En el mundo moderno, el sector de la construcción exige comodidad y eficiencia energética. El diseño de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) tiene un impacto significativo en ambos, y trabajar con una empresa de ingeniería calificada tiene un impacto positivo en el resultado final.
Una decisión fundamental en el diseño de HVAC es seleccionar una configuración de manejo de aire adecuada: volumen de aire constante (CAV) o volumen de aire variable (VAV). Cada opción tiene ventajas y desventajas, y utilizar la configuración correcta aumenta la comodidad y la eficiencia.
Este artículo proporciona una descripción general de los sistemas CAV y VAC y describe los principios y cálculos utilizados por los ingenieros de HVAC durante el proceso de diseño.
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Sistemas de volumen de aire constante
Los sistemas CAV mantienen un flujo de aire constante, como su nombre lo indica, y las condiciones internas deseadas se logran ajustando la temperatura del suministro de aire. Por ejemplo, cuando un edificio necesita una mayor potencia de refrigeración en un caluroso día de verano, el sistema CAV suministra aire más fresco. En los sistemas de agua fría, el efecto de enfriamiento depende del flujo de agua fría suministrado a la unidad fancoil. A su vez, el controlador de flujo de agua funciona según la configuración del termostato.
Los sistemas CAV pueden ser de zona única o multizona, aunque son más adecuados para aplicaciones de zona única donde la carga sufre cambios mínimos con el tiempo. Algunos ejemplos son auditorios, teatros y museos. Los sistemas CAV multizona requieren calefacción por conductos para entregar diferentes temperaturas del aire a zonas individuales, lo que reduce su eficiencia energética .
El funcionamiento de un sistema CAV multizona se puede describir mejor con un ejemplo. Considere las siguientes condiciones de diseño:
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Una unidad de tratamiento de aire interior (AHU) sirve a tres zonas (A, B y C).
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Cada una de las tres zonas tiene un termostato dedicado.
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La UTA obtiene agua fría de un enfriador de torre de enfriamiento.
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Los calentadores de conductos de aire están conectados a las ramas principales que dan servicio a zonas individuales.
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Los termostatos están configurados en 55°F (A), 68°F (B) y 72°F (C).
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La AHU proporciona aire frío a 55°F.
Una vez que el aire suministrado ingresa al sistema de conductos, solo se puede calentar y no enfriar. Por lo tanto, debe suministrarse a la más baja de las tres temperaturas requeridas: 55 °F para la zona A en este caso. Después de servir a la zona A, el flujo de aire se puede calentar a las temperaturas requeridas para otras zonas: 68 °F para la zona B y 72 °F para la zona C.
Aunque el principio de funcionamiento es sencillo, tiene una limitación de eficiencia. Parte de la potencia de refrigeración se desperdicia cuando se recalienta el aire en las zonas B y C, y los propios calentadores de conducto también consumen energía.
Sistemas de volumen de aire variable
Como puede imaginar, los sistemas VAV mantienen una temperatura del aire constante y, en cambio, ajustan el flujo de aire según la carga. Los sistemas VAV pueden tener configuraciones de zona única, multizona o de doble conducto. Así como CAV es la opción preferida en sistemas de zona única, se recomienda VAV para sistemas multizona.
Los sistemas VAV de doble conducto tienen conductos separados para aire frío y caliente, y cada zona tiene un pleno donde se mezcla el flujo de aire. La proporción de aire frío y caliente depende de la temperatura deseada para cada zona concreta. Esta configuración HVAC es la más cara en términos de instalación, operación y mantenimiento.
Los sistemas multizona tienen cajas VAV que controlan el flujo de aire entregado a zonas individuales. A diferencia de CAV, el flujo de agua fría suministrado a la unidad fancoil se mantiene constante. Los sistemas VAV alcanzan su máximo potencial en aplicaciones donde hay múltiples zonas con carga variable. Algunos ejemplos son los centros comerciales, hoteles y edificios de oficinas.
Las cajas VAV cumplen una función similar a la de los calentadores de conducto utilizados en un sistema CAV. En lugar de recalentar el aire según las necesidades de cada zona individual, el flujo de aire se controla manteniendo la temperatura constante.
Cálculos básicos en diseño CAV y VAV.
El proceso de diseño de HVAC implica cálculos complejos y modelos energéticos. Sin embargo, las ecuaciones que describen las operaciones del sistema son simples. Esta sección describe cómo se ajustan la temperatura y el flujo de aire según la carga.
El punto de partida es la ecuación de ganancia de calor sensible, fundamental en los sistemas HVAC:
- Q = 1,08 x CFM x ΔT
Dónde:
- Q = Carga del cuarto o zona servida (BTU/hora)
- CFM = Flujo de aire en pies cúbicos por minuto
- ΔT = Diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura del aire suministrado
Ejemplo 1: sistema VAV
Supongamos que una habitación tiene una carga (Q) de 10 000 BTU/h, con una temperatura interna de 75 °F y una temperatura del aire de suministro de 55 °F. En este caso, la diferencia es de 20°F. Para calcular el flujo de aire requerido, la ecuación del calor sensible se puede reorganizar:
- Q = 1,08 x CFM x ΔT
- CFM = Q ÷ (1,08 x ΔT)
- CFM = 10.000 BTU/h ÷ (1,08 x 20 °F) = 463 cfm
En este caso, el sistema VAV tendría que ajustar el flujo de aire a 463 pies cúbicos por minuto para la zona correspondiente. Observemos el efecto cuando la carga aumenta a 12.000 BTU/h.
- CFM = 12.000 BTU/h ÷ (1,08 x 20 °F) = 555 cfm
La diferencia de temperatura de 20°F se mantiene constante bajo una carga de 12,000 BTU/h, mientras se aumenta el flujo de aire a 555 cfm.
Ejemplo 2: sistema CAV
En este caso, la carga de enfriamiento y la temperatura ambiente son las mismas que las utilizadas en el ejemplo anterior: 10,000 BTU/h y 75 °F. Sin embargo, el flujo de aire se fija en 500 cfm y se ajusta la temperatura del suministro de aire. La ecuación del calor sensible se reordenaría de la siguiente manera:
- ΔT = Q ÷ (1,08 x CFM)
- ΔT = 10.000 BTU/h ÷ (1,08 x 500 cfm)
- ΔT = 18,52°F
El suministro de aire debe estar a 18,52°F por debajo de la temperatura ambiente, lo que equivale a 56,48°F. Repitiendo el cálculo para 12.000 BTU/h, se obtiene el siguiente resultado:
- ΔT = Q ÷ (1,08 x CFM)
- ΔT = 12.000 BTU/h ÷ (1,08 x 500 cfm)
- ΔT = 22,22°F
En este caso, la temperatura del aire de suministro requerida es 52,78 °F.
Conclusión
Los ingenieros de HVAC pueden elegir entre sistemas CAV y VAV según la aplicación. Mientras que un sistema CAV utiliza una temperatura del aire variable y un flujo de aire constante, un sistema VAV mantiene una temperatura constante y un flujo de aire variable. Los sistemas CAV son más adecuados para aplicaciones de zona única donde la carga cambia poco, mientras que los sistemas VAV son la mejor opción para aplicaciones multizona con una carga en constante cambio.
