Càlcul de la infiltració d'aire ambiental: l'equació darrere del corrent tèrmic dels aires condicionats monobloc

La majoria de ressenyes d'aires condicionats portàtils se centren en les xifres de BTU i els nivells de decibels. Molt poques aborden la calor que torna a entrar a l'habitació sense invitació: la penalització tèrmica que la infiltració del corrent tèrmic dels aires condicionats monobloc imposa a cada unitat de mànega única en funcionament. No és un defecte de disseny que els enginyers hagin passat per alt; és la conseqüència inevitable d'expulsar l'aire de l'habitació cap a l'exterior i la física que en resulta. El que la fa manejable és que és matemàticament predictible i, per tant, mesurable, visible i reduïble.

Aquest article construeix pas a pas l'equació completa de la càrrega tèrmica per infiltració: el component sensible que augmenta amb la diferència de temperatura, el component latent que augmenta amb la humitat exterior, i el total combinat contra el qual el compressor ha de treballar abans d'aconseguir cap refredament net de l'habitació. Les xifres es basen en condicions psicromètriques reals d'estiu europeu i són coherents amb els valors reportats en les especificacions publicades dels fabricants i en els assajos de les entrades EPREL de la UE.

Què és la infiltració del corrent tèrmic dels aires condicionats monobloc?

La infiltració del corrent tèrmic dels aires condicionats monobloc és la càrrega tèrmica total transportada a una habitació per l'aire exterior que s'hi infiltra per substituir l'aire expulsat pel ventilador d'escapament d'una unitat portàtil de mànega única. Comprèn dos components: la calor sensible (la càrrega associada a la diferència de temperatura entre l'aire exterior i l'interior) i la calor latent (la càrrega associada al major contingut d'humitat de l'aire exterior d'estiu). Tots dos han de ser eliminats per la bateria de l'evaporador, la qual cosa redueix la fracció de capacitat de refrigeració disponible per a una reducció real de la temperatura de l'habitació.

La paraula monobloc (una unitat de xassís únic que conté compressor, condensador, evaporador i ventiladors en un sol contenidor portàtil) és important aquí perquè el ventilador d'escapament és intern al volum d'aire de l'habitació. Cada metre cúbic per hora que el ventilador d'escapament expulsa cap a l'exterior és un metre cúbic per hora de potencial d'infiltració que el dèficit de pressió de l'habitació converteix en flux d'aire real cap a l'interior a través de qualsevol escletxa existent en l'envolupant de l'edifici.

Quina és l'equació per calcular la càrrega tèrmica per infiltració?

La càrrega tèrmica total per infiltració es divideix en dos termes. Càrrega sensible: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, on ρ és la densitat de l'aire (1,2 kg/m³), V és el cabal volumètric d'infiltració en m³/s, Cp és la calor específica de l'aire a pressió constant (1.005 J/(kg·K)), i ΔT és la diferència de temperatura entre l'exterior i l'interior en Kelvin. Càrrega latent: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, on h_fg és la calor latent de vaporització de l'aigua (aproximadament 2.500 kJ/kg a 25°C) i Δω és la diferència de raó d'humitat entre l'aire exterior i l'interior en kg d'aigua per kg d'aire sec.

La raó d'humitat ω (també anomenada humitat específica o raó de mescla) es pot llegir de les taules psicromètriques o calcular com ω = 0,622 × p_v / (p_atm − p_v), on p_v és la pressió parcial del vapor d'aigua i p_atm és la pressió atmosfèrica (101,325 kPa). A 35°C i un 60 per cent d'humitat relativa, ω és aproximadament igual a 0,0215 kg/kg (21,5 grams d'aigua per quilogram d'aire sec). A 22°C i un 50 per cent d'humitat relativa, ω és aproximadament igual a 0,0083 kg/kg. La diferència, Δω = 0,0132 kg/kg, és la humitat que l'evaporador ha de condensar i drenar de cada quilogram d'aire infiltrat.

Exemple resolt: una unitat de mànega única que crea 50 m³/h de flux d'aire d'infiltració (0,01389 m³/s) en una tarda a 35°C i un 60 per cent d'HR contra un objectiu interior de 22°C. Cabal màssic d'aire = 1,2 × 0,01389 = 0,01667 kg/s. Càrrega sensible: Q_s = 0,01667 × 1.005 × 13 = 218 W. Càrrega latent: Q_l = 0,01667 × 2.500.000 × 0,0132 = 550 W. Càrrega total d'infiltració: 768 W. Contra una unitat amb una capacitat de refrigeració nominal de 2.500 W (aproximadament 8.530 BTU/h), això representa un 30,7 per cent de la capacitat total consumida per la infiltració autogenerada abans que comenci cap refredament net de l'habitació.

Com canvia la càrrega tèrmica per infiltració segons les condicions d'estiu europees?

La càrrega total d'infiltració és molt sensible tant a la humitat exterior com a la temperatura, perquè el component latent sovint supera el component sensible en les condicions típiques d'estiu europeu. A 30°C i un 55 per cent d'HR, la infiltració a 40 m³/h transporta una càrrega combinada modesta. A 38°C i un 65 per cent d'HR amb el mateix cabal d'infiltració, la càrrega gairebé es triplica, amb el component latent representant ara més del 70 per cent del total. Això explica per què les ciutats costaneres europees humides experimenten un pitjor rendiment amb mànega única que les ubicacions interiors seques a la mateixa temperatura de l'aire.

La fila de 80 m³/h representa un monobloc funcionant a prop de la seva velocitat màxima del ventilador d'escapament en una habitació on la infiltració segueix de prop la taxa d'escapament — un escenari comú en habitatges antics amb finestres de guillotina no segellades, bústies i construccions de terra propenses a escletxes. En aquestes condicions en un dia a 35°C, gairebé la meitat de la capacitat de la unitat és consumida per la càrrega d'infiltració que ella mateixa crea, deixant el 50 per cent restant per al refredament real de l'habitació.

Per què el component latent és el terme dominant per sobre dels 33°C

La calor latent de vaporització de l'aigua (aproximadament 2.500 kJ/kg) és 2.488 vegades més gran que la calor específica de l'aire (1,005 kJ/(kg·K) per grau). Això significa que la diferència de raó d'humitat Δω necessària per fer que Q_l sigui igual a Q_s és només ΔT / 2.488 kg/kg — un diferencial d'humitat increïblement petit. A 35°C exterior i 22°C interior (ΔT = 13°C), Q_l és igual a Q_s quan Δω = 0,0052 kg/kg. Les condicions reals d'estiu europeu produeixen habitualment valors de Δω de 0,010 a 0,020 kg/kg, la qual cosa significa que la càrrega latent és típicament de dues a quatre vegades la càrrega sensible en dies d'estiu humits. Un aire condicionat que excel·leix en refredament sensible però la safata de drenatge del qual no pot gestionar la taxa de condensat provinent d'una alta infiltració mostrarà una degradació del rendiment o s'apagarà a mesura que l'evaporador es glaci.

A quin cabal d'infiltració una unitat monobloc deixa de proporcionar un refredament efectiu?

El benefici net de refredament d'una unitat monobloc — el refredament lliurat a l'habitació menys la càrrega d'infiltració que genera — s'apropa a zero quan la càrrega tèrmica per infiltració iguala la capacitat nominal de la unitat. Per a una unitat de 2.500 W a 38°C i un 65 per cent d'HR, el punt de creuament es produeix a aproximadament 118 m³/h d'infiltració. Tot i que sembla elevat, és assolible en una habitació petita i molt poc estanca (menys de 15 m²) amb una reixeta de ventilació totalment oberta i una escletxa de porta no segellada — condicions no infreqüents en el parc d'habitatges europeus antics.

La preocupació més pràctica és la degradació parcial. Una unitat que lliura només entre el 50 i el 60 per cent de la seva capacitat nominal a causa de la càrrega d'infiltració semblarà que funciona — el sensor de temperatura indicarà cicles — però la temperatura de l'habitació augmentarà en les tardes caloroses en lloc de disminuir, perquè el refredament net és insuficient per superar el guany total de calor ambiental i solar que entra a través de l'estructura de l'edifici.

• Segelleu primer l'escletxa del llindar de la porta — això normalment redueix la infiltració entre un 30 i un 50 per cent i disminueix directament tant la càrrega d'infiltració sensible com la latent.
• Tanqueu les reixetes de ventilació mentre l'aire condicionat funciona. Torneu-les a obrir durant la nit quan les temperatures exteriors baixin per sota del punt de consigna interior.
• Amb una humitat exterior superior al 60 per cent, espereu que el component latent de la càrrega tèrmica per infiltració sigui el terme dominant — el dimensionament de la safata de drenatge i de la bomba de condensat de la unitat ha de poder-lo acomodar.
• En habitacions de menys de 12 m², fins i tot cabals d'infiltració modestos (30–40 m³/h) poden superar el 20 per cent de la capacitat d'una unitat petita en condicions punta d'estiu.
• Després de segellar, torneu a mesurar la taxa de descens de la temperatura de l'habitació: una millora del 20 al 30 per cent indica una reducció reeixida de la infiltració.

Els informes de propietaris a r/airconditioning descriuen freqüentment el fenomen d'una habitació que es refreda adequadament durant la nit però que puja de temperatura de manera constant durant la tarda malgrat que l'aire condicionat funcioni contínuament — coherent amb una unitat el refredament net de la qual (capacitat nominal menys càrrega d'infiltració) és marginalment positiu en condicions moderades però esdevé negatiu una vegada que la temperatura i la humitat exteriors arriben al punt màxim simultàniament.

Com es compara la càrrega d'infiltració entre els tipus d'unitats portàtils?

L'equació de la càrrega tèrmica per infiltració s'aplica només a les unitats que expulsen l'aire de l'habitació. Un monobloc de doble mànega treu l'aire del condensador a través d'un conducte d'admissió dedicat en lloc de fer-ho de l'habitació, la qual cosa redueix (però no elimina) el dèficit net de pressió i retalla la infiltració fins a entre el 5 i el 15 per cent de la capacitat de refrigeració en les mateixes condicions. Una unitat split mòbil no expulsa gens d'aire de l'habitació, de manera que els termes de càrrega d'infiltració Q_s i Q_l són tots dos iguals a zero; les equacions esdevenen irrellevants, i la capacitat nominal completa queda disponible per al refredament de l'habitació.

Aquesta diferència estructural explica per què les comparacions de capacitat entre unitats de mànega única i split mòbils segons les xifres de BTU de la placa són enganyoses. Un split mòbil de 9.000 BTU i una unitat de mànega única de 9.000 BTU són productes funcionalment diferents a temperatures exteriors superiors a 30°C: el split lliura aproximadament 8.500 BTU de refredament net de l'habitació, mentre que la unitat de mànega única pot lliurar entre 5.500 i 7.000 BTU segons l'estanquitat de l'habitació. L'equació quantifica aquesta diferència amb precisió en lloc de deixar-la com una vaga impressió de baix rendiment.

Les unitats split mòbils que eliminen completament la infiltració del corrent tèrmic dels aires condicionats monobloc són les unitats més demanades durant les onades de calor europees — i, en conseqüència, les primeres a esgotar-se. Per als compradors que entenen l'equació de la infiltració, avançar-se a la reposició d'estoc importa: és la diferència entre comprar la unitat que resol el problema i passar un altre estiu gestionant les conseqüències d'una que no ho fa.