La distribución de aire por debajo del piso (UFAD, por sus siglas en inglés) es una estrategia de distribución de aire para proporcionar ventilación y acondicionamiento de espacios en edificios como parte del diseño de un sistema de HVAC . Los sistemas UFAD utilizan una cámara de suministro por debajo del piso ubicada entre la losa de hormigón estructural y un sistema de piso elevado para suministrar aire acondicionado a las salidas de suministro (generalmente difusores de piso), ubicadas al nivel del piso o cerca del mismo dentro del espacio ocupado. El aire regresa de la habitación al nivel del techo o a la altura máxima permitida por encima de la zona ocupada. [1]
El sistema UFAD aprovecha el fenómeno de la columna térmica y la estratificación: el aire acondicionado se suministra directamente a la zona ocupada (ZO). Las columnas térmicas generadas por los ocupantes y otras fuentes de calor introducen el aire acondicionado para absorber el calor y la humedad y luego llevan el aire contaminado a la zona superior (ZU). En un determinado plano de la habitación, la tasa de flujo de aire que regresa a la zona superior es igual al aire de suministro. El plano divide la habitación en zona ocupada y zona superior y conduce a la estratificación térmica: el aire caliente y contaminado se concentra en la zona superior, y el aire en la zona ocupada es frío y fresco. [2]
El UFAD puede aportar varias ventajas potenciales sobre los sistemas aéreos tradicionales, incluyendo menores costos de construcción durante el ciclo de vida; mejor confort térmico, satisfacción de los ocupantes y productividad; mejor eficiencia de ventilación, calidad del aire interior y salud; menor uso de energía y presiones estáticas; y menor altura de piso a piso en construcciones nuevas. [3] Un concepto de distribución de aire debajo del piso combinado con un diseño de ventilación de retorno distribuido en el techo (UFAD-CDR) puede reducir drásticamente el riesgo de transmisión aérea tanto en ACH altos como bajos. [4] El sistema UFAD se introdujo originalmente en la década de 1950 para habitaciones con altas cargas de calor y sistemas de pisos elevados para administración de cables y equipos (por ejemplo, salas de computadoras, centros de control, etc.). El sistema se introdujo en edificios de oficinas en la década de 1970 en Alemania Occidental, con la adición de difusores de suministro localizados controlados por los ocupantes. Hoy en día, el sistema UFAD ha logrado una aceptación considerable en Europa, Sudáfrica y Japón. [1]
El UFAD se utiliza a menudo en edificios de oficinas , en particular en oficinas de planta abierta y altamente reconfigurables donde los pisos elevados son deseables para la gestión de cables. El UFAD es apropiado para varios tipos de edificios diferentes, incluidos comerciales, escuelas, iglesias, aeropuertos, museos, bibliotecas, etc. [5] Los edificios notables que utilizan el sistema UFAD en América del Norte incluyen The New York Times Building , Bank of America Tower y San Francisco Federal Building . Se deben realizar consideraciones cuidadosas en la fase de construcción de los sistemas UFAD para garantizar un plenum bien sellado para evitar fugas de aire en los plenums de suministro de UFAD.
Los sistemas UFAD dependen de unidades de tratamiento de aire para filtrar y acondicionar el aire a las condiciones de suministro adecuadas para que pueda entregarse a la zona ocupada. Mientras que los sistemas elevados suelen utilizar conductos para distribuir el aire, los sistemas UFAD utilizan el plenum debajo del piso formado por la instalación de un piso elevado . El plenum generalmente se encuentra a 0,3 y 0,46 metros (12 y 18 pulgadas ) por encima de la losa de hormigón estructural, aunque son posibles alturas inferiores. [6] [7] Se utilizan difusores de piso especialmente diseñados como salidas de suministro. [5] La configuración UFAD más común consiste en una unidad de tratamiento de aire central que entrega aire a través de un plenum presurizado y al espacio a través de difusores de piso. Otros enfoques pueden incorporar unidades terminales alimentadas por ventilador en las salidas, conductos debajo del piso, respiraderos de escritorio o conexiones a sistemas de control ambiental personal. [8]
La estratificación térmica es el resultado de procesos que estratifican el aire interno de acuerdo con la densidad relativa. El estrato de aire resultante es un gradiente vertical con aire de alta densidad y más frío debajo y aire de baja densidad y más cálido arriba. [9] Debido al movimiento convectivo natural del aire, la estratificación se utiliza predominantemente en condiciones de enfriamiento. [9]
Los sistemas UFAD aprovechan la estratificación natural que se produce cuando el aire caliente se eleva debido a la flotabilidad térmica . En un diseño UFAD, el aire acondicionado permanece en la parte inferior y ocupada de la habitación, mientras que las fuentes de calor, como los ocupantes y el equipo, generan columnas térmicas , que transportan el aire caliente y los contaminantes generados por la fuente de calor hacia el techo , donde se expulsan a través de los conductos de aire de retorno. [8] La estratificación de temperatura creada por el sistema UFAD tiene implicaciones para los puntos de ajuste del espacio. La mayor parte del cuerpo de un ocupante está en un área que es más fría que la temperatura a la altura del termostato; por lo tanto, la práctica actual recomienda aumentar los puntos de ajuste del termostato en comparación con los sistemas tradicionales en altura. La estrategia de ventilación óptima controla las salidas de suministro para limitar la mezcla del aire de suministro con el aire de la habitación justo por debajo de la altura de respiración del espacio. Por encima de esta altura, se permite que se produzca aire estratificado y más contaminado. El aire que respira el ocupante tendrá una menor concentración de contaminantes en comparación con los sistemas convencionales de mezcla uniforme. [8]
El comportamiento teórico de los sistemas UFAD se basa en la teoría de la columna para sistemas DV . En comparación con los sistemas clásicos de ventilación por desplazamiento (DV) [9] que suministran aire a bajas velocidades, los sistemas UFAD típicos suministran aire a través de difusores de piso con velocidades de aire de suministro más altas. Además de aumentar la cantidad de mezcla (y, por lo tanto, disminuir potencialmente el rendimiento de la ventilación en comparación con los sistemas DV), estas condiciones de suministro de aire más potentes pueden tener impactos significativos en la estratificación del aire de la habitación y el confort térmico en la zona ocupada. Por lo tanto, el control y la optimización de esta estratificación son cruciales para el diseño y el dimensionamiento del sistema, el funcionamiento energéticamente eficiente y el rendimiento de confort de los sistemas UFAD. [10]
Muchos factores, incluida la altura del techo, las características del difusor, la cantidad de difusores, la temperatura del aire de suministro, el caudal total, la carga de enfriamiento y el modo de acondicionamiento afectan la eficiencia de ventilación de los sistemas UFAD. [11] Se ha demostrado que los difusores de remolino y de panel de piso perforado crean una baja velocidad del aire en la zona ocupada, mientras que los difusores lineales crean la velocidad más alta en la zona ocupada, lo que altera la estratificación térmica y plantea un riesgo potencial de corrientes de aire. [11] Además, los difusores de piso agregan un elemento de control personal al alcance del ocupante, ya que los usuarios pueden ajustar la cantidad de aire que entrega el difusor girando la parte superior del difusor.
Los perfiles de carga de enfriamiento para los sistemas UFAD y los sistemas elevados son diferentes, [12] principalmente debido al efecto de almacenamiento térmico de los paneles de piso elevado más livianos en comparación con la masa más pesada de una losa de piso estructural. La mera presencia del piso elevado reduce la capacidad de la losa para almacenar calor, lo que produce para el sistema con un piso elevado cargas de enfriamiento pico más altas en comparación con el sistema sin un piso elevado. En el sistema OH, particularmente en las zonas perimetrales, parte de la ganancia de calor solar entrante se almacena en la losa del piso durante el día, lo que reduce las cargas de enfriamiento de la zona pico, y se libera por la noche cuando el sistema está apagado. En un sistema UFAD, la presencia del piso elevado transforma la losa de piso masiva que absorbe la energía solar en un material más liviano, lo que genera cargas de enfriamiento de la zona pico relativamente más altas. [5] Un estudio de modelado basado en simulaciones EnergyPlus mostró que, en general, el UFAD tiene una carga de enfriamiento pico un 19% mayor que una carga de enfriamiento superior y el 22% y el 37% de la carga de enfriamiento total del UFAD de la zona va al plenum de suministro en el perímetro y el interior, respectivamente. [13]
El Centro para el Entorno Construido desarrolló un nuevo índice de relación de carga de enfriamiento de UFAD (UCLR), que se define por la relación entre la carga de enfriamiento pico calculada para UFAD y la carga de enfriamiento pico calculada para un sistema bien mezclado, para calcular la carga de enfriamiento de UFAD para cada zona con la carga de enfriamiento pico tradicional de un sistema elevado (bien mezclado). La UCLR se determina por el tipo de zona, el nivel del piso y la orientación de la zona. La Fracción de Plenum de Suministro (SPF), la Fracción de Zona (ZF) y la Fracción de Plenum de Retorno (RPF) se desarrollan de manera similar para calcular la carga de enfriamiento de plenum de suministro, zona y plenum de retorno. [12]
Hay dos herramientas de diseño disponibles para determinar los requisitos de tasa de flujo de aire por zona para el sistema UFAD, una se desarrolló en la Universidad de Purdue como parte del Proyecto de investigación ASHRAE (RP-1522). [14] La otra se desarrolló en el Centro para el Entorno Construido (CBE) de la Universidad de California en Berkeley .
El proyecto de investigación ASHRAE (RP-1522) desarrolló una herramienta simplificada que predice la diferencia de temperatura vertical entre la cabeza y los tobillos de los ocupantes, el caudal de aire de suministro para una zona de cámara de distribución, el número de difusores y la eficacia de la distribución del aire. La herramienta requiere que los usuarios especifiquen la carga de refrigeración de la zona y la fracción de la carga de refrigeración asignada a la cámara de distribución bajo el piso. También requiere que los usuarios ingresen la temperatura del aire de suministro en el difusor o en el conducto, pero con la relación entre el caudal de la cámara de distribución y el caudal de suministro zonal. La herramienta permite a los usuarios seleccionar entre tres tipos de difusores y es aplicable a siete tipos de edificios, incluidos oficinas, aulas, talleres, restaurantes, tiendas minoristas, salas de conferencias y auditorios. [8] [15]
La herramienta de diseño UFAD de CBE, basada en una amplia investigación, es capaz de predecir la carga de refrigeración para el sistema UFAD con la entrada de la carga de refrigeración de diseño calculada para el mismo edificio con un sistema de techo. También predice la tasa de flujo de aire, la estratificación de la temperatura ambiente y la ganancia de temperatura de la cámara de distribución para las zonas interiores y perimetrales de un típico edificio de oficinas de varios pisos que utiliza el sistema UFAD. La herramienta CBE permite al usuario seleccionar entre cuatro configuraciones de cámara de distribución diferentes (serie, serie invertida, independiente y común) y tres difusores de piso (rejilla de barras lineal, cuadrada y en espiral). Una versión en línea de la herramienta de diseño está disponible públicamente en el Centro para el Entorno Construido.
El aumento de la temperatura del aire de suministro del plenum es el aumento del aire acondicionado debido a la ganancia de calor por convección a medida que viaja a través del plenum de suministro debajo del piso desde la entrada del plenum hasta los difusores del piso. [16] Este fenómeno también se denomina descomposición térmica. El aumento de la temperatura del aire del plenum es causado por el aire de suministro frío que entra en contacto con la losa de concreto y el piso elevado, que son más cálidos que el aire. Según un estudio de modelado, el aumento de la temperatura del aire puede ser bastante significativo (hasta 5 °C o 9 °F) y, posteriormente, en comparación con un caso UFAD simulado idealizado sin aumento de la temperatura del aire, las temperaturas elevadas del aire del difusor pueden conducir a una mayor tasa de flujo de aire de suministro y un mayor consumo de energía del ventilador y el enfriador. El mismo estudio encontró que el aumento de la temperatura del aire en verano es mayor que en invierno y también depende del clima. [16] La planta baja con una losa sobre el nivel del suelo tiene un menor aumento de temperatura en comparación con los pisos intermedios y superiores, y un aumento de la temperatura del aire de suministro causa una disminución en el aumento de temperatura. El aumento de temperatura no se ve afectado significativamente por la orientación de la zona perimetral, la ganancia de calor interna y la relación ventana-pared. [16] El aumento de la temperatura del aire del plénum de suministro, por lo tanto, tiene implicaciones en el potencial de ahorro de energía de los sistemas UFAD y su capacidad para satisfacer los requisitos de refrigeración con temperaturas de suministro superiores a las de los sistemas aéreos convencionales. La investigación actual sugiere que tanto el rendimiento energético como el térmico se pueden mejorar en los sistemas UFAD canalizando el aire hacia las zonas perimetrales donde las cargas tienden a ser mayores. [16] Sin embargo, los críticos sugieren que dicha canalización bajo el suelo reduce el beneficio de tener un espacio de plénum de baja presión, además de agregar complicaciones de diseño e instalación al colocar conductos entre los pedestales de las baldosas del piso.
Las fugas en los plénums de suministro de aire acondicionado por aire pueden ser una de las principales causas de ineficiencia de un sistema de aire acondicionado por aire. Existen dos tipos de fugas: fugas hacia el espacio y fugas hacia los conductos que lo rodean. La primera categoría de fugas no genera una pérdida de energía porque el aire llega a la zona que se pretende enfriar. La segunda categoría de fugas aumenta la energía del ventilador para mantener una presión constante en el plénum, lo que genera un mayor consumo de energía. Es necesario prestar especial atención en la fase de construcción de los sistemas de aire acondicionado por aire para garantizar un plénum bien sellado. [8]
La evaluación energética de los sistemas UFAD no ha sido extensa, pero algunos estudios indican un potencial ahorro de energía debido a la menor caída de presión y menor caudal de aire. Las presiones típicas de la cámara de distribución son 25 pascales (0,0036 psi ) (0,1 pulgada de columna de agua) o menos. [8] UFAD es particularmente adecuado para edificios con techos altos, donde el efecto de ahorro de energía es más pronunciado debido a la estratificación térmica. [17] Debido a que UFAD se logra suministrando aire a través de un piso elevado utilizando diferentes tipos de configuraciones de distribución y salidas, la cuestión clave para el rendimiento eficiente del sistema es asegurar la estratificación térmica. El funcionamiento ineficiente del sistema UFAD prácticamente deterioró el potencial ahorro que se presume de dicho sistema. [18] Además, la investigación del ahorro de energía ha demostrado que esta cantidad varía para los edificios ubicados en diferentes climas, lo que sugiere que se deben realizar más estudios para investigar este factor antes de diseñar un sistema HVAC adecuado.
La distribución de aire por debajo del piso se utiliza con frecuencia en edificios de oficinas , en particular en oficinas de planta abierta y altamente reconfigurables donde los pisos elevados son deseables para la gestión de cables. La UFAD también es común en centros de comando , centros de datos de TI y salas de servidores que tienen grandes cargas de enfriamiento de equipos electrónicos y requisitos para enrutar cables de energía y datos. La Guía de diseño de distribución de aire por debajo del piso de ASHRAE sugiere que cualquier edificio que considere un piso elevado para la distribución de cables debe considerar la UFAD. [8]
Se deben tener en cuenta consideraciones específicas sobre el espacio cuando se utilizan sistemas UFAD en laboratorios debido a sus requisitos críticos de presurización de la sala y la posible migración de productos químicos al plénum del piso de acceso debido a derrames. Los sistemas UFAD no se recomiendan en algunas instalaciones o espacios específicos, como edificios pequeños no residenciales, espacios húmedos como baños y áreas de piscina, cocinas y comedores y gimnasios, porque el UFAD puede resultar especialmente difícil o costoso en el diseño. Los sistemas UFAD también se pueden utilizar con otros sistemas HVAC, como ventilación por desplazamiento, sistemas de distribución de aire en el techo, techos radiantes o sistemas de vigas frías para obtener un mejor rendimiento. [8]
Los sistemas de mezcla convencionales en altura suelen ubicar los conductos de suministro y retorno de aire a nivel del techo. El aire de suministro se suministra a velocidades superiores a las que normalmente son aceptables para el confort humano y la temperatura del aire puede ser inferior, superior o igual a la temperatura ambiente deseada, según la carga de refrigeración o calefacción. Los chorros de aire turbulentos de alta velocidad mezclan el aire de suministro entrante con el aire de la habitación.
Un sistema UFAD bien diseñado tiene varias ventajas potenciales sobre los sistemas aéreos tradicionales, como flexibilidad de diseño, mejor confort térmico, mejor eficiencia de ventilación y calidad del aire interior, mejor eficiencia energética en climas adecuados y menores costos del ciclo de vida. [16] [19]
Los sistemas de ventilación por desplazamiento (VD) funcionan según principios similares a los de los sistemas UFAD. Los sistemas DV suministran aire frío al espacio acondicionado a nivel del suelo o cerca de él y devuelven el aire a nivel del techo. Esto funciona aprovechando la flotabilidad natural del aire cálido y las columnas térmicas generadas por las fuentes de calor a medida que el aire más frío se suministra desde elevaciones más bajas. Si bien son similares, los UFAD tienden a fomentar una mayor mezcla dentro de la zona ocupada y proporcionar un suministro de aire local, lo que le permite aumentar el movimiento del aire en el espacio y evitar la sensación de condiciones de aire estancado, a menudo asociadas con una mala calidad del aire. Las principales diferencias prácticas son que en los UFAD, el aire se suministra a una velocidad mayor a través de salidas de suministro de menor tamaño que en los DV, y las salidas de suministro suelen estar controladas por los ocupantes. [8]
Los grupos profesionales y comerciales que proporcionan fondos para la investigación y publican normas o guías sobre los sistemas UFAD incluyen: