Unidades de tratamiento de aire. I J. Aramburu Calvo I

Transcripción

1 climatización Unidades de tratamiento de aire Critérios de diseño I J. Aramburu Calvo I director técnico de Trox España Las unidades de tratamiento de aire, conocidas habitualmente como climatizadores, son elementos fundamentales dentro del proyecto de climatización centralizada de los edificios. En ellas se realizan los procesos de adaptación térmica, higroscópica, y de filtrado del aire que va a ser respirado por los ocupantes de los locales. 2 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES

2 I climatización I I Las demandas de confort y ventilación son crecientes, al mismo tiempo que es una exigencia fundamental reducir el consumo energético dedicado a los sistemas de climatización. Esta exigencia no se fundamenta únicamente en razonamientos económicos, sino que está directamente ligada con la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente CO 2. En este marco cada vez más exigente, el ingeniero proyectista necesita herramientas y conocimientos que le aseguren una correcta selección y definición de los equipos, así como una fiabilidad de los datos obtenidos. En este artículo se muestran, de una forma práctica, los principales pasos a seguir en la configuración y dimensionamiento de los equipos. Debido a las limitaciones de extensión del mismo, no es posible entrar a definir todas las secciones de tratamiento existentes, ni ejecuciones específicas para algunos tipos de industrias y aplicaciones. El lector puede, sin duda, contactar con fabricantes especializados para resolverlas. I Datos de partida I I Datos y objetivos iniciales I Como en cualquier fase de selección y dimensionamiento de equipos para las instalaciones de HVAC, previamente a entrar a dimensionarlo será necesario disponer de los datos de partida. Estos datos serán, para el caso de la definición de Unidades de Tratamiento de Aire (UTA): Caudal de aire de impulsión. Caudal de aire de retorno/extracción. Caudal de aire de ventilación. Potencias frigorífica y calorífica. Presión estática disponible en impulsión. Presión estática disponible en retorno/extracción. Condiciones del aire en retorno/extracción. Condiciones del aire en exterior. Condiciones del aire en impulsión. Cantidad de humedad a aportar. Todos estos datos son básicos en la realización de las hojas de carga térmicas de los locales, o son un resultado de las mismas, por lo que el proyectista dispone de ellos a la hora de definir los equipos. Los criterios básicos a la hora de definir los equipos, e incluso de realizar los cálculos de demanda térmica y de ventilación, serán los siguientes: Facilitar el mantenimiento y la operación de las UTAs en la instalación. Si en la configuración existen otro tipo de secciones menos habituales, es posible que se necesite de mayor información, pero los anteriores cumplen con la mayoría de las instalaciones. I Fases de la definición de UTAs I Durante la selección de las unidades de tratamiento de aire se pueden distinguir dos fases. La primera de ellas es la Configuración. En ella únicamente se asegura que la unidad dispone de todas las secciones de tratamiento de aire necesarias para cumplir con los objetivos y demandas del proyecto. La segunda será el Dimensionamiento. En esta segunda fase se calculará cada una de las secciones anteriores, llegando a definir sus dimensiones, consumos energéticos, pérdidas de carga, etc. Durante ambas fases será necesaria la consulta de la Reglamentación vigente, las normas de referencia y otros documentos como catálogos de fabricante, programas de selección de equipos, etc. I Configuración I I Secciones de la UTA I Ya se ha indicado que la fase de configuración tiene como finalidad la definición exclusivamente en tipo y número de las secciones de tratamiento de aire necesarias para adaptarse a las demandas del proyecto. Al final de este proceso se obtendrá un esquema del equipo con las secciones similar al de la figura 1. Las secciones más habituales de las unidades de tratamiento de aire son: Ventiladores. Tanto para impulsión como para retorno, con diferentes soluciones constructivas. Mezcla de aire, recirculación o free-cooling. Secciones de compuertas de aire. Garantizar las condiciones de confort de los usuarios. Minimizar el consumo energético del conjunto de instalaciones de climatización y ventilación. Incluso a la hora de predimensionar los equipos, un criterio también básico será: Figura 1. MONTAJES E INSTALACIONES I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I 3

3 climatización Filtración. Sistemas de filtración mecánica, filtros electrostáticos... Recuperación de energía. Con distintas soluciones de recuperación (placas, rotativos, sorción, baterías...). Calefacción. Mediante baterías de agua caliente, expansión directa, resistencias eléctricas... Refrigeración. Mediante baterías de agua fría o expansión directa. Humidificación. Humectadores adiabáticos de panel, boquillas de alta presión, humectadores por lanza de vapor. Atenuación acústica. Celdillas de silenciadores. Estas secciones se seleccionarán según la demanda del proyecto, pero sí es importante también tener algunas consideraciones en cuenta para la elección del tipo de solución y su ubicación dentro del esquema de la UTA. En los apartados siguientes se muestran las consideraciones más importantes al respecto de cada una de las secciones, únicamente en lo que afecta a la configuración de la unidad, no a su dimensionamiento, que se tratará en el siguiente capítulo. I Secciones de ventilación I Los ventiladores son elementos necesarios en el funcionamiento del equipo y, al mismo tiempo, son los consumos principales del equipo, por lo que siempre será interesante seleccionarlos con el criterio de máxima eficacia posible. A la hora de definir la tipología del ventilador en una UTA se dispone básicamente de las siguientes opciones: Alabes de acción curvados hacia delante. Con un rendimiento estático máximo del 56%. Alabes a reacción curvados hacia atrás, no airfoil. Con un rendimiento estático máximo del 74%. Ventilador sin envolvente espiral, plug-fan. Con un rendimiento estático máximo del 70%. Alabes a reacción curvados hacia atrás, tipo airfoil. Con un rendimiento estático máximo del 78%. Obviamente el rendimiento del ventilador también depende de otras consideraciones, como el tamaño, el tipo de transmisión entre motor y ventilador, ajuste del punto de funcionamiento, etc. El rendimiento que interesa controlar en la UTA es el rendimiento estático, o rendimiento de presión estática. Un ventilador seleccionado pequeño puede dar una falsa imagen de rendimiento total (presión total) porque tenga una presión dinámica alta debido a la velocidad de descarga. En la mayoría de los casos esta velocidad se perderá en rozamientos, calor e ineficiencias en la red de conductos, por lo que realmente no es una energía aprovechada. I Recuperadores de energía I La recuperación de energía sobre el aire extraído se debe tener en cuenta al menos siempre que ese caudal sea igual o superior a 0,5 m 3 /s, según el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE). Como la recuperación se realiza siempre sobre el aire expulsado y el aire exterior de ventilación, ésta sección debe ser previa a cualquier otra de recirculación, mezcla o free-cooling. Los recuperadores se pueden agrupar en los siguientes tipos principales, si bien existen soluciones específicas para algunos casos, que también pueden tenerse en cuenta (circuitos de absorción internos, recuperadores en pp con humectación etc.): Baterías de recuperación. Se puede estimar que los rendimientos no serán superiores a un 35%. Recuperadores de placas. La recuperación es únicamente del calor sensible (temperatura) y los rendimientos térmicos pueden llegar a superar el 50%. Recuperadores rotativos. Se trata de recuperadores en forma de rueda que transfieren la energía de un flujo a otro del aire. Los hay de tipo sensible, que sólo recuperan temperatura o de tipo entálpico. Los rendimientos térmicos pueden llegar al 70%. Recuperadores de sorción. Tipo especial de rotativo que aumenta en gran medida la recuperación de humedad. Los rendimientos térmicos pueden llegar al 70%. La reglamentación no especifica el tipo de recuperador que se debe utilizar en cada caso. A pesar de ello se trata de un elemento muy importante a la hora de minimizar el coste energético y, por lo tanto, es el proyectista quien debe hacerlo en función de las condiciones del aire. A este respecto, es interesante constatar que el rendimiento de los equipos de recuperación se indica exclusivamente sobre el calor sensible de aire exterior, cuando en cierto modo debiera ser más interesante estudiar el calor total (sensible más latente) aportado o extraído al aire exterior respecto del aire expulsado, que es el foco de energía que se dispone para aprovechar. En zonas húmedas de costa siempre será interesante contar con equipos entálpicos o de sorción para disminuir la energía perdida en las baterías de frío por condensación de un aire muy húmedo. En las figuras 2 a 5 se observan los procesos de varias recuperaciones de calor: Recuperador de placas. Recuperador de placas con refrigeración adiabática indirecta. Recuperador de rotativo sensible. Recuperador de porción. Todas ellas correspondientes a un proyecto de climatización en la ciudad Barcelona. En ambos casos el rendimiento en temperatura es idéntico, pero la cantidad de energía recuperada es muy diferente. La tabla 1 resume la diferencia de energías. En todos los casos las condiciones de impulsión deben ser las mismas, por lo que el recuperador más eficiente es en este caso el de sorción, que ha eliminado mucha humedad mejorando la eficacia de la batería de frío. De hecho, su eficacia dobla al segundo en esta clasificación. 4 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES

4 I climatización I Figura 2. Figura 4. Figura 3. Figura 5. I Tipos de humectación I Si en la instalación se va a realizar un control de humedad, o si se desea aprovechar la humectación adiabática como sección de refrigeración, se podrá optar entre las siguientes posibilidades: Humectación por panel. Se basa en la absorción de humedad por parte del aire al atravesar un panel de fibra de vidrio o de celulosa empapado en agua. I tabla 1 DIFERENCIAS DE ENERGÍAS I Placas Placas+adiab Rotativo ent. Sorción Temp. Ent. 28,2 ºC 28,2 ºC 28,2 ºC 28,2 ºC Hum. Ent. 65% 65% 65% 65% Entalp. Ent. 16,3 kcal/kg 16,3 kcal/kg 16,3 kcal/kg 16,3 kcal/kg Temp. ret. 24 ºC 18,9 ºC 24 ºC 24 ºC Hum. ret. 50% 91,0% 50% 50% Temp. Sal. 25,6 ºC 22,5 ºC 25,6 ºC 25,2 ºC Hum. Sal. 75,6% 91,2% 70% 57% Entalp. Sal. 15,7 kcal/kg 14,9 kcal/kg 15,0 kcal/kg 13,4 kcal/kg Dif. Sensible 0,6 kcal/kg 1,4 kcal/kg 0,6 kcal/kg 0,6 kcal/kg Dif. Total 0,6 kcal/kg 1,4 kcal/kg 1,3 kcal/kg 2,9 kcal/kg MONTAJES E INSTALACIONES I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I 5

5 climatización Humectación mediante boquillas a alta presión. Sistema de pulverización o nebulización de agua en el aire mediante boquillas. Humectación mediante lanza de vapor. Adición de humedad en forma de vapor al aire. Este vapor puede provenir de un equipo autónomo o de una red de vapor. Si lo que se desea es utilizar la humectación como sistema de refrigeración adiabática, no se podrá usar el sistema de vapor, ya que no hay cambio de fase en el agua. Si se desea utilizar un sistema con capacidad de precisión para ajustar las condiciones de humedad del aire impulsado, no se podrá usar el sistema de panel, ya que no dispone de capacidad de regulación proporcional. El aire toma toda el agua de que es capaz. En todos los casos es importante destacar que la aportación de humedad al aire exterior en las condiciones de invierno debe realizarse con posterioridad al tratamiento térmico de calefacción, ya antes de ello este aire tiene muy poca capacidad de tomar humedad. Cuando se configure la UTA, la batería de calefacción estará previa a la sección de humectación. En los casos de humectación adiabática, bien sea por panel o por boquillas pulverizadoras, se tendrá en cuenta que se produce una refrigeración del aire debido al cambio de base del agua líquida. Por ello será necesario dimensionar la batería de calefacción no sólo con las demandas térmicas calculadas para la ventilación y tratamiento térmico de los locales, sino para compensar el descenso de temperatura asociado a la humidificación. I Variadores de frecuencia I En las secciones de ventilación se puede plantear la posibilidad de incorporar variadores de frecuencia para gestionar el funcionamiento de estos equipos. Será totalmente necesario en aquellas situaciones en las que el proyecto se base en las operaciones de caudal variable. Estas instalaciones se suelen basar en el mantenimiento de una presión constante en los conductos generales de impulsión, mientras que las unidades terminales varían los caudales de entrada de aire a los locales, adaptándose a las demandas de cada uno de ellos. Pero, por otro lado, los variadores pueden facilitar muchas operaciones de la instalación, al mismo tiempo que minimizan los consumos de la misma. Los siguientes puntos son ejemplos de estas posibilidades: Mantenimiento de caudales de aire constantes con independencia del grado de suciedad de los filtros o en los casos de funcionamiento en modo free-cooling. Posibilidad de establecer distintos caudales nominales en función de diferentes modos de operación (standard, night cooling, alta ocupación, barrido inicial,...). Adecuación de los caudales de ventilación a la calidad de aire interior mediante el uso de sondas de calidad de aire. Aparte de estas posibilidades, también facilita las labores de puesta en marcha de la instalación, evitando la realización de cálculos y sustitución de poleas y correas para la adecuación de la unidad a las condiciones reales del edificio (prácticamente nunca se ajustan exactamente al proyecto). Por otro lado, aumenta la vida de motores y ventiladores, al evitar los picos de sobreintensidad en los arranques. Por último, permite la adaptación de los equipos a nuevas necesidades provenientes de reformas en los edificios o cambios de actividad en los locales. I Secciones de expansión I Estas secciones son las menos comprendidas en las UTAs. Se trata de espacios vacíos entre secciones de tratamiento de aire, que habitualmente no son tenidas en cuenta ya que parecen carecer de sentido, pero que deben ser consideradas ya que sin ellas el funcionamiento de los climatizadores se vería afectado. Habitualmente se trata de secciones vacías que permiten uniformizar el flujo de aire previamente a la entrada en otra sección. Situaciones más habituales de estas secciones vacías son: La entrada de aire a la UTA. Las secciones de aspiración y descarga de los ventiladores. I Dimensionamiento I Una vez finalizada la fase de configuración, el resultado sería un boceto esquemático de la unidad de tratamiento de aire. La siguiente fase es la de dimensionar cada una de las secciones. En este capítulo se establecerán algunos de los criterios de dimensionamiento de dichas secciones. I Sección recta I Habitualmente, el primer paso a la hora de configurar el equipo es seleccionar la sección recta del mismo en anchura y altura, ya que se suele tratar de un valor constante a lo largo de las secciones. En la mayoría de los casos se trata de una selección basada en la velocidad de paso del caudal de aire a través de la batería de refrigeración, con valores entre 2,5 y 2,6 m/s. De todas formas, hay equipos en los que el aire no pasa a través de baterías de refrigeración y que, por lo tanto, no es el criterio a utilizar. La tabla 2 muestra las velocidades máximas de paso por cada tipo de sección. Las velocidades están referidas a la sección recta total del componente con relación a la dirección del flujo de aire. I Filtros I A la hora de seleccionar el tipo y cantidad de los filtros en la UTA, se tendrá en cuenta el caudal total y las pérdidas de carga de los filtros a filtro limpio y a filtro colmatado. La pérdida de carga a filtro limpio es aquella que presenta el filtro cuando está recién colocado y no ha comenzado a ensu- 6 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES

6 I climatización I I tabla 2 Tipo de sección Velocidad máxima I tabla 3 Clase de filtro ciarse. Este valor depende de la velocidad de paso de aire por el filtro (caudal); cuanto mayor sea, menos tiempo de vida útil se deja al filtro, ya que llegará antes a la pérdida a filtro colmatado. Este último valor es aquel al que es necesario sustituir ese filtro por uno nuevo. A la hora de seleccionar los filtros, también es necesario tener en cuenta la pérdida de carga que se va a considerar para seleccionar el ventilador de la unidad. Esta pérdida de carga no puede ser la inicial, ya que con filtros sucios la UTA no sería capaz de garantizar el caudal de aire nominal; pero tampoco suele ser el de filtro colmatado, ya que en cada unidad suele haber más de un filtro en serie y es muy complicado que estén sucios en el mismo porcentaje. Para esta selección la norma EN recomienda utilizar los valores que se recogen en la tabla 3. I Baterías de agua fría I A la hora de dimensionar las baterías de agua fría, será necesario tener en cuenta el caudal de aire, la potencia frigorífica demandada por proyecto y las condiciones de entrada y salida del agua. De todas formas, también será necesario conocer las condiciones de salida del aire de la batería, especialmente la temperatura. Esto es así, ya que la batería de refrigeración elimina calor sensible y latente al mismo tiempo. La proporción entre ambos depende de las condiciones del aire a la entrada (temperatura y humedad) y del agua fría. En general, si se desea trabajar básicamente para compensar cargas sensibles, el agua deberá estar a más temperatura, de forma que no se produzca condensación. Si el propósito de la batería es deshumidificar el aire, se debe contar con agua a baja temperatura, incluso glicolada para poder trabajar a temperaturas inferiores a 5ºC. En los casos de deshumidificación es necesario dimensionar la potencia de la batería de forma que se alcance el valor de humedad absoluta deseado. Habitualmente esta situación exige un sobre-dimensionamiento de la batería en cuanto a potencia sensible demandada por el edificio y un post-calentamiento posterior para adecuar la temperatura a las condiciones de impulsión del proyecto. Por lo tanto, el cálculo de las baterías debe hacerse con un programa adecuado, aunque las tablas de los fabricantes pueden ser una buena aproximación en los comienzos del proyecto. Otros factores a tener en cuenta para la selección de estas baterías son: Número mínimo de filas. Pérdidas de carga en el agua. Pérdida de carga final Pérdida de carga cálculo G1 - G4 250 Pa 150 Pa F5 - F7 450 Pa 200 Pa F8 - F9 450 Pa 300 Pa I Baterías de agua caliente I En las baterías de agua caliente tan solo se intercambia calor sensible, por lo que no aparece el problema anterior. A la hora de seleccionar la batería también se partirá de los valores de caudal de aire, condiciones del aire a la entrada y temperaturas del agua caliente. Ya se ha indicado en los apartados de configuración que hay dos procesos en los que se requiere un calentamiento adicional. Uno es el que va asociado a la deshumidificación por condensación. El otro proceso es el correspondiente a la humidificación adiabática para adecuar la humedad en las condiciones de invierno. El cálculo de la batería se debe dimensionar con la suma de dos términos: la potencia calorífica de proyecto y la potencia necesaria para compensar la refrigeración originada en el proceso de humidificación. Baterías de refrigeración Baterías de calefacción Humectadores panel Prefiltros planos G3-F5 Filtros planos F6-F9 Filtros bolsas /plissé F6-F9 Filtros absolutos H10 - H13 Silenciadores 2,5 m/s 3,2 m/s 3,5 m/s 3,3 m/s 2,7 m/s 3,3 m/s 3,1 m/s 5,0 m/s I Recuperadores de calor I Los recuperadores de calor se seleccionarán en función de su tipo y aplicación, buscando aprovechar la mayor cantidad de energía del aire extraído. En el apartado Recuperadores e energía del capítulo anterior ya se ha indicado la diferencia entre los tipos de recuperador. El único criterio de dimensionamiento, aparte de lo que el proyectista establezca para el edificio, viene dado por el RITE. El reglamento establece unos valores mínimos de rendimiento y unos máximos de pérdida de carga al paso de aire, en función de las horas de funcionamiento del equipo. MONTAJES E INSTALACIONES I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I 7