NUEVOS CRITERIOS DE DISEÑO DE LAS INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO

 

Néstor Quadri

Exclusivo para TermoSistemas

 

Para el análisis de las mejoras en los nuevos diseños de las instalaciones de aire acondicionado, debemos considerar que las mismas se dividen en dos partes fundamentales:

·                     Unidad de tratamiento del aire y conductos de distribución

·                     Planta frigorífica o térmica

 

Estas partes pueden estar unificadas como en el caso de un equipo compacto autocontenido.

En los proyectos del siglo pasado en los grandes edificios se centralizaba toda la instalación en una gran sala de máquinas en el subsuelo de los edificios, y allí se efectuaba en conjunto la preparación de los fluidos energéticos y el tratamiento y distribución del aire. El control estaba basado en la tecnología del relay y la percepción visual y sensorial in situ de los equipamientos, elementos e  instrumentos de control  por parte del operario.  

Ello originaba que al estar la sala de máquinas alejada de los espacios acondicionados, requerían largos tendidos de conductos para transportar el aire como se puede ver en la figura 1, los que originaban un costo energético mucho más grande que si se distribuían por líneas de agua o por refrigerantes, además de las grandes dimensiones, que ocupaban áreas útiles y originaban problemas constructivos.

Por otra parte, para ahorrar energía no se consideraban los criterios de zonificación  que consiste en agrupar el acondicionamiento de todos aquellos ambientes del edificio, cuyas cargas térmicas varían en forma similar durante las horas del día, ya sea por diferentes orientaciones, horarios de utilización de los locales y  diversas disipaciones internas o condiciones de funcionamiento. De esa manera, se puede  definir como una zona, a aquellos locales agrupados cuya distribución de aire esté controlada por un mismo termostato.

 

Figura 1. Sala de máquinas centralizada con conductos en subsuelo del edificio

 

Existen varias formas de zonificar, pero no cabe duda que la mejor de todas, es que cada zona tenga su propio equipo de tratamiento y distribución de aire, con su termostato de control.

Por tal motivo es conveniente descentralizar las unidades de tratamiento de aire, las que se actualmente colocan en los mismos locales a acondicionar, en general sobre cielorrasos armados o paredes, empleando diversos modelos estandarizados que se encargan de difundir directamente el aire en los mismos. Sin embargo, es más recomendable que la unidad de tratamiento se coloque cercana al local y que la distribución del aire, se realice en forma independiente mediante cortos tendidos de conductos, empleando rejas o difusores, que es la forma más lógica y adecuada para lograr una más uniforme distribución. Actualmente mediante el desarrollo de la tecnología electrónica de control permiten distribuir las unidades de tratamiento de aire esparcidas por el edificio, y vincularlas mediante dispositivos supervisados, desde una sala de control centralizada.

No debe ocurrir lo mismo con la planta frigorífica y de calefacción, que es conveniente que estén centralizadas, desde el punto de vista de la operación, mantenimiento y seguridad y porque además, se logra reducir su capacidad, aprovechando las cargas simultáneas que se van produciendo durante el día en todo el edificio. En este aspecto, se han desarrollado equipamientos autocontenidos de unidades enfriadoras de agua o condensadoras especialmente diseñadas para uso exterior, por lo que en los nuevos sistemas, las plantas de frío se instalan generalmente en el las azoteas, lo que permite simplificar el montaje, y reducir los espacios de salas de máquinas interiores.   

Otro desarrollo importantísimo que permitió el avance de la electrónica, es la posibilidad muy simple y económica de regular la velocidad de giro o revoluciones por minuto de un motor, mediante un sistema denominado inverter, que es un dispositivo electrónico que modula la tensión, amperaje y frecuencia de la red de suministro, que se puede aplicar a compresores, bombas de agua o ventiladores de los sistemas de acondicionamiento.

Al emplearlo en un compresor permite regular la  capacidad a cargas parciales, variando la velocidad en lugar de arrancar y parar el mismo. El control de temperatura es entonces mucho más preciso, con una puesta en régimen más corta porque el compresor puede arrancar a una mayor velocidad, tal cual como se observa en el gráfico de la figura 2.  

Por otra parte, se posibilita la regulación de los caudales transportados mediante el ajuste de la velocidad de giro de los motores de bombas y ventiladores, lo que representa un considerable ahorro energético porque la potencia consumida es una función del cubo de la relación de velocidades.

 

Figura 2. Gráfico comparativo de un sistema inverter con un convencional

 

En el ejemplo que se detalla en la figura 3, se desea reducir al 80% el caudal de agua que circula  por un sistema de acondicionamiento por agua fría. Si para ello se cuenta con una bomba de velocidad constante y se usa una válvula, la potencia absorbida por el motor sólo baja un 2%.  Sin embargo, si se utiliza un sistema inverter que disminuye la velocidad de rotación, la potencia tomada por el motor se reduce al 51%.

En la actualidad, las modernas tecnologías que más se adaptan al criterio de ahorro energético se basan en el concepto de emplear la bomba de calor. En forma elemental, si se tiene un acondicionador individual de ventana en un local se produce en verano la distribución de aire frío en el interior, pero hacia el exterior se envía aire caliente, o sea se bombea el calor del interior del local hacia el exterior en sentido contrario a su tendencia natural, de modo que si en invierno se girara físicamente el equipo, se tendría aire caliente en el interior del local que puede aprovecharse a los fines de calefacción, absorbiendo el calor del aire exterior.

Figura 3. Gráfico comparativo de reducción de potencia con sistemas de volumen variable.

 

Para aplicar esta propiedad, el método más sencillo no es girar el equipo, sino invertir el funcionamiento del ciclo frigorífico mediante la aplicación de una simple válvula inversora que puede operar en forma automática, como se puede ver en el esquema de la figura 4.

 

Figura 4. Funcionamiento de la válvula inversora de ciclo en la bomba de calor

 

Con este sistema el rendimiento térmico es casi tres veces lo que produciría una resistencia eléctrica, porque no se convierte o transforma la energía eléctrica en calor, sino que es solo la energía que consume o necesita el compresor para bombearlo. Se emplean generalmente para esos efectos compresores tipo scroll o a espiral que actúan modulando el flujo refrigerante en función de la demanda.

Esto es muy importante en los nuevos edificios, por ejemplo, en una oficina de un edificio en torre se generan dos zonas típicas de climatización, la exterior o perimetral de uno 3 a 6 m de profundidad y la central, donde en invierno la disipación térmica es muy elevada por la iluminación, personas y fundamentalmente por el empleo de una computadora por puesto de trabajo. Por ello, en esa zona puede requerirse  refrigeración incluso en pleno invierno, mientras que la zona perimetral adyacente a la piel del edificio, se requiere calefacción.

Si suponemos hipotéticamente que se colocara un equipo compacto en el límite de las zonas como idealmente se muestra en la figura 5, se podría simultáneamente por una cara refrigerar el centro y por la otra calefaccionar el perímetro, para desplazar de esa forma, bombeando el calor del centro al perímetro, con gran ahorro energético.

Figura 5. Desplazamiento del calor con la bomba de calor

 

En resumen, el proyecto ideal de una instalación de aire acondicionado en un edificio de cierta envergadura, apoyado con la tecnología de control y supervisión digital, debe consistir en:

·         Planta frigorífica o térmica centralizada.

·         Unidades de tratamiento de aire, distribuidas en el edificio.

 

El uso de sistemas unitarios con equipos compactos autocontenidos de expansión directa en grandes edificios, si bien permite distribuir el tratamiento del aire, también descentraliza la planta frigorífica, con gran cantidad de circuitos de refrigeración a mantener y por otra parte, la capacidad frigorífica total a instalar es mayor, porque cada uno de ellos, debe estar  diseñado para satisfacer la carga pico de los locales que sirven, sin considerar la simultaneidad de las cargas en el edificio, como ocurre con una planta de agua fría  o unidades condensadoras centralizadas.

Sobre la base de estos conceptos básicos, se han desarrollado en la actualidad dos sistemas básicos de acondicionamiento que permiten una adecuada zonificación y fraccionamiento de los equipamientos en los edificios:

·         Sistemas todo refrigerante

·         Sistemas todo agua

 

Los sistemas todo refrigerante como se muestra en la figura 6, mediante unidades condensadoras centralizadas distribuyen el refrigerante a volumen variable mediante cañerías de cobre y que puede alimentar a distancias de mas de 100 m muchas unidades interiores tipo cassette, consola, de colgar, etc. ubicadas en los locales como se muestra en la figura 6, o eventualmente unidades evaporadoras de tratamiento de aire centrales, con conductos y rejas de distribución.

 

Figura 6. Sistema todo refrigerante

 

Los sistemas todo agua como se indica en la figura 7, consisten en unidades enfriadoras de agua con bomba de calor que proveen agua fría y caliente mediante cañerías a unidades de tratamiento de aire interiores individuales para la distribución del aire similares a los del tipo todo refrigerante, o unidades fan-coil de tratamiento de aire centrales con conductos y rejas, empleando compresores, bombas y ventiladores a volumen variable.

 

 

Figura 7. Sistemas todos agua

Estos nuevos sistemas a volumen variable deben contar con controles inteligentes de gestión integral centralizada, para permitir adaptar la producción del aire acondicionado a la demanda de calor del sistema, en la magnitud y momento que se produce y conseguir en cada instante el régimen de potencia más cercano al de máximo rendimiento,. Deben contar con un programa orientado hacia el ahorro energético, que registre en forma continua la producción y los consumos de energía y permitan la  detección de fallas para la disminución de los costos de operación y mantenimiento. 

En la figura 8 se detalla una forma típica de control para un sistema de acondicionamiento, provisto de una unidad condensadora que alimenta a una unidad evaporadora de tratamiento de aire centralizada, la que distribuye el aire en los locales a volumen variable, donde se observan los distintos elementos constitutivos.

 

Figura 8. Sistema típico de control de acondicionamiento de aire a volumen variable

 

Bibliografía. Instalaciones de Aire Acondicionado y Calefacción.

Néstor Quadri. Editorial Alsina: 12º Edición. Año 2018.