Fundamentos de HVAC

Figura 1: Calefacción (A), ventilación (B) y aire acondicionado (C)

HVAC proporciona confort térmico y mantiene la calidad del aire interior en edificios residenciales, comerciales e industriales. Las funciones básicas de un sistema HVAC son:

Calefacción y refrigeración
Limpieza del aire
Regulación del flujo de aire
Presurización
Humidificación y deshumidificación

Este artículo discute los fundamentos de un sistema HVAC, su funcionamiento y varios tipos.

Aprendiendo los fundamentos de HVAC

Un sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) está diseñado para prevenir la contaminación y proporcionar condiciones de vida y trabajo cómodas.

La calefacción mantiene la temperatura adecuada de la habitación, especialmente en clima frío.
La ventilación implica intercambiar o reemplazar el aire dentro de un espacio para regular la temperatura o eliminar contaminantes.
El aire acondicionado enfría los espacios interiores al eliminar el calor y la humedad del aire.

Nota: HVAC-R es el acrónimo ampliado, donde la 'R' representa refrigeración. Este componente crítico ayuda a preservar bienes perecederos mediante una refrigeración precisa. La refrigeración es esencial en industrias como la de servicios alimentarios, instalaciones médicas y otros sectores donde la refrigeración controlada es necesaria para la seguridad y el cumplimiento.

Por qué es importante el HVAC

Los sistemas HVAC juegan un papel fundamental en el mantenimiento de un ambiente interior adecuado por varias razones:

Calidad del aire interior (IAQ): Los sistemas HVAC comerciales son cruciales para gestionar la calidad del aire interior filtrando contaminantes, alérgenos y partículas. Una IAQ mejorada crea un ambiente más saludable, mitigando el riesgo de condiciones respiratorias y reacciones alérgicas entre los ocupantes del edificio.
Control de temperatura: Alcanzar y mantener niveles de temperatura ideales asegura confort y productividad. Los sistemas HVAC ofrecen un control preciso sobre la temperatura.
Regulación de la humedad: Una humedad adecuada es clave para mantener el confort y proteger la salud dentro de los espacios interiores. Los sistemas HVAC juegan un papel crucial en el control de los niveles de humedad, evitando problemas como la generación de moho y la incomodidad que viene con el aire excesivamente húmedo o seco.
Eficiencia energética: Los sistemas HVAC modernos están diseñados con un enfoque en la eficiencia energética, lo que ayuda a las empresas y propietarios de viviendas a controlar los gastos operativos y reducir su impacto ambiental.

Funcionamiento del sistema HVAC

Figura 2: Estructura HVAC: aire exterior (A), torre de enfriamiento (B), unidad de manejo de aire que comprende filtro, ventilador y bobinas (C), bomba (D), enfriador (E), habitación ventilada (F) y caldera (G).

Aire exterior (A): El sistema toma aire exterior (A), esencial para la ventilación. Este aire se introduce en el sistema para ser filtrado y acondicionado antes de entrar a los espacios interiores.
Unidad de manejo de aire (C): La unidad de manejo de aire (AHU) es un componente central que contiene el filtro, ventilador y bobinas (C). El filtro limpia el aire entrante al eliminar partículas, el ventilador impulsa el aire a través del sistema, y las bobinas, que están conectadas al enfriador y la caldera, acondicionan el aire calentándolo o enfriándolo.
Enfriador (E): El enfriador (E) produce agua fría. Elimina el calor del agua a través de un ciclo de refrigeración, que implica la evaporación y condensación de un refrigerante. El agua fría se bombea entonces a la AHU, que absorbe el calor del aire, enfriándolo efectivamente. El circuito de agua fría incluye un tanque de expansión para acomodar cambios en el volumen de agua debido a fluctuaciones de temperatura.
Torre de enfriamiento (B): La torre de enfriamiento (B) es parte del ciclo de enfriamiento, especialmente en sistemas HVAC más grandes. Ayuda a disipar el calor del edificio enfriando el agua que ha absorbido calor del aire interior. El agua caliente del condensador del enfriador se envía a la torre de enfriamiento, que se enfría por evaporación antes de recircular de vuelta al enfriador. La torre de enfriamiento está específicamente asociada con enfriadores enfriados por agua en lugar de enfriadores enfriados por aire que no utilizan una torre de enfriamiento.
Caldera (G): La caldera (G) genera agua caliente o vapor y luego lo distribuye a las bobinas de calefacción de la AHU. A medida que el aire pasa sobre estas bobinas, se calienta antes de ser enviado a través de los conductos a los espacios interiores. La caldera se utiliza típicamente durante los meses más fríos cuando se requiere calefacción. El agua caliente/vapor de la caldera también se utiliza para otras aplicaciones de calefacción dentro del edificio, como radiadores o sistemas de calefacción por suelo radiante.
Bomba (D): La bomba (D) mueve el agua caliente o fría desde y hacia el enfriador y la caldera hasta las bobinas en la AHU. Esta circulación es crucial para transferir la energía térmica necesaria para calentar o enfriar el edificio. Típicamente hay bombas separadas para los circuitos del enfriador y la caldera. La bomba de agua fría circula agua entre el enfriador y la AHU, y la bomba de agua caliente circula agua entre la caldera y la AHU.
Habitación ventilada (F): La habitación ventilada (F) representa los espacios interiores atendidos por el sistema HVAC. El aire acondicionado de la AHU se entrega en estas habitaciones, proporcionando un ambiente cómodo para los ocupantes. El sistema también elimina el aire viciado de estos espacios para mantener una buena calidad del aire. El aire de retorno de estas habitaciones se suele llevar de vuelta a la AHU para ser reacondicionado.

Lee nuestro artículo sobre Instrumentos HVAC para más detalles sobre los diversos dispositivos de medición utilizados en un sistema HVAC.

Figura 3: Sistema de tuberías con conductos para ventilación y aire acondicionado

Tipos de sistemas HVAC

Los sistemas HVAC se clasifican ampliamente en paquetes de unidades autónomas y sistemas centrales, cada uno con métodos operativos distintos y aplicaciones adecuadas.

Paquetes de unidades autónomas

Los paquetes de unidades autónomas convierten una fuente de energía primaria, como la electricidad o el gas, directamente en calefacción y refrigeración para el espacio que sirven. Ejemplos de paquetes de unidades autónomas incluyen:

Sistemas HVAC en azoteas: A menudo encontrados en edificios comerciales, estas unidades se instalan en la azotea y proporcionan calefacción y refrigeración al espacio dentro del edificio.
Acondicionadores de aire individuales para habitaciones: Unidades portátiles o montadas en ventanas que enfrían habitaciones individuales.
Bombas de calor aire-aire: Estos sistemas pueden calentar y enfriar transfiriendo calor entre el aire interior y exterior de un edificio.

Las unidades autónomas se utilizan típicamente en edificios de una sola planta o habitaciones individuales donde se desea control localizado y simplicidad.

Sistemas centrales

Sistemas centrales convierten energía de combustibles como gas o electricidad en una ubicación central, luego distribuyen energía térmica a través del edificio. Consisten en un subsistema de suministro central y varios subsistemas de uso final, ofreciendo una amplia gama de configuraciones. La configuración más común incluye:

Sistemas centrales de agua caliente y fría: Estos sistemas envían agua caliente y/o fría a múltiples sistemas de ventiladores a través del edificio.
Sistemas de ventiladores con intercambiadores de calor agua-aire (bobinas): Estos sistemas utilizan el agua de la planta central para calentar o enfriar el aire, luego lo distribuyen a las áreas designadas.

Los subsistemas de uso final en sistemas centrales pueden ser:

Sistemas de ventiladores de zona única: Sirven a un área o zona específica.
Sistemas de ventiladores multizona: Utilizan cajas de volumen de aire variable (VAV) para atender a múltiples zonas, permitiendo control de temperatura individual dentro de cada zona. Un VAV es un componente del sistema HVAC que regula el flujo de aire a diferentes zonas, permitiendo control de temperatura individual.

Los sistemas centrales son preferidos en edificios más grandes y de múltiples pisos con acceso limitado al aire exterior. Aunque pueden tener secuencias de control más complejas, generalmente ofrecen costos operativos más bajos debido a su eficiencia y escalabilidad. Lee nuestro artículo de visión general de válvulas de zona para más detalles sobre la operación y características de las válvulas de zona HVAC.

Figura 4: Aire acondicionado (HVAC) instalado en el techo de edificios industriales.

Dónde se requieren controles HVAC

Los controles HVAC se refieren a los diversos dispositivos y sistemas utilizados para regular la operación de equipos HVAC en un edificio. Los sistemas de control HVAC son esenciales y están estratégicamente distribuidos a lo largo de tres zonas clave:

Controles de la sala mecánica principal: Estos controles gestionan la operación del equipo HVAC central, como enfriadoras, calderas y bombas. Aseguran que el equipo opere dentro de los parámetros deseados, incluyendo controles de seguridad, controles de gestión de energía y controles de interfaz para monitorear y ajustar configuraciones.
Controles de la unidad de manejo de aire (AHU): Los controles para AHUs regulan el flujo de aire, la humedad, la temperatura y la calidad del aire. Ajustan la velocidad de los ventiladores, la posición de las compuertas y la operación de las bobinas de calefacción y refrigeración, así como humidificadores y deshumidificadores, para asegurar que el aire entregado a diferentes partes del edificio cumpla con los estándares de confort y calidad requeridos.
Controles individuales de habitación: Estos son controles localizados que gestionan las condiciones dentro de habitaciones o zonas individuales. Incluyen termostatos, higróstatos y sensores de CO2 que permiten a los ocupantes ajustar la temperatura, la humedad y la calidad del aire, así como gestionar la operación de unidades de bobina de ventilador, cajas de volumen de aire variable (VAV) y otros dispositivos terminales que afectan directamente el confort en un área específica.

Figura 5: Unidad de manejo de aire para el sistema de ventilación central en el techo de un edificio

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre AC y HVAC?

AC es parte de HVAC; AC regula la temperatura interior mediante refrigeración, mientras que el sistema HVAC incluye calefacción, ventilación y aire acondicionado.