Los sistemas de aire HVAC pueden ser centralizados o descentralizados. Los sistemas de aire centralizados reciben su energía de refrigeración y calefacción de una planta central remota. Los sistemas de aire HVAC descentralizados contienen el equipo central de la planta de calefacción y refrigeración dentro del propio sistema de aire. Los sistemas de aire HVAC también pueden ser de volumen de aire constante (CAV) o de volumen de aire variable (VAV). Los sistemas CAV brindan un flujo de aire de suministro constante a una temperatura variable. Los sistemas VAV brindan un flujo de aire de suministro variable a una temperatura constante. Los sistemas de aire CAV y VAV se pueden subdividir en sistemas que acondicionan una sola zona de temperatura y sistemas que acondicionan múltiples zonas de temperatura.
Ya sea que los sistemas de aire HVAC sean centralizados o descentralizados, CAV o VAV, sirvan a una sola zona o a múltiples zonas, las opciones para los serpentines de calefacción y refrigeración dentro de las unidades son las mismas. En general, el serpentín de calefacción en los sistemas de aire HVAC centralizados será agua caliente, vapor o electricidad, y el serpentín de enfriamiento será agua fría. El serpentín de calefacción en los sistemas HVAC descentralizados será eléctrico, de gas directo o indirecto o (ciclo inverso) de expansión directa (DX) refrigerante (solo para bombas de calor); el serpentín de enfriamiento será refrigerante DX.
Zona Única
Un sistema CAV de zona única consta de una unidad de tratamiento de aire que proporciona un flujo de aire de suministro constante (Fig. 1). La capacidad de calefacción y/o refrigeración de la unidad se modula variando la temperatura del flujo de aire de suministro para satisfacer las necesidades de un solo termostato montado en uno de los espacios atendidos por la unidad.
Los sistemas CAV de una sola zona pueden servir a múltiples espacios; por lo tanto, es importante asegurarse de que todos los espacios atendidos por un sistema CAV de zona única tengan características de carga HVAC similares.
Calefacción y Ventilación
Los sistemas de calefacción y ventilación (H&V) se utilizan para dar servicio a espacios que solo requieren calefacción y también requieren ventilación de aire exterior para la ventilación de los ocupantes o la reposición de aire de escape. Las unidades de H&V a menudo se configuran para entregar el 100 % de aire exterior. Sin embargo, pueden tener capacidades de aire de retorno si el flujo de aire exterior es menor que el flujo de aire de suministro que se requiere para proporcionar un calentamiento efectivo de los espacios atendidos durante el invierno. Si las unidades calientan los espacios a los que sirven durante los períodos desocupados cuando los sistemas de escape están apagados y las compuertas de aire exterior están cerradas, las unidades H&V también pueden estar equipadas con capacidades de aire de retorno. Las unidades H&V normalmente recirculan el 100 % del aire durante el modo de funcionamiento desocupado.
Durante el verano, es común que las unidades H&:V coloquen sus compuertas de aire exterior y de retorno para entregar el 100 % del aire exterior a los espacios servidos para mantener la temperatura del espacio entre 5 y 10 °F por encima de la temperatura exterior. Si las unidades H&:V tienen capacidades de aire de retorno, se deben tomar medidas dentro de los espacios servidos para aliviar o expulsar el exceso de aire exterior que se introduce durante el modo de operación de verano.
El control de temperatura para los sistemas H&:V es el mismo que para el sistema CAV de zona única descrito anteriormente, excepto que el termostato del espacio controlará la capacidad de calefacción de la unidad H&V únicamente. Algunos ejemplos comunes de espacios que requieren sistemas H&V son gimnasios, vestidores y cocinas:
Múltiples Zonas
Los sistemas CAV no son adecuados para proporcionar múltiples zonas de control de temperatura porque el servicio de múltiples zonas con sistemas CAV genera un costo de energía más alto y, en algunos casos, un costo inicial más alto que las opciones de VAV que normalmente están disponibles. Sin embargo, mediante el uso de configuraciones de recalentamiento, de doble conducto y multizona, los sistemas CAV pueden servir a múltiples zonas de temperatura para ciertas aplicaciones, particularmente renovaciones de sistemas existentes.
Recalentar
Un sistema de recalentamiento CAV consta de una unidad CAV cuyos conductos de suministro de aire se ramifican para dar servicio a múltiples zonas dentro del área atendida por la unidad (Fig. 2). Se monta un serpentín de recalentamiento dentro del conducto de derivación a cada zona. Por lo general, la temperatura del aire de descarga de la unidad CAV se mantiene en aproximadamente 55 °F para que pueda satisfacer las necesidades de enfriamiento de las zonas de temperatura, si es necesario. Un termostato solo de calefacción ubicado en cada zona controla la salida de calefacción de su bobina de recalentamiento de zona asociada. Este serpentín recalienta el aire de suministro de la unidad CAV según sea necesario para mantener el punto de ajuste del termostato de zona. Si no se requiere calefacción en la zona, el serpentín de calefacción se apagará. El serpentín de recalentamiento de la zona debe dimensionarse no solo para cumplir con las pérdidas de calor de la envolvente del edificio para la zona, sino también para aumentar el flujo de aire de suministro desde la temperatura del aire de descarga (normalmente 55 °F) hasta el punto de ajuste de enfriamiento de la zona (normalmente 75 °F).
Los sistemas de recalentamiento CAV no son energéticamente eficientes porque se produce enfriamiento (en la unidad CAV) y calentamiento (en el serpentín de recalentamiento) simultáneos del flujo de aire de suministro. Se debe tener cuidado al diseñar sistemas de recalentamiento CAV porque el Código Internacional de Conservación de Energía de 2018, Sección 503.4.5, requiere que el flujo de aire de suministro se reduzca al menos al 30 % del flujo de aire de suministro máximo a cada zona antes de que pueda ocurrir el recalentamiento. Una excepción a esta regla son las zonas que tienen requisitos especiales de control de humedad.
doble conducto
Un sistema CAV de doble conducto incluye dos conductos de aire de suministro separados, uno caliente y otro frío, conectados a una unidad de manejo de aire CAV especialmente configurada (Fig. 3). El flujo de aire de suministro se divide dentro de la unidad aguas abajo del ventilador de suministro en lo que se denomina plataforma caliente y plataforma fría. Se instala un serpentín de calefacción dentro de la unidad en la plataforma caliente y se instala un serpentín de enfriamiento dentro de la unidad en la plataforma fría. Una parte del flujo de aire de suministro se sopla a través de la plataforma caliente y se descarga a través del conducto caliente principal conectado a la unidad. El flujo de aire de suministro restante se sopla a través de la plataforma fría. y descargado a través del conducto frío principal conectado a la unidad. Los conductos de suministro de agua caliente y fría se enrutan paralelos entre sí a través del edificio y se ramifican para dar servicio a múltiples zonas dentro del área atendida por la unidad.
Cada zona está equipada con una caja mezcladora de doble conducto, que tiene conexiones de entrada de conductos fríos y calientes, cada una de las cuales está equipada con una compuerta accionada por motor y un sensor de flujo de aire de entrada. La caja de mezcla de doble conducto tiene una salida de un solo conducto por donde se suministra aire a la zona. La temperatura del aire suministrado a la zona se controla mediante la modulación de los flujos de aire caliente y frío en la caja mezcladora de doble conducto según sea necesario para mantener el punto de ajuste del termostato de zona. Para las cajas mezcladoras CAV de doble conducto, el flujo de aire de suministro total a la zona permanece constante.
Por lo general, la temperatura del aire frío de la plataforma de la unidad de manejo de aire CAV se mantiene en aproximadamente 85 °F para que el enfriamiento esté disponible si las zonas de temperatura lo requieren. La temperatura de la plataforma caliente de la unidad CAV se mantiene a aproximadamente 55 °F para que la calefacción esté disponible si las zonas de temperatura lo requieren. El serpentín de calefacción en una unidad de tratamiento de aire de doble conducto puede ser de agua caliente, vapor o electricidad. El serpentín de enfriamiento normalmente será agua helada. Las unidades de tratamiento de aire de doble conducto rara vez, si es que lo hacen alguna vez, utilizan un serpentín de enfriamiento de refrigerante DX.
Los sistemas CAV de doble conducto generalmente no tienen una aplicación para edificios comerciales debido al alto costo inicial. Por lo tanto, no discutiremos los sistemas de doble conducto con más detalle Los sistemas CAV de doble conducto fueron diseñados hace años principalmente para servir áreas de laboratorio dentro de edificios. Por lo tanto, es necesario que el diseñador del sistema HV AC comprenda este tipo de sistema en caso de que un proyecto implique la renovación de un edificio con un sistema CAV de doble conducto. Sin embargo, hoy en día hay más sistemas HVAC modernos disponibles para atender áreas de laboratorio que tienen un costo inicial más bajo y un costo operativo más bajo que los sistemas CAV de doble conducto. Por lo tanto, es poco probable que un nuevo edificio requiera un sistema CAV de doble conducto.
multizona
Los sistemas CAV multizona son similares a los sistemas CAV de doble conducto en que hay una plataforma caliente y una plataforma fría dentro de la unidad de tratamiento de aire (Fig. 4). La diferencia es que las corrientes de aire frío y caliente de cada zona se mezclan en la unidad de tratamiento de aire. Hay una compuerta motorizada de aire frío y caliente montada en la descarga de la unidad de tratamiento de aire para cada zona; es decir, si la unidad es una unidad de cinco zonas, habrá cinco compuertas motorizadas de plataforma caliente y cinco compuertas motorizadas de plataforma fría montadas en la descarga de la unidad. Hay una sola conexión de conducto en la salida combinada de cada compuerta fría y caliente que sirve a cada zona a través de la cual se suministra aire a la zona. La temperatura del aire suministrado a cada zona se controla modulando los flujos de aire caliente y frío en la unidad de tratamiento de aire según sea necesario para mantener el punto de ajuste del termostato de zona. Para los sistemas multizona CAV, el flujo de aire de suministro total a cada zona permanece constante. Las temperaturas de la plataforma caliente y fría para los sistemas CAV multizona son similares a las temperaturas de la plataforma para los sistemas CAV de doble conducto.
Los sistemas CAV multizona no se usan comúnmente en edificios comerciales porque las opciones de VAV que están disponibles generalmente tienen un costo inicial más bajo y un costo operativo más bajo. Además, el número de zonas que puede acomodar una unidad multizona está limitado por el espacio físico disponible para instalar las compuertas motorizadas frías y calientes para cada zona en la descarga de la unidad de tratamiento de aire. Por lo tanto, las unidades multizona no pueden dar servicio a más de unas ocho zonas. La cantidad de zonas que pueden ser atendidas por un sistema VAV no está limitada por el equipo, sino que está determinada por las necesidades de las áreas atendidas.
Libro de consulta de diseño de HVAC - W. Larsen Ángel, PE, LEED AP, es director de la firma de ingeniería de consultoría MEP Green Building Energy Engineers. Ha trabajado en la industria de ingeniería de consultoría MEP durante más de 30 años. El Sr. Angel ha contribuido al desarrollo de estándares de diseño y continúa encontrando nuevas formas de optimizar el proceso de diseño del sistema HVAC.
