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Difusión de aire: configuración y diseño

Comprender las diferentes estrategias de difusión de aire, así como los parámetros y configuraciones de diseño de un proyecto son la base para obtener los mejores beneficios de cualquier tecnología cuando hablamos de eficiencia energética y confort para los usuarios

Enrique Maldonado / Esquemas: cortesía del autor

El concepto difusión se refiere a la distribución del aire dentro de un espacio a través de algún elemento diseñado para tal propósito, llámese rejilla o difusor, el cual descarga aire de inyección (impulsión) en varias direcciones o planos.

Un difusor de desplazamiento colocado cerca del nivel de piso suministra aire a 64 °F a una velocidad menor a los 75 fpm. El sistema de ventilación por desplazamiento, a su vez, está diseñado por su concepto para áreas de doble altura, o más.

El flujo de aire ocasiona una estratificación térmica en el espacio mediante el movimiento vertical de aire hacia la zona de carga y alta temperatura (parte superior del área acondicionada).

Generalmente, las salidas de aire están localizadas en la parte baja de las áreas a acondicionar y permiten difundir los flujos de aire desde un conducto a un espacio cerrado. La aplicación de la difusión de aire por desplazamiento puede encontrarse en: aeropuertos, áreas o salones de fumadores, salas de juntas, cocinas, escuelas, restaurantes, auditorios, lobbies, atrios, gimnasios, centros comerciales, etcétera.

Acondicionamiento de aire por mezcla. Los flujos de aire de la habitación están controlados por el alto impulso del aire de inyección, el cual circula en gran cantidad en el interior. La disipación de contaminantes en el sistema por mezcla se caracteriza por poseer una alta velocidad, mezcla total y la temperatura de inyección es de 52-58 °F; habrá que cuidar el nivel de ruido.

Acondicionamiento de aire por zonificación mezcla. Los flujos de aire son controlados parcialmente por el aire de inyección y parcialmente por el aire de desplazamiento. La disipación de contaminantes en el sistema por mezcla sale a una alta velocidad; se da una mezcla total, la temperatura de inyección es de 52-58 °F y también hay que cuidar el nivel de ruido.

Acondicionamiento de aire por zonificación. La disipación de contaminantes en el sistema por mezcla tiene una alta velocidad, se da una mezcla total de aire en la habitación, la temperatura de inyección es igual a las anteriores y, de igual forma, hay que tener cuidado con el nivel de ruido.

Acondicionamiento de aire por VD o estratificación. Los flujos de aire son controlados, principalmente, por el desplazamiento (flotación); la distribución del aire de inyección se da con un bajo impulso a baja velocidad. La disipación de contaminantes es mínima, por lo que cada elemento tiene su propio aire. Este sistema trabaja con bajas velocidades, presenta bajo nivel de ruido y una mínima mezcla; la temperatura de inyección se recomienda que sea de 63 a 68 °F.

Acondicionamiento de aire por distribución de aire por piso (UFAD). Los flujos de aire en la habitación inicialmente presentan una zona de 4 a 5 pies (1.20-1.52 metros) en mezcla y, posteriormente, se genera un desplazamiento (flotación); la distribución del aire de inyección se da a baja velocidad; presenta media estratificación.

Ventilación por desplazamiento o estratificación. Esta técnica permite desplazar el aire caliente y contaminado hacia la parte superior del área. La inyección de aire nuevo y fresco se da a bajas velocidades y a nivel de piso, por lo que hay que considerar extraer el aire caliente y contaminado desde la parte superior del área hacia el exterior.

La ventilación por desplazamiento está diseñada para áreas de doble altura; su funcionamiento aprovecha las fuerzas de flotabilidad natural por las ganancias de calor. El acondicionamiento de las áreas se genera de abajo hacia arriba y aprovecha la estratificación térmica, un fenómeno en el que la temperatura del aire de un área no se mantiene uniforme ni homogénea, sino que se observa la superposición de diferentes capas de temperatura desde el suelo hasta el techo. Esto es consecuencia natural del aumento de temperatura en un espacio interior.

Cada una de las estrategias de difusión de aire ofrece diferentes niveles de velocidad, ruido, temperatura de inyección y mezcla de aire

Beneficios
Además del bajo consumo de energía y una mejor Calidad del Aire Interior (IAQ, por sus siglas en inglés), la difusión de aire arrastra los contaminantes por encima de la zona de cambio, por plums de aire de convección, creando una zona de ocupación más limpia. Considerando que sólo esta área requiere enfriamiento, la tasa de flujo de aire requerido y la capacidad de enfriamiento pueden reducirse. Otras cualidades de esta tecnología son:

  • Mejor IAQ
  • Factor de ventilación efectiva: 1.2
  • Bajo costo y ahorro de energía
  • Posibilidad de retrofit
  • LEED:
    • IAQ, (Calidad del Aire Interior)
    • E&A, (Energía y atmósfera)
    • IEQ (Calidad del Ambiente Interior)
    • M&R (Material & Resources)
    • SS (Sitios Sustentables)
    • WE& I & DP (Procesos de Diseño e Innovación; Eficiencia del agua)
  • Comportamiento acústico excepcional (salas de grabación, teatros, auditorios)
  • Al no mezclar el aire en las zonas de ocupación, no se mezclan posibles humos, malos olores, humedad, etcétera

Configuración

  1. Seleccione la temperatura del aire de inyección para cumplir con los requerimientos de confort del área
  2. Calcule el flujo de aire de inyección basado en la carga de enfriamiento, la temperatura de diseño y la configuración del sistema de ventilación del espacio
  3. Determine el proceso y la unidad manejadora de aire
  4. Seleccione las unidades de desplazamiento y ubíquelas en el área

Parámetros a considerar

  • Velocidad del aire de suministro entre 1200-1500 fpm
  • Temperatura del aire de suministro: 63-68 °F (17-20 °C)
  • 5-10 °F (2-5 °C) menor a la temperatura de set point
  • Temperatura de retorno: 78-85 °F
  • Efectividad de la ventilación: 1.2
  • Velocidad de salida del aire: 40-70 fpm
  • Fácil control de la humedad
  • Distancia de los difusores a las personas: 2 pies
  • Altura del área a acondicionar 13 pies (4 metros)
  • Estándar 55 ASHRAE:
    • Personas sentadas: no exceder los 5.4 °F (3 °C) entre el piso y la cabeza
    • Personas de pie: no exceder los 3.6 °F (2 °C) entre el piso y la cabeza

Procedimiento de diseño
1 Determine la carga de enfriamiento durante el verano del área a acondicionar. Use el software de su preferencia o el método manual de ASHRAE para determinar la carga en verano, si es posible contemple el gradiente de la temperatura vertical de 1.1 °F/ft2 – 2 °C/m en el espacio para la simulación en el software. Como la temperatura del aire en el área no es uniforme con el sistema de ventilación por desplazamiento, detalle las cargas en las siguientes categorías:

  • Ocupantes, lámparas de escritorio, equipos, qoe (Btu/h –W)
  • Iluminación en la parte superior ql Btu/h-W)
  • Radiación solar y conducción de calor a través de la envolvente del edificio al cuarto, qex (Btu/h-W)

2 Determine la taza de flujo de ventilación de la carga de enfriamiento QDV. El caudal requerido para el enfriamiento durante el verano con aire estándar es:

Donde:
QDV = El caudal de aire requerido para satisfacer las cargas sensibles de enfriamiento en el sistema de DV (cfm)
P =       Densidad del aire, lb/ft3
cp =     Calor específico del aire a presión constante
Thf =    Diferencia de temperatura del nivel de la cabeza a los pies

3 Determine el caudal de aire fresco Qoz. El procedimiento de frecuencia de ventilación incluye valores predeterminados para la efectividad de la misma. La ecuación 6.1 se usa para determinar el flujo de aire exterior de la zona de respiración.

Donde:

Qoz = El volumen de aire exterior requerido, determinado de acuerdo con el  Estándar ASHRAE 62.1-2004, con base en la aplicación del cuarto
Rp = Caudal de flujo de aire exterior requerido por persona determinado por el Estándar ASHRAE 62.1-2004 cfm/persona
RA = Caudal de flujo de aire exterior requerido por unidad de área determinado por el Estándar ASHRAE 62.1-2004 cfm/ft2
PZ = Densidad de población: máximo número de personas esperado en la máxima ocupación durante eventos normales
AZ = Área de piso ft2
EZ = Efectividad de la ventilación del sistema de distribución de aire en la zona

4 Determine la tasa de suministro de aire fresco. Elija el mayor caudal de flujo de aire requeridopara el enfriamiento en la temporada de verano y el caudal de flujo de aire de ventilación requerido, así como el caudal de flujo de diseño del aire de suministro

Qs = max (QDV, QOZ)

5 Determine la temperatura del aire de inyección Ts a partir de la siguiente ecuación:

6 Determine la temperatura del aire de extracción con el siguiente método:

7 Evaluar la temperatura de inyección calculada. Dado que la ventilación por desplazamiento proporciona el aire acondicionado frío a lo largo del nivel del piso, se debe observar una temperatura mínima de suministro de aire de 63 °F, para garantizar que el nivel del piso no se vuelva excesivamente frío. Ocasionalmente, la temperatura de inyección calculada en el punto 5 terminará por debajo de 63 °F, en cuyo caso se deben seguir los siguientes pasos para reequilibrar el flujo de aire de refrigeración con una temperatura mínima de suministro de aire.

8 Reequilibre el volumen de aire de inyección (según se requiera) Utilizando una derivación de la ecuación, el volumen de aire de inyección se volverá a calcular con la nueva temperatura del aire de inyección, utilizando los valores previos y la temperatura del aire de extracción calculada.

9 Seleccione los difusores de inyección. El objetivo es maximizar la comodidad en el espacio y minimizar la cantidad de difusores. Recuerde que la velocidad de inyección en la cara de los difusores será de 40 -70 fpm, pero este valor puede aumentar o disminuir según los requisitos de comodidad del espacio. Una simulación de CFD puede validar el diseño y se recomienda para espacios más grandes.

Esquema 1

Posicionamiento de las unidades de baja velocidad
La máxima distancia entre dos unidades es de 27 metros. Si el espacio es más ancho, habrá que considerar localizar unidades al centro del área. Un suficiente flujo de aire asegura el buen desempeño del sistema.

  • Extracción desde la parte más alta del área
  • Difusor de desplazamiento al nivel del piso

Reglamentaciones
La Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) desarrolló el Estándar 62.1-2007 “Ventilación para una calidad aceptable de aire interior”, cuyo propósito es “especificar niveles mínimos de ventilación y otras medidas destinadas a proveer una calidad de aire interior que sea aceptable para las personas y minimice efectos adversos a la salud”. La aplicación de este estándar incluye nuevos edificios, mejoras a inmuebles existentes, así como cambios en edificaciones antiguas identificadas por el estándar, ya que define requerimientos para el diseño de sistemas de limpieza de aire y ventilación, incluyendo su instalación, arranque, operación y mantenimiento.

Posteriormente, hubo algunas actualizaciones y cambios que resultaron en el Estándar 62.1-2010 “Ventilación aceptable para calidad del ambiente interior”, el cual asigna un valor de efectividad de distribución de aire en la zona (Ez) de 1.0 para los sistemas convencionales de mezcla y 1.2 para los sistemas de estratificación total. Esto nos muestra que el sistema de estratificación total tiene una efectividad mayor de 20 por ciento sobre los sistemas convencionales por mezcla y puede proveer el mismo nivel de ventilación con una reducción de 16.7 por ciento del volumen de aire. Esto reduce la cantidad de aire exterior necesario para cumplir con los requerimientos de ventilación en la zona interior.

El éxito en el diseño de la ventilación por desplazamiento proviene del porcentaje del flujo de aire, al suministrar la tasa de flujo de aire para cumplir con el perfil de gradiente térmico de un espacio ocupado, de acuerdo con las guías de confort de ASHRAE.

Otro de los estándares es el ASHRAE 55-2010 “Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana”, el cual recomienda que el diferencial de temperatura vertical entre el tobillo y la cabeza de un ocupante sentado (aproximadamente de 4 a 43 pulgadas) no debe ser más de 5.4 °F, a fin de brindar una comodidad aceptable de 95 por ciento o más de los ocupantes. Para una persona de pie, la misma directriz se aplicaría en un rango de elevación de 4 a 67 pulgadas.

Generalmente, la clasificación que refiere al comportamiento del sonido del catálogo de un difusor de desplazamiento se expresa en términos de un criterio de ruido (NC), basado en un espacio típico con absorción de 10 decibelios (dB) en cada banda de octava, según la norma 70-2006 de ASHRAE (Apéndice D).

Finalmente, el ASHRAE 90.1-2013 “Determinación de ahorro de energía: Análisis cuantitativo” proporciona pautas de eficiencia energética para todos los edificios comerciales, definidos como aquellos inmuebles que no sean viviendas unifamiliares y multifamiliares de tres pisos o menos por encima del grado.

Más eficiencia y ahorro energético
Son diversos los aspectos que inciden en el ahorro de energía al utilizar la ventilación por desplazamiento:

  1. Tamaño y velocidad del ventilador que suministra el aire a las áreas
  2. Para una calidad de aire esperado, se requiere menos aire (hasta 30 por ciento menos), debido a las corrientes de convección alrededor de una persona
  3. La mayor temperatura de inyección del aire se traduce en un mejor coeficiente de desempeño (COP) del chiller
  4. Menor necesidad de enfriamiento mecánico; en climas templados, se puede enfriar sin costo (free cooling) durante una mayor parte del año
  5. En climas calientes y húmedos, se requiere menor enfriamiento del aire de inyección, lo cual significa una reducción de energía para enfriar y deshumidificar
  6. Los elementos de difusión de baja velocidad presentan una muy baja caída de presión, lo cual ayuda en el desempeño del sistema, disminuyendo la demanda de flujo de los ventiladores

Distribución de aire por piso UFAD
Los sistemas de distribución de aire por piso (UFAD) trabajan como distribución de aire parcialmente mezclado (nivel de tobillo) hasta cerca del techo, creando una zona mixta desde el piso hasta la parte superior de la zona ocupada (6 pies), permitiendo que la zona superior esté completamente estratificada. La altura de la zona mixta está controlada por la altura del chorro de aire a una velocidad de 50fpm. La altura ideal de proyección del chorro es de 4 a 5 pies sobre el piso. Los contaminantes estarán por encima de la zona mixta y éstos se elevarán a través de la zona estratificada y serán llevados fuera de la habitación a través del retorno. Las velocidades del aire mixto son a 50 fpm. Las rejillas de piso utilizados en el área interior (más de 12-15 pies desde una pared perimetral) son típicamente redondas y producen un patrón de remolino de aire. Los sistemas UFAD utilizan el espacio debajo de un piso como una cámara plena de aire. Correctamente diseñados aprovechan la estratificación térmica.

ASHRAE recomienda que, para mayor comodidad, la temperatura en la zona ocupada esté entre 73 °F y 77 °F, mientras que la humedad relativa deberá estar por debajo del 60 por ciento. La velocidad máxima en la zona ocupada será de 50 fpm en enfriamiento o de 30 fpm en calefacción.

Las rejillas perimetrales o lineales son también muy comunes en esta aplicación, así como rejillas modulares que permiten su reubicación de forma muy sencilla.

La cámara plena presurizada, típicamente con una altura de 12 a 24 pulgadas (área entre la losa y el piso elevado), es esencialmente un gran ducto mantenido a una presión diferencial constante con respecto a la sala de arriba (entre 0.05 y 0.10 pulgadas de presión). Esta presión se mantiene a través del suministro de aire acondicionado a partir de una serie de terminaciones del ducto de inyección. El espacio y la ubicación de estos conductos dependen de los requisitos de suministro de aire y la profundidad del pleno. Las ventajas de las cámaras plenas presurizadas incluyen un bajo costo inicial y diseños fácilmente adaptables. Los elementos de difusión por piso son rejillas especialmente diseñadas con un regulador ajustable o accionado por el usuario para regular el flujo.

Esquema 2

Retorno de aire
Cuando el flujo de aire va hacia arriba, los retornos deben ubicarse en el techo o en una pared lateral alta a una altura de al menos 8 pies del piso. Esto permite que el calor de las luces del techo se devuelva antes de que pueda mezclarse con el aire acondicionado en la zona ocupada. También habrá una pequeña cantidad de “enfriamiento libre”, debido a la flotabilidad natural del aire caliente.

Si el sistema debe usar aire de inyección de 55°F por razones de humedad, parte del aire de retorno se puede recircular desde el techo a la cámara de piso para elevar la temperatura del aire entre 63 °F y 68 ºF. El grado de hermeticidad del plenum es esencial para el buen funcionamiento del sistema; en tanto que la presión en la cámara plenum se sitúa de 0.02 a 0.1 in-wg. El sistema contará con un variador de frecuencia para el ajuste de las demandas de presión en las diferentes áreas.

Los difusores podrán ser con ajuste manual o automático tipo rotacional, manejando un rango de 80 a 120 cfm, mientras que las rejillas perimetrales tendrán un control de volumen ajustable manualmente, manejando un promedio de 150 cfm/ft. En el caso de las modulares se puede considerar un flujo de hasta 800 cfm; específicamente en módulos de 24 x 24 pulgadas.

En oficinas, la ubicación de los difusores se recomienda a dos pies de distancia de los ocupantes. Las Unidades Terminales tendrán que ser de bajo perfil con un ventilador integrado del tipo variable. Éste deberá tener un serpentín de agua caliente o resistencia eléctrica para la calefacción.

 

Enrique Maldonado
Ingeniero Industrial con especialización en Producción. Especialista en Distribución de Aire desde el año 1992. Es Gerente de Ventas y de Proyectos de INNES Aire. Participa activamente en diversas sesiones de ASHRAE, AMERIC y FIRC impulsando el conocimiento. Actualmente, asiste a departamentos de diseños y proyectos en el desarrollo de sistemas sustentables de confort de aire acondicionado, calefacción y ventilación.

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