07 noviembre 2009

Eficiencia en el diseño y reformas de sistemas de distribución de aire

Un nuevo artículo sobre eficiencia energética, y esta vez nos centramos en los sistemas de distribución de aire y agua. En estos sistemas existen oportunidades para minimizar el uso de la energía y reservar el calor que en muchas ocasiones acaba derrochándose. ¿Somos realmente conscientes de la energía que se está tirando en nuestros sistemas de distribución de aire y agua? Probablemente no. Tan solo la factura energética es testigo de diseños ineficientes.

Sistemas de aire

Un sistema de aire puede utilizarse para proporcionar control completo o parcial del ambiente interno de un edificio. Este puede incluir una combinación de calentamiento, enfriamiento, deshumidificación, humidificación, suministro, suministro de aire limpio de aire limpio, retirada de aire contaminado y presurización de edificios contra infiltración.

El sistema de aire puede utilizar una planta centralizada poseerá localizado. El aire que ha sido tratado o acondicionado es distribuido por ventiladores a través de conductos para espacios individuales y descargados por colectores o unidades terminales.
Varios tipos de sistemas de aire se usan comúnmente y pueden categorizarse como de baja velocidad (hasta 10 m/s) o alta velocidad (hasta 20 m/s en aplicaciones comerciales). Los sistemas de aire pueden transmitir volumen constante o volumen de aire variable.
Los sistemas de aire también se clasifican de acuerdo con la presión de operación: Clase baja (500 Pa), media (1000 Pa) y alta (2000/2500 Pa).
Sí bien el coste de capital del sistema de distribución de aire es generalmente más bajo cuando se adoptan diseños de alta velocidad y presión alta/media, es importante notar que la energía consumida por el ventilador y por el sistema en sí es invariablemente más alta en estos diseños.
El uso de técnicas de costes en el ciclo de la vida tienen en cuenta el consumo de energía y costes a lo largo de toda la vida de la planta y pueden usarse para demostrar las penalidades asociadas con sistemas que no son eficientes en energía.
Los sistemas de alta velocidad y presión serán siempre menos eficientes energéticamente que un equivalente de baja presión y velocidad con respecto a la energía requerida para mover los ventiladores y distribuir el aire alrededor del sistema. Por ejemplo, con una tasa de caudal de aire de 3 m3/s, cada 250 Pa adicionales de presión de operación del sistema añadirán alrededor de 1 kW a los requerimientos de energía del motor del ventilador.

Beneficios del sistema de aire

Los sistemas de aire ofrecen numerosos beneficios operacionales y ahorro de costes para la conservación de energía y calor. Los más significativos son los siguientes:

  1. Usar un ciclo de operación que proporcione aire fresco en cantidad y calidad suficiente para satisfacer los requerimientos de carga de la construcción, programación de la operación y modelos de ocupación. Esto puede alcanzarse por sensores de entalpía y/o gas o gas o controles de CO2 internos que permiten reducción o eliminación de operaciones de la planta de refrigeración mecánica y evitan el derroche de energía mediante el tratamiento de volúmenes altos innecesarios de aire fresco.
  2. Siempre que esté correctamente diseñado, el equipo centralizado es generalmente más eficiente, puede tomar ventaja de la distribución de la carga en todo el edificio, es más fácil de mantener y usualmente mejor adaptado para operar a rendimiento parcial.
  3. Los métodos más eficientes de filtración de aire pueden usarse, controlarse y mantenerse convenientemente, para evitar caídas de presión innecesarias y excesivo consumo de energía.
  4. Donde se requiera, puede alcanzarse un control razonable de la humidad relativa del espacio durante todas las estaciones. Si no se diseña y opera apropiadamente, el aparato de humidificación puede ser un usuario particularmente grande, ej. En equipos que usan entrada eléctrica directa para generación de vapor.
  5. La flexibilidad de operación proporciona calentamiento o enfriamiento para controlar temperatura y humedad con condiciones internas o externas cambiantes que puedan minimizar sobrecalentamiento, sobreenfriamiento o mezclas derrochadoras.
  6. La capacidad para proporcionar un suministro de aire fresco variable o cantidades de aire de salida que manejen requerimientos no previstos o inusuales, tales como cambio de uso, ocupación anormal, ciclos de control de economía o emergencias con llama/fuego: también para mantener espacios a presiones ligeramente positivas o negativas para controlar infiltración de contaminantes.
  7. Otra medida interesante es facilitar el uso de un control de velocidad y reparto del volumen de aire variable. Con este dispositivo se considerarán las variaciones de carga estacional y diaria en requerimientos de calentamiento, enfriamiento y ventilación. En consecuencia se controlará la entrada de energía en el ventilador.
  8. Los sistemas de aire son particularmente convenientes para recuperar el calor de las cargas del interior del edificio como iluminación, ocupación y equipos.

Diseño del sistema de aire

Cuando se diseñen sistemas de aire para nuevos edificios o se rediseñen los existentes, se tendrán en cuenta las siguientes especificaciones de eficiencia energética:

  1. Minimizar el flujo del suministro de aire para reducir la energía del ventilador y el consumo energético.
  2. Evitar el uso arbitrario de cambios de aire por hora como base del diseño para determinar los volúmenes de aire de alimentación.
  3. Obtener un caudal de aire óptimo en pérdidas/ganancias de calor sensible del espacio servido.
  4. Si las condiciones lo permiten, se usará un diferencial de temperatura de habitación-aire a aire que minimice el volumen del suministro de aire y la potencia del ventilador.
  5. El diseño de los sistemas de conductos deben alcanzar las menores pérdidas posibles por fricción. En particular, uso de accesorios de baja resistencia.
  6. Considerar que se proporcione un medio para variar el volumen de aire de alimentación de acuerdo con los requerimientos de carga. Ej. El uso de motores o transmisiones de ventiladores de velocidad variable o el uso de vanos de guía de entrada en los ventiladores.

Rediseño de sistemas de aire para ahorro energético

La resistencia total al caudal de aire (pérdida de presión) de un sistema de conductos es la suma de resistencias de las longitudes de conductos individuales, accesorios y componentes en el circuito de resistencia más alta. Adicionalmente, la resistencia de los componentes de la planta central, ej. Filtros, compuerta volumétrica, serpentines, etc., generalmente forma una parte substancial de la resistencia del sistema total. Para reducir los requerimientos de energía del ventilador rediseñando el sistema requiere métodos de investigación para reducir la resistencia para reducir la resistencia al caudal de aire del sistema de conductos y componentes.

  1. Los conductos rectos generalmente ofrecen poca o ninguna oportunidad para reducir la resistencia a menos que se sustituyan secciones.
  2. En muchos sistemas existentes la alteración/sustitución de accesorios de conductos puede permitir reducciones sustanciales en resistencia de sistemas. En particular, sustituir codos rectangulares representa una oportunidad para reducir la pérdida total del sistema. Otros ítems tales como compuertas, transiciones y tees pueden modificarse para reducir la resistencia del sistema. Las conexiones incorrectamente diseñadas también pueden incrementar el consumo innecesariamente.
  3. Las pérdidas de aire también derrochan energía. El efecto de calentamiento y enfriamiento del sistema es derrochado mientras que a la vez se requieres potencia adicional del ventilador para proporcionar más energía de lo necesario para compensar las pérdidas. Los viejos conductos sin sellar pueden perder nada menos que el 25 % del caudal de aire del ventilador. Donde las conexiones sean malas deberán ser modificadas o reemplazadas. Incluso los sistemas nuevos sin sellar convenientemente pueden perder entre el 5 y 10 %. El sistema deberá ser controlado completamente y todas las pérdidas detectables deben sellarse. Deben repararse especialmente las conexiones flexibles del ventilador.
  4. En la planta central, la resistencia al caudal de los filtros, particularmente cuando están sucios, es a menudo considerable. Deben verificarse los filtros y revisarse la eficiencia y el rendimiento a la menor resistencia posible y coste aceptables.
  5. En sistemas con serpentines de calentamiento y enfriamiento separados estas serpentines normalmente están dispuestos en serie y ello impone una resistencia combinada todo el año aunque se use un solo serpentín en un momento dado. En algunas aplicaciones puede eliminarse el serpentín de calentamiento y el de enfriamiento reconfigurarse. Esto permite ahorrar energía en el ventilador.
  6. Todos los sistemas de aire deben comprobarse para ver si puede mejorarse la eficiencia energética. Esto incluye servicio a baños, cocinas, garajes, etc.
  7. Recalculado del sistema de aire: A menudo los márgenes de diseño están sobredimensionados y el exceso de presión puede ser absorbido cerrando compuertas innecesarias.

Factores de transporte de aire

El factor de transporte de aire de un sistema dado es una medida de aire requerida para la distribución de aire.

  • El factor de transporte de aire (ATF) se define como: "La tasa de calor sensible suministrado o eliminado del aire, dividido por la entrada de energía de todos los ventiladores en el sistema de suministro y extracción de aire. El ATP debe siempre minimizarse .

Bibliografía: Energy efficiency handbook. Heating and ventilating contractors´ Association

Palabras clave: Life-cycle costing techniques

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