24 nov. 2012

¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? I

Existen dos errores habituales cuando se conduce cuesta arriba:
  • Levantar el pie del acelerador o aminorar la velocidad. Este es un error típico de personas interesadas en reducir el consumo, y se consigue más bien el efecto contrario. Ya que aunque se reduzca efectivamente el consumo, se consigue también bajar la velocidad media, siendo en general mejor opción reducir ligeramente la velocidad en el resto del trayecto, en vez de bajar mucho la velocidad en la cuesta arriba.

  • El segundo error típico es reducir de marcha y subir la cuesta con el motor revolucionado, de esta manera conseguiremos con seguridad aumentar el consumo.
En la cuesta abajo el error típico es aumentar en exceso la velocidad. Si se desea reducir el consumo casi siempre es una mala idea circular a una velocidad elevada. Como veremos más adelante sólo tiene interese para el consumo aumentar la velocidad débilmente, salvo que la cuesta sea pronunciada.

En realidad la estrategia correcta para la mayoría de las pendientes es mantener una velocidad más o menos constante, salvo que la pendiente sea muy elevada, en ese caso:
  • En subidas con mucha pendiente puede tener interés reducir la velocidad, pero sólo si tenemos un coche de potencia muy justa.

  • En bajadas con mucha pendiente tiene sentido aumentar la velocidad, ya que la alternativa es frenar el coche.
En los siguientes posts voy analizar en detalle cómo afectan las pendientes al consumo del coche, para terminar llegando a las conclusiones que he adelantado.

Continuará…

16 nov. 2012

COMO MINIMIZAR EL EFECTO DEL AIRE ACONDICIONADO EN EL CONSUMO

Para terminar la serie sobre el aire acondicionado (ver estos 4 posts: I , II , III y IV) voy a resumir las recomendaciones que se deben seguir para minimizar el consumo.

RESPECTO AL COCHE
El coche tiene que estar equipado con un climatizador. Este es el punto más importante.
NOTA: en un climatizador se fija una temperatura de consigna, y el compresor del aire acondicionado únicamente funciona cuando es necesario. En los aires acondicionados más antiguos el compresor funciona continuamente, pudiendo aumentar mucho el consumo.

2º Es importante que la superficie acristalada sea la mínima posible, y que las lunas estén tintadas. Los techos solares son especialmente malos.

3º Es conveniente que los colores tanto de la pintura como del interior sean claros. Es más importante el color del interior del coche que del exterior del coche.

4º Finalmente, dado que la potencia se obtiene del motor del coche, cuanto más eficiente sea el motor mejor. Por tanto, los turbodiesel tienen ventaja.
NOTA: no confundir eficiencia del motor, con eficiencia del coche. Los coches híbridos, aunque consigan mejores consumos en ciclo urbano normalmente tienen motores de gasolina, menos eficientes que un motor turbodiesel.

ANTES DE INICIAR LA MARCHA
Aunque sea una obviedad: conviene aparcar el coche a la sombra. Si no es posible, ayuda un poco colocar un parasol en el parabrisas, y también bajar un dedo alguna de las ventanillas.

AL INICIAR LA MARCHA CON EL COCHE MUY CALIENTE
1º Evacuar el aire caliente. Depende de las manías de cada uno y des la prisa que tengas. Lo más fácil es simplemente bajar las ventanillas. Será más eficaz si dejas varias puertas abiertas. Otra posibilidad es bombear el aire con las puertas. Para ello, dejas abierta la puerta del conductor, y vas a la puerta trasera del lado del acompañante. Luego cierras y abres la puerta 4 o 5 veces, de esta manera remplazas la mayor parte del aire del coche con aire más fresco de la calle.

2º Cuando inicies la marcha mantén abiertas las ventanas un rato, y el ventilador de la climatización a máxima potencia sin recircular. En este periodo es cuando más consume el aire acondicionado, si eres un obseso del consumo no conectes el aire acondicionado.

UNA VEZ EL COCHE YA NO ESTÁ MUY CALIENTE
Después del paso anterior tendremos el habitáculo aproximadamente a la misma temperatura que el exterior. A partir de aquí se suben las ventanillas. Si todavía no has accionado el aire acondicionado acciónalo ahora.

A partir de ahora es muy importante que se deje la climatización en posición de recircular el aire del habitáculo.

El consumo será menor si la temperatura de consigna no es excesivamente baja. Es preferible una potencia del ventilador elevada y una temperatura un poco más alta, que un ventilador bajo y una temperatura de consigna un poco más baja.

Repito una vez más, las dos claves para que el consumo sea moderado es disponer de un climatizado y utilizar la función de recircular el aire. Si el coche está bien diseñado el aumento de consumo estará en el entorno 0,1 a 0,7litros por hora.

10 nov. 2012

LEYENDAS URBANAS: CONECTAR EL AIRE ACONDICIONADO CONSUME MUCHO III

…Continúo con la serie sobre el aire acondicionado.

En el último post de la serie se ha estimado la potencia necesaria para refrigerar un coche. Esta potencia oscilará típicamente entre un máximo de 2500W y unos 1000W. Obviamente, si el coche se ha calentado mucho tiempo al sol al principio la climatización operará a su máxima potencia tal vez 3000W o 6000W, depende del coche, pero en muy poco tiempo bajará de los 2500W.

Sin embargo, es muy difícil saber cuánto consumo implica esa potencia de refrigeración debido a la absoluta opacidad de los fabricantes de coches. Una excepción a esta regla es el siguiente artículo de Mitsubishi: Development of Energy-SavingAir-Conditioning System for New COLT del 2004.

Voy a ir paso a paso para estimar cuanto debería consumir un buen sistema de climatización. Empezamos describiendo el sistema (figura gentileza Wikipedia):



Un refrigerador está compuesto por seis elementos:

  1. un fluido térmico para transportar el calor del foco frío (el interior del coche) al foco caliente (el exterior del coche). En principio se podría utilizar cualquier fluido compresible, en la práctica se utiliza casi siempre un fluido que cambia de fase en el proceso (es decir pasa de líquido a gas). Para este caso los elementos son los de la figura:
  2. Un condensador, en el que el fluido comprimido pasa a estado líquido, y libera calor al ambiente.
  3. Una válvula de expansión en la que se reduce la presión del fluido para permitir que se evapore.
  4. Un evaporador, en el que el fluido pasa a estado gaseosos, y toma calor del ambiente.
  5. Un compresor, en el que el fluido gaseoso se comprime y se calienta (al comprimir un gas aumenta su temperatura). El compresor es una de las partes más importante para mejorar el rendimiento del sistema.
  6. Una fuente de potencia para accionar el compresor. En principio será de dos tipos:
    1. En la mayoría de los coches la potencia se obtiene directamente del eje del motor mediante un embrague.
    2. En algunos coches, típicamente híbridos, la potencia se obtiene de un motor eléctrico, que se alimenta de unas baterías que a su vez obtienen la energía del alternador/generador.

En el post anterior he mostrado como en un caso de refrigerar el aire de 40ºC a 20ºC la eficacia frigorífica (COP o EER) en un sistema ideal es de casi 15. Cuanto menor sea el salto de temperatura mejor para el rendimiento del sistema.

En la realidad el rendimiento del sistema es mucho menor. Existen diferentes causas que nos alejan de la idealidad. A destacar que el rendimiento del compresor no es muy alto, y que la diferencia de temperaturas en el fluido térmico es mayor.
NOTA: el sistema tiene dos intercambiadores de calor, el evaporador y el condensador. Para que un cambiado de calor funcione requiere un salto térmico. Por eso el salto térmico del fluido térmico es muy superior a los 20ºC que necesitamos para refrigerar el habitáculo. Simplemente con que el salto térmico de cada intercambiador sea de 10ºC, aumenta el salto térmico total en el fluido térmico a 40ºC, y la máxima eficacia frigorífica posible baja a 7, menos de la mitad.

La eficacia frigorífica de una instalación grande para refrigerar un edificio está normalmente al menos entre 3 y 4. Pudiendo en casos favorables superar el 5.

Si nuestro coche fuera un electrodoméstico bastaría con ver la letra que indica la eficacia del aparato (para España ver real decreto 142/2003).

COP’s en electrodomésticos hasta 12KW (uso doméstico):

NOTA: estos valores corresponden a una temperatura exterior de 35ºC que es un valor típico para la mayoría de los países cálidos como España. La potencia que requiere un coche (1000W-2500W) corresponde a 860frigorias/hora-2150frigorías/hora, pero dado que puntualmente se requiere mucha más potencia cabe esperar que un climatizador de coche esté dimensionado en el rango 3000-6000W (aproximadamente 2500-5000 frigorias/hora). Es decir, potencias totalmente comparables al típico aire acondicionado pequeño doméstico de tipo Split (Se entiende por Split los equipos con dos partes, una unidad en el exterior de la casa y otra en el interior de la casa)

Como se puede ver los electrodomésticos pequeños menos eficientes consiguen un COP de 1,6; mientras que los mejores consiguen más de 3,2. En la práctica casi todo lo que se comercializa en estos momentos al menos alcanza un COP de 3.

La pregunta es ¿en un coche se alcanza el mismo COP que en un electrodoméstico?

En un coche tenemos claramente dos inconvenientes que perjudican la eficiencia:

  • Limitación de espacio y peso (respecto a un equipo de uso doméstico).

  • A priori menor rendimiento debido a la fuente de potencia:
    • Si el compresor está unido al motor: el régimen de giro varía mucho. Normalmente habrá algún rango en el que el COP será peor.
    • Si el compresor está unido a un motor eléctrico: hay que añadir al sistema las pérdidas tanto del alternador/generador, como del proceso de carga y descarga de las baterías.
Pero también tenemos un gran incentivo respecto a un equipo doméstico: el coste de la energía es muy muy superior, debido a que el combustible tiene una fiscalidad desfavorable y que el rendimiento del motor del coche es muy bajo. (Obviamente esto no ocurre si tenemos un coche eléctrico).

El problema al que nos enfrentamos es que no hay forma de saber si el climatizador de tu coche es extraordinario, o es una porquería. Desgraciadamente los fabricantes de coches no tienen obligación de comunicarnos la eficiencia del climatizador del coche, y se preocupan muy mucho de no darnos esa información.

Para hacer una estimación me basaré en los números del artículo que he citado, dado que el artículo ya tiene unos cuantos años los valores son válidos para un coche real: COP medio máximo 2,5. COP medio mínimo 1,5. Como podéis ver los valores oscilan entre mediocres o muy malos (si se comparan con los valores de cualquier aire acondicionado doméstico).

Ya tenemos toda la información necesaria para hacer una estimación.

Escenario más desfavorable:
COP 1,5
Potencia refrigeración 2500W
Motor de gasolina (energía combustible 32,18MJ/l)
Rendimiento medio motor 25%
Consumo climatización: 0,75l/h

Escenario favorable:
COP 2,5
Potencia refrigeración 1000W
Motor de gasoil (energía combustible 35,86MJ/l)
Rendimiento medio motor 30%
Consumo climatización: 0,13l/h

Estos números son consistentes con la estimación en mi coche que presentaba en el primer post de esta serie: el escenario más desfavorable corresponde a 0,5l/h en un día que la temperatura exterior alcanzó los 40ºC y con el motor al relentí.

Incluso en el caso más desfavorable imaginable, y considerando un precio de la gasolina de 1,5€, el coste de mantenerse frescos 5 personas es de 1,12€/h, un precio que al menos a mí me parece aceptable, aunque sea muy superior al coste de la electricidad para mantener una habitación a una temperatura fresca.
NOTA: el coste de la energía es aproximadamente 10 veces menor, ya que el coste en España del KW/h en estos momentos es de 0,18€ por KW/h (puede variar según tarifas), y con medio KW es suficiente para mantener una habitación pequeña fresca.

Permitidme que insista, salvo que vivas en un sitio como Kuwait, o que te hayan vendido un coche realmente malo, en el 99% del tiempo que conectas el aire acondicionado el aumento del consumo será muy inferior al escenario más desfavorable.

Atención: todo lo dicho aplica a un coche con climatizador, en el que el compresor del aire acondicionado trabaja sólo cuando es necesario para mantener la temperatura deseada. En los coches antiguos el consumo puede ser superior, ya que el compresor trabajaba en todo momento. Este tipo de aires acondicionados se identifican fácilmente por que hay que hacer la aberración termodinámica de conectar la calefacción cuando se requiere poca refrigeración.

En el siguiente post resumiré como se debe elegir el coche y como se debe utilizar el aire acondicionado si se desea minimizar el impacto en el consumo.

6 nov. 2012

SOBRE EL RENDIMIENTO Y EL MOTOR TÉRMICO IDEAL

Hago un inciso a la serie sobre el aire acondicionado para hablar de la eficacia frigorífica.

Normalmente calcular el rendimiento de un sistema es tan sencillo como dividir la energía obtenida del sistema o proceso respecto a la energía introducida.

Ejemplo: tenemos un motor eléctrico con un rendimiento del 95%, esto quiere decir que si alimentamos el motor con una potencia de 1000W, obtendremos una potencia en el eje del motor de 950W.

Sin embargo, a veces se comparan cosas que o bien no corresponden a un rendimiento (es decir no oscila entre 0 y 1), o bien el número obtenido no tiene demasiado sentido físico o utilidad. Un par de ejemplos:

No tiene sentido considerar la velocidad de un velero respecto al viento un rendimiento. Ya que es perfectamente posible navegar a varias veces la velocidad del viento. De hecho los barcos de la próxima edición de la Copa América pueden avanzar a favor y en contra del viento por encima de la velocidad del viento.

Tampoco tiene sentido hablar del rendimiento de un motor cohete, ya que normalmente lo deseable es que la velocidad de los gases de escape sea la mayor posible, pero cuanto mayor es la velocidad de los gases de escape más energía se emplea en acelerar los gases de escape respecto al aumento de la energía cinética del cohete. Por tanto, el rendimiento energético del motor cohete tiende a cero.

Con un motor térmico nos ocurre un fenómeno parecido. Es físicamente imposible obtener un rendimiento del 100%, por eso es conveniente comparar con un motor térmico ideal, para saber cuan bueno o malo es nuestro motor.

Este motor ideal ya lo estudió hace mucho tiempo un francés llamado Sadi Carnot, en el conocido como ciclo de Carnot.

El motor ideal de Carnot intercambia calor entre dos temperaturas, y como resultado de este intercambio obtiene potencia, como se muestra en el siguiente diagrama:



Donde:
T1 – es la temperatura en el foco caliente.
T2 – es la temperatura en el foco frío.
W – es la potencia que obtenemos de nuestro motor térmico.
Q1 y Q2 son los flujos de calor.

Por conservación de la energía: Q1 = Q2 + W

Para un motor ideal que opera según el ciclo de Carnot se cumple que:

Q1 = C×T1
Q2 = C×T2

Donde C es una constante que depende del tamaño del sistema.

NOTA: T1 y T2 en temperatura absoluta. En el sistema internacional de unidades la temperatura se mide en grados Kelvin. El salto térmico de un grado Kelvin es idéntico a un grado centígrado. Para pasar de grados centígrados a grados Kelvin únicamente hay que sumar 273,15.

Luego:

W = C×(T1 - T2)

No creo necesario extenderme más en el ciclo de Carnot. En cualquier libro de termodinámica se explica con detalle estos conceptos. Simplemente quiero resaltar que hay tres tipos de máquinas posibles según estemos interesados en obtener Q1, Q2 o W:

MOTOR TÉRMICO
Un motor térmico estamos interesados en obtener W, y lo alimentamos con energía química en el foco caliente (Q1). Luego el rendimiento de un motor térmico ideal será:

η = W/Q1 = (T1-T2)/T1 = 1 - T2/T1

Ejemplo para un coche con un turbodiesel: el foco frío será la temperatura ambiente, por ejemplo 25ºC. El foco caliente será la temperatura de combustión, por ejemplo 1300ºC.

El rendimiento ideal que se pude obtener es:

η = 1-(25+273)/(1300+273) = 81%

Es decir, un buen motor Diesel con un rendimiento en su mejor punto de funcionamiento del 40%, tiene un rendimiento del 50% respecto a la máquina de Carnot ideal. Volveré sobre este tema más adelante.
NOTA: existe una diferencia importante entre un motor real y una máquina de Carnot. El motor real es un sistema abierto (entra combustible y gas fresco y salen gases de escape), mientras que la máquina de Carnot es un sistema cerrado que sólo intercambia calor con el exterior. No obstante, la comparación sigue siendo interesante.

REFRIGERADOR
Cuando lo que estamos buscando es refrigerar entonces lo que nos interesa es obtener el máximo flujo de calor desde el foco frío (Q2) y la mínima potencia para accionar el sistema (W).

Atención: en un refrigerador el sentido de los flujos es el contrario que en un motor térmico. En vez de obtener potencia del sistema, tenemos que introducir potencia en el sistema, y en contrapartida conseguimos que el calor fluya en sentido contrario. Como el ciclo es ideal y reversible, se puede realizar en un sentido y otro, obteniendo exactamente los mismos resultados pero cambiado el signo.

Un refrigerador ideal que siga el ciclo de Carnot consigue la siguiente eficacia frigorífica o coeficiente de desempeño (en inglés se utiliza habitualmente el término Coefficient of Performance):

COPref = Q2/W = T2/(T1-T2)

Ejemplo para un aire acondicionado de coche. Con una temperatura exterior de 40ºC y una temperatura de refrigeración de 20ºC. Por tanto el foco caliente está a 40ºC y el foco frío está a 20ºC:

COP = (20+273)/(40-20) = 14,7

Es decir, por cada vatio que consume el aire acondicionado se podrían conseguir casi 15 vatios de refrigeración. El COP es tan elevado debido a que el salto de temperaturas es pequeño (20ºC es un salto térmico muy pequeño en temperatura absoluta). Como podéis ver ya no se usa la palabra rendimiento, ya que el COP puede ser superior a la unidad. Los equipos reales normalmente también consiguen COP’s superiores a la unidad.

Y aquí se deduce otra de las lecciones importantes, para que la eficacia sea alta el salto térmico ha de ser lo más bajo posible. Por eso es mejor para el consumo del coche una temperatura alta en la consigna, y el ventilador muy fuerte enfocado a los ocupantes, frente a una temperatura más baja y el ventilador más flojo.

BOMBA TÉRMICA
Cuando estamos interesados en calentar mediante una máquina térmica tenemos una bomba de calor, en ese caso lo que nos interesa es obtener Q1 con la minima cantidad de W posible. Para una bomba térmica el COP con un ciclo de Carnot es un poco más alto, ya que:

COPbom ter = Q1/W = (Q2+W)/W = 1 + COPref

Un ejemplo de bomba térmica es un aire acondicionado doméstico funcionando como calefactor. Obviamente una bomba térmica es mucho más eficiente que un calefactor de resistencias eléctricas.

En la mayoría de los coches las bombas térmicas no tiene sentido, ya que si algo sobra en un motor térmico es calor. La única excepción es los coches eléctricos. Como en un coche eléctrico no se dispone de demasiado exceso de calor hay que buscar alternativas para calentar el habitáculo, una bomba térmica es una de esas alternativas.

1 nov. 2012

LEYENDAS URBANAS: CONECTAR EL AIRE ACONDICIONADO CONSUME MUCHO II

… Continuación post anterior.

Lo primero que hay que tener claro cuando se activa un aire acondicionado es que es muy importante utilizar la recirculación del aire del habitáculo.

Para demostrarlo lo mejor es hacer unos números rápidos, y compara la potencia de refrigeración necesaria con y sin recirculación.

Analizaré un caso muy desfavorable: coche grande con mucha insolación, 5 personas y temperatura exterior de 40ºC


1 ¿Cuánta potencia hace falta para mantener un coche frío?

Los principales términos son los siguientes:

1.1 Radiación solar
En un día despejado y con el sol con una altitud en el entorno de los 90º se recibe a la altura del nivel del mar 1000W/m2. En un país como España lejos de los trópicos el sol sólo se acerca a la vertical muy cerca del solsticio de verano, pero contrariamente a lo que pueda parecer la potencia se mantiene muy elevada aunque el sol se encuentre muy lejos de los 90º, hasta los 50º se alcanzan los 900W/m2 (Quien tenga curiosidad puede consultar modelos en la Wikipedia). En esta Web de la Universidad de Oregón puedes obtener una tabla con la posición del sol para cualquier latitud y longitud. Por ejemplo para España:


En amarillo la zona en la que se recibe una insolación de al menos 900W/m2. Para el paralelo 40º únicamente de abril a septiembre (medio año), y durante un máximo de 6 horas en el solsticio de verano. Si vives en una zona tropical, por ejemplo Perú, la máxima insolación será muy parecida a España, pero se alcanza en los doce meses de año.

De la energía solar que nos llega al coche la parte más importante es la que nos llega al interior del vehículo, debido que el coche funciona como un invernadero (no confundir con el efecto invernadero). Lo deseable para reducir el calentamiento es unos cristales tintados. Cuanto más tintados mejor, no importa que sean negros, unas lunas negras son mucho mejor que unas lunas transparentes.
Desgraciadamente el parabrisas ha de ser transparente por cuestiones de seguridad. Por ejemplo en Europa el cristal ha de dejar pasar al menos el 70% de la radiación solar. Por tanto típicamente la máxima insolación se conseguirá cuando el sol esté en la perpendicular del parabrisas.

Ejemplo:
  • Parabrisas con una inclinación de más 50º (medido respecto a la vertical).
  • Transparencia del 80%
  • Superficie de 2,2m2 (coche grande)
La máxima radiación se alcanzará cuando el sol está perpendicular a la luna. Y será:

900W/m2×80%×2,2m2 = 1.600W

Es decir, en un coche que es un espacio muy pequeño el sol calienta el interior con una potencia equivalente a un calefactor pequeño. Esto explica por que aunque la temperatura exterior sea moderada (por ejemplo 30ºC) el habitáculo pueda alcanzar una temperatura próxima a los 100ºC cuando la insolación es máxima y el día está despejado.

1.2 Transmisión de calor
La segunda fuente de calor es el calor que se transmite del exterior al interior. A poco bien que esté aislado el coche la mayor parte de la transmisión de calor se debería dar a través de las distintas lunas del coche, ya que son muy delgadas: 3 a 5mm según el coche y si la luna es el parabrisas1 o no, y la resistencia térmica de la luna es mediocre (0,8K/Wm para el vidrio, menos para un vidrio laminado) frente a un aislante térmico.
NOTA 1: el parabrisas es un vidrio laminado de mayor grosor para resistir mejor el impacto de objetos.

Si se quiere hacer una estimación precisa de este término no hay más que medir la temperatura de cada luna por el interior del coche y suponer un coeficiente de convección razonable. En realidad no es necesaria tanta precisión, por que el término de la insolación es dominante. Si despreciamos el efecto de calentamiento por el sol de los cristales (que normalmente será moderado) entonces podemos aproximar la transmisión de calor con la siguiente fórmula:

Q = S×ΔT/(1/hext+K/e+1/hint)

Donde:
S – es la superficie de transferencia de calor. Supongo 6m2, que correspondería a un coche grande con mucha superficie acristalada.
ΔT – salto térmico. Es decir la diferencia entre la temperatura exterior e interior. Si considero una temperatura exterior de 40ºC y una temperatura interior de 25ºC el salto es de 15ºC.
hext – coeficiente de convección medio entre el aire exterior y el coche. Supongo 30W/m2K, que me parece un valor razonable para un coche circulando por carretera. Sería inferior circulando despacio, y muy inferior con el coche parado.
hint - coeficiente de convección medio entre el aire interior y el coche. Supongo 10W/m2K, que corresponde con un movimiento forzado del aire dentro del coche. Creo que es bastante conservador, pero dado que estoy estudiando el caso más desfavorable prefiero utilizar valores conservadores.
K – coeficiente de transmisión térmica medio. Escojo el valor del vidrio, que es conservador: 0,8K/Wm.
e – espesor medio de los cristales. Escojo un valor medio de 4mm.
NOTA: se escapa al objetivo del blog explicar principio se transmisión de calor. Quien quiera documentarse os recomiendo el libro Introduction to Heat Transfer de F. Incropera.

De las 3 resistencias térmicas (1/hext, K/e y 1/hint) el término de la convección en el interior del coche supone el 70%, por lo que la velocidad de circulación o utilizar lunas más aislantes tendrá un efecto pequeño en el calor transmitido.

Con el supuesto planteado el flujo de calor que tenemos desde el exterior es de 600W.

1.3 Calor corporal de los pasajeros
La tercera fuente de calor es los propios ocupantes. Un hombre adulto en reposo y relajado emite aproximadamente unos 100W, básicamente por el metabolismo basal. Luego el máximo sería con cinco hombres adultos, es decir 500W.

Resumen: la potencia que necesitamos para refrigerar un coche en el caso más desfavorable es de aproximadamente 2500W2, y de esta potencia (con los supuestos realizados) el 60%3 corresponde a la insolación a través de las ventanas.
NOTA 2: el valor obtenido (con las aproximaciones explicadas) es de exactamente 2700W.
NOTA 3: el gran peso de la insolación explica por que en lugares por encima del paralelo 55º, por ejemplo Siberia, se puede vivir sin aire acondicionado en el coche, aunque los veranos sean relativamente calurosos (en realidad esto está restringido a países del hemisferio norte es decir Canadá, Rusia, ya que en el hemisferio sur no vive nadie por debajo del paralelo 55º. Además sólo en las regiones con clima continental se pueden dar veranos calurosos); en cambio en zonas tropicales, incluso en las zonas con temperaturas más suaves, es duro vivir sin el aire acondicionado.


2 Potencia necesaria para refrigerar con aire exterior

La potencia que acabo de calcular es la necesaria para mantener el interior del coche a 25ºC sin intercambio de aire con el exterior. ¿Qué potencia se necesita si se introduce aire del exterior en el coche?

2.1 Caudal de aire
La mayor incógnita es cuanto aire entra en el coche. Un coche está llenos de “agujeros” para que recircule de manera natural el aire, por eso dos personas pueden dormir perfectamente en un coche cerrado. Es decir, la necesidad de aire fresco es relativamente pequeña, por ejemplo he leído que los edificios se dimensionan con un caudal de aire de 8,4gr/s por persona.

Esto no aclara nuestras dudas. En realidad depende de las preferencias del conductor, ya que cualquier coche al menos tiene 4 posiciones del ventilador. Voy a hacer los números en términos de veces que se renueva el volumen a nuestro alrededor por minuto, que es un poco más intuitivo. En particular voy a suponer dos casos: 3 veces por minuto para el caso de ventilador “flojo” y de 8 veces por minuto para caso de ventilador “fuerte”.

Si suponemos un volumen por fila de asientos de 1m2, y una densidad de 1,1Kg/m3:
Caudal ventilador “fuerte”: 2m3×1,1Kg/ m3×8/min = 0,29Kg/s
Caudal ventilador “flojo”: 2m3×1,1Kg/ m3×3/min = 0,11Kg/s

2.2 Caso aire seco
Cuando la humedad del aire es razonablemente baja (en términos técnicos cuando la temperatura de rocío está claramente por debajo  de la temperatura de refrigeración) el cálculo es trivial. Simplemente hay que multiplicar el caudal por el salto térmico y el calor específico de aire (CPaire = 1,005KJ/KgK):

Q = caudal×ΔT× CP

Para el caso de ventilador “fuerte” mantengo las temperaturas anteriores: 40ºC
y 25ºC. Para el caso de ventilador “flojo” supongo una temperatura de 23ºC para compensar que el caudal es bajo, y es necesario una temperatura un poco más baja para mantener el confort:

Ventilador “fuerte”: Potref = 0,29Kg/s×15K×1005 J/KgK = 4400W
Ventilador “flojo”: Potref = 0,11Kg/s×17K×1005 J/KgK = 1900W

Aparentemente la potencia es muy parecida a la potencia necesaria para mantener el coche fresco (2500W), el problema es que este cálculo es falaz. Podemos calcular fácilmente la temperatura media del aire al salir del coche:

ΔT = Q/(caudal×CP)

Ventilador “fuerte”: ΔT = 2500W/(0,29Kg/s×1005 J/KgK) = 8,5K
Ventilador “flojo”: ΔT = 2500W/(0,11Kg/s×1005 J/KgK) = 22,5K

Es decir en promedio el aire sale del coche a 25+8,5 = 33,5ºC en el primer caso y a 23+22,5 = 45,5ºC en el segundo caso. O en términos coloquiales, tal vez el conducto y el copiloto podrán soportarlo, pero los pasajeros de la segunda fila de asientos tendrán calor en el primer caso y estarán “cocidos” en el segundo caso.

De estos números tenemos una conclusión, bastante obvia: una persona incluso con manga larga se encuentra perfectamente fresca a 25ºC, pero cuando hace mucho calor la temperatura de consigna ha de ser inferior (en realidad bastante inferior) para que tengamos una sensación térmica de 25ºC, ya que el aire de ventilación en cuanto entra en el habitáculo empieza a calentarse.

Repitamos los números con temperaturas de consigna más razonables para conseguir que nuestros 5 hipotéticos pasajeros se encuentren frescos:

Caudal aire T media
entrada aire
T media
salida aire
T media aire Potencia
refrigeración
0,29Kg/s 23ºC 31,5ºC 27ºC 6500W
0,11Kg/s 17ºC 39,5ºC 28ºC 3100W
NOTA: para el caso de ventilador "flojo", como se verá más adelante, los números son engañosos; ya que es bastante más costoso refrigerar el aire a 17ºC que a 23ºC. Además no puede ser agradable en absoluto un gradiente de temperaturas de más de 20ºC.

Conclusión: se consume mucho más si no se activa la recirculación.

2.3 Caso aire húmedo
En el ejemplo propuesto es muy difícil que la humedad del aire sea elevada (en Kuwait City rara vez la humedad relativa supera el 60%). Por ejemplo en una ciudad tropical húmeda como puede ser HoChi Minh City (ciudad más grande de Vietnam, antiguamente Saigón) la temperatura máxima oscila en el entorno de los 35ºC. Por tanto, supongamos una temperatura de 35ºC y una humedad del 70% (no es razonable suponer más, ya que aunque la humedad se acerque al 100% a lo largo del día, en el punto de más temperatura es sensiblemente menor).

¿Qué ocurre cuando enfriamos el aire a 25ºC? Ocurre lo que todos sabemos, que el agua condensa, esto se ve perfectamente en el Diagrama de Mollier (la gráfica mostrada obtenida en la Universidad Politécnica de Madrid):


Veamos el proceso de enfriamiento paso a paso:
  • Punto 1: comenzamos con el aire exterior a 35ºC y una humedad relativa del 70%, esto corresponde a 26gr de agua por Kg de aire.
  • Punto 2: el aire se enfría hasta la temperatura de rocío (29ºC), a partir de aquí el agua que contiene el aire empieza a condensar.
  • Punto 3: terminamos el proceso de enfriamiento hasta 22ºC, en estos momentos la humedad del aire es del 100% lo que corresponde a 16gr de agua por Kg de aire. Es decir, han condensado 10gr de agua. Este es el agua que gotea de cualquier aire acondicionado.
  • Punto 4: el aire en las condiciones del punto 3 no es utilizable ya que está totalmente saturado (es decir, estamos introduciendo niebla en el habitáculo), por eso hay que calentarlo por ejemplo hasta 25ºC, de esta manera, aunque seguimos con 16gr de agua por Kg de aire, la humedad relativa ha bajado al 80%, lo que ya son condiciones aceptables para introducir al habitáculo.
¿Y que coste energético tiene este proceso?
Para el aire es sencillo, simplemente se aplica la fórmula anterior:
E = Cp×ΔT = 1005J/KgK×(35ºC-22ºC) = 13.000J por Kg de aire

Luego el proceso de calentamiento de 22ºC a 25ºC no sería un problema, ya que calor nos sobra (ya sea del aire exterior o del motor del coche).

Para el agua podemos despreciar el coste de enfriar el vapor del agua y el agua condensada. La cantidad de agua es muy pequeña y el Cp es comparable al aire.
NOTA: como curiosidad el Cp del vapor de agua es 1996J/kgK y el Cp del agua líquida es 4187J/kgK.

No ocurre lo mismo con el calor de vaporización del agua. Hervir un gramo de agua requiere mil veces más energía que calentar un grado un gramo de vapor de agua. La misma energía que se requiere para hervir un gramo de agua, es la que absorbe un gramo de agua al condensar. Para el ejemplo propuesto:

E = L×Magua = 2270 J/gr×10gr = 22.700J por Kg de aire

Es decir, se absorbe más energía en el proceso de condensación del agua que en el proceso de enfriamiento del aire.

Si simplemente hubiéramos enfriado aire seco hasta 25ºC la energía necesaria sería:

E = Cp×ΔT = 1005J/KgK×(35ºC-25ºC) = 10.000J por Kg de aire

Es decir se requieren 3,5 veces más energía para enfriar aire con una humedad relativa de 70% respecto aire seco.
NOTA: para el ejemplo mostrado no es necesario un aire excepcionalmente seco. Sería suficiente con que la humedad relativa fuera del 50% o menos, ya que la temperatura de rocío del aire al 50% de humedad y 35ºC es de 23ºC

El fenómeno mostrado también se reproduce cuando el aire acondicionado está funcionando en modo de recircular ya que las personas emitimos vapor de agua en la transpiración de la piel y en el aire exhalado. Afortunadamente una persona en reposo y en una temperatura agradable emite relativamente poca humedad.

No obstante, la sudoración varía enormemente. Depende de la temperatura y de la actividad (obviamente aumenta mucho al hacer ejercicio físico), pero además varía enormemente con la humedad. En un ambiente muy seco se suda poco por que el mecanismo de refrigeración es muy efectivo, en cambio en un ambiente muy húmedo se suda mucho por que el mecanismo apenas funciona.

Según la fuente que consultes tienes un número u otro. Yo voy a utilizar para realizar una estimación el valor de 25gr/h. Este dato lo he obtenido en Introduction to Biological Physics for the Health and Life Sciences de K. Franklin, y corresponde a una persona que no realiza actividad física con una temperatura de la piel de 30ºC, como curiosidad aproximadamente un 50% de la humedad se emite con la respiración y el otro 50% con la sudoración.

Por tanto, la humedad que hay que eliminar en un coche con cinco ocupantes es:

25gr/h×5/3600s/h = 0,035g/s

En términos de calor latente de vaporización:

0,035g/s×2270J/gr = 79W

Es decir, una cantidad muy pequeña en comparación con el coste de no recircular aire.

De nuevo llegamos a la misma conclusión: se consume mucho más si no se activa la recirculación.

Los cálculos mostrados hasta ahora han sido para casos muy desfavorables, pero se obtienen las mismas conclusiones en condiciones más favorables. Únicamente cuando la temperatura exterior es baja (menos de 30ºC) entonces deja de tener sentido recircular, pero si ese es el caso, es muy probable que no sea necesario conectar el aire acondicionado (la sensación térmica será confortable activando el ventilador fuerte sin recircular). Además, como veremos en estas condiciones es cuando el aire acondicionado funciona más eficientemente.

Obviamente lo explicado no es válido cuando la temperatura de habitáculo es superior a la temperatura exterior. Por eso cuando arrancamos con el coche muy caliente es conveniente comenzar con el aire acondicionado sin recircular. En cuanto deje de hacer un calor sofocante (a poco bien que funcione la climatización en un tiempo muy reducido) ya compensa conectar la recirculación.

Francamente, sólo se me ocurre una justificación para no conectar la recirculación: una persona muy preocupada por la toxicidad de los volátiles que pueden emitir los materiales del interior de habitáculo podría considerar preferible no recircular el aire por cuestiones de salud.

Continuará…