Calefacción, ventilación y aire acondicionado ( HVAC ) [1] es el uso de diversas 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 del 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 elimina "ventilación", como en HACR (como en la designación de disyuntores con clasificación HACR ).
HVAC es una parte importante de estructuras residenciales como viviendas unifamiliares, edificios de apartamentos, hoteles e instalaciones para personas mayores; edificios industriales y de oficinas de tamaño mediano a grande, como rascacielos y hospitales; vehículos como coches, trenes, aviones, barcos y submarinos; y en ambientes marinos, donde las condiciones seguras y saludables de la construcción se regulan con respecto a la temperatura y la humedad, utilizando aire fresco del exterior.
Ventilar o ventilar (la "V" en HVAC) es el proceso de intercambiar o reemplazar aire en cualquier espacio para proporcionar una alta calidad del aire interior, lo que implica control de temperatura, reposición de oxígeno y eliminación de humedad, olores, humo, calor, polvo y partículas en suspensión. bacterias, dióxido de carbono y otros gases. La ventilación elimina los olores desagradables y el exceso de humedad, introduce aire exterior, mantiene circulando el aire interior del edificio y evita el estancamiento del aire interior. Los métodos para ventilar un edificio se dividen en tipos mecánicos/forzados y naturales . [2]
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 costos razonables de instalación, operación y mantenimiento. 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 entrega y extracción de aire de los espacios se conoce como distribución de aire ambiental . [3]
En los edificios modernos, los sistemas de diseño, instalación y control de estas funciones están integrados en uno o más sistemas HVAC. Para edificios muy pequeños, los contratistas normalmente estiman la capacidad y el tipo de sistema necesario y luego diseñan el sistema, seleccionando el refrigerante apropiado y los diversos componentes necesarios. Para edificios más grandes, los diseñadores de servicios de edificios, los ingenieros mecánicos o los ingenieros de servicios de edificios analizan, diseñan y especifican los sistemas HVAC. Luego, los contratistas y proveedores mecánicos especializados fabrican, instalan y ponen en marcha los sistemas. Normalmente se requieren permisos de construcción e inspecciones de cumplimiento de códigos de las instalaciones para edificios de todos los tamaños.
Aunque HVAC 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 más grande de calefacción urbana (DH) o refrigeración urbana (DC), o una red DHC combinada. En tales casos, los aspectos de operación y mantenimiento se simplifican y la medición se vuelve 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 aire acondicionado y el agua caliente que retorna puede usarse en otro edificio para calefacción, o para la parte general de calefacción de la red DHC (probablemente con energía agregada para aumentar el consumo). la temperatura). [4] [5] [6]
Basar HVAC en una red más grande ayuda a proporcionar una economía de escala que a menudo no es posible para edificios individuales, para utilizar fuentes de energía renovables como el calor solar, [7] [8] [9] el frío del invierno, [10] [11] 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 sistemas HVAC, se puede marcar una gran diferencia para el medio ambiente y ayudar a ampliar el conocimiento sobre el uso de diferentes métodos.
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. [12]
Múltiples inventos dentro de este período precedieron los inicios del primer sistema de aire acondicionado de confort, que fue diseñado en 1902 por Alfred Wolff (Cooper, 2003) para la Bolsa de Nueva York, mientras que Willis Carrier equipó a la Sacketts-Wilhems Printing Company con el proceso. Unidad de aire acondicionado el mismo año. Coyne College fue la primera escuela en ofrecer capacitación en HVAC en 1899. [13] El primer aire acondicionado residencial se instaló en 1914, y en la década de 1950 hubo una "adopción generalizada del aire acondicionado residencial". [14]
La invención de los componentes de los sistemas HVAC fue de la mano de 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, calidez) para el edificio. Esto se puede hacer mediante 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 la sala de calderas de una casa o la sala de máquinas de un edificio grande. El calor puede transferirse por convección , conducción o radiación . Los calefactores portátiles se utilizan para calentar habitaciones individuales y 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 , normalmente calentando cintas compuestas por 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 calor de respaldo o suplementario para los sistemas de bomba de calor.
La bomba de calor ganó popularidad en la década de 1950 en Japón y Estados Unidos. [15] Las bombas de calor pueden extraer calor de diversas 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 mejoras en el funcionamiento a baja temperatura y cargas reducidas debido a hogares más eficientes, están ganando popularidad en climas más fríos. También pueden funcionar a la inversa para enfriar el interior.
En el caso del calentamiento de agua o vapor, se utilizan tuberías para transportar el calor a las habitaciones. La mayoría de los sistemas de calefacción por 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 (hidro-aire) u otros intercambiadores de calor. Los radiadores pueden montarse en las paredes o instalarse 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 suministrar un intercambiador de calor auxiliar para suministrar agua caliente para bañarse y lavarse.
Los sistemas de aire caliente distribuyen el aire calentado a través de sistemas de conductos de suministro y retorno a través de conductos metálicos o de fibra de vidrio. Muchos sistemas utilizan los mismos conductos para distribuir el aire enfriado por un serpentín evaporador para aire acondicionado. El suministro de aire normalmente se filtra a través de filtros de aire para eliminar el polvo y las partículas de polen. [dieciséis]
El uso de hornos, calefactores y calderas como método de calefacción interior podría 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 ocurre cuando no hay suficiente oxígeno; los insumos son combustibles que contienen diversos contaminantes y los productos son subproductos dañinos, el más peligroso monóxido de carbono, que es un gas insípido e inodoro con graves efectos adversos para la salud. [17]
Sin una ventilación adecuada, el monóxido de carbono puede ser letal en concentraciones de 1000 ppm (0,1%). Sin embargo, a 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 (endurecimiento de las arterias) y también puede provocar 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 horaria. [18]
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 en el aire o dióxido de carbono, y para reponer el oxígeno. La ventilación a menudo se refiere a la entrega intencional de 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 se pueden dividir en tipos mecánicos/forzados y naturales . [19]
La ventilación mecánica o forzada la proporciona un controlador de aire (AHU) 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 escapes mecánicos para controlar los olores y, a veces, la humedad. Los factores en el diseño de tales sistemas incluyen el caudal (que es función de la velocidad del ventilador y el tamaño de la ventilación de escape) 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/suelo hacen circular aire dentro de una habitación con el fin de reducir la temperatura percibida aumentando la evaporación del sudor en la piel de los ocupantes. Debido a que el aire caliente sube, se pueden usar ventiladores de techo para mantener una habitación más cálida en el invierno haciendo circular el aire caliente estratificado desde el techo hasta el piso.
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 operables, persianas o rejillas de ventilación cuando los espacios son pequeños y la arquitectura lo permite. ASHRAE definió la ventilación natural como el flujo de aire a través de ventanas, puertas, rejas y otras penetraciones planificadas en la envolvente del edificio abiertas , y como impulsado por diferenciales de presión naturales y/o producidos artificialmente. [2]
En esquemas más complejos, se permite que el aire caliente suba y fluya hacia el exterior por las aberturas altas de los edificios ( efecto chimenea ), lo que hace que el aire fresco del exterior sea aspirado hacia las aberturas bajas de los edificios. Los sistemas de ventilación natural pueden consumir muy poca energía, pero se debe tener cuidado para garantizar el confort. En climas cálidos o húmedos, puede que no sea posible mantener el confort térmico únicamente mediante ventilación natural. Se utilizan sistemas de aire acondicionado , ya sea como respaldo o complementos. Los economizadores del lado del aire también usan 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 cambio de aire o cambios de aire por hora : la tasa horaria de ventilación dividida por el volumen del espacio. Por ejemplo, seis cambios de aire por hora significan que cada diez minutos se agrega una cantidad de aire nuevo, igual al volumen del espacio. Para la comodidad humana, lo normal es un mínimo de cuatro cambios de aire por hora, aunque los almacenes pueden tener sólo dos. Una tasa de cambio de aire demasiado alta puede resultar incómoda, similar a un túnel de viento que tiene miles de cambios por hora. Las tasas de cambio de aire más altas se dan en espacios concurridos, bares, discotecas y cocinas comerciales, con alrededor de 30 a 50 cambios de aire por hora. [20]
La presión de la habitación puede ser positiva o negativa con respecto al exterior de la habitación. La presión positiva ocurre cuando se suministra más aire que el que se expulsa, y es común para reducir la infiltración de contaminantes externos. [21]
La ventilación natural [22] 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 antiguas con techos altos y grandes ventanales brindan la mayor protección. La ventilación natural cuesta poco y no requiere mantenimiento, y es particularmente adecuada para entornos de recursos limitados y climas tropicales, donde la carga de tuberculosis y de transmisión institucional de tuberculosis 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 por vía aérea. La ventilación natural requiere poco mantenimiento y es económica. [23]
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 eficaces o utilizar sistemas de ventilación de nivel de techo UV o FAR UV.
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. [24] Para las habitaciones de hospital con contagios transmitidos por el aire, los CDC recomiendan un mínimo de 12 ACH. [25] Los desafíos en la ventilación de las instalaciones son el desconocimiento del público, [26] [27] una supervisión gubernamental ineficaz, códigos de construcción deficientes que se basan en niveles de comodidad, operaciones deficientes del sistema, mantenimiento deficiente y falta de transparencia. [28]
Todo el mundo supone que todo está bien en cuanto a la ventilación de las instalaciones, pero no es así. La situación es similar a la contaminación del agua donde, a menos que alguien realmente evalúe la situación, es probable que exista un problema. La realidad es que las tarifas de ventilación (arquitectura) han ido cayendo desde la crisis energética de los años 1970 y la prohibición del humo de los cigarrillos en los años 1980 y 1990. Hoy en día, las tasas de ventilación están cayendo aún más con el nuevo desafío de reducir la huella de carbono. Las compensaciones son una reducción de la huella de carbono frente a un mayor riesgo de infección respiratoria debido a una ventilación insuficiente para mitigar razonablemente las infecciones transmitidas por el aire. La investigación en esta área es nueva a partir de 2023. [29]
Un sistema de aire acondicionado, o un aire acondicionado independiente, proporciona refrigeración y/o control de humedad para todo o parte de un edificio. Los edificios con aire acondicionado a menudo tienen ventanas selladas, porque las ventanas abiertas irían en contra del sistema destinado a mantener condiciones constantes del aire interior. En el exterior, el aire fresco generalmente ingresa al sistema mediante un respiradero hacia una cámara de mezcla de aire para mezclarlo con el aire de retorno del espacio. Luego, el aire de la mezcla ingresa a una sección de intercambiador de calor interior o exterior donde el aire se enfriará 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 esta ventilación. La entrada típica de aire fresco es aproximadamente el 10% del aire total suministrado. [ cita necesaria ]
El aire acondicionado y la refrigeración se obtienen mediante la eliminación del calor. El calor se puede eliminar mediante radiación , convección o conducción . El medio de transferencia de calor es un sistema de refrigeración, como agua, aire, hielo y 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 gratuito que utiliza bombas para hacer circular un refrigerante frío (normalmente agua o una mezcla de glicol).
Es imperativo que la potencia del aire acondicionado sea suficiente para el área que se está enfriando. Los sistemas de aire acondicionado con poca potencia provocarán un desperdicio de energía y un uso ineficiente. Se requiere una potencia adecuada para cualquier aire acondicionado instalado.
El ciclo de refrigeración utiliza cuatro elementos esenciales para enfriar, que son el compresor, el condensador, el dispositivo dosificador 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 enfriamiento a calentamiento o viceversa. Esto permite calentar y enfriar una instalación mediante 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 almacenamiento de energía térmica estacional para que el frío del invierno pueda usarse como aire acondicionado en verano. Los medios de almacenamiento comunes son acuíferos profundos o una masa rocosa subterránea natural a la que se accede a través de un grupo de pozos de pequeño diámetro equipados con intercambiadores de calor. Algunos sistemas con almacenamientos pequeños son híbridos, utilizan enfriamiento gratuito al principio de la temporada de enfriamiento y luego emplean una bomba de calor para enfriar la circulación proveniente 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 refrigeración (normalmente agua enfriada o una unidad "DX" de expansión directa), ahorrando así energía. El sistema de control puede comparar la temperatura del aire exterior con la del aire de retorno, o puede comparar la entalpía del aire, como se hace frecuentemente en climas donde la humedad es un problema mayor. En ambos casos, el aire exterior debe tener menos energía que el aire de retorno para que el sistema entre en modo economizador.
Los sistemas de aire acondicionado central "todo aire" (o sistemas de paquete) con una unidad combinada de condensador/evaporador exterior a menudo se instalan en residencias, oficinas y edificios públicos de América del Norte, pero son difíciles de adaptar (instalar en un edificio que fue no diseñado para recibirlo) debido a los voluminosos conductos de aire necesarios. [30] (En estas situaciones se utilizan sistemas Minisplit sin ductos). Fuera de América del Norte, los sistemas empaquetados solo se usan 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 Norteamérica, los sistemas divididos se ven con mayor frecuencia en aplicaciones residenciales, pero están ganando popularidad en pequeños edificios comerciales. Los sistemas divididos se utilizan cuando los conductos no son viables o cuando la eficiencia del acondicionamiento del espacio es una preocupación primordial. [31] Los beneficios de los sistemas de aire acondicionado sin ductos incluyen una fácil instalación, sin ductos, mayor control zonal, flexibilidad de control y funcionamiento silencioso. [32] En el acondicionamiento de espacios, las pérdidas en los conductos pueden representar el 30% del consumo de energía. [33] El uso de minisplits puede generar ahorros de energía en el acondicionamiento del espacio, 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 una tubería de refrigerante entre una unidad interior y exterior en lugar de canalizar el aire directamente desde la unidad exterior. Las unidades interiores con ventilación direccional se montan en las paredes, se suspenden del techo o se ajustan al techo. Otras unidades interiores se montan dentro de la cavidad del techo de modo que tramos cortos de conducto dirijan el aire desde la unidad interior a las rejillas de ventilación o difusores alrededor de las habitaciones.
Los sistemas divididos son más eficientes y el espacio que ocupan suele ser menor que los sistemas en paquete. Por otro lado, los sistemas paquete tienden a tener un nivel de ruido interior ligeramente menor en comparación con los sistemas divididos, ya que el motor del ventilador está ubicado 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 el fondo del evaporador en una bandeja y se elimina mediante tuberías hasta un drenaje central o hacia el suelo exterior.
Un deshumidificador es un dispositivo similar al aire acondicionado que controla la humedad de una habitación o edificio. A menudo se emplea en sótanos que tienen una humedad relativa más alta debido a su temperatura más baja (y propensión a tener pisos y paredes húmedos). En los establecimientos de venta minorista de alimentos, los grandes armarios frigoríficos abiertos son muy eficaces para deshumidificar el aire interno. Por el contrario, un humidificador aumenta la humedad de un edificio.
Los componentes HVAC que deshumidifican el aire de ventilación merecen especial atención porque el aire exterior constituye la mayor parte de la carga de humedad anual de casi todos los edificios. [34]
Todos los sistemas de aire acondicionado modernos, incluso las unidades pequeñas con paquetes de ventana, están equipados con filtros de aire internos. Por lo general, son de un material liviano similar a una gasa y deben reemplazarse o lavarse según las condiciones lo justifiquen. Por ejemplo, un edificio en un ambiente con mucho polvo, o una casa con mascotas peludas, necesitará cambiar los filtros con más frecuencia que los edificios sin estas cargas de suciedad. No reemplazar estos filtros según sea necesario contribuirá a una tasa de intercambio de calor más baja, lo que resultará en 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 completamente el flujo de aire. Además, los filtros muy sucios u obstruidos pueden provocar un sobrecalentamiento durante un ciclo de calentamiento, lo que puede provocar daños al sistema o incluso un incendio.
Debido a que un acondicionador de aire mueve calor entre el serpentín interior y el exterior, ambos deben mantenerse limpios. Esto significa que, además de reemplazar el filtro de aire en el serpentín del evaporador, también es necesario limpiar periódicamente el serpentín del condensador. Si no se mantiene limpio el condensador, eventualmente se dañará el compresor porque el serpentín del condensador es responsable de descargar tanto el calor interior (recogido por el evaporador) como el calor generado por el motor eléctrico que impulsa el compresor.
HVAC es significativamente responsable de promover la eficiencia energética de los edificios, ya que el sector de la construcción consume el mayor porcentaje de energía mundial. [35] Desde la década de 1980, los fabricantes de equipos HVAC se han esforzado por hacer que los sistemas que fabrican sean más eficientes. Esto se debió originalmente al aumento de los costos de la energía y, más recientemente, a una mayor conciencia sobre las cuestiones ambientales. Además, las mejoras en la eficiencia del sistema HVAC también pueden ayudar a aumentar la salud y la productividad de los ocupantes. [36] En Estados Unidos, la EPA ha impuesto restricciones más estrictas a lo largo de los años. Existen varios métodos para hacer que los sistemas HVAC sean más eficientes.
En el pasado, el calentamiento de agua era más eficiente para calentar edificios y era el estándar en los Estados Unidos. Hoy en día, los sistemas de aire forzado pueden funcionar como aire acondicionado y son más populares.
Algunos de los beneficios de los sistemas de aire forzado, que ahora se utilizan ampliamente en iglesias, escuelas y residencias de alto nivel, son
Un inconveniente es el coste de instalación, que puede ser ligeramente superior al de los sistemas HVAC tradicionales.
La eficiencia energética se puede mejorar aún más en los sistemas de calefacción central introduciendo calefacción por zonas. Esto permite una aplicación de calor más granular, similar a los sistemas de calefacción no centrales. Las zonas están controladas por 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 las rejillas de ventilación que bloquean selectivamente el flujo de aire. En este caso, el sistema de control es muy crítico 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 de fuente terrestre, o geotérmicas, son similares a las bombas de calor ordinarias, 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 los edificios. Por ejemplo, un sistema de bomba de calor convencional utilizado para calentar un edificio a la baja temperatura de -57 °C (-70 °F ) de Montana o enfriar un edificio a la temperatura más alta jamás registrada en los EE. UU.: 57 °C (134 °F) en El Valle de la Muerte , California, en 1913 requeriría una gran cantidad de energía debido a la extrema diferencia entre la temperatura del aire interior y exterior. Sin embargo, a un metro por debajo de la superficie terrestre, el suelo permanece a una temperatura relativamente constante. Utilizando 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 sólo oscilan entre 7 y 24 °C (45 a 75 °F).
Los paneles solares fotovoltaicos ofrecen una nueva forma de reducir potencialmente el coste operativo del aire acondicionado. Los acondicionadores de aire 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 CC de velocidad variable permiten que la energía solar las haga funcionar más fácilmente, ya que esta conversión es innecesaria y los motores toleran las fluctuaciones de voltaje asociadas con la variación en la energía solar suministrada (por ejemplo, debido a la cobertura de nubes).
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 expulsado. Esto se hace mediante la transferencia de energía del aire viciado del interior de la casa al aire fresco entrante desde el exterior.
El rendimiento de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor está limitado por la termodinámica . [37] Estos dispositivos de aire acondicionado y bombas de calor mueven el calor en lugar de convertirlo de una forma a otra, por lo que las eficiencias térmicas no describen adecuadamente el rendimiento de estos dispositivos. El Coeficiente de desempeño (COP) mide el desempeño, pero esta medida adimensional no ha sido adoptada. En cambio, 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 calificaciones SEER se basan en promedios de temperatura estacionales en lugar de una temperatura exterior constante de 35 °C (95 °F). La calificación SEER mínima actual de la industria es 14 SEER. Los ingenieros han señalado algunas áreas donde se podría mejorar la eficiencia del hardware existente. Por ejemplo, las aspas de los ventiladores utilizadas para mover el aire suelen estar estampadas en chapa metálica, un método de fabricación económico, pero como resultado no son aerodinámicamente eficientes. Una pala bien diseñada podría reducir en un tercio la energía eléctrica necesaria para mover el aire. [38]
La ventilación de cocina controlada por demanda (DCKV) es un método de control de edificios para controlar el volumen de extracción y suministro de aire 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 actividad de cocción y la tecnología DCKV cambia eso para proporcionar ahorros significativos de energía del ventilador y aire acondicionado. Al implementar tecnología de detección inteligente, se pueden controlar tanto los ventiladores de extracción como los de suministro para aprovechar las leyes de afinidad para el ahorro de energía del motor, reducir la energía de calefacción y refrigeración del aire de reposición, aumentar la seguridad y reducir los niveles de ruido ambiental de la cocina. [39]
La limpieza y filtración del aire elimina partículas, contaminantes, vapores y gases del aire. El aire filtrado y limpio se utiliza luego en calefacción, ventilación y aire acondicionado. La limpieza y filtración del aire deben tenerse en cuenta al proteger el entorno de nuestros edificios. [40]
La tasa de entrega de aire limpio (CADR) es la cantidad de aire limpio que un purificador de aire proporciona a una habitación o espacio. Al determinar CADR, se tiene en cuenta la cantidad de flujo de aire en un espacio. Por ejemplo, un filtro de aire con un caudal de 30 metros cúbicos (1000 pies cúbicos) por minuto y una eficiencia del 50% tiene un CADR de 15 metros cúbicos (500 pies cúbicos) por minuto. Junto con CADR, el rendimiento de la filtración es muy importante cuando se trata del aire de nuestro ambiente interior. Esto depende del tamaño de la partícula o fibra, la densidad y profundidad del empaque del filtro y el caudal de aire. [40]
La industria HVAC es una empresa mundial, con funciones que incluyen operación y mantenimiento, diseño y construcción de sistemas, fabricación y venta de equipos, y en educación e investigación. La industria HVAC estuvo históricamente regulada por los fabricantes de equipos HVAC, pero organizaciones reguladoras y estandarizadoras como HARDI (Heating, Air-conditioning and Refrigeration Distributors International), ASHRAE , SMACNA , ACCA (Air Conditioning Contractors of America), Uniform Mechanical Code , El Código Mecánico Internacional y AMCA se han establecido para apoyar a la industria y fomentar altos estándares y logros. ( UL como agencia general no es específica de la industria HVAC).
El punto de partida para realizar una estimación tanto de refrigeración como de calefacción depende del clima exterior y de las condiciones interiores especificadas. Sin embargo, antes de comenzar a calcular la carga de calor, es necesario encontrar en detalle los requisitos de aire fresco para cada área, ya que la presurización es una consideración importante.
ISO 16813:2006 es una de las normas ISO sobre entornos de construcción. [41] Establece los principios generales del diseño del entorno de la edificación. Tiene en cuenta la necesidad de proporcionar un ambiente 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 involucradas en la construcción de un diseño ambiental para la sostenibilidad. ISO16813 es aplicable a construcciones nuevas y a la modernización de edificios existentes. [42]
La norma de diseño ambiental de edificios tiene como objetivo: [42]
En los Estados Unidos, la licencia federal generalmente la maneja una persona certificada por la EPA (para la instalación y el servicio de dispositivos HVAC).
Muchos estados de EE. UU. tienen licencias para el funcionamiento de calderas. Algunos de estos se enumeran a continuación:
Finalmente, algunas ciudades de EE. UU. pueden tener leyes laborales adicionales que se aplican a los profesionales de HVAC.
Muchos ingenieros de HVAC son miembros de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado ( ASHRAE ). ASHRAE organiza periódicamente dos comités técnicos anuales y publica estándares reconocidos para el diseño de HVAC, que se actualizan cada cuatro años. [53]
Otra sociedad popular es AHRI , que proporciona información periódica sobre nuevas tecnologías de refrigeración y publica normas y códigos relevantes.
Sin embargo, 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 comerciales.
Las normas de diseño estadounidenses están legisladas en el Código Mecánico Uniforme o Código Mecánico Internacional. En ciertos estados, condados o ciudades, cualquiera de estos códigos puede adoptarse y modificarse mediante diversos procesos legislativos. Estos códigos son actualizados y publicados por la Asociación Internacional de Funcionarios de Plomería y Mecánica ( IAPMO ) o el Consejo de Código Internacional ( ICC ), respectivamente, en un ciclo de desarrollo de código de 3 años. Por lo general, los departamentos de permisos de construcción locales son los encargados de hacer cumplir estas normas en propiedades privadas y 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 ir seguida de un aprendizaje en el que el recién graduado trabaja junto a un técnico profesional de HVAC por un período temporal. [54] Los técnicos de HVAC que han sido capacitados también pueden obtener certificación en áreas como aire acondicionado, bombas de calor, calefacción de gas y refrigeración comercial.
La Chartered Institution of Building Services Engineers es un organismo que cubre el servicio esencial (arquitectura de sistemas) que permite el funcionamiento de los edificios. Incluye las industrias electrotécnica, de calefacción , ventilación , aire acondicionado, refrigeración y fontanería . Para formarse como ingeniero de servicios de construcción , los requisitos académicos son GCSE (AC) / Grados 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, por lo tanto, también para estar registrados en el Consejo de Ingeniería del Reino Unido como ingeniero colegiado, los ingenieros también deben obtener una licenciatura con honores y una maestría en una materia de ingeniería relevante. [ cita necesaria ] CIBSE publica varias guías sobre 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 varios criterios y estándares de diseño recomendados, algunos de los cuales se citan en las regulaciones de construcción del Reino Unido y, por lo tanto, constituyen un requisito legislativo para obras importantes de servicios de construcción. Las principales guías son:
Dentro del sector de la construcción , es trabajo del ingeniero de servicios de edificación diseñar y supervisar la instalación y el mantenimiento de los servicios esenciales como gas, electricidad , agua, calefacción e iluminación , entre muchos otros. Todo esto ayuda a que los edificios sean lugares cómodos y saludables para vivir y trabajar. Los servicios de construcción son parte de un sector que cuenta con más de 51.000 empresas y emplea entre el 2% y el 3% del PIB .
La Asociación Australiana de Contratistas Mecánicos y de Aire Acondicionado (AMCA), el Instituto Australiano de Refrigeración, Aire Acondicionado y Calefacción (AIRAH), la Asociación Australiana de Mecánicos y Refrigeración y CIBSE son los responsables.
El control de temperatura arquitectónico asiático 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) rigen 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 HVAC en la India. ISHRAE es un asociado de ASHRAE. ISHRAE se fundó en Nueva Delhi [55] en 1981 y se inició un capítulo en Bangalore en 1989. Entre 1989 y 1993, se formaron capítulos de ISHRAE en las principales ciudades de la India. [ cita necesaria ]
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Medios relacionados con el control climático en Wikimedia Commons