Los sistemas de volumen de aire variable (VAV) son los tipos de sistemas de aire HVAC más utilizados para proyectos de edificios comerciales de tamaño mediano y grande (proyectos de más de 10,000 ft2) porque los sistemas VAV son flexibles, energéticamente eficientes y brindan un ambiente interior confortable. Los sistemas VAV entregan un flujo de aire de suministro variable a una temperatura constante (típicamente 55 °F) a través del conducto de aire primario a múltiples unidades terminales VAV, cada una de las cuales sirve a una zona de temperatura separada. Cada unidad terminal VAV contiene una compuerta accionada por motor que modula el flujo de aire principal a la zona, un sensor de flujo de aire de entrada y, en algunos casos, un serpentín de calefacción y un pequeño ventilador de aire recirculante.
El flujo de aire de suministro de la unidad de tratamiento de aire VAV normalmente se modula para mantener una presión estática constante dentro del sistema de conductos de aire primario. Esto se mide mediante un sensor de presión estática del conducto, que generalmente se encuentra a dos tercios del camino hacia abajo del sistema de conductos de aire primario. La modulación del flujo de aire de suministro se adapta a las necesidades de las unidades VAV termirutl; es decir, a medida que se abren más compuertas de aire primario en las unidades terminales VAV para suministrar más aire a las zonas, la presión estática en el sistema de conductos de aire primario disminuye y la velocidad del ventilador en la unidad de tratamiento de aire VAV aumenta para aumentar el flujo de aire de suministro entregado por la unidad de tratamiento de aire VAV para restaurar la presión estática en el sistema de conductos. Por el contrario, a medida que se cierran las compuertas de aire primarias, la presión estática del conducto de aire primario aumenta y la velocidad del ventilador en la unidad de tratamiento de aire VAV disminuye para disminuir el flujo de aire suministrado por la unidad de tratamiento de aire VAV para compensar.
La unidad de tratamiento de aire para un sistema VAV es la misma que se necesitaría para un sistema CAV con la excepción de que existe un medio para modular el flujo de aire de suministro entregado por la unidad. La forma más común de modular el flujo de aire de suministro de la unidad es controlar la frecuencia de la señal enviada al motor del ventilador de suministro a través de un variador de frecuencia (VFD).
La velocidad de un motor de corriente alterna (CA) es directamente proporcional a la frecuencia de la señal de entrada al motor. Por lo tanto, a medida que se reduce la frecuencia de la señal de salida del VFD al motor, se reduce la velocidad del motor y también se reduce el flujo de aire de suministro. Lo contrario es cierto a medida que aumenta la frecuencia de la señal de salida del VFD al motor. La frecuencia máxima recomendada de la señal de salida del VFD es la frecuencia de entrada de la línea del VFD, o 60 Hz. El motor del ventilador de suministro funcionará a toda velocidad cuando reciba una señal de salida VFD de 60 Hz. Los VFD pueden entregar frecuencias superiores a 60 Hz, pero esto hace que el motor del ventilador funcione por encima de sus amperios nominales de carga en funcionamiento [es decir, el motor opera en su rango de factor de servicio (típicamente entre 100 y 115 % de los amperios nominales de carga en funcionamiento), lo cual no es recomendado].
Se debe tener cuidado al diseñar sistemas VAV que utilizan serpentines refrigerantes DX para enfriamiento. A menos que el sistema de refrigeración esté equipado con la capacidad adecuada para descargar la capacidad del sistema de refrigeración, el serpentín de enfriamiento del refrigerante DX podría congelarse en condiciones de bajo flujo de aire. La descarga del sistema de refrigeración, el control adecuado de la temperatura del aire de descarga y la incorporación de un VFD en el gabinete de la unidad son problemas que los fabricantes de equipos HVAC han resuelto recientemente para equipos DX con capacidades inferiores a 25 toneladas. Los fabricantes de equipos HVAC ahora ofrecen operación VAV para sistemas de aire que utilizan bobinas de enfriamiento de refrigerante DX en capacidades tan bajas como 5 toneladas.
El uso más común de un sistema VAV es servir a múltiples zonas de temperatura. Por lo tanto, analizaremos primero los sistemas VAV de múltiples zonas y luego analizaremos el uso de un sistema VAV para una aplicación de una sola zona.
Múltiples Zonas
Unidades terminales VAV
El flujo de aire primario variable se envía a las zonas a través de la modulación de la compuerta de aire primario en las unidades terminales VAV. A medida que la temperatura de la zona disminuye, la compuerta de aire principal se modula y se cierra para suministrar menos aire principal (55 °F) a la zona. Una vez que la compuerta de aire principal alcanza su posición mínima predeterminada (generalmente alrededor del 25 % del flujo de aire máximo), ante una caída adicional en la temperatura de la zona, las unidades terminales VAV que tienen capacidades de calefacción colocarán la compuerta de aire principal en el flujo de aire de calefacción y modularán la salida. del serpentín de calefacción para mantener el punto de ajuste de calefacción del sensor de temperatura de zona. Las unidades terminales VAV alimentadas por ventilador también están equipadas con un pequeño ventilador que recircula el aire (normalmente desde la cámara de aire de retorno del techo) a través del serpentín de calentamiento de la unidad terminal VAV.
La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema VAV que sirve a múltiples unidades terminales VAV.
doble conducto
Los sistemas de aire VAV de doble conducto son tan poco comunes como los sistemas de aire CAV de doble conducto. El momento más probable en que un diseñador de sistemas HVAC se encontraría con un sistema de aire VAV de doble conducto sería en el caso de un sistema que se diseñó originalmente como un sistema CAV de doble conducto pero que luego se renovó para funcionar como un sistema VAV. El diseñador del sistema HVAC también puede tener la tarea de diseñar las modificaciones a un sistema CAV de doble conducto para convertirlo en un sistema VAV de doble conducto.
Los sistemas VAV de doble conducto funcionan de manera muy similar a los sistemas CAV de doble conducto, excepto que el flujo de aire de suministro a las zonas es variable, no constante. El ventilador de suministro en la unidad de tratamiento de aire de doble conducto debe estar equipado con un medio para modular su flujo de aire en respuesta a la presión estática en los conductos principales de frío y calor. La eficiencia energética de un sistema VAV de doble conducto sería aproximadamente la misma que la de un sistema VAV convencional que utilice unidades terminales VAV.
Se debe tener cuidado al convertir un sistema CAV de doble conducto en un sistema VAV para garantizar que las zonas no requieran un flujo de aire de suministro constante para compensar el flujo de aire de escape constante.
Zona Única
La operación de un sistema VAV de una sola zona es similar a la operación de un sistema VAV que atiende múltiples zonas, excepto que no hay unidades terminales VAV y el flujo de aire de suministro se modula para mantener el punto de ajuste de enfriamiento del sensor de temperatura de la zona (única) en lugar de mantener una presión estática constante en el conducto de aire primario. La temperatura del aire de suministro se mantiene a 55 °F siempre que el sensor de temperatura de zona solicite enfriamiento.
Una vez que la temperatura de la zona cae por debajo del punto de ajuste de enfriamiento (típicamente 75 °F), la unidad de tratamiento de aire funcionará en el modo de calefacción: el enfriamiento se desactivará, el ventilador de suministro funcionará con el flujo de aire de calefacción predeterminado y la salida del serpentín de calefacción dentro de la unidad se modulará según sea necesario para mantener el punto de ajuste de calefacción del sensor de temperatura de zona (típicamente 70 °F).
Una vez que la temperatura de la zona suba por encima del punto de referencia de refrigeración, la unidad de tratamiento de aire funcionará en el modo de refrigeración: la calefacción se desactivará, la salida del serpentín de refrigeración se modulará según sea necesario para mantener la temperatura del aire de suministro a 55 °F y la el flujo de aire de suministro se modulará para mantener el punto de ajuste de enfriamiento del sensor de temperatura de zona.
La ventaja de un VAV de una sola zona sobre un sistema CAV de una sola zona es que durante la operación de enfriamiento, la temperatura del aire de suministro permanecerá constante en aproximadamente 55 °F. Esta temperatura del aire de suministro constantemente fría dará como resultado una humedad relativa del espacio más baja que la misma área servida por un sistema CAV donde la temperatura del aire de suministro puede variar entre 55 °F (carga de enfriamiento completa) y 75 °F (sin carga de enfriamiento). La mayor humedad relativa del espacio resultante del uso de un sistema CAV se ve exacerbada por la ventilación del aire exterior en zonas de clima húmedo y por una alta densidad de ocupantes en las áreas atendidas por la unidad.
Debido a los avances recientes en la tecnología, los sistemas VAV de zona única que utilizan serpentines de enfriamiento de refrigerante DX pueden servir áreas con una carga de enfriamiento tan baja como 5 toneladas.
Libro de consulta de diseño de HVAC - Ángel W. Larsen, PE, LEED AP, es director de la firma de ingeniería consultora 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.
