SISTEMAS HVAC 31 2.1 DISEO DE SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO. Objetivos especficos 2.1.1 Definir de los sistemas HVAC/R: Sistemas trmicos de distribucin. Aire o Agua. 2.1.2 Definir criterios para la decisin de utilizar aire fro o agua fra. 2.1.3 Clasificar los sistemas HVAC: Zonas sencillas y zonas mltiples o multizonas. 2.1.4 Definir en que consiste un sistema de Aire acondicionado, cuyo refrigerante es agua. 2.1.5 Seleccin del sistema 2.1.1 Sistema HVAC/R: Sistemas trmicos de distribucin. La sigla HVAC/R designa un sistema de calefaccin ventilacin y aire acondicionado / Refrigeracin, esta ltima empleada como mecanismo para enfriar aire o agua. En todos los espacios fsicos donde concurren personas, luces, aire externo etc, se tendrn siempre cargas trmicas que deben ser compensadas mediante cargas de enfriamiento con el fin de mantener las condiciones del local en valores alrededor 24 a 26 C y humedades relativas entre el 50 y el 60% con el fin de garantizar confort trmico, segn lo recomienda el STD 55 ASHRAE. En todos los espacios donde se generan cargas que aumentan la temperatura del espacio, la energa debe ser removida de dicho espacio por medio de un sumidero que absorba dicha carga que en este caso es una unidad de refrigeracin. El ensamblaje que permite la transferencia de energa o de calor desde el local hasta el sumidero se denomina sistema trmico de distribucin. Otras de las funciones de dicho sistema es la de introducir aire externo para propsitos de renovacin de aire del local. Los sistemas pueden ser: todo aire o todo agua. [11] 2.1.2 Criterios para la decisin de utilizar aire fro o agua fra La carga trmica debe ser removida o absorbida por la unidad de refrigeracin (sumidero), mediante la utilizacin de un fluido, que puede ser agua o aire, el cual se enfra debido a la baja temperatura del refrigerante. La decisin de cual de los dos depende de la distancia entre el espacio acondicionado y el sumidero. Cuando las distancias son muy grandes es recomendable utilizar tuberas con agua helada, en vez de ductos con aire acondicionado. [11]. El caudal y la seccin se pueden estimar asi:

.aguaeloaireelparavalidaTCp

oQTCpTCpmQo === &&&&&

aguasmairesmfluidodelVelocidadVV

DDV /1;/10,:44

2

== &&

APLICACIN 2.1 Determinar el caudal y el dimetro para una instalacin de 70 TR (246,4 KW), si la diferencia de temperatura del fluido es 15 C en cada caso: agua y aire respectivamente:

mDsmmkgCKkgKJ

sKJ 07065,0,/00392.0/100015/186,4

/4,246 33 ===

&

mDsmmkgCKkgKJ

sKJ 318,1,/64,013/2,115/003,1

/4,246 33 ===

&

SISTEMAS HVAC 32 2.1.3 Clasificacin de los sistemas HVAC: Zonas sencillas y zonas mltiples o multizonas. 2.1.3.1 Zonas Sencillas

Figura No. 2.1: Sistemas de Aire Acondicionado para zona sencilla. [

Los subsistemas de calentamiento ( y humidificacin ) o enfriamiento ( y des-humidificacin ) y muchos otros sistemas de aire acondicionado, controlan la proporcin de flujo de aire externo, para mantener su condicin. El flujo de aire pasa por un serpentn de enfriamiento, uno de calentamiento, por el ventilador y luego por la torre de des-humidificacin, para finalmente entrar en el espacio acondicionado. A menudo, en la lnea de aire de retorno es instalado un ventilador que evite que el exceso de aire presurice el sitio acondicionado con respecto a la presin exterior. La temperatura es controlada por un termostato que regula el serpentn de enfriamiento o calentamiento y la humedad es controlada por el humidistato. Existen dos posibles modos de operacin, uno haciendo calentamiento y humidificacin, cuando lo que se desea es calefaccin, enfriar hasta llevar el aire a la temperatura de roco y calentar hasta la temperatura deseada, cuando se desea enfriamiento. Cuando se necesita que la humedad relativa se mantenga baja, o cuando la carga latente es alta, se combina enfriamiento y calentamiento para mantener las condiciones. [11]

2.1.3.2 Zonas Mltiples Cuando se trata de grandes edificaciones, usualmente no es econmico, ni factible el suministro para cada zona por separado. Para tales casos el sistema central es expandido para buscar el calentamiento o enfriamiento requerido en las mltiples zonas. Para el desarrollo de este tipo de zonas, existen diversidad de estrategias, las mas comunes son: Sistemas de volumen constante CAV o sistemas de volumen variable VAV. En los sistemas de volumen constante, existe dos formas de regular la temperatura: a. Sistema de recalentamiento terminal: Se enfra el aire hasta la temperatura necesaria, para asegurar

la des-humidificacin requerida, y un termostato controla en cada zona el serpentn de

SISTEMAS HVAC 33

recalentamiento asociado a la zona, para garantizar la temperatura esperada. El serpentn de recalentamiento puede ser agua caliente o una resistencia elctrica.

Figura No. 2.2: Sistema de Aire Acondicionado con recalentamiento previo.

Es ventajoso por su tamao y por excelencia en el control de la temperatura y la humedad. Su desventaja es la relativa exigencia de energa, en ambos serpentines, tanto el de enfriamiento como el de calentamiento. Esta desventaja se puede superar, elevando la temperatura del aire a la salida del serpentn, evitando que el recalentamiento se efecte. Otra forma de reducir el consumo de energa es recobrarla en otra parte del sistema, por ejemplo, aprovechando el calor que se genera en el condensador o en la iluminacin.

b. Sistemas de Ductos dobles: En este sistema el aire que sale del ventilador es dividido en dos: parte del aire pasa por un serpentn de enfriamiento y otra parte por uno de calentamiento. El termostato en cada zona regula que en la caja de mezcla existan los flujos de aire correctos para garantizar la temperatura deseada. Este sistema es muy sensible a cambios en la carga y simultneamente puede adaptarse para calentar una zona y enfriar otra. Su mayor desventaja, es la necesidad de dos ductos de suministro, cada cual tan largo como se necesite para manejar todo el flujo de aire. Los sistemas multizonas son trmicamente idnticos a los sistemas de ducto doble, pero la configuracin difiere en que todas las cajas de mezcla estn agrupadas en la unidad central y los ductos transportan el aire mezclado a cada zona.

Figura No. 2.3: Sistema de Aire Acondicionado de ducto doble: Calefaccin y Enfriamiento.

SISTEMAS HVAC 34

Sistema de volumen de aire variable (VAV): Las caractersticas de los sistemas anteriores, en cuanto al consumo de energa, hacen pensar en una nueva alternativa de diseo, un sistema VAV. Existe gran nmero de variaciones de los sistemas VAV y de combinaciones con otros sistemas. Las tres mas importantes son: a. enfriamiento o calentamiento solamente, b. VAV con recalentamiento y c. ductos dobles con VAV.

Figura No. 2.4: Sistema de Aire Acondicionado Enfriamiento solamente: Sistema VAV. [

a. Sistemas de enfriamiento solamente: consiste en un chorro de aire fro que va a cada uno de las

zonas y un termostato controla el damper para aumentar o disminuir el flujo de aire fro en la zona. Este sistema es ampliamente usado en las zonas interiores de edificaciones donde no existen cargas de calefaccin y se trabaja enfriamiento solamente. Una de las desventajas, es que si no se tiene un buen control, puede haber una cada en la cantidad de aire de impulsin generando una pobre distribucin y /o ventilacin.

b. Sistemas de calentamiento solamente: el principio de funcionamiento es bsicamente igual al de enfriamiento; estos sistemas son rara vez usados en sistemas de aire acondicionado para edificaciones.

c. Sistemas VAV con recalentamiento: este sistema tambin tiene el mismo principio anteriormente expuesto, solo que en la lnea de distribucin hacia cada zona, existe un serpentn de recalentamiento. Cuando el termostato indica una cada en la temperatura, el damper reduce el flujo de aire en un 20 o 30 %, y cuando el flujo es constante se activa el serpentn de recalentamiento. Con este sistema, se pueden presentar algunos saltos bruscos en la temperatura, pero un controlador reduce el flujo de aire y de esa manera se genera una modesta cada en la eficiencia del sistema. Este sistema supera en muchas cosas al sistema de enfriamiento solamente, y ofrece una adecuada distribucin del aire, contrarrestando as el sobre costo de energa que genera el recalentamiento.

d. Sistemas de ductos dobles con VAV: este sistema, idntico al de ductos dobles con CAV, tiene como diferencia que no existe una caja de mezcla, si no que el flujo de mezcla de aire es constante. Los dampers estn arreglados para calentar el aire fro antes que el otro chorro de aire empiece a inyectarse a la zona. [11]

2.1.4 Sistemas de Acondicionamiento de Aire (Hidrnicos): Slo Agua. Un sistema de calefaccin o enfriamiento puede funcionar con un sistemas solo agua, aunque el acondicionamiento de las zonas debe ser necesariamente con aire.

SISTEMAS HVAC 35

Figura No. 2.5: Sistema Mixto solo agua, Calefaccin y Enfriamiento.

El aire externo para ventilacin puede ser tomado y acondicionado en cada zona. Una unidad Fan Coil, un Ventilador o un calentador por conveccin, son los equipos mas comunes en sistemas de agua en tubera. Estos sistemas son relativamente pequeos y accesibles, por su bajo costo inicial. Este sistema carece usualmente de un control de humedad, y la ventilacin puede no ser exitosa aun si las aberturas externas estn ubicadas en cada unidad de manejo de aire. La presin del aire, genera el efecto chimenea se presenta en edificios altos, y se presenta congelamiento en los serpentines, es por eso que se debe tener especial cuidado con las aberturas de aire externo. Los desages de condensado pueden ser ubicados en cada serpentn y el mantenimiento del sistema de aire son factores importantes cuando la des-humidificacin puede ser terminada en la punto central del equipo. Las unidades Fan Coil pueden ser pueden utilizarse para sistemas de distribucin de dos o cuatro tubos de agua. Una unidad de servicio con sistema de dos tubos con serpentn sencillo puede usarse para calefaccin o enfriamiento, pero no puede calentar unas zonas simultneamente mientras calienta otras.

Figura No. 2.6: Sistema de Calefaccin con Agua Caliente.

El sistema de cuatro tubos es usado en unidades Fan Coil con dos serpentines, uno para calefaccin y otro para enfriamiento. Los ciclos de agua caliente y agua fra poseen tubos de retorno, para mejorar el

SISTEMAS HVAC 36 ahorrar energa y agua. Los termostatos regulan el flujo de agua caliente o fra por el serpentn; este control bloquea el flujo de agua caliente cuando permite el de agua fra y viceversa.

Figura No. 2.7: Sistema de Enfriamiento con Agua Helada.

Los sistemas de agua pueden servir como calentadores por conveccin. Este sistema es usado universalmente para calentamiento, y muy rara vez para enfriamiento, por problemas de condensacin sobre la superficie de los tubos. Una aplicacin muy comn es la de colocar los tubos con agua caliente alrededor de edificaciones que tienen sistemas VAV. En estos arreglos el sistema VAV puede ser solo enfriamiento o usar todo el calor suministrado de los calentadores por conveccin. [1] 2.1.5 SELECCIN DE OBJETIVO DE LOS SISTEMAS HVAC/R Tienen por objetivo garantizar el confort trmico acorde con el ANSI/ASHRAE 55 / 1992, suministrando aire de calidad interna (IAQ o CAI, acorde con el ANSI/ASHRAE 62/1999-2001 o el estatuto de seguridad e higiene industrial Colombiano (resolucin 2400/1979, artculos 163 y 164.) La carga del serpentn se calcular con base en las cargas generadas por el aire externo de renovacin (cfm sugeridos por STD 62/2001: 15-30 cfm/persona) y las resultantes del estudio de cargas del local, as:

Capacidad de refrigeracin Q Q Q Q QO SO LO S L. . . .= + + + .

.

...

)(68.0*)(08.1* LSLELEO QQcfmttcfmQ +++= El aire de impulsin oscilara entre 300-500 cfm/TR (tpico 400cfm/TR). La temperatura del serpentn se estima con la temperatura de mezcla del aire externo y retorno con la de salida del serpentn que depende del Factor de Bypass (BF) del mismo:

)75( FAtt CADPCOIL =

SISTEMAS HVAC 37 2.1.5.1 SELECCIN DE EQUIPO O DE SUS COMPONENTES Luego de establecer la carga trmica del local se procede a la seleccin del equipo con base en los catlogos que los fabricantes distribuyen, al seleccionar el equipo es importante tener en cuenta que el equipo tenga facilidad de mantenimiento, representacin y el servicio posventa. Para seleccionar una manejadora y una condensadora se necesita tener los datos de: calor total y sensible, condiciones del aire de entrada o mezcla , temperatura del serpentn, cfm y prdida por presin (SP) en los ductos, estos dos ltimos permiten seleccionar el ventilador y motor. . Para la condensadora capacidad de refrigeracin calculada total, temperatura ambiente, temperaturas de evaporador y condensador. 2.1.5.2 SELECCIN DEL TIPO DE SISTEMA En el siguiente diagrama se muestran los diferentes tipos de sistemas HVAC. Las figuras 2.8 y 2.9 [9] y son aplicables en nuestro medio, la primera se aplicar sin la unidad de recalentamiento.

SISTEMAS HVAC 38 En este caso el control de temperatura ser el mismo para las zonas 1 y 2 o se instalan unidades para cada zona o piso, si es que se requieren diferentes set points. La facultad de Medicina tiene tres sistemas independientes Auditorio (12 TR, 4800 cfm, motor 3.6 HP), Oficinas Laboratorio de Biologa Molecular(5 TR, 2200 cfm, extractor 1800 cfm, filtro lavable 65% ), Laboratorio Biologa Molecular (10 TR, filtro HEPA 66.6 % y HEPA 99.9%). Se debe decidir si se quiere usar un sistema dividido (split) donde se tendrn dos unidades: Una manejadora y una condensadora. En la seleccin se determinar el tipo de manejadora y el tipo de condensadora adems de la seleccin del tipo de vlvula de expansin. Otra opcin es emplear sistemas

unitarios donde lo nico que se requiere es la capacidad de refrigeracin, Q , el caudal de impulsin

, y la cada de presin del aire en los ductos, SP.

.

o

I.

APLICACIN No 2.2 Clculo de una reconversin de sistema CDD a un sistema VAV (75 TR) Costos de operacin de un sistema VAV $ 3069.900 Costos de operacin de un sistema CDD $ 9204.900 Costos de la conversin de CDD a VAV $28812.000 Resolver para los siguientes casos : (a) Simple retorno de capital (b) i = 32.2% d= 27% (c) i = d = 0.27 (d)

(a) n = =28812 000

9 204 900 3369 9004 93

' .' . ' .

. aos

(b) PWF (n,0.322,0.27) = 4.93 aos [ ]

nLn

Ln= +

+

( . * ( . ...

1 4 93 0 27 0 3221 0 3221 0 27

) n aos = 568.

(c) PWF (n,0.27,0.27) = 4.93

n = + =4 93

1 0 27388

..

. aos

SISTEMAS HVAC 39 2.2 CONTROL EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO Cuando se decide instalar controladores en un Sistema de Aire Acondicionado, se debe escoger el tipo de control que se requiere, para ello, existen cuatro pasos a seguir: Paso 1: Identificar cada componente que va a ser usado en el sistema: ventilacin: Suministro y

Extraccin, serpentines de enfriamiento y calefaccin, serpentines de precalentamiento, etc. Paso 2: En la figura No. 2.11 se identifican los 5 grupos que se tienen en un sistema de aire

acondicionado: Tratamiento del aire externo, Precalentamiento, Enfriamiento, Humidificacin y tipo de sistema.

Paso 3: Preparar una representacin esquemtica del sistema donde se identifiquen todos los componentes que interactan inicialmente.

Paso 4: Seleccionar el modo de control: all estarn varias opciones para cada componente. Cada modo de control esta identificado por un cdigo [1]. En la figura No. 2.11 se puede ver cada componente del sistema y los modos de control y diseo se identifican en la Tabla No. 2.1

Figura No. 2.10: Simbologa para control en sistemas de Aire Acondicionado. [ 1]

SISTEMAS HVAC 40

Figura No. 2.11: APLICACIN No 2.3 Esquema general para representacin de un Sistema HVAC. [ 1,9 ]

SISTEMAS HVAC 41 Tabla No. 2.1 Tipos de Cargas que entran en un local. [1]

Cdigo Modos de Control y Diseo 0.1 0.2 0.3 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5.1 6.1 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 8.1 8.2 8.3 8.4 9.1 9.2

10.1 11.1 11.2 12.1 12.2 13.1 14.1 15.1 16.1 16.2 18.1 19.1 20.1 20.2 20.3 21.1 22.1 23.1 24.1

SPECIFIED ZONE CONDITIONS ZONE LOADS CALCULATION OF ZONE LOADS FROM ACTUAL DATA DRAW THROUGH SYSTEM BLOW-THROUGH SYSTEM FAN BETWEEN COOLING COIL & HUMIDIFIER BYPASS ON INLET SIDE OF FAN BYPASS OF DISCHARGE SIDE OF FAN BYPASS BETWEEN R.A. FAN AND INLET OF SUPPLY FAN SINGLE DUCT REHEAT SYSTEM DUAL DUCT SYSTEM USING RETURN AIR IN HOT DECK DUAL DUCT REHEAT SYSTEM SI9GLE DUCT SYSTEM WITHOUT REHEAT CONVENTIONAL DUAL DUCT SYSTEM ECONOMIZER CYCLE (ENTHALPY OR TEMPERATURE CONTROL) ECONOMIZER CYCLE (FIXED MINIMUM OR 100% OUTSIDE AIR) FIXED OUTSIDE AIR DAMPER 100% RETURN AIR (RECIRCULATION UNIT) 100% OUTSIDE AIR PREHEATING FREEZE PROTECTION (CONSTANT TEMPERATURE) PREHEATING WITH LOW TEMPERATURE RECLAIMED HEAT COOLING COIL WITH DEWPOINT TEMPERATURE CONTROL NO CENTRAL COOLING COIL COOLING COIL (TEMPERATURE CONTROL ONLY) COOLING WITH RUN AROUND COOLING COIL (TEMPERATURE AND ZONE HUMIDITY CONTROL) DESICCANT DRYER & COOLING WATER HUMIDIFICATION (WASHER OR SPRAY) STEAM HUMIDIFICATION NO HUMIDIFICATION STEAM HUMIDIFICATION AT ZONE SUPPLY DISPLAY AND SAVE CONDITION ENTERING SUBSYSTEM SUBSYSTEM ENTER CONDITIONS OR USE THOSE FROM 9.1 OUTSIDE AIR PREHEATING WITH RECOVERED HEAT (FROM 11.1 OR 11.2) OUTSIDE AIR FROM RELIEF AIR ( WITH 10.1) EXHAUST AIR HEAT RECLAIM ( WITH 10.1) OUTSIDE AIR PREHEATING OUTSIDE AIR PREHEATING WITH RECLAIMED HEAT OUTSIDE AIR PRECOOLING VARIABLE VOLUME SYSTEM TEMPERATURE CONTROL TO MINIMIZE REHEAT REHEAT WITH LOW TEMPERATURE RECLAIMED HEAT REHEAT WITH DX CONDENSER HEAT COIL BYPASS BOOSTER FAN SENSIBLE COOLING (FOR CONSTANT VOLUME BYPASS 2.X) SENSIBLE COOLER ( NOT MIXED WHIT MAIN SUPPLY) SENSIBLE COOLER (MIXED WITH MAIN SUPPLY) FREE CHW COOLING/LOAD SHAVING RETURN AIR FROM OTHER SYSTEM (S) HEATING AND COOLING DESIGN CONDITIONS NO PREHEAT COIL

Nota: La tabla 2.1 no se traduce para no distorsionar el significado real de cada uno de los modos de diseo y control

SISTEMAS HVAC 42 2.2.2 Sistemas de Volumen de Aire Variable. En la Figura No. 2.12 se muestra una aplicacin en un sistema de Volumen de Aire Variable usando la nomenclatura de la Figura No. 2.10.

Figura No. 2.12, Aplicacin 2.4 : Sistema de Volumen de Aire Variable esquemtico. [1] La figura 2.13 muestra un sistema VAV de un solo ducto. Cada termstato de zona controla su humedad para reducir la alimentacin de aire a la zona tanto como el enfriamiento decrezca. El suministro de la temperatura de aire est controlada por un controlador de la temperatura de descarga. En muchos sistemas existentes este controlador tiene un punto de referencia fijo. El mtodo preferido, es reajustar el punto de referencia del controlador como una funcin de la carga de enfriamiento. Para este objetivo un retransmisor discriminador est provisto, utilizando entradas de varias zonas seleccionadas. El ventilador de suministro se puede ajustar a un nuevo volumen de aire incrementando o disminuyendo su presin de descarga. Esto puede causar el uso excesivo de energa y ruido en un flujo bajo de aire cuando la zona hmeda tenga una gran cada de presin. La mayora de los sistemas VAV incluyen diversos tipos de control de volumen en el ventilador. En este sistema se mantiene una presin esttica constante en el mismo punto dentro del ducto de suministro como se ve en la figura 2.13. El control de la velocidad del motor del ventilador puede tambin ser usado para el control del volumen de aire y es, energticamente, el ms eficiente. El mtodo ms viejo de control de la velocidad, todava ampliamente usado, implica el uso de motores de corriente directa CD con la velocidad controlada por medio de la variacin de la corriente. Los sistemas ms nuevos usan motores estndar de corriente alterna AC con controladores de estado slido SCR y la velocidad es controlada variando la frecuencia. La velocidad del motor vara directamente con la

SISTEMAS HVAC 43 frecuencia, pero la energa de entrada vara con el cubo de la velocidad .de acuerdo con la ley del ventilador bsico.

2.2.3 BIBLIOGRAFA [1] ADOC MANUAL, White Plains. New York: IBM Corporation. 1984 [2] ALEREZA, T. Application of variable base degree hour in commercial Building. [3] ASHRAE Handbook 1985 Fundamentals, Atlanta, Georgia ASHRAE 1985. [4] ASHRAE Handbook 1997 Fundamentals, Atlanta, Georgia ASHRAE 1997. [5] ASHRAE Handbook 2001 Fundamentals, Atlanta, Georgia ASHRAE 2001. [6] HAINES, ROGER W.. Control systems for heating, ventilating and air conditioning. Third Edition. Van Nostrand Reinhold Environmental Engineering Series. New York.1983.

[7] LASCARRO, Jairo Francisco, OROZCO HINCAPI, Carlos Alberto. Memorias Seminario Internacional de Proyectos de Aire Acondicionado, Pereira, Universidad Tecnolgica de Pereira, Septiembre de 1999.

[8] OROZCO HINCAPI, Carlos A. Refrigeracin y Aire Acondicionado Notas de Clase, Primer semestre del 2000, Universidad Tecnolgica de Pereira, Pereira, 2000.

[9] OROZCO HINCAPI, Carlos A. Sistemas de Ventilacin y Aire Acondicionado, Reporte Final de Investigacin. Universidad Tecnolgica de Pereira, Pereira, 1989.

[10] PITA Edward G. Acondicionamiento de Aire: Principios y Sistemas, un enfoque energtico. Mxico, Mxico: CECSA S. A., 1994.

[11] STOECKER, Wilbert F., JONES, Jerold W. Refrigeration and Air Conditioning, 2nd Edition, McGraw Hill Book Company, Singapore, 1982.