Climatización de un centro comercial en Huelva

Abstract

Este Trabajo de Fin de Máster tiene por objetivos el diseño de un sistema de climatización para un centro comercial y de ocio, situado en la ciudad de Huelva, Andalucía. En primer lugar, se ha comenzado con una recopilación de datos, tanto del clima de Huelva (condiciones externas) como de los requerimientos interiores (condiciones internas) y las características estructurales del edificio. Con toda la información es posible realizar el cálculo de cargas, el cual se ha realizado teniendo en cuenta las situaciones más desfavorables, tanto para invierno como para verano, y de esta forma dimensionar la instalación y los equipos de forma que puedan vencer las cargas térmicas durante todas las horas del año. Se ha tenido en cuenta toda la normativa vigente hasta el momento y se ha recopilado en el Capítulo 2 de esta memoria.

El centro comercial, objeto de este proyecto, está formado por 5 plantas, de las cuales solo 2 de ellas se encuentran dedicadas a fines comerciales y, por ello, son las que van a ser climatizadas en el proyecto. Los espacios a climatizar son zonas comerciales, zonas de restauración y los pasillos que unen los locales, llamados Malls. Cada una de estas zonas tiene diferentes condiciones de uso, alumbrado, ocupación, etc. las cuales han sido estudiadas para realizar el cálculo de cargas térmicas. Los resultados de estas cargas muestran una gran diferencia entre verano e invierno, siendo las cargas de verano alrededor del doble de las de invierno, lo cual era de esperar por la zona geográfica en la que se encuentra el centro comercial.

Existe una gran variedad de sistemas de climatización, pero al encontrarse en una zona tan cálida como Huelva, se ha optado por la aerotermia, que ofrece altos niveles de eficiencia en climas cálidos. Se han desarrollado dos tipos de climatización para todo el edificio, el primero para locales pequeños, con bomba de calor reversible aire-agua, sistema de dos tubos para las tuberías de agua y fan-coils. Este tipo de climatización permite a cada local regular el aire impulsado por el fan-coil y ajustar la temperatura según sus condiciones de ocupación, maquinaria, etc. Además, es imprescindible diseñar un sistema de ventilación para estos locales, ya que los fan-coils solo recirculan el aire interior. Se ha diseñado un sistema de conductos de aire que llegan a cada local desde diferentes unidades de tratamiento de aire (UTAs), que introducen aire del exterior precalentándolo o prenfriándolo antes de introducirlo en cada zona. Al tratarse de un edificio grande, con cargas que superan los 70 kW, es importante añadir recuperador de calor para mejorar la eficiencia del sistema de climatización.

Para el resto de los locales y Malls, debido a que se necesitarían un número muy elevado de fan-coils, encareciendo mucho el coste de la instalación, se ha optado por un sistema todo aire, con climatizadores aire-aire, conductos de aire, toberas, etc repartidos por las zonas para la impulsión de aire y rejillas para su retorno.

La metodología que se ha seguido durante el proyecto comienza estableciendo las condiciones de verano e invierno que se desean cubrir, siendo estas las más desfavorables, como ya se ha explicado. Las condiciones más desfavorables de verano dependen de la orientación de cada zona, con los niveles de ocupación, alumbrado y consumo de los equipos llevados a su máximo. En cambio, en invierno, las condiciones más desfavorables se dan cuando las cargas internas son nulas y solo se tiene en cuenta las pérdidas a través de los materiales del edificio. Una vez se tiene toda la información necesaria, se han calculado las cargas térmicas de cada local. Es importante destacar que se ha asumido que no existen pérdidas debido a infiltraciones, ya que el edificio se mantiene sobrepresionado en comparación al exterior.

A continuación, se ha calculado el caudal de agua y aire necesario para vencer estas cargas, y con ello se han dimensionado tanto las tuberías como los conductos de aire. Para que estos caudales sean capaces de recorrer todo el circuito y llegar hasta las zonas más alejadas, es imprescindible el cálculo de la pérdida de carga en las ramas más desfavorables de cada circuito. De esta forma se asegura el correcto dimensionamiento de las bombas de impulsión de agua y los ventiladores de aire, capaces de suministrar el fluido con la presión suficiente en todos los tramos. Todos los equipos se encuentran en la cubierta y desde ahí, las redes de tuberías y conductos distribuyen el caudal hasta cada zona del edificio.

Para las tuberías de agua se ha diseñado un sistema de dos tubos, es decir, tanto el agua fría como la caliente discurre por el mismo circuito. Por ello, se han dimensionado para las condiciones de verano (agua fría) ya que son condiciones mucho más desfavorables a las de invierno. El agua llega hasta los elementos de final de recorrido, los fan-coils, que utilizan el agua para impulsar aire frío o caliente y vencer las cargas térmicas de cada local.

El aire de impulsión de estos equipos es la suma del caudal de retorno y el de ventilación, el cual es aportado por UTAs, a través de conductos de aire de renovación. Además, cada local cuenta con sus conductos de extracción de aire. Por otro lado, se han diseñado conductos de aire para las zonas climatizadas con rooftops, y estos conductos deben ser capaces de suministrar el caudal de aire para vencer las cargas térmicas y para ventilar. Además, cuentan con conductos de retorno del aire de cada zona al rooftop, con las mismas dimensiones que los conductos de impulsión, ya que, aunque el caudal de retorno es menor, la velocidad del fluido de retorno debe ser menor a la de impulsión, según el RITE.

Por último, se ha calculado un presupuesto que cuenta con el precio y la descripción de cada equipo y resulta en un precio de 2.621.969,51 €.

Este proyecto cuenta con 5 documentos diferentes, el primero es la Memoria donde se recoge el procedimiento y las justificaciones de las decisiones tomadas a la hora del diseño del sistema de climatización. También recoge los modelos de los equipos seleccionados y la bibliografía. El segundo documento son los Anexos con los cálculos que se han realizado. Recoge todos los resultados de los cálculos de las cargas térmicas, los caudales de agua y de aire, las dimensiones de las tuberías, las dimensiones de los conductos y las pérdidas de carga de los circuitos. Además, en el Anexo V, se recoge las tablas de apoyo que se han usado a la hora de realizar los cálculos de los anexos, como las tablas de los diámetros de tuberías y conductos. El tercer documento es el Pliego de Condiciones requerido en toda instalación para recoger las especificaciones técnicas de los equipos y la obra. El cuarto documento es el Presupuesto en detalle de toda la instalación. El quinto y último documento es el de Planos, donde se representa toda la red de tuberías y conductos por planta, con sus dimensiones y accesorios.

The objective of this Master's thesis is the design of an air conditioning system for a shopping and leisure center, located in the city of Huelva, Andalusia. First of all, the thesis has started with a data collection, both the climate of Huelva (external conditions) and the interior requirements (internal conditions) and the structural characteristics of the building. With all the information it is possible to calculate the thermal loads, which has been done taking into account the most unfavorable situations, both for winter and summer, and thus dimension the installation and equipment so that they can overcome the loads during all hours of the year. All the current regulation has been taken into account and compiled in Chapter 2 of this report.

The shopping center, object of this project, consists of 5 floors, of which only 2 of them are dedicated to commercial purposes and, therefore, are the ones to be air-conditioned in the project. The spaces to be air-conditioned are commercial areas, restaurant areas and the corridors that connect the premises, called Malls in this document. Each of these areas have different conditions of use, lighting, occupancy, etc., which have been studied to calculate the thermal loads. The results of these loads show a big difference between summer and winter, with summer loads being about twice as high as winter loads, which was to be expected due to the geographical area in which the mall is located.

There is a wide variety of air-conditioning systems, but being in an area as hot as Huelva, aerothermal systems have been chosen, which offer high levels of efficiency in these climates. Two types of air conditioning have been developed for the entire building, the first for small premises, with reversible air-water heat pump, two-pipe system for water pipes and fan-coils. This type of air conditioning allows each room to regulate the air driven by the fan-coil and to adjust the temperature according to its occupancy conditions, machinery, etc. In addition, it is essential to design a ventilation system for these premises, since the fan-coils only recirculate the interior air. A system of air ducts has been designed to reach each room from different air handling units (AHUs), which introduce outside air by preheating or pre-cooling it before introducing it into each zone. As this is a large building, with loads exceeding 70 kW, it is important to add a heat recovery unit to improve the efficiency of the air conditioning system.

For the rest of the premises and Malls, since a very high number of fan-coils would be required, making the cost of the installation much more expensive, an all-air system was chosen, with air-to-air conditioners, air ducts, nozzles, etc. distributed throughout the areas for air supply and grilles for air return.

The methodology followed during the project began by establishing the summer and winter conditions to be covered, these being the most unfavorable, as already explained. The most unfavorable summer conditions depend on the orientation of each zone, with occupancy, lighting and equipment consumption levels taken to their maximum. On the other hand, in winter, the most unfavorable conditions occur when the internal loads are zero and only losses through the building materials are taken into account. Once all the necessary information was available, thermal calculations were made for each room. It is important to note that it has been assumed that there are no losses due to infiltrations, since the building remains overpressured compared to the exterior.

Then, the water and air flow necessary to overcome these loads has been calculated, and with this, both the pipes and the air ducts have been dimensioned. In order for these flow rates to be able to cover the entire circuit and reach the furthest areas, it is essential to calculate the pressure drop in the most unfavorable branches of each circuit. This ensures the correct sizing of the water supply pumps and air fans, capable of supplying the fluid with sufficient pressure in all sections. All the equipment is located on the roof and from there, the pipe and duct networks distribute the flow to each area of the building.

For the water pipes, a two-pipe system has been designed, i.e. both cold and hot water flow through the same circuit. Therefore, they have been sized for summer conditions (cold water) as these conditions are much more unfavorable than winter conditions. The water reaches the end-of-circuit elements, the fan coils, which use the water to drive hot or cold air and overcome the thermal loads of each room.

The supply air of these units is the sum of the return air flow and the ventilation air flow, which is supplied by AHUs through air renewal ducts. In addition, each room has its own air extraction ducts. On the other hand, air ducts have been designed for the air-conditioned areas with rooftops, and these ducts must be able to supply the air flow to overcome the thermal loads and to ventilate. In addition, they have air return ducts from each zone to the rooftop, with the same dimensions as the supply ducts, since, although the return flow is lower, the velocity of the return fluid must be lower than the supply, according to the RITE.

Finally, a budget has been calculated with the price and description of each equipment and results in a price of 2.621.969,51 €.

This project has 5 different documents, the first one is the Memory where the procedure and the justifications of the decisions taken at the time of the design of the air conditioning system are collected. It also includes the models of the selected equipment and the bibliography. The second document is the Annexes with the calculations that have been made. It includes all the results of the calculations of thermal loads, water and air flow rates, pipe dimensions, duct dimensions and pressure losses of the circuits. In addition, Annex V contains the support tables used in the calculations of the annexes, such as the tables of pipe and duct diameters. The third document is the Specifications required in any installation to collect the technical specifications of the equipment and the whole work. The fourth document is the Budget in detail of the whole installation. The fifth and last document is the installation Plans, where the entire network of pipes and ducts of each floor is represented, with its dimensions and accessories.