Al especificar los equipos mecánicos y eléctricos de un edificio, es fácil asumir que la capacidad adicional es algo bueno, pero puede ser tan contraproducente como tener instalaciones de tamaño insuficiente. En primer lugar, la capacidad adicional tiene un coste inicial más alto, lo que hace que el propietario del edificio incurra en gastos innecesarios. También hay muchos tipos de equipos que enfrentan problemas de rendimiento cuando están sobrediseñados, que pueden variar desde una baja eficiencia energética hasta una vida útil reducida. En pocas palabras, los sistemas sobredimensionados tienen un precio más alto y un costo operativo más alto.
Este artículo proporcionará una visión general de los sistemas de construcción que más comúnmente se sobrediseñan, señalando los obstáculos que deben evitarse y las consecuencias negativas que pueden surgir del exceso de capacidad.
1) Conductos de aire
Los conductos de aire desempeñan un papel muy importante en los sistemas HVAC que utilizan unidades de techo o enfriadores con unidades de tratamiento de aire, y diseñar adecuadamente los sistemas de conductos es fundamental para garantizar un alto rendimiento. Para los edificios de la ciudad de Nueva York, los sistemas de conductos deben cumplir los requisitos establecidos en:
- El código de construcción de Nueva York
- El Código Mecánico de Nueva York, que dedica todo su Capítulo 6 a los sistemas de conductos
- Manual de Fundamentos de ASHRAE
- SMACNA (Asociación Nacional de Contratistas de Chapa Metálica y Aire Acondicionado) Normas de construcción de conductos HVAC
El diseño adecuado de los conductos se basa en el control de dos variables clave: la velocidad del aire y la caída de presión. Cuando estas variables exceden el rango de diseño ideal, el sistema de conductos se vuelve ruidoso e ineficiente. Idealmente, un sistema de conductos debería diseñarse para una caída de presión de 0,08 pulgadas de agua por cada 100 pies de longitud, y la velocidad del aire debería mantenerse por debajo de 1200 pies por minuto.
Tanto la caída de presión como la velocidad disminuyen a medida que aumenta el área de la sección transversal de un conducto, pero existe un límite superior para el tamaño del conducto que se puede aumentar.
- El sistema se vuelve más caro, por la sencilla razón de que los costes de material y mano de obra son mayores.
- El proceso de diseño de otros sistemas constructivos puede resultar complicado por el hecho de que los conductos ocupan mucho espacio. Incluso puede ser necesario reducir la altura del techo, alterando el diseño arquitectónico.
- Los conductos de gran tamaño aumentan la potencia del ventilador porque es necesario mover un mayor volumen de aire a través del sistema.
Un diseño de conducto ideal mantiene la caída de presión y la velocidad del aire por debajo de los valores de diseño mientras optimiza el área de la sección transversal de los conductos.
2) calderas
Incluso en los edificios donde se utilizan calderas de alta eficiencia, la calefacción suele ser uno de los gastos energéticos más altos; esto es especialmente cierto en Nueva York y otras ciudades del noreste, que tienen inviernos fríos. Existen sistemas de calderas para prácticamente cualquier tipo de aporte energético, incluidos combustibles fósiles como el petróleo o el gas natural, electricidad o fuentes alternativas como la luz solar y el biodiesel.
Dado el papel fundamental que desempeñan en los edificios, así como las posibles consecuencias negativas que pueden surgir del mal funcionamiento del sistema, el Departamento de Edificios de la ciudad de Nueva York cuenta con una Unidad de Calderas dedicada. Esta unidad supervisa la instalación y operación de calderas y realiza un ciclo de inspección anual para todos los sistemas actualmente en funcionamiento. Las calderas están cubiertas por el Código de Construcción, el Código Mecánico y el Código de Plomería de Nueva York, y el Código de Gas Combustible también se aplica si la caldera es de combustión.
La redundancia es deseable en los sistemas de calderas, pero la instalación de dos calderas, cada una de ellas del tamaño adecuado para la carga total del edificio, puede generar una gran cantidad de capacidad no utilizada y un alto costo inicial. La mejor recomendación de diseño es dimensionar cada caldera para el 60% de la carga total del edificio, lo que proporciona un grado favorable de redundancia, así como un 20% de capacidad adicional que se puede utilizar durante el calentamiento inicial del edificio. Se recomienda encarecidamente evitar las “reglas generales”, ya que pueden dar lugar a sistemas de calderas dos o tres veces más grandes de lo necesario.
Las calderas podrían eventualmente reemplazarse con sistemas de flujo de refrigerante variable (VRF), que ofrecen una eficiencia energética mucho mayor, así como una mayor flexibilidad para satisfacer diversas cargas de calefacción. Como su nombre lo indica, los sistemas VRF utilizan refrigerante para suministrar o eliminar calor y la velocidad se controla de acuerdo con la carga actual del edificio. Las ventajas de los sistemas VRF son significativas:
- Pueden utilizar bombas de calor, que funcionan tanto en modo calefacción como refrigeración, reemplazando las calderas y condensadores de aire acondicionado tradicionales. Los últimos modelos de bombas de calor ofrecen una eficiencia comparable a la de una enfriadora en modo refrigeración y en modo calefacción pueden proporcionar ahorros de más del 70% en comparación con un calentador de resistencia.
- El calor se transporta en líneas de refrigerante, que son mucho más compactas que las tuberías de agua y los conductos de aire.
- Los sistemas VRF son modulares, lo que permite ampliarlos gradualmente según las necesidades del edificio: las calderas, enfriadores y unidades de techo empaquetados están limitados en este sentido por sus capacidades fijas.
Los sistemas VRF son muy populares en Japón, donde se desarrollaron, así como en Europa. Son relativamente nuevos en el mercado estadounidense, pero su costo de instalación es comparable al de un sistema tradicional basado en enfriadores.
3) Aire acondicionado
El rendimiento de los equipos de aire acondicionado mejora en proporción directa a cómo la unidad se adapta a la aplicación. Existe una creencia común, pero errónea, de que es preferible sobredimensionar la unidad para que pueda enfriar los espacios interiores más rápidamente y al mismo tiempo reducir el tiempo de funcionamiento del compresor. Sin embargo, esto trae muchos problemas de rendimiento. Además, aunque el compresor funciona menos tiempo, también consume más energía que una unidad del tamaño adecuado, por lo que el ahorro de energía es mínimo o nulo.
Los sistemas de aire acondicionado están cubiertos por el Código de Construcción de Nueva York y el Código Mecánico de Nueva York. El Manual de Fundamentos de ASHRAE también es una referencia sólida al diseñar cualquier sistema HVAC.
Mal control de la humedad
Un sistema de aire acondicionado eficaz no sólo elimina el calor interior; también mantiene la humedad dentro de un rango cómodo para los humanos. Cuando un sistema de aire acondicionado está sobredimensionado, puede alcanzar la temperatura interna requerida en un período de tiempo más corto y luego el compresor se apaga (o se desacelera en las unidades modernas con capacidad de velocidad variable). El problema cuando las unidades de aire acondicionado funcionan de esta manera es que no hay tiempo suficiente para que la humedad interior alcance niveles aceptables, lo que resulta en un ambiente interior frío pero húmedo, similar a un refrigerador. Además de provocar molestias, esta es una situación que puede derivar en problemas de salud respiratoria a los ocupantes.
Ciclos excesivos del compresor
Una unidad de aire acondicionado de gran tamaño tiene potencia de refrigeración adicional, por lo que puede elevar la temperatura interior en menos tiempo que un sistema del tamaño adecuado. Esto significa que la unidad tenderá a funcionar en una serie de ráfagas cortas, lo que puede desgastar los componentes eléctricos y mecánicos, reduciendo su vida útil. Por otro lado, un compresor del tamaño adecuado funciona durante períodos más prolongados pero sin arranques ni paradas frecuentes, que es el modo de funcionamiento previsto.
Cuando se comparan las instalaciones de aire acondicionado en función de su costo total de propiedad, considerando tanto los gastos de energía y mantenimiento como su vida útil, un sistema de capacidad óptima es superior a sistemas tanto de tamaño insuficiente como de gran tamaño.
Malestar para los ocupantes
Debido a que una unidad de aire acondicionado de gran tamaño tiene una potencia de enfriamiento excesiva para la aplicación, sentarse justo debajo de la abertura de un conducto de aire o frente a un evaporador puede resultar muy incómodo. Los ventiladores del evaporador suelen tener un tamaño proporcional al de la unidad de aire acondicionado, por lo que el aire está frío y se mueve rápidamente, provocando un efecto de enfriamiento.
4) Energía Eléctrica
Muchos dispositivos y sistemas utilizados en los edificios funcionan con energía eléctrica, y esto incluye muchos tipos de equipos mecánicos. A la hora de especificar instalaciones eléctricas se aplica el mismo principio que en los sistemas mecánicos: los componentes deben tener la capacidad adecuada para la aplicación, ni menos ni más. Las instalaciones eléctricas en la ciudad de Nueva York deben cumplir con los siguientes códigos:
- Código de Construcción de Nueva York, en particular el Capítulo 27
- Código eléctrico de Nueva York
- NFPA 70: Código Eléctrico Nacional
- Para los sistemas de energía de emergencia y de respaldo, también se requiere el cumplimiento de NFPA 110, NFPA 111 y el Código de gas combustible de Nueva York.
Alimentadores y circuitos derivados sobredimensionados
Los circuitos eléctricos de tamaño insuficiente tienden a fallar rápidamente, a veces en cuestión de horas, pero los circuitos de tamaño demasiado grande no tienen consecuencias negativas en términos de funcionamiento. De hecho, un circuito eléctrico de gran tamaño tiene menos caída de voltaje y pérdida de energía que un circuito del tamaño adecuado. Sin embargo, este beneficio palidece en comparación con los mayores costos de proyecto que acompañan a las instalaciones eléctricas de gran tamaño.
Motor electrico
El caso de los motores es diferente al de los conductores, y existen varias consecuencias negativas cuando se sobredimensionan:
- La eficiencia del motor se reduce en condiciones de carga parcial. Para una carga mecánica determinada, un motor correctamente especificado que funcione casi a plena carga será más eficiente que un motor sobredimensionado.
- El factor de potencia también se reduce. El motor de gran tamaño consume una corriente reactiva elevada, lo que puede contribuir a los cargos por factor de potencia en la factura de energía. La corriente reactiva extra también consume capacidad en transformadores, cuadros de distribución y circuitos, sin contribuir a la transmisión de energía útil.
Cuando los motores estarán sujetos frecuentemente a condiciones de carga parcial, la mejor opción es utilizar tecnologías que permitan el control de la velocidad: los motores con conmutación electrónica (ECM) se pueden utilizar para aplicaciones de potencia fraccionaria y los variadores de frecuencia (VFD) con motores trifásicos. Se puede implementar para cargas más grandes.
Si se modernizan los motores de un edificio, se deben considerar tres aspectos para conseguir los mejores resultados posibles:
- Potencia adecuada.
- Actualización a un nivel de eficiencia más alto, por ejemplo NEMA Premium.
- Implantación de medidas de automatización y control de velocidad.
En los sistemas de aire acondicionado basados en enfriadores, se puede lograr una sinergia excepcional si la planta enfriadora tiene compresores multietapa de velocidad variable, mientras que las bombas de agua y las AHU asociadas utilizan motores con velocidad controlada.
5) Sistemas de rociadores
Un diseño de edificio complejo generalmente significa que el sistema de rociadores contra incendios tendrá un diseño de tuberías de complejidad similar, así como una gran cantidad de rociadores. Cuando los equipos responsables del diseño arquitectónico y del diseño de protección contra incendios trabajan de forma aislada, los complejos sistemas de rociadores son una consecuencia común. Estos sistemas tienen muchas desventajas:
- El coste inicial aumenta, tanto en términos de materiales como de mano de obra.
- Las bombas deben ser de mayor tamaño para proporcionar presión y flujo de agua adecuados para un sistema con mayor longitud de tuberías y mayor número de rociadores.
A continuación se presentan algunas recomendaciones de diseño para optimizar la distribución de los rociadores, reduciendo su complejidad y costo inicial:
- Coordine el diseño de rociadores contra incendios y el diseño arquitectónico para minimizar la interferencia de las características del techo, como compensaciones y plafones.
- Fusione habitaciones más pequeñas en áreas individuales siempre que sea posible, porque cada vez que se agrega una habitación pequeña, el número de rociadores aumenta en uno.
Al diseñar sistemas de rociadores en Nueva York, es importante observar los requisitos establecidos en las siguientes normas y códigos:
- Código de Construcción de Nueva York, en particular el Capítulo 7 (Características de protección contra incendios y humo), el Capítulo 9 (Sistemas de protección contra incendios) y el Apéndice Q (Modificaciones a las normas nacionales).
- Código de incendios de Nueva York
- NFPA 13 – Norma para la instalación de sistemas de rociadores
- NFPA 13D – Norma para la instalación de sistemas de rociadores en viviendas unifamiliares y bifamiliares y viviendas prefabricadas
- NFPA 13R: Norma para la instalación de sistemas de rociadores en ocupaciones residenciales de poca altura
Es importante señalar que el Apéndice Q del Código de Construcción tiene prioridad sobre las normas nacionales, introduciendo modificaciones específicas para Nueva York.
Observaciones finales
Hay muchas razones para no sobredimensionar los sistemas mecánicos y eléctricos de los edificios. En la mayoría de los casos, los sistemas sobredimensionados son tan problemáticos como los sistemas de tamaño insuficiente, o incluso más, provocando problemas de rendimiento y gastos de mantenimiento adicionales. Incluso cuando no hay problemas de rendimiento asociados con la capacidad adicional, representa un costo inicial más alto que debe ser asumido por el propietario del edificio.
Contratar diseñadores MEP profesionales es la mejor manera de garantizar que todos los sistemas constructivos estén especificados de manera óptima para la aplicación en cuestión. El cumplimiento de los códigos y normas aplicables es obligatorio para que un edificio sea aprobado, pero estos documentos a menudo especifican solo los requisitos mínimos: con un diseño profesional, un proyecto puede cumplir con los requisitos del código y al mismo tiempo maximizar el rendimiento.
