En los edificios comerciales, las cargas de HVAC suelen representar el mayor gasto de energía. La ubicación geográfica juega un papel importante: los edificios ubicados en el norte o el sur del mundo suelen tener altos gastos de calefacción, mientras que los ubicados en los trópicos pueden requerir aire acondicionado durante todo el año.
Al igual que en entornos residenciales, existe una amplia gama de opciones de calefacción y refrigeración para edificios comerciales, cada una con ventajas y limitaciones. Tres de los sistemas más utilizados en edificios comerciales son:
- Sistemas de volumen de aire variable (VAV) con una unidad de techo integrada
- Sistemas de refrigeración, torre de refrigeración y caldera.
- Sistemas de bomba de calor de fuente de agua con torre de enfriamiento y caldera.
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1) Sistema VAV con unidad de techo integrada
Las unidades empaquetadas (RTU) de techo generalmente incluyen un condensador para aire acondicionado y una caldera de gas o eléctrica para calefacción de espacios. En climas donde la unidad debe proporcionar aire acondicionado con baja humedad exterior, también es posible agregar un economizador, que reduce la carga de enfriamiento en el condensador. En todos los modos de funcionamiento, los ventiladores se utilizan para soplar aire a un sistema de conductos que lo distribuye entre zonas interiores separadas.
- Cada zona tiene una caja de volumen de aire variable (VAV) con una compuerta que se abre y cierra según las necesidades de refrigeración o calefacción.
- La posición de la compuerta se controla en función del set de temperatura de cada zona específica. Por ejemplo, la compuerta se abrirá completamente si una zona específica requiere la máxima potencia de refrigeración o calefacción.
Los sistemas VAV tradicionales sufren una drástica reducción de la eficiencia energética cuando se someten a condiciones de carga parcial: si todas las zonas del edificio están en carga parcial con sus compuertas semicerradas, la presión en los conductos aumenta y el sistema puede volverse ruidoso. Además, la presión adicional representa un desperdicio de energía del ventilador. Sin embargo, es posible obtener excelentes resultados mediante el uso de automatización y variadores de frecuencia:
- Un sistema de control evalúa constantemente el estado de todas las cajas VAV. Lo ideal es que al menos uno de ellos esté completamente abierto; de lo contrario, se desperdiciará energía del ventilador.
- Si ninguna de las compuertas está completamente abierta, la velocidad del ventilador se reduce y todas las compuertas se abren gradualmente hasta que una de ellas alcanza la posición completamente abierta.
- En este punto, el ventilador proporciona el flujo de aire correcto para la carga actual de HVAC.
Puede haber ahorros considerables en la potencia del ventilador cuando la velocidad se controla mediante un variador de frecuencia. En general, la potencia del ventilador es proporcional a la velocidad al cubo: un ventilador funcionando al 90% de velocidad consume sólo alrededor del 73% de la energía que consumiría a máxima velocidad. Un beneficio adicional del control de velocidad es que el ruido se reduce drásticamente.
Los sistemas VAV con unidades de techo integradas son prácticos en instalaciones que tienen una gran superficie de techo proporcional a su espacio interior, ya que el aire es el principal medio utilizado para transportar el calor. Estos sistemas no son prácticos en edificios de varios pisos debido al área limitada del techo y las largas distancias verticales involucradas; En estas aplicaciones se prefieren los sistemas basados en enfriadores enfriados por agua o bombas de calor con fuente de agua.
2)Enfriador con torre de enfriamiento y caldera.
Estos sistemas utilizan agua como medio para suministrar o extraer calor, y los circuitos de agua pasan por unidades de tratamiento de aire (UTA) que proporcionan el flujo de aire necesario a cada zona del edificio.
- En modo refrigeración, la enfriadora extrae calor del circuito de agua fría que circula por todo el edificio y lo rechaza a un circuito de agua secundario que está conectado a la torre de refrigeración. Luego, la torre de enfriamiento rechaza el calor al exterior.
- En modo calefacción, el agua circulante pasa a través de una caldera. La mayoría de las calderas funcionan con electricidad, gas o gasóleo.
En ambos casos, en las UTA se intercambia calor entre el agua en circulación y el aire interior. Si la enfriadora y la caldera comparten un circuito de agua (sistema de dos tuberías), todo el edificio debe funcionar en modo calefacción o refrigeración; sin embargo, cuando hay un circuito de agua independiente para cada modo de funcionamiento (sistema de cuatro tubos), se puede proporcionar calefacción y refrigeración simultáneas a diferentes zonas. Por supuesto, un sistema de cuatro tuberías es más caro porque las tuberías y los accesorios están esencialmente duplicados.
Al igual que en el caso de los sistemas VAV, se pueden conseguir ahorros considerables con el control y la automatización:
- Los enfriadores modernos suelen venir con compresores de velocidad variable, que pueden funcionar de manera eficiente incluso en condiciones de carga parcial. Algunos modelos combinan control de velocidad con operación por pasos para aumentar aún más la eficiencia.
- Los variadores de velocidad se pueden utilizar para múltiples componentes del sistema, incluidos ventiladores de torres de enfriamiento, bombas de agua y unidades de tratamiento de aire.
- También existen economizadores para sistemas enfriados por agua, pero solo se aplican a zonas climáticas específicas, donde el sistema proporcionará aire acondicionado con baja humedad exterior.
Los sistemas basados en enfriadores suelen ofrecer mayor eficiencia que los sistemas VAV y también son más prácticos para edificios de varios pisos: en lugar de tener varias unidades de techo agrupadas, es posible consolidar el sistema en un único enfriador y torre de enfriamiento, y solo el sistema de enfriamiento. La torre debe ubicarse al aire libre o en el techo.
3) Sistema de bomba de calor con fuente de agua con torre de enfriamiento y caldera.
Los sistemas HVAC comerciales basados en bombas de calor de fuente de agua tienden a ser la opción superior en términos de versatilidad y eficiencia energética. Las bombas de calor se basan en el ciclo de refrigeración, como los aires acondicionados, pero ofrecen funcionamiento reversible; Cuando se utilizan varias bombas de calor para dar servicio a áreas separadas de un edificio comercial, pueden cambiar entre los modos de refrigeración y calefacción según sea necesario.
- Todas las bombas de calor de un edificio comparten un circuito de agua común y rechazarán o absorberán calor dependiendo de las necesidades de cada zona.
- Como el circuito de agua es compartido, las cargas iguales de calefacción y refrigeración se equilibran entre sí.
- Si la carga de refrigeración es mayor, se utiliza una torre de refrigeración para rechazar el calor extra; en cambio, si la carga de calefacción es mayor, se utiliza una caldera para compensar la diferencia.
Como en los dos escenarios anteriores, es posible hacer que el sistema sea aún más eficiente agregando control de velocidad a todas las bombas y ventiladores utilizados. Las bombas de calor se encuentran entre los sistemas de calefacción y refrigeración más eficientes del mercado: pueden igualar o superar la eficiencia de una enfriadora en modo refrigeración y, en la mayoría de los casos, pueden proporcionar calefacción a espacios con menos del 40% del consumo de energía de la resistencia. . calentador.
La necesidad de instalar una bomba de calor dedicada para cada zona del edificio incrementa el coste de estos sistemas, pero esto se compensa a largo plazo gracias a la superior eficiencia energética conseguida. Por ejemplo, si hay un momento en el que las cargas de refrigeración y calefacción son iguales, este sistema puede funcionar con la caldera y la torre de refrigeración apagadas.
Conclusiones
Una de las opciones de diseño más importantes en un edificio comercial es la configuración HVAC, ya que este sistema representa una parte importante de los costos de propiedad a largo plazo. La distribución del edificio es una consideración importante: las instalaciones de poca altura con grandes superficies tienden a favorecer las unidades de ático compactas con sistemas VAV, mientras que los edificios de varios pisos tienden a favorecer el uso de enfriadores o bombas de calor con fuente de agua.
Por supuesto, existen mejoras viables en la eficiencia energética que se pueden implementar en todos los casos. Modular la velocidad de compresores, bombas y ventiladores es más eficiente energéticamente que encender y apagar estos equipos, y también contribuye a prolongar su vida útil y reducir los gastos de mantenimiento.
