There are four main types of water distribution systems. They are defined by the number of pipes used in the system – 1-pipe, 2-pipe, 3-pipe, and 4-pipe. While this article will discuss primarily chilled water and condenser water system piping system design, it is important to understand the evolution from 1-pipe into the other three systems, all of which are used for heating as well as cooling.
1-Pipe Systems
A 1-pipe water distribution system is a system that has a one main pipe looping around the building and then returning.
Dado que los sistemas monotubo normalmente solo se utilizan para calefacción, el suministro y el retorno se muestran conectados a una caldera en lugar de a un enfriador.
El sistema monotubo se utiliza desde hace muchos años en edificios residenciales y comerciales más pequeños. Se ha utilizado como sistema de distribución de agua caliente y rara vez, o nunca, para la distribución de agua fría.
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Esta tubería es a la vez la principal de suministro y de retorno. Su tamaño es constante en todo momento y toda el agua del sistema fluye a través de él alimentando uno o más terminales de calefacción de zonas.
Se induce la salida de una pequeña cantidad de agua de la tubería principal en cada tubo ascendente mediante el uso de un accesorio de flujo especial utilizado en sistemas de 1 tubería, a veces denominado accesorio de "monoflujo". Estos accesorios crean una caída de presión en la tubería principal igual o mayor que la caída de presión a través del tubo ascendente, el descentramiento, la unidad terminal de zona y la tubería de retorno.
El control del caudal hacia las unidades terminales de zona en un sistema de 1 tubería suele ser difícil de lograr.
La caída de presión desde el punto donde el agua sale de la tubería principal hasta el lugar donde regresa es pequeña y los pequeños cambios en la resistencia en esta línea resultan en grandes cambios en el caudal. Como resultado, muchos sistemas de 1 tubería evitan el control del caudal en los terminales de zona y, en su lugar, logran el control de la capacidad regulando el flujo de aire sobre los terminales de zona.
Algunas ventajas del sistema de 1 tubería incluyen el diseño simple del sistema que requiere un tamaño de tubería. Esta simplicidad de diseño conduce a una instalación sencilla y a un bajo coste de instalación.
Sin embargo, los sistemas monotubo tienen varias desventajas. La altura de bombeo es generalmente mayor que la de otros sistemas debido a las resistencias que ocurren en serie. Eso significa que la bomba y la energía de la bomba son mayores que otros sistemas de distribución de tamaño comparable.
El cambio en la temperatura del agua a medida que ésta se mueve a través del sistema (el agua se enfría después de cada terminal sucesiva debido a la mezcla) crea la posible necesidad de unidades más grandes al final de la tubería principal, lo que complicará la selección de las unidades terminales de zona y agregar costos debido a unidades de gran tamaño cerca del final. Además, con carga parcial, la unidad final puede estar por encima o por debajo de su capacidad.
Para mantener baja la pérdida de presión a través de los serpentines de la unidad, la velocidad del agua a través de los serpentines debe mantenerse baja. Esto da como resultado serpentines con un diámetro de tubo grande, una mayor cantidad de tubos en paralelo o serpentines más grandes que los utilizados con otros sistemas de distribución. Por lo tanto, existe una penalización de espacio físico y costo terminal cuando se utiliza un sistema de 1 tubería.
El sistema de 1 tubería no es adecuado para la distribución de agua fría por varias razones. La cantidad de agua utilizada en los sistemas de agua fría suele ser considerablemente mayor que la utilizada para calefacción porque los serpentines de la unidad funcionan con diferencias de temperatura más pequeñas en el modo de refrigeración que en el modo de calefacción. Para poder acomodar económicamente un mayor caudal, los terminales de zona utilizados para agua enfriada necesitarían ser rediseñados para que no sean prohibitivamente grandes, costosos o consuman espacio.
Sistemas de 2 tuberías
El sistema de distribución de agua de 2 tuberías se utiliza tanto con equipos de calefacción como de refrigeración que contienen baterías de agua. Es igualmente útil para unidades fancoil de habitación y unidades centrales de tratamiento de aire medianas o grandes que utilizan una combinación de serpentines de agua caliente y agua fría.
El sistema de 2 tuberías se puede utilizar para distribuir agua fría o caliente, o alternar entre ambas. Se utiliza la misma tubería tanto para calefacción como para refrigeración, por lo que debe haber una temperatura exterior definida, que se denomina “temperatura de cambio”, o algún otro indicador de la carga del edificio, en cuyo punto el agua caliente de la tubería es reemplazada por agua fría. agua y viceversa.
Algunas unidades fancoil de 2 tubos están equipadas con calefacción eléctrica además de la capacidad de calefacción del serpentín de agua caliente. Esta calefacción eléctrica de “retoque” se puede utilizar si se requiere calefacción para un fan coil pero el sistema aún no cambia al modo de calefacción.
Hay dos formas de sistemas de distribución de agua de 2 tuberías de uso común:
- 2-pipe direct return
- Retorno inverso de 2 tubos
En un sistema de 1 tubería, la tubería de suministro y retorno es la misma tubería. La cantidad de agua que fluye a través de la tubería principal es aproximadamente constante y la tubería principal está construida con una tubería de un solo diámetro en toda su longitud. Por otro lado, en el sistema de 2 tuberías, las tuberías de suministro y retorno son tuberías separadas y el agua que sale de la tubería de suministro va a la tubería de retorno.
A medida que el agua sale de la tubería principal y pasa a través de las unidades terminales, la cantidad de agua que fluye en la tubería principal se reduce, por lo que se puede reducir el diámetro de la tubería. Lo contrario ocurre con la tubería de retorno, que comienza pequeña en la terminal más alejada y debe aumentar de tamaño a medida que entra agua.
Las ventajas de los sistemas de 2 tuberías incluyen el hecho de que se puede tomar una mayor pérdida por fricción tanto en las unidades terminales de tubería como en las de zona y aun así tener una cabeza de bombeo total menor que la del sistema de 1 tubería del mismo tamaño porque las terminales de zona están en Circuitos de agua en paralelo, no en serie. Además, es más fácil equilibrar el flujo a cada unidad en este sistema que en el sistema de 1 tubería, suponiendo que se instalen válvulas de equilibrio derivadas en la tubería a medida que se instala el sistema.
Otra ventaja de los sistemas de 2 tuberías es que la temperatura del agua que ingresa a cada terminal de zona será la misma porque el agua de retorno de cada unidad terminal no se mezcla con el agua de suministro en la tubería principal.
Sin embargo, el costo de instalación es mayor que el de un sistema de 1 tubería. En sistemas del mismo tamaño, aunque el diámetro promedio de tubería en el sistema de 2 tuberías es menor que en el sistema de 1 tubería, la tubería extra y el mayor número de accesorios significa que este sistema tendrá un costo inicial mayor. Al igual que el sistema de 1 tubería, el sistema de 2 tuberías distribuye solo un fluido de temperatura común a los terminales de zona.
Debido a que el sistema no puede suministrar agua caliente o agua fría simultáneamente a los serpentines, debe estar en modo calefacción o refrigeración. Para cambiar de calefacción a refrigeración, el agua de la red debe circular completamente a través del enfriador y de regreso a la unidad antes de que haya refrigeración disponible en las zonas.
El cambio lleva tiempo. No es práctico planificar cambios frecuentes. El cambio estacional es el método más común utilizado. Los sistemas de calefacción suplementaria de dos tubos también son bastante comunes, tanto para calefacción perimetral separada como para recalentamiento de zonas en las terminales.
cabezal de bombeo se refiere a la caída de presión total en pies wg que las bombas de agua deben superar para hacer circular el agua a través del sistema. Una altura más baja da como resultado un menor consumo de energía de la bomba.
Cuando se pasa de un sistema de 2 tubos de refrigeración a calefacción o viceversa, es importante que el agua introducida no esté ni demasiado caliente ni demasiado fría. Esto provocaría un choque térmico en la caldera o en el enfriador.
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Sistemas de 3 tuberías
El sistema de distribución de agua de 3 tuberías tiene dos tuberías de suministro que alimentan cada terminal de zona, una para agua fría y otra para agua caliente, y una tubería de retorno común. Las líneas de suministro de agua fría y de suministro de agua caliente están dimensionadas de acuerdo con los estándares normales y el retorno está dimensionado para manejar el caudal máximo (que es el caudal de enfriamiento). Al igual que con los sistemas de 2 tuberías, la tubería de retorno puede tener una configuración de retorno directo o retorno inverso.
Debido a las dos líneas principales de suministro a cada terminal de zona, siempre hay agua fría y caliente presente en la entrada del serpentín de zona lista para usarse cuando sea necesario. Esto le da a cualquier fan coil o controlador de aire suministrado por el sistema de distribución de agua de 3 tuberías la capacidad de calentar o enfriar en cualquier momento. En el sistema de 3 tubos no es necesario cambiar del ciclo de verano al de invierno.
Sin embargo, el costo operativo de este sistema puede llegar a ser prohibitivamente alto debido a la mezcla de agua de retorno fría y caliente. Es importante estar familiarizado con los sistemas de 3 tuberías porque se han instalado en edificios existentes y todavía están en uso.
ASHRAE 90.1 no permite el uso de sistemas de 3 tuberías debido a que la mezcla de agua fría y caliente en la tubería de retorno común consume un exceso de energía.
ASHRAE 90.1
Sistemas de 4 tubos
El sistema de distribución de agua de 4 tuberías es en realidad dos sistemas de 2 tuberías en paralelo; cada sistema consta de su propia tubería de suministro y retorno. Un sistema siempre distribuye agua enfriada a las unidades y la devuelve al enfriador. El otro es distribuir agua caliente a las unidades y devolver el agua a la caldera.
A diferencia del sistema de 3 tuberías, no se mezcla agua fría y caliente. Al utilizar dos baterías separadas en cada unidad terminal de zona, o una batería con un circuito de refrigeración y calefacción independiente, los sistemas de calefacción y refrigeración están completamente separados.
El agua fría fluye a través de un serpentín de enfriamiento y el agua caliente fluye a través de un serpentín de calentamiento separado. En ningún momento los dos circuitos están conectados. En un sistema de distribución de agua de 4 tuberías, cada unidad terminal puede convertirse en una zona de control independiente, con su propio termostato. Tanto el agua fría como la caliente están disponibles para todas las unidades al mismo tiempo.
Los sistemas de distribución de cuatro tubos son en realidad dos sistemas de dos tubos en paralelo. Este sistema ofrece agua caliente y fría a todas las zonas simultáneamente, lo que permite que el sistema satisfaga las cargas de refrigeración y calefacción cuando y dondequiera que se produzcan.
No hay necesidad de cambios estacionales o más frecuentes. Los circuitos de agua fría y caliente están completamente separados y las dos corrientes de agua nunca se mezclan. Los métodos de diseño, válvulas y controles son similares a los de los sistemas de 2 y 3 tuberías.
Un sistema de 4 tuberías con una caldera alimentada por combustibles fósiles puede ofrecer un costo operativo competitivo o más bajo que algunos sistemas de 2 tuberías con calefacción eléctrica de “retoque” integrada en la unidad. Esto se debe a que los calentadores eléctricos en la unidad de 2 tubos a veces deben funcionar con más frecuencia de lo esperado y el calor de resistencia eléctrica es costoso, y los calentadores pueden requerir un servicio eléctrico mayor del edificio. Esta operación ocurre antes de que todo el sistema cambie a calefacción. Las tarifas de los combustibles fósiles suelen ofrecer una ventaja sobre las tarifas eléctricas.
Sin embargo, los sistemas de 4 tuberías tienen un precio de instalación más alto que los de 2 tuberías y la mayoría de los sistemas de 3 tuberías. Las tuberías y válvulas adicionales en las terminales de zona tienden a hacer que el sistema de 4 tuberías sea el más costoso en términos de costo de instalación. Los sistemas de cuatro tubos también requieren unidades terminales con bobinas dobles o una bobina de 2 circuitos, lo que cuesta más. Además, hay cuatro tuberías que recorren todo el edificio, lo que lleva más tiempo y consume más espacio para las tuberías que los otros sistemas.
Para los edificios comerciales, la elección se reduce a diseños de 2 tubos o de 4 tubos. La ventaja de comodidad y control de 4 tubos sobre 2 tubos debe sopesarse con el mayor costo de instalación del sistema de 4 tubos. Cuando la configuración del edificio y la distribución de los espacios pueden requerir largos períodos de calefacción y refrigeración simultáneamente, y la comodidad de los ocupantes es un requisito, 4 tuberías tiene más sentido. Cuando el edificio se presta para un cambio estacional sin grandes concesiones en cuanto a confort, es adecuado el sistema de 2 tubos.