Cálculo de la infiltración de aire ambiente: la ecuación detrás de la corriente térmica del aire acondicionado monobloque

La mayoría de las reseñas de aire acondicionado portátil se centran en las clasificaciones BTU y los niveles de decibelios. Muchas menos abordan el calor que vuelve a entrar en la habitación sin ser invitado: la penalización térmica que la infiltración de corriente térmica del aire acondicionado monobloque impone a cada unidad de un solo tubo en funcionamiento. No se trata de un defecto de diseño que los ingenieros pasaron por alto; es la consecuencia inevitable de expulsar el aire de la habitación al exterior y la física que sigue. Lo que lo hace tratable es que es matemáticamente predecible y, por lo tanto, medible, visible y reducible.

Este artículo construye la ecuación completa de la carga térmica por infiltración paso a paso: el componente sensible que aumenta con la diferencia de temperatura, el componente latente que aumenta con la humedad exterior y el total combinado contra el que debe trabajar el compresor antes de lograr cualquier enfriamiento neto de la habitación. Las cifras se basan en condiciones psicrométricas reales del verano europeo y son coherentes con los valores reportados en las especificaciones publicadas de los fabricantes y en las pruebas de las entradas EPREL de la UE.

¿Qué es la infiltración de corriente térmica en el aire acondicionado monobloque?

La infiltración de corriente térmica en el aire acondicionado monobloque es la carga térmica total introducida en una habitación por el aire exterior que se infiltra, atraído para reemplazar el aire expulsado por el ventilador de escape de una unidad portátil de un solo tubo. Comprende dos componentes: calor sensible (la carga asociada a la diferencia de temperatura entre el aire exterior e interior) y calor latente (la carga asociada al mayor contenido de humedad del aire exterior de verano). Ambos deben ser eliminados por la batería del evaporador, reduciendo la fracción de capacidad de refrigeración disponible para una reducción real de la temperatura de la habitación.

La palabra monobloque (una unidad de un solo chasis que contiene compresor, condensador, evaporador y ventiladores en un único recinto portátil) es importante aquí porque el ventilador de escape es interno al volumen de aire de la habitación. Cada metro cúbico por hora que el ventilador de escape expulsa al exterior es un metro cúbico por hora de potencial de infiltración que el déficit de presión de la habitación convierte en flujo de aire real hacia el interior a través de cualquier hueco que exista en la envolvente del edificio.

¿Cuál es la ecuación para calcular la carga térmica por infiltración?

La carga térmica total por infiltración se divide en dos términos. Carga sensible: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, donde ρ es la densidad del aire (1,2 kg/m³), V es la tasa de infiltración volumétrica en m³/s, Cp es el calor específico del aire a presión constante (1.005 J/(kg·K)) y ΔT es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior en Kelvin. Carga latente: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, donde h_fg es el calor latente de vaporización del agua (aproximadamente 2.500 kJ/kg a 25°C) y Δω es la diferencia de la razón de humedad entre el aire exterior e interior en kg de agua por kg de aire seco.

La razón de humedad ω (también llamada humedad específica o razón de mezcla) puede leerse en tablas psicrométricas o calcularse como ω = 0,622 × p_v / (p_atm − p_v), donde p_v es la presión parcial del vapor de agua y p_atm es la presión atmosférica (101,325 kPa). A 35°C y 60 por ciento de humedad relativa, ω equivale aproximadamente a 0,0215 kg/kg (21,5 gramos de agua por kilogramo de aire seco). A 22°C y 50 por ciento de humedad relativa, ω equivale aproximadamente a 0,0083 kg/kg. La diferencia, Δω = 0,0132 kg/kg, es la humedad que el evaporador debe condensar y drenar de cada kilogramo de aire que se infiltra.

Ejemplo resuelto: una unidad de un solo tubo que crea 50 m³/h de flujo de aire de infiltración (0,01389 m³/s) en una tarde de 35°C y 60 por ciento de HR contra un objetivo interior de 22°C. Caudal másico de aire = 1,2 × 0,01389 = 0,01667 kg/s. Carga sensible: Q_s = 0,01667 × 1.005 × 13 = 218 W. Carga latente: Q_l = 0,01667 × 2.500.000 × 0,0132 = 550 W. Carga total de infiltración: 768 W. Frente a una unidad con una capacidad de refrigeración nominal de 2.500 W (aproximadamente 8.530 BTU/h), esto representa el 30,7 por ciento de la capacidad total consumida por la infiltración autogenerada antes de que comience cualquier enfriamiento neto de la habitación.

¿Cómo cambia la carga térmica por infiltración según las condiciones del verano europeo?

La carga total de infiltración es muy sensible tanto a la humedad exterior como a la temperatura, porque el componente latente a menudo supera al componente sensible en las condiciones típicas del verano europeo. A 30°C y 55 por ciento de HR, la infiltración a 40 m³/h conlleva una carga combinada modesta. A 38°C y 65 por ciento de HR a la misma tasa de infiltración, la carga casi se triplica, y el componente latente representa ahora más del 70 por ciento del total. Esto explica por qué las ciudades costeras europeas húmedas experimentan un peor rendimiento de un solo tubo que las ubicaciones secas del interior a la misma temperatura del aire.

La fila de 80 m³/h representa un monobloque funcionando cerca de su velocidad máxima de ventilador de escape en una habitación donde la infiltración sigue de cerca la tasa de escape, un escenario común en viviendas antiguas con ventanas de guillotina sin sellar, buzones y construcción de suelos propensa a huecos. En esas condiciones en un día de 35°C, casi la mitad de la capacidad de la unidad se consume por la carga de infiltración que crea, dejando el 50 por ciento restante para el enfriamiento real de la habitación.

Por qué el componente latente es el término dominante por encima de 33°C

El calor latente de vaporización del agua (aproximadamente 2.500 kJ/kg) es 2.488 veces mayor que el calor específico del aire (1,005 kJ/(kg·K) por grado). Esto significa que la diferencia de la razón de humedad Δω necesaria para que Q_l iguale a Q_s es solo ΔT / 2.488 kg/kg, un diferencial de humedad increíblemente pequeño. A 35°C en el exterior y 22°C en el interior (ΔT = 13°C), Q_l iguala a Q_s cuando Δω = 0,0052 kg/kg. Las condiciones reales del verano europeo producen habitualmente Δω de 0,010 a 0,020 kg/kg, lo que significa que la carga latente suele ser de dos a cuatro veces la carga sensible en los días húmedos de verano. Un aire acondicionado que sobresale en enfriamiento sensible pero cuya bandeja de drenaje no puede manejar la tasa de condensado de una alta infiltración presentará degradación del rendimiento o apagado a medida que el evaporador se congela.

¿A qué tasa de infiltración deja una unidad monobloque de proporcionar un enfriamiento efectivo?

El beneficio de enfriamiento neto de una unidad monobloque —el enfriamiento entregado a la habitación menos la carga de infiltración que genera— se aproxima a cero cuando la carga térmica de infiltración iguala la capacidad nominal de la unidad. Para una unidad de 2.500 W a 38°C y 65 por ciento de HR, el cruce se produce a aproximadamente 118 m³/h de infiltración. Aunque eso parece alto, es alcanzable en una habitación pequeña y muy permeable (menos de 15 m²) con una rejilla de ventilación totalmente abierta y un hueco de puerta sin sellar, condiciones no infrecuentes en el parque de viviendas europeo más antiguo.

La preocupación más práctica es la degradación parcial. Una unidad que entrega solo del 50 al 60 por ciento de su capacidad nominal debido a la carga de infiltración parecerá funcionar —el sensor de temperatura indicará ciclos— pero la temperatura de la habitación subirá en las tardes calurosas en lugar de bajar, porque el enfriamiento neto es insuficiente para superar la ganancia total de calor ambiente y solar que entra a través del tejido del edificio.

• Sella primero el hueco del umbral de la puerta: esto normalmente reduce la infiltración entre un 30 y un 50 por ciento y disminuye directamente tanto las cargas de infiltración sensible como latente.
• Cierra las rejillas de ventilación mientras el aire acondicionado funciona. Vuelve a abrirlas por la noche cuando las temperaturas exteriores bajan por debajo del punto de consigna interior.
• Con una humedad exterior superior al 60 por ciento, espera que el componente latente de la carga térmica de infiltración sea el término dominante: el dimensionamiento de la bandeja de drenaje y la bomba de condensado de la unidad debe acomodarlo.
• En habitaciones de menos de 12 m², incluso tasas de infiltración modestas (30–40 m³/h) pueden superar el 20 por ciento de la capacidad de una unidad pequeña en condiciones pico de verano.
• Después de sellar, vuelve a medir la tasa de caída de temperatura de la habitación: una mejora del 20 al 30 por ciento indica una reducción exitosa de la infiltración.

Los informes de propietarios en r/airconditioning describen con frecuencia el fenómeno de una habitación que se enfría adecuadamente durante la noche pero que sube constantemente de temperatura durante la tarde a pesar de que el aire acondicionado funciona continuamente, coherente con una unidad cuyo enfriamiento neto (capacidad nominal menos carga de infiltración) es marginalmente positivo en condiciones moderadas pero se vuelve negativo una vez que la temperatura y la humedad exteriores alcanzan su pico simultáneamente.

¿Cómo se compara la carga de infiltración entre los distintos tipos de unidades portátiles?

La ecuación de la carga térmica de infiltración se aplica solo a las unidades que expulsan el aire de la habitación. Un monobloque de doble tubo aspira el aire de su condensador a través de un conducto de admisión dedicado en lugar de hacerlo desde la habitación, reduciendo (pero no eliminando) el déficit de presión neto y recortando la infiltración al 5 a 15 por ciento de la capacidad de refrigeración en las mismas condiciones. Una unidad split móvil no expulsa nada de aire de la habitación, por lo que los términos de carga de infiltración Q_s y Q_l son ambos iguales a cero; las ecuaciones se vuelven irrelevantes, y la capacidad nominal completa está disponible para el enfriamiento de la habitación.

Esta diferencia estructural explica por qué las comparaciones de capacidad entre unidades de un solo tubo y unidades split móviles según sus clasificaciones BTU de placa son engañosas. Una split móvil de 9.000 BTU y una unidad de un solo tubo de 9.000 BTU son productos funcionalmente diferentes a temperaturas exteriores superiores a 30°C: la split entrega aproximadamente 8.500 BTU de enfriamiento neto de la habitación, mientras que la unidad de un solo tubo puede entregar de 5.500 a 7.000 BTU dependiendo del sellado de la habitación. La ecuación cuantifica esa brecha con precisión en lugar de dejarla como una impresión vaga de bajo rendimiento.

Las unidades split móviles que eliminan por completo la infiltración de corriente térmica del aire acondicionado monobloque son las unidades más demandadas durante las olas de calor europeas y, en consecuencia, las primeras en agotarse. Para los compradores que entienden la ecuación de infiltración, adelantarse al reabastecimiento importa: es la diferencia entre comprar la unidad que resuelve el problema y pasar otro verano gestionando las consecuencias de una que no lo hace.