la contaminación de todo el recinto. Como el aire en movimiento rápido no resulta confortable, lo más adecuado suele ser una combinación juiciosamente proyectada de aportación de aire nuevo y expulsión del contaminado.
   
   
   Concretando ya más estas ideas, los factores que deben ser regulados son: 1) temperatura; 2) humedad relativa; 3) movimiento; 4) ausencia de impurezas; 5) ausencia de olores. La relación entre los tres primeros determina la sensación de calor, de tal modo que se hará necesario elevar la temperatura cuando disminuya el grado de humedad o cuando aumente la corriente de aire. La importancia que hoy se concede a estos problemas justifica el crecido número de prósperas industrias dedicadas al proyecto y montaje de instalaciones capaces de controlar tales factores.
   
   
   Pérdidas de calor del cuerpo. El cuerpo cede calor al espacio que le rodea, sobre todo por la transpiración de la piel y también por convección y por radiación. Las pérdidas por convección dependen de la temperatura ambiente y del movimiento del aire, mientras que en las originadas por evaporación influye además, en gran medida, el estado higrométrico y en las debidas a la radiación la diferencia entre la temperatura de la piel y la del ambiente, paredes, mobiliario, etc. Es decir, que de las pérdidas totales las originadas por convección y radiación aumentan cuando disminuye la temperatura ambiente, en tanto que las de evaporación aumentan conforme lo hace la temperatura. En las condiciones normales de invierno en una sala de estar, con una temperatura de 21 °C y una humedad relativa del 30 %, un adulto en reposo pierde aproximadamente unas 25 kcal/h debido a la evaporación de la humedad de la piel, y unas 75 kcal/h entre radiación y convección. Al variar el grado de actividad, cambian también las condiciones ambientales que afectan a las sensaciones de calor y bienestar.
   
   Las reacciones fisiológicas fundamentales del organismo humano frente al ambiente han de ser tenidas en cuenta y conviene hacer aquí breve revisión para que se comprenda claramente la importancia de crear una ambientación adecuada. El cuerpo humano puede considerarse como una instalación convertidora de energía en la cual en último término todo conduce a la producción de calor; la cantidad de calor originada varía entre 100 y 250 kcal/h según esté la persona en reposo o en plena actividad. Como el organismo mantiene normalmente una temperatura de 37 °C y la producción de calor dura toda la vida, es evidente que el calor habrá de disiparse a la misma velocidad con que se produce, ya que de lo contrario subiría o bajaría la temperatura del cuerpo. El sistema regulador de los animales de sangre caliente mantiene automáticamente este equilibrio, en parte controlando el flujo sanguíneo periférico y en parte mediante las glándulas sudoríparas. Cuando el cuerpo consigue fácilmente el equilibrio, se siente cómodo; cuando no logra disipar tanto calor en la misma medida que lo produce, viene la sensación de calor, e inversamente, cuando no alcanza a compensar las pérdidas térmicas, se produce la sensación de frío. El ambiente de las habitaciones debe ser tal que favorezca el equilibrio citado.
   
   
   El suministro de aire puede ser natural o artificial. El primero excluye el uso de motores, máquinas y otras fuentes mecánicas de energía. El aire que entra o sale de las habitaciones por ventanas, puertas y claraboyas abiertas o por chimeneas, pozos y respiraderos que no estén dotados de algún mecanismo auxiliar, constituye la ventilación natural. Gomo la fuerza que mueve el aire en tal caso procede de la diferencia de presión entre uno y otro extremos del conducto y ésta depende a su vez de la temperatura y de la fuerza y dirección del viento, resulta prácticamente imposible predecir el resultado de tal sistema. Se da el nombre de ventilación mecánica a aquella en que la corriente de aire es producida por aspiradores o soplantes accionados por fuerza motriz. La cantidad de aire extraída de un recinto o insuflada en él por este medio es susceptible de regulación y cálculo; de hecho se recurre a tales procedimientos cuando se exige una ventilación enérgica y continuada, prescindiéndose de la natural; sólo así puede asegurarse una renovación eficaz tanto en volumen de aire como en sus características.
   
   Actualmente se dispone de sistemas de ventilación, calefacción y acondicionamiento de aire capaces de cumplir las exigencias más diversas, sea mediante el montaje de tales servicios centralizados, bien gracias a pequeñas instalaciones independientes situadas en cada uno de los locales que lo requieran.
   
   
   Control de la temperatura. Para mantener una temperatura confortable en un local cerrado hay que suministrarle calor a medida que éste se disipa. Todos los edificios y habitaciones pierden calor cuando la temperatura exterior es más baja; la pérdida es proporcional a la diferencia de temperatura, aunque depende también del tipo de construcción y de los materiales empleados, de diferente poder aislante, cuya juiciosa elección y distribución se refleja en el consumo de combustible; estos mismos principios son también aplicables en la refrigeración.
   
   Tanto en la calefacción como en la refrigeración, el objetivo es siempre el mismo: establecer un medio ambiente que facilite los intercambios de calor del cuerpo humano y alivie así la tensión o exceso de trabajo a que de otro modo se vería sometido su sistema de regulación.
   
   Al determinar la temperatura conveniente deberán tenerse presentes la actividad de los ocupantes y su vestimenta; los vestidos no son sino un aislamiento del cuerpo que afecta a la facilidad con que éste puede disipar el calor que produce. Cuanto más gruesa sea la ropa mayor será el aislamiento y tanto menor podrá ser la temperatura del local; por otra parte, cuanto mayor sea la actividad de sus ocupantes, mayor será el calor producido y tanto mayor tendrá que ser la refrigeración, como ocurre en los gimnasios, que mantienen temperaturas invernales.
   
   Los edificios calentados intermitentemente, como algunos edificios públicos, escuelas, iglesias, etc., para mantener la temperatura requieren en las primeras horas una aportación de calor mayor que la necesaria más tarde, debido a la absorción de calor por la estructura de la edificación. La cantidad de calor necesaria puede obtenerse multiplicando su masa por el calor específico medio de los materiales y por la diferencia de temperaturas; como la masa en este tipo de edificaciones alcanza a veces cifras muy altas, la cantidad de calor necesaria inicialmente suele superar a la requerida en el resto del día para mantenerla conveniente. En este tipo de locales, sobre todo en horas tempranas, se nota una sensación de frío, aun estando el aire a la temperatura de 21 °C, debido a las pérdidas de calor del cuerpo hacia las paredes, mobiliario, etc. El mismo razonamiento puede aplicarse cuando se considera la refrigeración de tales edificaciones.
   
   
   Sistemas. Hay una gran diversidad de sistemas de calefacción. Puede hacerse una primera clasificación en instalaciones por convección y por radiación. El ejemplo más conocido de las primeras consiste en un hogar que calienta unos conductos por donde circula aire, ya sea a termosifón o bien impulsado por un ventilador, para luego ser distribuido a las distintas habitaciones; el éxito del sistema depende de la adecuada repartición del aire caliente, por lo cual adquiere gran importancia la situación de sus entradas y salidas. Su coste inicial es relativamente bajo, aun incluyendo el equipo de filtrado y circulación forzada del aire, y, además, puede adaptarse rápidamente a las exigencias del momento; otra ventaja es que se presta fácilmente a ser transformado en un sistema mixto de calefacción y refrigeración. Según otro procedimiento se insufla aire fresco sobre unos radiadores calentados por vapor y luego se distribuye mediante una red de conductos a los locales deseados; el sistema se llama también de calefacción indirecta y constituye un buen ejemplo de equipo combinado de ventilación y calefacción por convección; equipándolo de compuertas, movidas a mano o automáticamente, se regula la proporción de aire recirculado y aire fresco hasta conseguir la mezcla más idónea en cada circunstancia. Muchos comercios y talleres emplean grupos calentadores por convección integrados por elementos calefactores con un ventilador o soplante, que permiten regular el volumen de aire y su temperatura al nivel deseado; a veces estos grupos se designan como toma de aire fresco.
   
   Con una ventilación apropiada el consumo de calor es siempre mayor, ya que al renovar el aire, aunque sólo sea parcialmente, se expulsa otro tanto del ya viciado y con él una buena cantidad de calorías, las cuales han de ser repuestas y tenidas en cuenta, junto con las pérdidas propias del edificio, al calcular las instalaciones y los consumos de combustible.
   
   Entre los calentadores por radiación o directos se encuentran los braseros, estufas de carbón y salamandras, las chimeneas y lares; estos dispositivos van siendo sustituidos por radiadores alimentados con vapor o agua caliente a través de una red de tuberías conectadas a una caldera central; el fluido calefactor circula a termosifón o, más frecuentemente, impulsado por bombas. Como es natural, existen numerosas variantes y dispositivos auxiliares que permiten su adaptación a las necesidades de cada caso.
   
   Durante años ha sido, y aún es, práctica frecuente el instalar los radiadores debajo de las ventanas donde mayor es el enfriamiento. Dado lo poco decorativo de estos elementos es costumbre empotrarlos en huecos de las paredes con orificios de entrada de aire a nivel del suelo y de salida por la parte alta del radiador, con lo que el aire circula por la cámara caldeada y se distribuye por la habitación; de esta forma la instalación trabaja por convección. Otro modelo muy en boga consiste en una extensa red de tuberías suavemente calentadas, que se entierran en el pavimento, paredes y techos; en ella se combinan los efectos de la radiación con los de la convección y se obtienen muy buenos resultados. Cuando la diferencia de temperatura entre la superficie radiante y el medio ambiente es muy pequeña, se necesita que el área caldeada sea muy extensa. Por ejemplo, un radiador vertical directo alimentado con vapor a una presión de 70 g/cm2 cederá calor a razón, de 89 kcal/m2/h, en tanto que el mismo radiador alimentado con agua a 71 °C cederá en igual tiempo solamente 55 kcal/m2.
   
   
   Refrigeración. Se considera tan conveniente en verano como la calefacción en invierno, para ahorrar esfuerzos al sistema de regulación térmica del cuerpo humano. En las localidades donde las noches son bastante más frías que los días se aprovecha esta diferencia para renovar el aire de los locales durante ellas, ya sea por tiro natural o con auxilio de exhaustores colocados en los áticos; durante el día, en cambio, se mantienen cerrados los huecos que dan al exterior. Artificialmente se consigue este efecto insuflando aire sobre superficies refrigeradas y conduciéndolo ya frío a las habitaciones. Disminuyendo la humedad relativa del aire se obtiene también un efecto semejante y de hecho las instalaciones perfeccionadas combinan ambas características. Como en la práctica las corrientes de aire demasiado frías resultan molestas, es preferible renovar un volumen mayor cuando la cantidad de calor a disipar sea considerable. En invierno se considera cómoda la temperatura de 21 °C para la ejecución de trabajos ligeros, pero en verano suele tolerarse una temperatura algo superior; en realidad, rara vez se refrigeran los departamentos más de 8 o 9°C por debajo de la temperatura exterior. Las edificaciones fáciles de caldear y el empleo de materiales aislantes, además de contribuir al ahorro de combustible durante el periodo invernal, colaboran a preservar del calor en verano y ahorran energía en las instalaciones refrigerantes.
   
   Ya hemos apuntado que la humedad relativa del aire es un factor primordial en la sensación de comodidad por afectar en gran medida a la evaporación de la piel y, por tanto, a su frescura. La capacidad del aire para retener la humedad depende de su temperatura; la cantidad de vapor de agua requerida para alcanzar la saturación crece rápidamente con aquélla y así a 0°C bastan 4,85 g de vapor para saturar un metro cúbico de aire, mientras que a 21 °C se requieren 18,5 g. Si se calienta desde 0 a 21 °C un aire que contenga el 50 % de humedad relativa, esta cifra quedará reducida al 12 % y el aire estará en condiciones de absorber más rápidamente la humedad de la piel. El efecto refrescante debido a la evaporación explica por qué un ambiente seco debe calentarse a una temperatura más alta que otro provisto de un cierto grado de humedad para alcanzar el mismo confort. En una atmósfera a 19°C y con 50 % de humedad se experimenta la misma sensación de calor que en otra a 21 °C, cuya humedad sea sólo del 20 por ciento.
   
   Todas las razones expuestas explican la necesidad de controlar debidamente la humedad atmosférica tanto en invierno como en verano. En general, en la estación fría y con la calefacción en marcha, ha de agregarse humedad al aire, mientras en la cálida conviene eliminarla. La adición se consigue mediante chorros de vapor o recipientes evaporadores expuestos al aire y la disminución haciéndolo circular sobre superficies refrigeradas o a través de agua fría pulverizada hasta alcanzar el punto de rocío, a cuya temperatura condensa parcialmente el vapor de agua del ambiente; otro medio es hacer pasar el aire sobra sustancias absorbentes o higroscópicas. En la práctica se admite que el mantenimiento de una humedad relativa comprendida entre el 30 y el 70 % resulta conveniente tanto desde el punto de vista higiénico como del de la comodidad.
   
   • Calefacción Irradiada: Los romanos construyeron locales cuyo piso, incombustible, sostenido en pilares de ladrillo, tenía debajo un espacio, cuya altura no solía llegar a un metro, en comunicación con una caldera de cobre. El humo y el aire caliente circulaban por ese lugar —hipocausto— y salían al exterior por tuberías d... Para seguir leyendo ver: Calefacción Irradiada
   
   Véase Aire, Acondicionamiento de.

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