EQUIPOS DE AIRE DE APORTACION O DE COMPENSACION

El desarrollo de nuevas tecnologías para los edificios, han traído muchas soluciones para los mismos, sin embargo, también ha traído otros inconvenientes como el hecho de que al ser los edificios más herméticos y mejor aislados, los sistemas de evacuación de aire empiecen a tener más dificultad en su operación. Los equipos de aire de aportación (o de compensación) son equipos de tratamiento de aire diseñados principalmente para suministrar el aire de un edificio o espacio, sustituyendo el aire tratado por los sistemas mecanismos de extracción, ventilación de equipos de proceso, e incluso sistemas de ventilación por gravedad.

La necesidad de los sistemas de ventilación en los edificios ha sido reconocida desde hace mucho (dentro del medio HVAC&R) y se han desarrollado diversas formas para extraer el aire de los mismos. A través de experiencias recientes se ha confirmado la hipótesis de que, para que se pueda asegurar un buen funcionamiento en los sistemas de ventilación según sus condiciones de diseño es necesario aportar un volumen de aire al menos igual al del aire que está siendo evacuado, por lo cual, se requiere un sistema de aportación (o de compensación).

Dentro de los sistemas de evacuación y aportación de aire existe una regla básica la cual es que, por cada metro cúbico de aire evacuado, debe entrar al edificio un metro cúbico de aire. Sin un sistema de aire correctamente diseñado para este aire de aportación, todo el aire requerido tiene que entrar por cualquier abertura disponible por ejemplo, ventanas abiertas, grietas, etc., de lo contrario esto provocaría que se empiece a ahogar. Un ejemplo de esto es singular durante estaciones de otoño e invierno en donde las puertas y ventanas por lo regular están cerradas y, en consecuencia, los sistemas de evacuación empiezan a ahogarse al  tener un sistema de suministro de aire inadecuado o mal diseñado, esto crea en consecuencia corrientes de aire frío indeseables en el perímetro interior del edificio.

El significado de un sistema de suministro de aire bien diseñado para esta compensación de aire es que satisfaga las necesidades de los  sistemas de evacuación y elimine la depresión en el edificio así como la infiltración de aire indeseada por grietas. De esta forma, el perímetro del edificio deja de ser una zona fría y con corrientes, para ser una zona más igualada en temperaturas a las zonas interiores.

Normalmente, el sistema se diseña para un exceso de aire del 10% creando así un factor de exfiltración, que supone una barrera contra las corrientes frías que se infiltran en el edificio, o forzar de hecho una pequeña cantidad de aire a exfiltrarse por las aberturas, contribuyendo así a mantener una temperatura uniforme en todos los espacios.

Tipos de Aire de Aportación (Reposición)

Existen varios tipos de equipos que se pueden diseñar para proveer el aire de compensación necesario, que pueden clasificarse por:

            • Tipo de fuente de calor, en su caso.
            • Tipo de ventilador utilizado.
            • Complejidad del sistema.

Los tipos básicos de equipos son:

            • Equipos de suministro de aire ambiente.
            • Equipos de suministro de aire calentado.
            • Equipos de suministro de aire refrigerado.
            • Equipos de suministro combinado de aire
            calentado y refrigerado.

Los equipos básicos de suministro de aire calentado se dividen en las siguientes categorías:

• Calentamiento directo por gas natural.
• Sistemas de calentamiento indirecto.
• Vapor de agua con baterías moduladoras
• Vapor de agua con baterías de limitación y desviación de caudal.
• Sistemas modulados de agua caliente y glicol.
• Agua caliente con limitación y desviación de caudal (sistemas de agua caliente o glicol)
• Sistemas de calor eléctrico.
• Sistemas de recuperación de calor.

Los sistemas de refrigeración empleados son:

•Refrigeración evaporativa con lavadores por pulverización
•Refrigeración evaporativa con sistemas de colchón (amortiguación).
• Baterías de agua refrigerada.
• Baterías de expansión directa.

Fuentes de Calor

Ahora hablaremos de los equipos  de aportación básicos en el suministro de aire calentado mejor conocidas como fuentes de calor.

Combustión directa de gas natural

Este sistema consiste en uno o varios equipos de gas natural de llama directa los cuales dependen normalmente de un caudal de aire controlado que pasa por el quemador a velocidades específicas para una combustión correcta. Una relación de reglaje de 25.1 es el diseño más habitual. Los equipos de llama directa tienen máximos rendimientos de combustión.  A el se le pueden incorporar un controladores de temperatura de salida o de temperatura ambiente. Así mismo este sistema de calentamiento es el más empleado porque el costo del equipo, instalación y operación es económico.
 
Sistemas de combustión indirecta de gas o fuel-oil

Los sistemas caldeo indirecto por gas o aceite, son menos eficaces y más limitados en capacidad que los equipos de combustión directa de gas; suelen ocupar más espacio y requerir más mantenimiento; su coste inicial es más alto y por consiguiente son menos populares que otros sistemas. Sin embargo, estos existen porque para algunas aplicaciones y códigos exigen su uso.

Sistemas de vapor de agua

Los equipos de vapor de agua se han utilizado mucho para la calentar el aire de grandes instalaciones. Dichos equipos se apoyan de las plantas de generación de vapor y utilizan el exceso de vapor de los procesos o las calderas con la ayuda de combustible remanente o residual, los dos tipos de sistemas son:

• Sistemas de Caudal de vapor modulado.

• Sistemas de limitación y desviación del caudal, donde todo el vapor es aplicado a la batería en todo momento y el aire es pasado por la batería o desviado mediante una serie de registros.

Sistemas de Caudal
de vapor de agua modulado

Los equipos de caudal de vapor modulado están diseñados con la batería anticongelante para la máxima protección (figura 1). El control de temperatura para las baterías moduladas regula siempre la “temperatura de salida” o temperatura de impulsión (denominado control de temperatura de salida (OTC)); ya que esto asegura la habitación o zona calentada alrededor del termostato no de lugar a que la válvula de vapor reduzca su caudal de vapor a la batería en presencia de aire de baja temperatura, y en consecuencia aumente el riesgo de tener problemas de retorno de condensado por gravedad con una carga estática adecuada sobre los purgadores de vapor correctamente dimensionados y con válvulas vacuorreguladoras para proteger el sistema de la batería. En muchos casos se requieren receptores de condensado ventilado y sistemas de bombeo para retornar el condensado a la caldera.

Sistemas de limitación y desviación del caudal

Los equipos de vapor con limitación y desviación de caudal pueden ser diseñados con tipos de batería alternativos, pero la batería anticongelante se prefiere para un sistema estándar con los bypass laterales o superpuestos. El registro de la batería debe ser dimensionado para pérdidas de carga del aire iguales en cada sección. Un inconveniente del sistema con limitación y desviación de caudal es la absorción del calor de la zona de la batería en condiciones moderadas debido a la fuga a través del registro de limitación y el calor del barrido por el aire procedente de la zona bypass. Para solucionar este problema, algunos fabricantes ofrecen una batería integral de limitación y desviación de caudal que incorpora pasos alternos de tubos de batería y zonas de desviación, con las paletas o compuertas reguladoras en los lados de entrada y descarga de batería.

Sistemas de agua caliente

Estos sistemas se fabrican de un modo similar a los sistemas de vapor; sin embargo, no son recomendables porque cuentan con baterías de agua simples y por consiguiente tienen un al alto riesgo de congelación a diferencia de los equipos para caudal modulado. Solo deben utilizarse soluciones de etilenglicol para una mejor protección contra la congelación incluso con sistemas de limitación y desviación de caudal. Algunos dicen que, al mantenerse el agua se  fluyendo en todo momento, esta no se congelará; sin embargo, hay que tener en cuenta los momentos en que el suministro de energía falla por alguna causa o cuando el equipo se apaga.

Los sistemas de agua requieren grandes caudales y sistemas de tuberías y  bombas correctamente dimensionados. Un ejemplo de ello en el cálculo de la cantidad de agua que debe ser tratada debido a la condensación de vapor en función de agua caliente (la relación de vapor y agua caliente). El vapor de agua contiene 2.232 kJ/kg (533 kcal/kg) de agua cuando esta a presión de 35,000 N/m2, mientras un caudal de agua de 3.78 L/min cede 527 kJ/h por grado de temperatura diferencial. Para cada 1,055,100 kJ/h (251.813 kcal/h), existirían 473 kg/h de condensado requeriría 378 L/min de agua para ΔT de 11º C. Estas son fórmulas estándar utilizadas para los cálculos de transferencia de calor. Esto se traduce en sistemas de agua tratando unas 50 veces más la cantidad de agua en un período dado que los sistemas de vapor.

Sistemas Eléctricos

Son equipos para el calentamiento de aire de aportación con calefactores eléctricos multietapa. El control de temperatura razonable se consigue seleccionando suficientes etapas de elementos de calefacción. Las secciones de calefacción son compactas y requieren un mínimo mantenimiento; sin embargo, el precio de la electricidad y el costo de operación limitan sus aplicaciones a equipos pequeños, o a lugares en los cuales no se disponen de combustibles alternativos.

Recuperación de Calor

Algunos tipos de equipos de recuperación de calor son intercambiadores de calor aire-aire, de intercambio de calor tubulares, cambiadores térmicos giratorios, etc., mismos que utilizados para transferir el calor al aire entrante. Estos equipos utilizan el calor residual de los procesos, ahorrando los costos en combustible, sin embargo requieren de una mayor inversión inicial así como mayor potencia en los sistemas tanto de suministro como de exhaustación. Asimismo, el aire mezclado de buena calidad ha sido utilizado con éxito en muchas aplicaciones. Un ventilador de distribución de volumen constante recibe el aire del exterior o el aire exterior mezclado con el aire templado, limpio o filtrado, procedente de un sistema de extracción que no contenga ningún humo nocivo y que esté por debajo de los límites aceptados. El sistema de extracción está diseñado por un conjunto de registros para dirigir una porción o la totalidad del aire de escape al ventilador de distribución para satisfacer el requisito de temperatura, o para extraer todo el aire o parte él. Este tipo de sistema no requiere combustible adicional, si la temperatura de escape es adecuada, y el único costo adicional es el de los registros y el del sistema de control de temperatura.

Aire sin Calentar y Aire Filtrado

También existen equipos  de aportación básicos en el suministro de aire sin calentar o para filtración del mismo y como su nombre lo dice estos equipos que suministran el aire natural sin calentar, filtrado o no filtrado, se utilizan mayormente en climas moderados, en verano, o cuando un aire templado puede ser arrastrado con la corriente del aire de suministro (Figura 2). Un aire templado puede ser arrastrado mediante el control del caudal de aire de impulsión a través de la capa de aire templado cerca del techo en zonas de techos altos, o encima de aparatos que producen calor. Muchas instalaciones varían el caudal de extracción de verano a invierno. Asimismo, el aire extra necesario para la mayor ventilación de verano puede ser suministrado con equipos independientes para complementar a los equipos de aire calentado de invierno. En algunas zonas geográficas de clima templado o en verano sólo, este puede ser el único tipo de equipo de suministro necesario.