Los sistemas de aire HVAC pueden ser centralizados o descentralizados. Los sistemas de aire centralizados reciben su energía de refrigeración y calefacción desde una planta central remota. Los sistemas de aire HVAC descentralizados contienen los equipos de la planta de calefacción y refrigeración central 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 única zona de temperatura y sistemas que acondicionan múltiples zonas de temperatura.
Ya sea que los sistemas de aire HVAC estén 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. Generalmente, el serpentín de calentamiento en los sistemas de aire HVAC centralizados será de agua caliente, vapor o eléctrico, y el serpentín de enfriamiento será de agua fría. El serpentín de calentamiento en los sistemas HVAC descentralizados será eléctrico, de gas directo o indirecto o refrigerante de expansión directa (DX) (ciclo inverso) (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 zona única pueden servir a múltiples espacios; por lo tanto, es importante garantizar 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 ventilación de los ocupantes o reposición de aire de escape. Las unidades H&V suelen estar configuradas para suministrar 100% aire exterior. Sin embargo, pueden tener capacidades de retorno de aire si el flujo de aire exterior es menor que el flujo de aire de suministro que se requiere para proporcionar calefacción efectiva de los espacios atendidos durante el invierno. Si las unidades calientan los espacios a los que sirven durante 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 100 % aire exterior a los espacios atendidos con el fin de mantener la temperatura del espacio entre 5 y 10 °F más que la temperatura exterior. Si las unidades H&:V tienen capacidad de retorno de aire, 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 espacial controlará la capacidad de calefacción de la unidad H&V únicamente. Algunos ejemplos comunes de espacios que requieren sistemas H&V son gimnasios, vestuarios y cocinas:
Zona múltiple
Los sistemas CAV no son adecuados para proporcionar múltiples zonas de control de temperatura porque servir a múltiples zonas con sistemas CAV genera un costo de energía más alto y, en algunos casos, un costo inicial más alto que las opciones 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 derivado de cada zona. Normalmente, 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 de solo calefacción ubicado en cada zona controla la salida de calefacción de su serpentín de recalentamiento de zona asociado. 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, la bobina de calefacción se apagará. El serpentín de recalentamiento de la zona debe dimensionarse no solo para satisfacer las pérdidas de calor de la envolvente del edificio para la zona, sino también para elevar 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 a al menos el 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 suministro de aire separados, un conducto caliente y un conducto frío, conectados a una unidad de tratamiento 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 calentamiento dentro de la unidad en la plataforma caliente y un serpentín de enfriamiento dentro de la unidad en la plataforma fría. Una parte del flujo de aire de suministro se impulsa a través de la plataforma caliente y se expulsa a través del conducto caliente principal conectado a la unidad. El flujo de aire de suministro restante se impulsa a través de la plataforma fría. y descargado a través del conducto principal de frío conectado a la unidad. Tanto los conductos de suministro de frío como de calor se encaminan 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 de mezcla de doble conducto, que tiene conexiones de entrada de conducto frío y caliente, 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 a través del cual se suministra aire a la zona. La temperatura del aire suministrado a la zona se controla modulando los flujos de aire frío y caliente en la caja de mezcla de doble conducto según sea necesario para mantener el punto de ajuste del termostato de zona. Para las cajas de mezcla de doble conducto CAV, el flujo de aire de suministro total a la zona permanece constante.
Por lo general, la temperatura del aire frío de la cubierta de la unidad de tratamiento de aire CAV se mantiene en aproximadamente 85 °F para que haya refrigeración 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 haya calefacción disponible si las zonas de temperatura lo requieren. El serpentín de calentamiento en una unidad de tratamiento de aire de doble conducto puede ser de agua caliente, vapor o eléctrico. El serpentín de enfriamiento normalmente será agua enfriada. Las unidades de tratamiento de aire de doble conducto rara vez, o nunca, utilizan un serpentín de refrigeración de refrigerante DX.
Los sistemas CAV de doble conducto generalmente no tienen aplicación en edificios comerciales debido al alto costo inicial. Por lo tanto, no analizaremos los sistemas de doble conducto con más detalle. Los sistemas CAV de doble conducto se diseñaron hace años principalmente para dar servicio a 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 dar servicio a áreas de laboratorio que tienen un costo inicial y un costo operativo más bajos que los sistemas CAV de doble conducto. Por lo tanto, es poco probable que un edificio nuevo 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 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 única conexión de conducto en la salida combinada de cada compuerta de frío y calor 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 frío y caliente 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 fría y caliente para los sistemas CAV multizona son similares a las temperaturas de la plataforma para los sistemas CAV de doble conducto.
Multizone CAV systems are not commonly used in commercial buildings because the VAV options that are available typically have a lower first cost and lower operating cost. Also, the number of zones that can be accommodated by a multizone unit is limited by the physical space available to install the hot and cold motor-operated dampers for each zone on the discharge of the air handling unit. Therefore, multizone units can serve no more than about eight zones. The number of zones that can be served by a VAV system is not limited by the equipment but is determined by the needs of the areas served.
Libro de consulta de diseño de HVAC - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, es director de la consultora de ingeniería MEP Green Building Energy Engineers. Ha trabajado en la industria de ingeniería consultora 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.