La ventilación por desplazamiento (DV) es una estrategia de distribución de aire en una habitación donde el aire acondicionado exterior se suministra a baja velocidad desde difusores de suministro de aire ubicados cerca del nivel del piso y se extrae por encima de la zona ocupada, generalmente a la altura del techo. [1]
Un sistema típico de ventilación por desplazamiento, como el de un espacio de oficina, suministra aire frío acondicionado desde una unidad de tratamiento de aire (UTA) a través de un difusor de aire de baja inducción. Los tipos de difusores varían según las aplicaciones. Los difusores pueden ubicarse contra una pared ("montados en la pared"), en la esquina de una habitación ("montados en la esquina") o sobre el piso pero no contra una pared ("independientes"). [2] El aire frío se acelera debido a la fuerza de flotabilidad , se extiende en una capa delgada sobre el piso y alcanza una velocidad relativamente alta antes de ascender debido al intercambio de calor con fuentes de calor (por ejemplo, ocupantes, computadoras, luces). [3] Al absorber el calor de las fuentes de calor, el aire frío se vuelve más cálido y menos denso. La diferencia de densidad entre el aire frío y el aire cálido crea flujos convectivos ascendentes conocidos como penachos térmicos . En lugar de funcionar como un sistema independiente en un espacio interior, el sistema de ventilación por desplazamiento también se puede combinar con otras fuentes de enfriamiento y calefacción, como techos radiantes refrigerados [4] o calefacción por zócalo. [1]
La ventilación por desplazamiento se aplicó por primera vez en un edificio industrial en Escandinavia en 1978 y, desde entonces, se ha utilizado con frecuencia en aplicaciones similares, así como en espacios de oficinas, en toda Escandinavia. [1] En 1989, se estimó que la ventilación por desplazamiento comprendía el 50 % en aplicaciones industriales y el 25 % en oficinas en los países nórdicos. [5] Las aplicaciones en los Estados Unidos no han sido tan generalizadas como en Escandinavia. Se han realizado algunas investigaciones para evaluar la viabilidad de esta aplicación en los mercados estadounidenses debido a los diferentes diseños de espacios típicos [1] y la aplicación en climas cálidos y húmedos, así como investigaciones para evaluar la calidad ambiental interior potencial y los beneficios de ahorro de energía de esta estrategia en los EE. UU. y en otros lugares.
La ventilación por desplazamiento se ha aplicado en muchos edificios famosos, como el Aeropuerto Internacional de Suvarnabhumi en Bangkok, Tailandia, el edificio del Centro de Proyectos de Vuelo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, [6] [7] y la Terminal 2 del Aeropuerto Internacional de San Francisco [8] [9], entre otras aplicaciones.
Las columnas térmicas y el aire de suministro de los difusores, que determinan la velocidad del flujo de aire a nivel del suelo, desempeñan un papel importante en los sistemas DV. Es necesario ajustar con cuidado la velocidad del flujo de aire del difusor para evitar corrientes de aire.
Debido a las propiedades únicas de la estratificación térmica, la ventilación por desplazamiento se utiliza generalmente para refrigeración en lugar de calefacción. En muchos casos, se utiliza una fuente de calefacción independiente, como un radiador o un zócalo, durante los períodos de calefacción. [1]
La ventilación por desplazamiento es más adecuada para espacios más altos (de más de 3 metros [10 pies]). [2] La ventilación por mezcla estándar puede ser más adecuada para espacios más pequeños donde la calidad del aire no es una preocupación tan grande, como oficinas con un solo ocupante, y donde la altura de la habitación no es alta (por ejemplo, inferior a 2,3 metros [7,5 pies]). [2]
Los sistemas de ventilación por desplazamiento son más silenciosos que los sistemas de ventilación de techo convencionales y ofrecen una mayor eficiencia de ventilación. Por lo tanto, pueden mejorar la calidad del aire interior y proporcionar un entorno acústico deseable. Los sistemas de ventilación por desplazamiento son adecuados para espacios donde se requiere una alta ventilación, como aulas, salas de conferencias y oficinas.
La ventilación por desplazamiento puede ser una causa de incomodidad debido al gran gradiente de temperatura vertical y las corrientes de aire. [10] Según la investigación de Melikov y Pitchurov, las sensaciones de frío causadas por la diferencia de temperatura vertical y las corrientes de aire generalmente ocurren en la región de la parte inferior de las piernas/tobillos/pies, mientras que las sensaciones de calor se reportan en la cabeza. [11] La investigación también indica que el modelo de clasificación de corrientes de aire podría predecir el riesgo de corrientes de aire con buena precisión en habitaciones con sistemas de ventilación por desplazamiento.
Existe una disyuntiva inherente a estas dos cuestiones: al aumentar el caudal (y la capacidad de eliminar mayores cargas térmicas), se puede reducir el gradiente de temperatura vertical, pero esto podría aumentar el riesgo de corrientes de aire. [1] La combinación de ventilación por desplazamiento con techos radiantes refrigerados es un esfuerzo por mitigar este problema. [12] Según algunos estudios, los sistemas de ventilación por desplazamiento solo pueden proporcionar un confort aceptable si la carga de refrigeración correspondiente es inferior a unos 13 Btu/h-sf o 40 W/m 2 .
Una de las ventajas de la ventilación por desplazamiento es que, al extraer el aire contaminado de la habitación, se consigue una mejor calidad del aire interior . Se consigue una mejor calidad del aire cuando la fuente de contaminación es también una fuente de calor. [1] [2]
Recientemente se ha investigado la eficacia de la ventilación por desplazamiento para eliminar contaminantes particulados. [13] [14] Con frecuencia se liberan pequeñas gotas acuosas que contienen núcleos infecciosos en las habitaciones de los hospitales y otros espacios interiores, y tienden a depositarse en el aire ambiente a una velocidad del orden de 1 a 10 mm/s normalmente. En climas o estaciones frías, se extraen gotas suficientemente pequeñas de la parte superior de un espacio ventilado por desplazamiento si la velocidad media del aire ascendente supera la velocidad de sedimentación de las partículas. Sin embargo, los experimentos de laboratorio han demostrado que las gotas más grandes pueden sedimentarse más rápido de lo que se mueve el aire. En este caso, las gotas grandes no se extraen de manera eficaz de un espacio con ventilación por desplazamiento ascendente, y su concentración aumenta si se aumenta la tasa de ventilación. [13] En climas o estaciones más cálidos, pueden producirse inestabilidades a gran escala en la concentración de contaminantes dentro de un espacio con ventilación por desplazamiento descendente. [14]
Algunos estudios han demostrado que la ventilación por desplazamiento puede ahorrar energía en comparación con la ventilación por mezcla estándar, dependiendo del tipo de uso del edificio, el diseño/masa/orientación y otros factores. [1] Sin embargo, para la evaluación del consumo de energía de la ventilación por desplazamiento, la simulación numérica es el método principal, ya que las mediciones anuales son demasiado costosas y consumen mucho tiempo. Por lo tanto, aún se debate si la ventilación por desplazamiento podría ayudar a ahorrar energía. En general, la ventilación por desplazamiento es atractiva para la región central de un edificio, ya que no se necesita calefacción. Sin embargo, las zonas perimetrales requieren una alta energía de refrigeración.
Se han publicado diferentes directrices para orientar sobre el diseño de sistemas de ventilación por desplazamiento, entre ellas:
Entre las pautas mencionadas anteriormente, la desarrollada por Chen y Glicksman está dirigida específicamente a cumplir con la norma estadounidense. A continuación se incluye una breve descripción de cada paso de sus pautas. [15]
Paso 1) Evaluar la aplicabilidad de la ventilación por desplazamiento
Paso 2) Calcular la carga de enfriamiento de diseño de verano.
Paso 3) Determinar el caudal requerido del aire de suministro para la refrigeración de verano.
Paso 4) Encuentre el caudal de aire fresco requerido para una calidad del aire interior aceptable.
Paso 5) Determinar el caudal de aire de suministro.
Paso 6) Calcule el caudal de aire de suministro.
Paso 7) Determinar la relación entre el aire fresco y el aire de suministro.
Paso 8) Seleccione el tamaño y número de difusores de suministro de aire.
Paso 9) Verifique la situación de la calefacción en invierno.
Paso 10) Estimar los costos iniciales y el consumo anual de energía.