Calefacción, ventilación y aire acondicionado ( HVAC ) es el uso de varias tecnologías para controlar la temperatura , la humedad y la pureza del aire en un espacio cerrado. Su objetivo es proporcionar confort térmico y una calidad de aire interior aceptable . El diseño de sistemas HVAC es una subdisciplina de la ingeniería mecánica , basada en los principios de la termodinámica , la mecánica de fluidos y la transferencia de calor . A veces se agrega " refrigeración " a la abreviatura del campo como HVAC&R o HVACR , o se omite "ventilación", como en HACR (como en la designación de los disyuntores con clasificación HACR ).
Los sistemas HVAC son una parte importante de estructuras residenciales como casas unifamiliares, edificios de departamentos, hoteles e instalaciones para personas mayores; edificios industriales y de oficinas medianos y grandes como rascacielos y hospitales; vehículos como automóviles, trenes, aviones, barcos y submarinos; y en ambientes marinos, donde las condiciones de construcción seguras y saludables se regulan con respecto a la temperatura y la humedad, utilizando aire fresco del exterior.
La ventilación (la "V" de HVAC) es el proceso de intercambio o reemplazo de aire en cualquier espacio para proporcionar una alta calidad del aire interior, lo que implica el control de la temperatura, la reposición de oxígeno y la eliminación de humedad, olores, humo, calor, polvo, bacterias transportadas por el aire, dióxido de carbono y otros gases. La ventilación elimina los olores desagradables y la humedad excesiva, introduce aire exterior, mantiene la circulación del aire interior del edificio y evita el estancamiento del aire interior. Los métodos para ventilar un edificio se dividen en mecánicos/forzados y naturales . [1]
Las tres funciones principales de calefacción, ventilación y aire acondicionado están interrelacionadas, especialmente con la necesidad de proporcionar confort térmico y una calidad de aire interior aceptable dentro de unos costes de instalación, operación y mantenimiento razonables. Los sistemas HVAC se pueden utilizar tanto en entornos domésticos como comerciales. Los sistemas HVAC pueden proporcionar ventilación y mantener relaciones de presión entre espacios. El medio de suministro y extracción de aire de los espacios se conoce como distribución del aire de la habitación . [2]
En los edificios modernos, el diseño, la instalación y los sistemas de control de estas funciones están integrados en uno o más sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). En el caso de edificios muy pequeños, los contratistas normalmente calculan la capacidad y el tipo de sistema necesario y luego diseñan el sistema, seleccionando el refrigerante adecuado y los diversos componentes necesarios. En el caso de edificios más grandes, los diseñadores de servicios de construcción, los ingenieros mecánicos o los ingenieros de servicios de construcción analizan, diseñan y especifican los sistemas de HVAC. Luego, los contratistas y proveedores mecánicos especializados fabrican, instalan y ponen en funcionamiento los sistemas. Normalmente, se requieren permisos de construcción e inspecciones de cumplimiento de códigos de las instalaciones para edificios de todos los tamaños.
Aunque la calefacción, ventilación y aire acondicionado se ejecuta en edificios individuales u otros espacios cerrados (como la sede subterránea de NORAD ), el equipo involucrado es en algunos casos una extensión de una red de calefacción urbana (DH) o de refrigeración urbana (DC) más grande, o una red DHC combinada. En tales casos, los aspectos operativos y de mantenimiento se simplifican y la medición se hace necesaria para facturar la energía que se consume y, en algunos casos, la energía que se devuelve al sistema más grande. Por ejemplo, en un momento dado, un edificio puede estar utilizando agua fría para el aire acondicionado y el agua caliente que devuelve puede usarse en otro edificio para calefacción, o para la parte de calefacción general de la red DHC (probablemente con energía agregada para aumentar la temperatura). [3] [4] [5]
Basar la climatización en una red más grande ayuda a proporcionar una economía de escala que a menudo no es posible para los edificios individuales, para utilizar fuentes de energía renovables como el calor solar, [6] [7] [8] el frío del invierno, [9] [10] el potencial de enfriamiento en algunos lugares de lagos o agua de mar para enfriamiento gratuito y la función habilitadora del almacenamiento de energía térmica estacional . Al utilizar fuentes naturales que se pueden utilizar para los sistemas de climatización, se puede marcar una gran diferencia para el medio ambiente y ayudar a ampliar el conocimiento sobre el uso de diferentes métodos.
El sistema HVAC se basa en inventos y descubrimientos realizados por Nikolay Lvov , Michael Faraday , Rolla C. Carpenter , Willis Carrier , Edwin Ruud , Reuben Trane , James Joule , William Rankine , Sadi Carnot , Alice Parker y muchos otros. [11]
Múltiples inventos en este período precedieron a los inicios del primer sistema de aire acondicionado de confort, que fue diseñado en 1902 por Alfred Wolff (Cooper, 2003) para la Bolsa de Valores de Nueva York, mientras que Willis Carrier equipó a la Sacketts-Wilhems Printing Company con la unidad de aire acondicionado de proceso el mismo año. Coyne College fue la primera escuela en ofrecer capacitación en HVAC en 1899. [12] El primer aire acondicionado residencial se instaló en 1914, y en la década de 1950 hubo una "adopción generalizada del aire acondicionado residencial". [13]
La invención de los componentes de los sistemas HVAC fue de la mano con la Revolución Industrial , y empresas e inventores de todo el mundo introducen constantemente nuevos métodos de modernización, mayor eficiencia y control del sistema.
Los calentadores son aparatos cuyo propósito es generar calor (es decir, calor) para el edificio. Esto se puede hacer a través de la calefacción central . Un sistema de este tipo contiene una caldera , un horno o una bomba de calor para calentar agua, vapor o aire en una ubicación central, como una sala de calderas en una casa o una sala de máquinas en un edificio grande. El calor se puede transferir por convección , conducción o radiación . Los calentadores de ambiente se utilizan para calentar habitaciones individuales y solo constan de una sola unidad.
Existen calentadores para varios tipos de combustible, incluidos combustibles sólidos , líquidos y gases . Otro tipo de fuente de calor es la electricidad , que normalmente calienta cintas compuestas de alambre de alta resistencia (ver Nicromo ). Este principio también se utiliza para calentadores de zócalo y calentadores portátiles . Los calentadores eléctricos se utilizan a menudo como respaldo o calor complementario para sistemas de bomba de calor.
La bomba de calor ganó popularidad en la década de 1950 en Japón y Estados Unidos. [14] Las bombas de calor pueden extraer calor de varias fuentes , como el aire ambiental, el aire de escape de un edificio o del suelo. Las bombas de calor transfieren calor desde el exterior de la estructura al aire del interior. Inicialmente, los sistemas HVAC con bomba de calor solo se usaban en climas moderados, pero con las mejoras en el funcionamiento a baja temperatura y las cargas reducidas debido a hogares más eficientes, están aumentando en popularidad en climas más fríos. También pueden funcionar en reversa para enfriar un interior.
En el caso del agua caliente o del vapor, se utilizan tuberías para transportar el calor a las habitaciones. La mayoría de los sistemas de calefacción con calderas de agua caliente modernos tienen un circulador, que es una bomba, para mover el agua caliente a través del sistema de distribución (a diferencia de los sistemas más antiguos alimentados por gravedad ). El calor se puede transferir al aire circundante mediante radiadores , serpentines de agua caliente (hidroaire) u otros intercambiadores de calor. Los radiadores se pueden montar en las paredes o instalar en el suelo para producir calor en el suelo.
El uso de agua como medio de transferencia de calor se conoce como hidrónica . El agua calentada también puede alimentar un intercambiador de calor auxiliar para suministrar agua caliente para bañarse y lavarse.
Los sistemas de aire caliente distribuyen el aire caliente a través de sistemas de conductos de suministro y retorno de aire a través de conductos de metal o fibra de vidrio. Muchos sistemas utilizan los mismos conductos para distribuir el aire enfriado por un serpentín evaporador para el aire acondicionado. El suministro de aire normalmente se filtra a través de filtros de aire para eliminar partículas de polvo y polen. [15]
El uso de hornos, calentadores de ambiente y calderas como método de calefacción en interiores puede provocar una combustión incompleta y la emisión de monóxido de carbono , óxidos de nitrógeno , formaldehído , compuestos orgánicos volátiles y otros subproductos de la combustión. La combustión incompleta se produce cuando no hay suficiente oxígeno; los insumos son combustibles que contienen diversos contaminantes y los productos de salida son subproductos nocivos, el más peligroso de los cuales es el monóxido de carbono, que es un gas insípido e inodoro con graves efectos adversos para la salud. [16]
Sin una ventilación adecuada, el monóxido de carbono puede ser letal en concentraciones de 1000 ppm (0,1 %). Sin embargo, en concentraciones de varios cientos de ppm, la exposición al monóxido de carbono provoca dolores de cabeza, fatiga, náuseas y vómitos. El monóxido de carbono se une a la hemoglobina en la sangre, formando carboxihemoglobina, lo que reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Los principales problemas de salud asociados con la exposición al monóxido de carbono son sus efectos cardiovasculares y neuroconductuales. El monóxido de carbono puede causar aterosclerosis (el endurecimiento de las arterias) y también puede desencadenar ataques cardíacos. Neurológicamente, la exposición al monóxido de carbono reduce la coordinación mano-ojo, la vigilancia y el rendimiento continuo. También puede afectar la discriminación temporal. [17]
La ventilación es el proceso de cambiar o reemplazar el aire en cualquier espacio para controlar la temperatura o eliminar cualquier combinación de humedad, olores, humo, calor, polvo, bacterias transportadas por el aire o dióxido de carbono, y para reponer el oxígeno. La ventilación a menudo se refiere a la entrega intencional del aire exterior al espacio interior del edificio. Es uno de los factores más importantes para mantener una calidad aceptable del aire interior en los edificios. Los métodos para ventilar un edificio pueden dividirse en mecánicos/forzados y naturales . [18]
La ventilación mecánica o forzada se realiza mediante un manipulador de aire (UTA) y se utiliza para controlar la calidad del aire interior. El exceso de humedad , los olores y los contaminantes a menudo se pueden controlar mediante la dilución o el reemplazo con aire exterior. Sin embargo, en climas húmedos se requiere más energía para eliminar el exceso de humedad del aire de ventilación.
Las cocinas y los baños suelen tener extractores mecánicos para controlar los olores y, a veces, la humedad. Los factores que influyen en el diseño de estos sistemas incluyen el caudal (que es una función de la velocidad del ventilador y del tamaño del conducto de ventilación) y el nivel de ruido. Los ventiladores de accionamiento directo están disponibles para muchas aplicaciones y pueden reducir las necesidades de mantenimiento.
En verano, los ventiladores de techo y de mesa o de suelo hacen circular el aire en una habitación con el fin de reducir la temperatura percibida al aumentar la evaporación del sudor en la piel de los ocupantes. Como el aire caliente sube, los ventiladores de techo se pueden utilizar para mantener una habitación más cálida en invierno haciendo circular el aire estratificado cálido desde el techo hasta el suelo.
La ventilación natural es la ventilación de un edificio con aire exterior sin utilizar ventiladores ni otros sistemas mecánicos. Puede ser a través de ventanas que se puedan abrir, rejillas de ventilación o respiraderos cuando los espacios son pequeños y la arquitectura lo permite. ASHRAE define la ventilación natural como el flujo de aire a través de ventanas abiertas, puertas, rejillas y otras penetraciones planificadas en la envolvente del edificio , y que es impulsado por diferenciales de presión naturales y/o producidos artificialmente. [1]
En esquemas más complejos, se permite que el aire caliente suba y fluya por las aberturas altas de los edificios hacia el exterior ( efecto chimenea ), lo que hace que el aire exterior frío sea atraído hacia las aberturas bajas de los edificios. Los esquemas de ventilación natural pueden consumir muy poca energía, pero se debe tener cuidado para garantizar la comodidad. En climas cálidos o húmedos, mantener el confort térmico únicamente mediante la ventilación natural puede no ser posible. Se utilizan sistemas de aire acondicionado , ya sea como respaldo o como complemento. Los economizadores del lado del aire también utilizan aire exterior para acondicionar espacios, pero lo hacen utilizando ventiladores, conductos, compuertas y sistemas de control para introducir y distribuir aire exterior frío cuando sea apropiado.
Un componente importante de la ventilación natural es la tasa de renovación del aire o las renovaciones de aire por hora : la tasa horaria de ventilación dividida por el volumen del espacio. Por ejemplo, seis renovaciones de aire por hora significan que se añade una cantidad de aire nuevo, igual al volumen del espacio, cada diez minutos. Para la comodidad humana, lo habitual es un mínimo de cuatro renovaciones de aire por hora, aunque los almacenes pueden tener solo dos. Una tasa de renovación de aire demasiado alta puede resultar incómoda, similar a un túnel de viento que tiene miles de renovaciones por hora. Las tasas de renovación de aire más altas se dan en espacios concurridos, bares, clubes nocturnos y cocinas comerciales, con alrededor de 30 a 50 renovaciones de aire por hora. [19]
La presión de la habitación puede ser positiva o negativa con respecto al exterior. La presión positiva se produce cuando se suministra más aire del que se expulsa y es habitual para reducir la infiltración de contaminantes externos. [20]
La ventilación natural [21] es un factor clave para reducir la propagación de enfermedades transmitidas por el aire, como la tuberculosis, el resfriado común, la gripe, la meningitis o la COVID-19. Abrir puertas y ventanas es una buena manera de maximizar la ventilación natural, lo que haría que el riesgo de contagio aéreo fuera mucho menor que con sistemas mecánicos costosos y que requieren mantenimiento. Las áreas clínicas tradicionales con techos altos y ventanas grandes brindan la mayor protección. La ventilación natural cuesta poco y no requiere mantenimiento, y es particularmente adecuada para entornos con recursos limitados y climas tropicales, donde la carga de transmisión de tuberculosis y tuberculosis institucional es mayor. En entornos donde el aislamiento respiratorio es difícil y el clima lo permite, se deben abrir ventanas y puertas para reducir el riesgo de contagio aéreo. La ventilación natural requiere poco mantenimiento y es económica. [22]
La ventilación natural no es práctica en gran parte de la infraestructura debido al clima. Esto significa que las instalaciones deben tener sistemas de ventilación mecánica efectivos o utilizar sistemas de ventilación con luz ultravioleta a nivel del techo o luz ultravioleta lejana.
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La ventilación se mide en términos de cambios de aire por hora (ACH). A partir de 2023, los CDC recomiendan que todos los espacios tengan un mínimo de 5 ACH. [23] Para las habitaciones de hospital con contagios por vía aérea, los CDC recomiendan un mínimo de 12 ACH. [24] Los desafíos en la ventilación de las instalaciones son la falta de conciencia pública, [25] [26] la supervisión gubernamental ineficaz, los códigos de construcción deficientes que se basan en los niveles de comodidad, las operaciones deficientes del sistema, el mantenimiento deficiente y la falta de transparencia. [27]
La radiación ultravioleta germicida (UVC) es una función que se utiliza en los aires acondicionados modernos y que reduce los virus , bacterias y hongos que se transmiten por el aire mediante el uso de una luz ultravioleta LED incorporada. Como un guardián vigilante, emite un suave resplandor a través del evaporador, asegurando una cobertura completa. A medida que el ventilador de flujo cruzado hace circular el aire de la habitación, los virus no deseados son guiados a través del rango de irradiación del módulo de esterilización, dejándolos instantáneamente inactivos. [28]
Un sistema de aire acondicionado, o un acondicionador de aire independiente, proporciona refrigeración y/o control de humedad para todo o parte de un edificio. Los edificios con aire acondicionado suelen tener ventanas selladas, porque las ventanas abiertas funcionarían en contra del sistema destinado a mantener constantes las condiciones del aire interior. En el exterior, el aire fresco generalmente ingresa al sistema a través de un respiradero hacia una cámara de aire de mezcla para mezclarse con el aire de retorno del espacio. Luego, el aire de mezcla ingresa a una sección de intercambiador de calor interior o exterior donde se enfriará el aire y luego se guiará al espacio creando una presión de aire positiva. El porcentaje de aire de retorno compuesto por aire fresco generalmente se puede manipular ajustando la apertura de este respiradero. La entrada típica de aire fresco es de aproximadamente el 10% del aire de suministro total. [ cita requerida ]
El aire acondicionado y la refrigeración se obtienen mediante la eliminación de calor. El calor se puede eliminar mediante radiación , convección o conducción . El medio de transferencia de calor es un sistema de refrigeración, como el agua, el aire, el hielo y los productos químicos, que se denominan refrigerantes . Un refrigerante se emplea en un sistema de bomba de calor en el que se utiliza un compresor para impulsar el ciclo de refrigeración termodinámico , o en un sistema de enfriamiento libre que utiliza bombas para hacer circular un refrigerante frío (normalmente agua o una mezcla de glicol).
Es fundamental que la potencia del aire acondicionado sea suficiente para el área que se va a enfriar. Los sistemas de aire acondicionado de baja potencia provocarán un desperdicio de energía y un uso ineficiente. Se requiere una potencia adecuada para cualquier acondicionador de aire instalado.
El ciclo de refrigeración utiliza cuatro elementos esenciales para enfriar, que son el compresor, el condensador, el dispositivo de medición y el evaporador.
En climas variables, el sistema puede incluir una válvula de inversión que cambia de calefacción en invierno a refrigeración en verano. Al invertir el flujo de refrigerante, el ciclo de refrigeración de la bomba de calor cambia de refrigeración a calefacción o viceversa. Esto permite calentar y enfriar una instalación con un solo equipo por los mismos medios y con el mismo hardware.
Los sistemas de enfriamiento gratuito pueden tener eficiencias muy altas y, a veces, se combinan con el almacenamiento de energía térmica estacional para que el frío del invierno se pueda utilizar para el aire acondicionado del verano. Los medios de almacenamiento habituales son los acuíferos profundos o una masa rocosa subterránea natural a la que se accede a través de un conjunto de pozos de pequeño diámetro equipados con intercambiadores de calor. Algunos sistemas con pequeños almacenamientos son híbridos, ya que utilizan el enfriamiento gratuito al principio de la temporada de enfriamiento y, más tarde, emplean una bomba de calor para enfriar la circulación que proviene del almacenamiento. La bomba de calor se agrega porque el almacenamiento actúa como un disipador de calor cuando el sistema está en modo de enfriamiento (en lugar de carga), lo que hace que la temperatura aumente gradualmente durante la temporada de enfriamiento.
Algunos sistemas incluyen un "modo economizador", que a veces se denomina "modo de enfriamiento gratuito". Al economizar, el sistema de control abrirá (total o parcialmente) la compuerta de aire exterior y cerrará (total o parcialmente) la compuerta de aire de retorno. Esto hará que se suministre aire fresco del exterior al sistema. Cuando el aire exterior es más frío que el aire frío demandado, esto permitirá satisfacer la demanda sin utilizar el suministro mecánico de enfriamiento (normalmente agua helada o una unidad de expansión directa "DX"), ahorrando así energía. El sistema de control puede comparar la temperatura del aire exterior con el aire de retorno, o puede comparar la entalpía del aire, como se hace con frecuencia en climas donde la humedad es un problema mayor. En ambos casos, el aire exterior debe ser menos energético que el aire de retorno para que el sistema entre en el modo economizador.
Los sistemas de aire acondicionado centrales "todo aire" (o sistemas empaquetados) con una unidad combinada de condensador/evaporador exterior se instalan a menudo en residencias, oficinas y edificios públicos de América del Norte, pero son difíciles de adaptar (instalar en un edificio que no fue diseñado para recibirlo) debido a los voluminosos conductos de aire necesarios. [29] (Los sistemas minisplit sin conductos se utilizan en estas situaciones). Fuera de América del Norte, los sistemas empaquetados solo se utilizan en aplicaciones limitadas que involucran grandes espacios interiores, como estadios, teatros o salas de exposiciones.
Una alternativa a los sistemas empaquetados es el uso de serpentines interiores y exteriores separados en sistemas divididos . Los sistemas divididos son los preferidos y ampliamente utilizados en todo el mundo, excepto en América del Norte. En América del Norte, los sistemas divididos se ven con mayor frecuencia en aplicaciones residenciales, pero están ganando popularidad en pequeños edificios comerciales. Los sistemas divididos se utilizan donde los conductos no son factibles o donde la eficiencia del acondicionamiento del espacio es una preocupación principal. [30] Los beneficios de los sistemas de aire acondicionado sin ductos incluyen una fácil instalación, sin conductos, mayor control zonal, flexibilidad de control y funcionamiento silencioso. [31] En el acondicionamiento de espacios, las pérdidas de los conductos pueden representar el 30% del consumo de energía. [32] El uso de minisplits puede resultar en ahorros de energía en el acondicionamiento de espacios, ya que no hay pérdidas asociadas con los conductos.
Con el sistema dividido, el serpentín del evaporador se conecta a una unidad condensadora remota mediante tuberías de refrigerante entre una unidad interior y una exterior en lugar de canalizar el aire directamente desde la unidad exterior. Las unidades interiores con ventilaciones direccionales se montan en las paredes, suspendidas de los techos o encajadas en el techo. Otras unidades interiores se montan dentro de la cavidad del techo de modo que tramos cortos de conductos manipulen el aire desde la unidad interior hasta las ventilaciones o difusores que hay en las habitaciones.
Los sistemas split son más eficientes y ocupan menos espacio que los sistemas modulares. Por otro lado, los sistemas modulares suelen tener un nivel de ruido interior ligeramente inferior en comparación con los sistemas split, ya que el motor del ventilador se encuentra en el exterior.
La deshumidificación (secado del aire) en un sistema de aire acondicionado la proporciona el evaporador. Dado que el evaporador funciona a una temperatura inferior al punto de rocío , la humedad del aire se condensa en los tubos del serpentín del evaporador. Esta humedad se recoge en la parte inferior del evaporador en una bandeja y se elimina mediante tuberías hacia un desagüe central o hacia el suelo en el exterior.
Un deshumidificador es un dispositivo similar a un acondicionador de aire que controla la humedad de una habitación o un edificio. Se suele utilizar en sótanos que tienen una humedad relativa más alta debido a su temperatura más baja (y a la tendencia a tener pisos y paredes húmedos). En los establecimientos de venta minorista de alimentos, los refrigeradores grandes y abiertos son muy eficaces para deshumidificar el aire interior. Por el contrario, un humidificador aumenta la humedad de un edificio.
Los componentes de HVAC que deshumidifican el aire de ventilación merecen una atención especial porque el aire exterior constituye la mayor parte de la carga de humedad anual de casi todos los edificios. [33]
Todos los sistemas de aire acondicionado modernos, incluso las unidades pequeñas con ventana, están equipados con filtros de aire internos. Estos suelen ser de un material ligero similar a una gasa y deben reemplazarse o lavarse según lo exijan las condiciones. Por ejemplo, un edificio en un entorno con mucho polvo o una casa con mascotas peludas necesitará cambiar los filtros con más frecuencia que los edificios sin estas cargas de suciedad. Si no se reemplazan estos filtros con la frecuencia necesaria, se contribuirá a una menor tasa de intercambio de calor, lo que dará como resultado un desperdicio de energía, una vida útil más corta del equipo y facturas de energía más altas; un flujo de aire bajo puede provocar que los serpentines del evaporador se congelen, lo que puede detener por completo el flujo de aire. Además, los filtros muy sucios o tapados pueden provocar un sobrecalentamiento durante un ciclo de calefacción, lo que puede provocar daños en el sistema o incluso un incendio.
Debido a que un acondicionador de aire mueve el calor entre el serpentín interior y el serpentín exterior, ambos deben mantenerse limpios. Esto significa que, además de reemplazar el filtro de aire en el serpentín del evaporador, también es necesario limpiar regularmente el serpentín del condensador. Si no se mantiene limpio el condensador, con el tiempo se dañará el compresor, ya que el serpentín del condensador es responsable de descargar tanto el calor interior (que recoge el evaporador) como el calor generado por el motor eléctrico que impulsa el compresor.
El sistema de climatización es un elemento clave para promover la eficiencia energética de los edificios, ya que este sector consume el mayor porcentaje de la energía mundial. [34] Desde la década de 1980, los fabricantes de equipos de climatización han hecho esfuerzos para que los sistemas que fabrican sean más eficientes. En un principio, esto se debió al aumento de los costes energéticos y, más recientemente, a una mayor concienciación sobre los problemas medioambientales. Además, las mejoras en la eficiencia del sistema de climatización también pueden ayudar a mejorar la salud y la productividad de los ocupantes. [35] En los EE. UU., la EPA ha impuesto restricciones más estrictas a lo largo de los años. Existen varios métodos para hacer que los sistemas de climatización sean más eficientes.
En el pasado, el calentamiento del agua era más eficiente para calentar los edificios y era la norma en los Estados Unidos. Hoy en día, los sistemas de aire forzado pueden funcionar también como aire acondicionado y son más populares.
Algunos beneficios de los sistemas de aire forzado, que ahora se utilizan ampliamente en iglesias, escuelas y residencias de alto nivel, son:
Una desventaja es el costo de instalación, que puede ser ligeramente más alto que el de los sistemas HVAC tradicionales.
La eficiencia energética se puede mejorar aún más en los sistemas de calefacción central mediante la introducción de calefacción por zonas. Esto permite una aplicación más granular del calor, similar a los sistemas de calefacción no central. Las zonas se controlan mediante múltiples termostatos. En los sistemas de calentamiento de agua, los termostatos controlan las válvulas de zona y, en los sistemas de aire forzado, controlan las compuertas de zona dentro de los respiraderos que bloquean selectivamente el flujo de aire. En este caso, el sistema de control es muy importante para mantener una temperatura adecuada.
La previsión es otro método para controlar la calefacción de edificios mediante el cálculo de la demanda de energía de calefacción que se debe suministrar al edificio en cada unidad de tiempo.
Las bombas de calor geotérmicas o de fuente terrestre son similares a las bombas de calor comunes, pero en lugar de transferir calor hacia o desde el aire exterior, dependen de la temperatura estable y uniforme de la tierra para proporcionar calefacción y aire acondicionado. Muchas regiones experimentan temperaturas extremas estacionales, lo que requeriría equipos de calefacción y refrigeración de gran capacidad para calentar o enfriar edificios. Por ejemplo, un sistema de bomba de calor convencional utilizado para calentar un edificio en la temperatura mínima de -57 °C (-70 °F ) de Montana o enfriar un edificio en la temperatura más alta jamás registrada en los EE. UU. (57 °C (134 °F) en Death Valley , California, en 1913) requeriría una gran cantidad de energía debido a la diferencia extrema entre las temperaturas del aire interior y exterior. Sin embargo, a un metro por debajo de la superficie de la tierra, el suelo permanece a una temperatura relativamente constante. Al utilizar esta gran fuente de tierra de temperatura relativamente moderada, la capacidad de un sistema de calefacción o refrigeración a menudo se puede reducir significativamente. Aunque las temperaturas del suelo varían según la latitud, a 1,8 metros (6 pies) bajo tierra, las temperaturas generalmente solo oscilan entre 7 y 24 °C (45 y 75 °F).
Los paneles solares fotovoltaicos ofrecen una nueva forma de reducir potencialmente el costo operativo del aire acondicionado. Los aires acondicionados tradicionales funcionan con corriente alterna y, por lo tanto, cualquier energía solar de corriente continua debe invertirse para que sea compatible con estas unidades. Las nuevas unidades de motor de CC de velocidad variable permiten que la energía solar las haga funcionar más fácilmente, ya que esta conversión es innecesaria y los motores son tolerantes a las fluctuaciones de voltaje asociadas con la variación en la energía solar suministrada (por ejemplo, debido a la nubosidad).
Los sistemas de recuperación de energía a veces utilizan ventilación con recuperación de calor o sistemas de ventilación con recuperación de energía que emplean intercambiadores de calor o ruedas de entalpía para recuperar el calor sensible o latente del aire extraído. Esto se hace mediante la transferencia de energía del aire viciado dentro de la casa al aire fresco que entra desde el exterior.
El rendimiento de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor está limitado por la termodinámica . [36] Estos dispositivos de aire acondicionado y bomba de calor mueven el calor en lugar de convertirlo de una forma a otra, por lo que las eficiencias térmicas no describen apropiadamente el rendimiento de estos dispositivos. El coeficiente de rendimiento (COP) mide el rendimiento, pero esta medida adimensional no ha sido adoptada. En su lugar, el índice de eficiencia energética ( EER ) se ha utilizado tradicionalmente para caracterizar el rendimiento de muchos sistemas HVAC. EER es el índice de eficiencia energética basado en una temperatura exterior de 35 °C (95 °F). Para describir con mayor precisión el rendimiento de los equipos de aire acondicionado durante una temporada de refrigeración típica, se utiliza una versión modificada del EER, el índice de eficiencia energética estacional ( SEER ), o en Europa el ESEER . Las clasificaciones SEER se basan en promedios de temperatura estacionales en lugar de una temperatura exterior constante de 35 °C (95 °F). La clasificación SEER mínima actual de la industria es 14 SEER. Los ingenieros han señalado algunas áreas en las que se podría mejorar la eficiencia del hardware existente. Por ejemplo, las aspas del ventilador que se utilizan para mover el aire suelen estar estampadas a partir de chapa metálica, un método de fabricación económico, pero como resultado no son aerodinámicamente eficientes. Una aspa bien diseñada podría reducir la potencia eléctrica necesaria para mover el aire en un tercio. [37]
La ventilación controlada por demanda de la cocina (DCKV) es un método de control de edificios para controlar el volumen de aire de escape y de suministro de la cocina en respuesta a las cargas de cocción reales en una cocina comercial. Los sistemas de ventilación de cocinas comerciales tradicionales funcionan al 100 % de la velocidad del ventilador independientemente del volumen de la actividad de cocción y la tecnología DCKV cambia eso para proporcionar un ahorro significativo de energía del ventilador y aire acondicionado. Al implementar tecnología de detección inteligente, tanto los ventiladores de extracción como los de suministro se pueden controlar para aprovechar las leyes de afinidad para el ahorro de energía del motor, reducir la energía de calentamiento y enfriamiento del aire de reposición, aumentar la seguridad y reducir los niveles de ruido ambiental de la cocina. [38]
La limpieza y filtración del aire elimina partículas, contaminantes, vapores y gases del aire. El aire filtrado y purificado se utiliza luego en calefacción, ventilación y aire acondicionado. La limpieza y filtración del aire deben tenerse en cuenta a la hora de proteger los entornos de nuestros edificios. [39]
La tasa de suministro de aire limpio (CADR) es la cantidad de aire limpio que un purificador de aire proporciona a una habitación o espacio. Al determinar la CADR, se tiene en cuenta la cantidad de flujo de aire en un espacio. Por ejemplo, un purificador de aire con un caudal de 30 metros cúbicos (1000 pies cúbicos) por minuto y una eficiencia del 50% tiene una CADR de 15 metros cúbicos (500 pies cúbicos) por minuto. Junto con la CADR, el rendimiento de la filtración es muy importante cuando se trata del aire en nuestro entorno interior. Esto depende del tamaño de la partícula o fibra, la densidad y profundidad del empaque del filtro y el caudal de aire. [39]
La industria de HVAC es una empresa mundial, con funciones que incluyen operación y mantenimiento, diseño y construcción de sistemas, fabricación y venta de equipos, y educación e investigación. La industria de HVAC estuvo regulada históricamente por los fabricantes de equipos de HVAC, pero se han establecido organizaciones de regulación y normalización como HARDI (Distribuidores internacionales de calefacción, aire acondicionado y refrigeración), ASHRAE , SMACNA , ACCA (Contratistas de aire acondicionado de Estados Unidos), Código mecánico uniforme , Código mecánico internacional y AMCA para apoyar a la industria y fomentar altos estándares y logros. ( UL como agencia ómnibus no es específica de la industria de HVAC).
El punto de partida para realizar un cálculo tanto de refrigeración como de calefacción depende del clima exterior y de las condiciones interiores especificadas. Sin embargo, antes de emprender el cálculo de la carga térmica, es necesario determinar en detalle los requisitos de aire fresco para cada área, ya que la presurización es un factor importante a tener en cuenta.
La norma ISO 16813:2006 es una de las normas ISO sobre el entorno de la construcción. [40] Establece los principios generales del diseño del entorno de la construcción. Tiene en cuenta la necesidad de proporcionar un entorno interior saludable para los ocupantes, así como la necesidad de proteger el medio ambiente para las generaciones futuras y promover la colaboración entre las distintas partes implicadas en el diseño del entorno de la construcción para la sostenibilidad. La norma ISO 16813 es aplicable a las construcciones nuevas y a la modernización de los edificios existentes. [41]
La norma de diseño ambiental de edificios tiene como objetivo: [41]
En los Estados Unidos, la licencia federal generalmente la gestiona la EPA certificada (para la instalación y el servicio de dispositivos HVAC).
Muchos estados de EE. UU. tienen licencias para operar calderas. Algunas de ellas se enumeran a continuación:
Por último, algunas ciudades de EE. UU. pueden tener leyes laborales adicionales que se apliquen a los profesionales de HVAC.
Muchos ingenieros de HVAC son miembros de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado ( ASHRAE ). La ASHRAE organiza regularmente dos comités técnicos anuales y publica estándares reconocidos para el diseño de HVAC, que se actualizan cada cuatro años. [52]
Otra sociedad popular es AHRI , que proporciona información periódica sobre nuevas tecnologías de refrigeración y publica normas y códigos pertinentes.
Sin embargo, los códigos como el UMC y el IMC incluyen muchos detalles sobre los requisitos de instalación. Otros materiales de referencia útiles incluyen artículos de SMACNA , ACGIH y revistas técnicas especializadas.
Las normas de diseño estadounidenses están legisladas en el Código Mecánico Uniforme o el Código Mecánico Internacional. En ciertos estados, condados o ciudades, cualquiera de estos códigos puede ser adoptado y modificado a través de varios procesos legislativos. Estos códigos son actualizados y publicados por la Asociación Internacional de Oficiales de Plomería y Mecánica ( IAPMO ) o el Consejo Internacional de Códigos ( ICC ) respectivamente, en un ciclo de desarrollo de códigos de 3 años. Por lo general, los departamentos locales de permisos de construcción están a cargo de la aplicación de estas normas en propiedades privadas y ciertas propiedades públicas.
Un técnico de HVAC es un comerciante que se especializa en calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración. Los técnicos de HVAC en los EE. UU. pueden recibir capacitación a través de instituciones de capacitación formal, donde la mayoría obtiene títulos asociados . La capacitación para técnicos de HVAC incluye conferencias en el aula y tareas prácticas, y puede ser seguida por un aprendizaje en el que el recién graduado trabaja junto con un técnico de HVAC profesional durante un período temporal. [53] Los técnicos de HVAC que han recibido capacitación también pueden certificarse en áreas como aire acondicionado, bombas de calor, calefacción a gas y refrigeración comercial.
La Chartered Institution of Building Services Engineers es un organismo que cubre los servicios esenciales (arquitectura de sistemas) que permiten que los edificios funcionen. Incluye las industrias electrotécnica, de calefacción , ventilación , aire acondicionado, refrigeración y plomería . Para formarse como ingeniero de servicios de construcción , los requisitos académicos son GCSE (AC) / Calificaciones estándar (1-3) en matemáticas y ciencias, que son importantes en mediciones, planificación y teoría. Los empleadores a menudo querrán un título en una rama de la ingeniería, como ingeniería ambiental de la construcción , ingeniería eléctrica o ingeniería mecánica. Para convertirse en miembro de pleno derecho de CIBSE, y también para ser registrado por el Consejo de Ingeniería del Reino Unido como ingeniero colegiado, los ingenieros también deben obtener un título con honores y un título de maestría en una materia de ingeniería relevante. [ cita requerida ] CIBSE publica varias guías para el diseño de HVAC relevantes para el mercado del Reino Unido, y también para la República de Irlanda, Australia, Nueva Zelanda y Hong Kong. Estas guías incluyen diversos criterios y estándares de diseño recomendados, algunos de los cuales se citan en las normas de construcción del Reino Unido y, por lo tanto, constituyen un requisito legislativo para las obras de servicios de construcción importantes. Las guías principales son:
En el sector de la construcción , el ingeniero de servicios de construcción se encarga de diseñar y supervisar la instalación y el mantenimiento de los servicios esenciales, como el gas, la electricidad , el agua, la calefacción y la iluminación , entre muchos otros. Todos ellos contribuyen a que los edificios sean lugares cómodos y saludables para vivir y trabajar. Los servicios de construcción forman parte de un sector que cuenta con más de 51.000 empresas y emplea a un 2-3% del PIB .
Los responsables son la Asociación de Contratistas Mecánicos y de Aire Acondicionado de Australia (AMCA), el Instituto Australiano de Refrigeración, Aire Acondicionado y Calefacción (AIRAH), la Asociación Australiana de Mecánica de Refrigeración y CIBSE.
El control de la temperatura en la arquitectura asiática tiene prioridades diferentes a las de los métodos europeos. Por ejemplo, la calefacción asiática se centra tradicionalmente en mantener la temperatura de objetos como el suelo o muebles como las mesas Kotatsu y calentar directamente a las personas, a diferencia del enfoque occidental, en los períodos modernos, en el diseño de sistemas de aire.
La Sociedad Filipina de Ingenieros de Ventilación, Aire Acondicionado y Refrigeración (PSVARE), junto con la Sociedad Filipina de Ingenieros Mecánicos (PSME), regulan los códigos y estándares para HVAC/MVAC (MVAC significa "ventilación mecánica y aire acondicionado") en Filipinas.
La Sociedad India de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ISHRAE) se creó para promover la industria de HVAC en la India. La ISHRAE es una asociación de la ASHRAE. La ISHRAE se fundó en Nueva Delhi [54] en 1981 y se creó una filial en Bangalore en 1989. Entre 1989 y 1993, se formaron filiales de la ISHRAE en todas las ciudades principales de la India. [ cita requerida ]
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Medios relacionados con el control del clima en Wikimedia Commons