Validación de la eficiencia de la cortina de aire a través de modelos informáticos y pruebas de laboratorio

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Escrito por: Naga Thiyagarajan, Director de Ingeniería de Mars Air Systems (Marca representada en Perú por SAEG)

Resumen:

La pérdida de energía a través de una puerta abierta es una métrica clave que a menudo se pasa por alto en aras de permitir un tráfico sin obstáculos. Las entradas de cualquier edificio con interior acondicionado que conduzca a un espacio exterior no acondicionado perderán aire acondicionado mientras ganan aire no acondicionado del exterior cada vez que se abren las puertas, esto se debe a las fuerzas térmicas en ambos lados de la abertura. Una cortina de aire destaca al minimizar estas pérdidas. Este documento revisa el análisis de CFD (Computational Fluid Dynamics) y las pruebas de laboratorio que validan la eficiencia de la cortina de aire en varias aplicaciones.

Validación del modelo CFD:

TNO [1], un laboratorio de pruebas independiente, realizó un estudio para evaluar la eficiencia de separación climática de una cortina de aire que se utiliza como línea de base para comparar con los resultados de CFD. El estudio TNO original se realizó en una cámara dividida con celdas climáticas duales que se separaron para establecer y mantener las temperaturas deseadas en cada celda de forma independiente (Fig. 1). Se colocó estratégicamente una matriz de termopares en cada celda y la cortina de aire se colocó en el lado caliente. La cantidad total de transferencia de calor a través de la puerta abierta, con y sin una cortina de aire, se midió para calcular la eficiencia de separación climática de la cortina de aire.

Se realizó una simulación CFD equivalente con geometría, características de flujo de aire, diferencia de presión y carga de calor similares. Los resultados se compararon con los datos del sensor de temperatura del estudio de TNO, y se encontró una buena correlación entre los valores calculados y medidos en celdas de clima cálido y frío (Fig. 2). Se realizaron simulaciones transitorias con y sin cortina de aire y después de los primeros 8 minutos, se registró la energía total requerida para alcanzar el estado estacionario con las puertas cerradas (Fig. 3). Usando estos datos, las eficiencias de separación climática calculadas también coincidieron estrechamente, con el estudio de TNO que demuestra que los modelos CFD reflejaban estrechamente el escenario real. La eficiencia de separación climática del 63% se calculó a partir de modelos CFD, mientras que el estudio TNO midió el 70%.

Resultados de imágenes térmicas y CFD:

Los gráficos de temperatura de las simulaciones de CFD y las imágenes térmicas se utilizan para visualizar los patrones de flujo de aire. Una puerta seccional típica que conduce a un espacio con un techo interior alto tendrá un gran efecto de pila de conducción de fuerzas térmicas (Fig. 4a) mucho más agresivo que una habitación estándar, una cortina de aire puede minimizar la pérdida significativamente (Fig. 4b) tanto en climas fríos como cálidos.

La obtención de imágenes térmicas de una enfriadora 42°F muestra un claro patrón de flujo de aire cuando las puertas se abren con y sin una cortina de aire que corrobora el patrón de flujo de los resultados de CFD: el aire frío sale del enfriador en la mitad inferior de la abertura cuando se APAGA la cortina de aire (Fig. 5a), y se evita la exfiltración con la cortina de aire encendida (Fig. 5b).

Las temperaturas internas más frías fueron monitoreadas por una serie de sensores de temperatura durante 30 minutos con las puertas abiertas para determinar el peor escenario. Las temperaturas exteriores se mantuvieron a una temperatura constante de 80°F para ambos escenarios: cortina de aire APAGADA y cortina de aire ENCENDIDA.

Las temperaturas medias más frías fueron significativamente más bajas con la cortina de aire encendida, incluso 30 minutos después de que la puerta se dejara abierta (Fig. 6). Esta prueba se realizó para probar el peor escenario, como cuando las puertas pueden dejarse abiertas durante los períodos de mantenimiento o carga/descarga. Por lo general, la cortina de aire funciona mejor junto con una puerta física, y la ganancia de calor o pérdida de aire frío es mínima en los primeros segundos o minutos que las puertas están abiertas.

Conclusión:

Las iniciativas Net Zero y los códigos de construcción ecológica se están convirtiendo en una parte importante de cada edificio. Si bien se toma en cuenta cada faceta de un edificio cuando se trata de ahorro de energía, una puerta abierta presenta un desafío único en el sentido de que debe dejar pasar a las personas y los bienes, pero no al aire exterior. Una cortina de aire es una tecnología probada para ayudar a minimizar tanto la infiltración como la exfiltración, proporcionando confort térmico en las áreas alrededor de la abertura y reduciendo la carga térmica en el equipo de climatización. El retorno habitual de la inversión para una cortina de aire es de aproximadamente 2 años. Los principales códigos de construcción ya han adoptado las cortinas de aire como un dispositivo de ahorro de energía y las han incluido como una alternativa a los vestíbulos en zonas de clima frío.

También ha habido una actividad significativa en los organismos de normalización a lo largo de los años. Si bien las normas de seguridad son importantes y necesarias para el cumplimiento, la evaluación del rendimiento aerodinámico y el ahorro de energía son más importantes para los códigos de energía. Organizaciones líderes como Air Movement and Controls Association (AMCA) [2] y la Organización Internacional de Estandarización (ISO) [3] prueban y certifican las cortinas de aire para las características del flujo de aire. Los métodos de infiltración aerodinámica se están explorando activamente en un entorno de laboratorio utilizando cámaras climáticas controladas también [4].

Como fabricantes de cortinas de aire, estamos trabajando con compañías de servicios públicos locales para probar la efectividad en refrigeradores y congeladores comerciales y para incluir potencialmente cortinas de aire en los programas de rebaja de energía.

Referencias:

  1.  Hammink H. y Hendriksen L. 2011.  Determinación de la eficiencia de la separación climática de cortinas de aire biddle Doorflow HP-200 e Indac S200 en condiciones de laboratorio, Países Bajos: Indac, S.
  2. ANSI/AMCA Estándar 220, “Métodos de laboratorio para probar unidades de cortina de aire para clasificación de rendimiento aerodinámico”
  3. ISO 27327-1:2009 – Ventiladores – Unidades de cortina de aire — Parte 1: Métodos de laboratorio de prueba para la calificación de rendimiento aerodinámico
  4. ISO DTR 27327-3, Unidades de cortina de aire para ventiladores – Parte 3: Métodos de prueba para determinar la eficacia energética
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