Un sistema de distribución de aire bajo suelo (UFAD, por sus siglas en inglés) utiliza el espacio (plenum) entre la losa estructural y la parte inferior de un sistema de suelo elevado para suministrar aire tratado al área climatizada a través de difusores situados al nivel del suelo. Estos difusores de suministro de aire tienen la particularidad que pueden proporcionar diferentes niveles de control sobre el confort térmico del área climatizada, dependiendo del diseño y la ubicación del difusor.

El diseño más común de un sistema de climatización en edificios comerciales consiste en suministrar aire tratado a través de una red de conductos y una serie de difusores situados en el techo o cielo falso. Por lo general, esta red de conductos suelen tener tamaños que ocupan gran parte de los espacios en cielo falso y en ocasiones pueden generar complicaciones para que otras infraestructuras de servicios se instalen adecuadamente. 

Los sistemas convencionales de climatización, generalmente son denominados de distribución de aire de tipo mixto y están diseñados para lograr la mezcla completa del aire suministrado con el aire del área climatizada, manteniendo así todo el volumen de aire del área a la temperatura de ajuste seleccionada y distribuyendo uniformemente el aire suministrado.  

Algunos estudios han demostrado que el uso de sistemas de UFAD trae beneficios económicos orientados a lograr que los usuarios de los edificios se sientan mas . Entre esos beneficios están el aumento de la , la retención de los empleados, la reducción de los costos de operación de la edificación (menos ausentismo de los trabajadores por enfermedades) y el aumento del valor de mercado de las instalaciones.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS

A continuación se describen brevemente seis de las principales características de un sistema de UFAD.

1. El aire suministrado al área climatizada debe ser como mínimo el aire exterior requerido por el tipo de aplicación del edificio, el cual es tratado y filtrado por la unidad de tratamiento de aire (UTA) e impulsado a un plenum bajo el suelo a través de una red de conductos que generalmente es más pequeña y con recorridos más cortos que los sistemas de distribución de aire por techo.
2. El plenum bajo el suelo para los sistemas de UFAD se forma mediante la instalación de un sistema de suelo elevado que normalmente está fabricado en paneles de acero rellenos de concreto de 0,6 m x 0,6 m, los cuales que se instalan típicamente a alturas de 0,3 m – 0,46 m por encima de la losa estructural del edificio.
3. Existen dos tipos de configuración de plenum típicos para de suministro de aire bajo el suelo. Uno es usar el plenum presurizado y el segundo usar una red de conductos y difusores dentro del plenum, similar a como sería la distribución de aire por techo.
4. Las temperaturas de suministro de aire en los difusores deben estar entre 16ºC y 18°C para evitar sobreenfriamiento en las zonas cercanas donde normalmente permancen los usuarios. 
5. Los sistemas de UFAD generalmente están configurados para tener un número relativamente mayor de difusores de suministro de aire en comparación con los sistemas de distribución por techo, lo que conlleva a que los dfusores de aire de los sistemas de UFAD sean más pequeños y estén más cerca de los ususarios en el área climatizada. 
6. El retorno de aire hacia la UTA se hace a nivel de techo o cielo falso, o a la altura máxima permitida por encima de la zona ocupada. Esto genera un patrón de flujo de aire desde el piso hacia el techo que aprovecha la boyancia natural producida por las fuentes de calor en el área climatizada, eliminando más eficientemente las cargas térmicas y minimizando la concentración de los contaminantes dentro de esta. 

VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE BAJO SUELO

Los sistemas de UFAD bien diseñados pueden proporcionar ventajas potenciales en comparación con los sistemas de distribución de aire tradicionales como se describen a continucación:

1. Mayor confort térmico. Los sistemas de UFAD permiten que los usuarios tengan mayor control sobre el confort térmico de su entorno cercano. Actualmente, en los edificios comerciales puede haber gran variedad preferencias en lo que se refiere a confort térmico individual debido a las diferencias en el vestuario, el nivel de actividad física (tasa metabólica) y las preferencias propias de los usuarios. El grado de confort térmico percibido por las personas dependerá del tipo de difusores de aire que tenga el sistema de UFAD ya que estos pueden ofrecer un mayor nivel de control sobre el confort térmico dependiendo si los difusores cuentan con ventiladores locales o difusores de suelo pasivos tipo remolino (sin ventiladores locales).
2. Mejora de la . Los sistemas de UFAD pueden mejorar la calidad de aire interior en la zona respirable del área climatizada al suministrar aire tratado a nivel del suelo o cerca del usuario y retornar a nivel de techo, lo que da como resultado un patron de flujo de aire hacia arriba que permite desplazar los contaminantes generados en el área climatizada, similar a lo que se obtiene en los sistemas de ventilación por desplazamiento. En la medida en que el diseño del sistema de climatización permita suministrar 100% aire exterior (aire fresco o nuevo) con una confirguración de suministro de aire a bajas velocidades y temperaturas ligeramente menores a las de confort, se podrán tener mayores beneficios relacionados con la . 
3. Reducción del uso de energía. El ahorro de energía que se obtiene con el uso de sistemas de UFAD en comparación con los sistemas de distribución de aire por cielo falso convencionales está relacionado con dos factores principales: (1) el ahorro de energía en la operación de la planta de producción de agua helada y (2) el ahorro de energía en el ventilador de la UTA. 
   • Los ahorros asociados al uso de la planta de producción de agua helada son el resultado de ajustar un poco más alta la temperatura de suministro de agua helada en el enfriador (chiller) como consecuencia de poder suministrar aire tratado al área climatizada a temperaturas más altas que los sistemas convencionales. Sin embargo, este beneficio depende del clima y los requisitos de control de humedad del área climatizada.  
   • El ahorro de energía de los ventiladores de las UTA está asociado a dos factores: (1) la reducción del volumen total de aire y (2) la reducción de los requisitos de presión estática. El patrón de flujo de aire tratado desde el suelo hacia el techo en los sistemas de UFAD permite que la mayor parte de las ganancias de calor de las fuentes situadas por encima de la zona de respiración u ocupada del área climatizada se retornen directamente al nivel del techo y, por lo tanto, no se incluyan en el cálculo de la cantidad de suministro de aire, lo que permite tener un caudal de suministro de aire menor en comparación a sistemas de climatización convencionales. Las presiones estáticas se reducen debido a la eliminación de la mayoría de la red de conductos, ya que el suministro de aire tratado fluye libremente a través del plenum bajo el suelo a bajas presiones (las presiones típicas son de 0,1 pulgadas de H2O (25 Pa) o menos).
4. Reducción de la altura del piso en las nuevas construcciones. Los edificios que usan sistemas de UFAD tienen el potencial de reducir la altura entre pisos en comparación con los proyectos de climatización que son diseñados con distribución de aire tratado a nivel de techo o cielo falso. Esto puede lograrse reduciendo la altura total de los plenums de servicio y/o cambiando de una construcción estándar de vigas de acero o casetones a un enfoque estructural de losa plana en concreto. Adicionalmente, en algunos proyectos es posible colocar las demás infraestructuras de servicios en el mismo plenum bajo el suelo lo que permite eliminar o reducir en tamaño el plenum del techo. 
5. . Algunos estudios han demostrado que el nivel de satisfacción y productividad de las personas puede aumentar usando sistemas de UFAD al permitir que los usuarios tengan un mayor control sobre su confort térmico local y una mejor la calidad del ambiente interior (calidad de aire, confort térmico, acústica e iluminación). 

Las ventajas que ofrecen los sistemas de UFAD nos llevan a concluir que este tipo de sistemas son un método efectivo para obtener buenos niveles de confort térmico y calidad de aire interior en áreas climatizadas con un impacto positivo en la reducción del uso de energía de la edificación.

Ernesto Porras

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Referencias: ASHRAE Underfloor Air Dsitribution Design Guide 

Imagen: Price Industries

Los sistemas de tratamiento y distribución de aire para hospitales cumplen una variedad de funciones que van desde la generación de confort del área climatizada, preservación de la calidad del aire interior, , asepsia, control de olores, entre otros. 

En el diseño de sistemas de climatización para hospitales se consideran valores de tasas de renovación de aire, temperaturas, niveles de humedad relativa y filtración de aire que exceden lo que se considera normal para muchas otras aplicaciones. Este artículo se centra en cómo estos requisitos afectan el diseño de los sistemas de tratamiento y distribución de aire para hospitales y en los requisitos de diseño específicos para estos sistemas.

CONSIDERACIONES INICIALES

El diseño de sistemas de tratamiento y distribución de aire debe comenzar durante la y sus requerimientos deberán quedar especificados en el OPR (Owner’s Project Requirements) y el plan de del proyecto.

Las unidades de tratamiento de aire (UTA) para hospitales tienen requerimientos constructivos y de funcionalidad más exigentes que las UTA que se usan para otras aplicaciones como las de tipo comercial o institucional. Por ejemplo, los caudales de aire (cantidad de CFM) son típicamente más altos en climatización de aplicaciones hospitalarias debido a las elevadas cargas térmicas interiores y a los altos requerimientos de renovación de aire; por lo tanto, este tipo de equipos requieren cuartos técnicos más amplios y espacios en cielo falso más generosos. 

También existe el reto para consultores y diseñadores de sistemas de climatización de realizar cálculos y selecciones enfocados en tener bajas velocidades de aire en conductos para lograr satisfacer los requerimientos de estándares de energía y sostenibilidad como el 90.1 de ASHRAE, lo que resulta necesariamente en equipos y conductos más grandes.

Adicionalmente, para seleccionar los tamaños adecuados de las UTA y sus respectivas ubicaciones en los cuartos técnicos, el consultor o diseñador del proyecto de climatización debe hacer una evaluación precisa de los requisitos de caudal de aire y la zonificación del sistema durante la fase ingeniería conceptual.

CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS

A continuación, se describen algunas de las principales consideraciones de diseño para tener en cuenta en esta evaluación:  

Identificar áreas con requisitos específicos 

Algunas áreas como quirófanos, salas de procedimientos, áreas de tratamiento de médula ósea, áreas de o inmunocomprometidos y cuartos técnicos para equipos eléctricos y de telecomunicaciones tienen requerimientos más exigentes en cuanto a caudales de aire más altos y temperaturas de suministro de aire más bajas. Estos requerimientos únicos incluyen sistemas redundantes, requisitos de filtración de aire más altos, bajo punto de rocío, etc. Por esta razón, pueden necesitarse UTA dedicadas y realizar una distribución de aire zonificada específica para estas áreas. 

Considerar el tamaño óptimo de la UTA

En esta actividad son valiosos los aportes del personal de ingeniería, operación y mantenimiento del hospital. Se debe analizar detalladamente si el uso de varias UTA de pequeña capacidad puede limitar las interrupciones para el personal y los pacientes causadas por paradas del sistema por mantenimiento o reparaciones, sin embargo, esto requiere un tiempo de mantenimiento significativamente mayor para cambio de filtros, lubricación de piezas móviles, limpieza de serpentines y otras actividades de mantenimiento preventivo. Este concepto de diseño también tiende a ser menos eficiente en cuanto a costos o espacio versus uno que usa UTA más grandes. Sin embargo, el uso de UTA muy grandes hace que un área importante del hospital dependa de la operación continua de un solo equipo. Además, los motores, ventiladores y otros componentes para estas unidades pueden ser de tamaños y pesos que hacen que una reparación sea más difícil.

Determinar los requisitos de caudal de aire para cada zona 

Se debe realizar un cuadro resumen de caudales de aire para cada área climatizada donde mínimo se incluyan los valores de caudal de aire de suministro, retorno, extracción y numero de renovaciones de aire por hora para las condiciones a las cuales fue diseñada cada área y compararlo con lo requerido, por ejemplo, con el estándar 170 de ASHRAE, “Ventilación de Instalaciones Hospitalarias”. Para cada área se deben considerar los requerimientos más exigentes entre lo calculado y lo requerido por el estándar. Los consultores o diseñadores del proyecto de climatización deben incluir alguna “contingencia” de caudal de aire adicional con el objetivo de tener en cuenta el aire que pueda ser necesario a medida que avanza el diseño del hospital ya que es más difícil y costoso agregar espacios adicionales para cuartos técnicos de UTA una vez que el diseño del hospital avance o llegue a la fase de construcción. Los consultores o diseñadores también deben considerar incluir reservas para el crecimiento futuro o cambios en el uso que puedan requerir caudales de aire adicional.

Considerar la redundancia del sistema

El consultor o diseñador del sistema de climatización debe considerar la redundancia del sistema en la fase de prediseño con el objetivo de garantizar que se identifique cualquier espacio adicional que sea necesario para equipos o componentes mecánicos del sistema. La redundancia del sistema de climatización puede ser requerida por códigos o regulaciones locales o puede ser requerida por el propietario para ciertas funciones de misión crítica. La redundancia puede lograrse mediante la interconexión de sistemas o equipos de climatización y/o componentes redundantes. El diseñador también debe determinar si se requiere una redundancia al 100% (“N + 1”) o si en un modo de emergencia la capacidad puede ser reducida. “N + 1” se refiere a un diseño que permite la capacidad total en caso de falla de cualquier elemento del sistema de climatización o por actividades inherentes a las rutinas de mantenimiento. 

Identificar componentes que requieren energía de emergencia

Muchos componentes de las UTA pueden requerir energía de proveniente de una planta de emergencia para mantener las condiciones de temperatura, humedad y control de presurización en áreas críticas. Estos requerimientos deben identificarse en las etapas iniciales del proyecto de climatización y comunicárselas al consultor o diseñador eléctrico del proyecto para garantizar que la planta de emergencia sea dimensionada con la capacidad suficiente para cubrir estas necesidades. Es importante incluir cualquier componente crítico del sistema de climatización, como paneles, tarjetas, tableros y dispositivos de control.

Ubicar estratégicamente cuartos técnicos para las UTA

Los cuartos técnicos para las UTA que requieren grandes cantidades de aire exterior para renovación de aire en las áreas climatizadas deben ubicarse cerca de paredes o techos exteriores para hacer más fácil la toma de este aire, sin embargo, esta decisión puede verse afectada por consideraciones arquitectónicas estéticas en lo que se refiere a la ubicación y tamaño de la persiana por donde se tomará este aire desde el exterior. Adicionalmente, se deben tener en cuenta las fuentes de contaminantes del aire exterior, como las generadas por el tráfico vehicular en vías cercanas, extracciones de aire contaminado de cocinas y baños, conductos de escape de plantas de emergencia, contaminación de edificios vecinos, entre otros. También es recomendado evitar ubicar los cuartos técnicos de las UTA cerca de puntos fijos para escaleras, fosos para ascensores, cuartos eléctricos y otras áreas donde el paso de conductos es limitado o prohibido. 

Es importante tener certeza de que el sistema de conductos y tuberías de agua helada o refrigerante puedan tener una ruta donde no se encuentren con mayores obstrucciones y puedan ir desde y hacia el cuarto técnico de las UTA sin mayores inconvenientes. Los consultores o diseñadores de sistemas de climatización deben considerar también cómo se manipularán o moverán los componentes grandes de las UTA dentro y fuera del cuarto técnico cuando se requieran reparaciones o actualizaciones del sistema. Es necesario dejar espacios considerables para las actividades de mantenimiento, así como para un posible cambio de los serpentines de enfriamiento o calefacción. 

Determinar la configuración de las UTA

Para determinar con precisión el tamaño y la configuración de las UTA, el consultor o diseñador del proyecto de climatización deben dimensionar los componentes y definir la disposición y las secciones requeridas por cada UTA para satisfacer completamente las necesidades del área climatizada. Adicionalmente, se deben considerar las secciones de acceso para una apropiada inspección y servicio de mantenimiento. El consultor o diseñador del proyecto de climatización también debe trabajar con los fabricantes de equipos para confirmar los tamaños y pesos de los equipos con el objetivo de compartir esta información con el encargado del proyecto de cálculo estructural.

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Referencias:

ASHRAE HVAC Design Manual for Hospitals and Clinics

ASHRAE Standar 170-2017

El tratamiento y conducción del aire exterior necesario para garantizar una buena (CAI) representan un porcentaje significativo del uso de energía de un edificio. Por lo anterior, es importante considerar desde las etapas de concepción () de cualquier proyecto de climatización, estrategias avanzadas de ventilación que puedan ayudar a reducir la energía requerida para tener una buena CAI.

Una de las estrategias que tiene mayor relevancia y uso en proyectos de climatización es la del Control de Ventilación por Demanda (CVD), la cual varía el flujo de aire de ventilación (aire exterior) en función del número de ocupantes presentes en un área climatizada. El CVD puede llegar a ser particularmente rentable para espacios con ocupación intermitente o muy variable.

El objetivo del CVD es evitar que la cantidad de aire exterior esté por debajo de los valores mínimos requeridos para garantizar una buena CAI, así como evitar, que estos valores sean tan elevados que obliguen al sistema de climatización a gastar energía innecesariamente. Se ha estimado que, en edificios comerciales de Estados Unidos, El CVD tiene el potencial de reducir las cargas de refrigeración y calefacción hasta en un 20% al año. Sin embargo, los ahorros reales pueden variar ampliamente dependiendo del clima, la variabilidad en la densidad y horario de ocupación, el tipo de edificio, si el sistema de climatización tiene o no economizador de energía y otros factores.

El enfoque más simple para el CVD es controlar la tasa de aire exterior de una manera “on-off” basada en las señales de un sensor de ocupación del área climatizada, un temporizador o interruptor de luz. Un enfoque más sofisticado utiliza una señal que es proporcional al número de personas en un área climatizada para modular automáticamente la cantidad de aire exterior necesaria.

APLICACIONES DEL CVD

Como ya se mencionó, el CVD es más recomendado para áreas densamente ocupadas con uso intermitente o variable. Para estas áreas, el CVD ofrece el potencial tanto de ahorro de energía como de una buena CAI. 

Los tipos de áreas que más se adaptan al uso del CVD en sistemas de climatización incluyen teatros, auditorios, gimnasios, aulas de clase, restaurantes, salas de reuniones en oficinas, etc. Las áreas de oficinas ocupadas de manera continua y densa y los centros de atención de llamadas, tienen menos probabilidades de ver los beneficios del CVD dada la falta de variabilidad en la ocupación.

Aunque los beneficios de ahorro de energía del CVD pueden ser pequeños en edificios de oficinas típicos, ciertos aspectos del CVD pueden ser beneficiosos para garantizar que se suministren las tasas de aire exterior especificadas en bajo cualquier condición de operación del sistema de climatización. Por ejemplo, la medición continua de las tasas de aire exterior y los niveles interiores de CO₂ pueden ayudar al personal de operación y mantenimiento del edificio a encontrar fallas o hacer a justes en el sistema de climatización, evitando así una deficiencia o un exceso de aire exterior en relación con los requisitos de o reglamentaciones locales. 

CVD CON BASE EN EL NIVEL DE CO₂

La medición y el control de las concentraciones de CO₂ en el interior de un área climatizada es el método de CVD más usado ya que los sensores de CO₂ y los controladores asociados son relativamente económicos y, en entornos controlados, se ha demostrado que se correlacionan bien con los niveles de contaminantes generados por las personas.

Persily 1997

Este método se basa en el hecho de que la tasa de generación de CO₂ por los ocupantes en el interior de un área climatizada es proporcional al número de ocupantes y sus niveles de actividad. Sin embargo, se debe prestar especial atención al hecho que pueden existir otras fuentes de CO₂ al interior del área climatizada que pueden ser lo suficientemente importantes como para comprometer la viabilidad de un CVD basado en la medición de niveles de CO₂.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE CVD BASADO EN MEDICIÓN DE CO₂

1. En los sistemas de climatización con retorno tipo plenum abierto, los sensores de CO₂ deben ubicarse en el área climatizada para que se puedan obtener las concentraciones promedio generadas por la respiración de los ocupantes y se deben instalar un número suficiente de estos con el objetivo de aumentar el nivel de certeza de concentración de CO₂.
2. En los sistemas de climatización con retorno por conductos, los sensores de CO₂ se pueden colocar en el conducto de aire de retorno del área climatizada si el consultor de climatización o diseñador pueden establecer la relación entre la medición de CO₂ en el conducto de retorno con las concentraciones promedio generadas por la respiración de los ocupantes en el área.
3. La concentración de CO₂ en el aire exterior debe medirse continuamente utilizando un sensor de CO₂ ubicado cerca de la toma de aire exterior. Otra opción es suponer que la concentración de CO₂ en el aire exterior es constante, siempre que este nivel constante sea relativamente alto y se base en datos históricos recientes del área donde se encuentra el edificio. Si se utiliza un valor asumido, se debe considerar en el sistema de automatización y control para compensar los posibles errores, como posiblemente tener un exceso de aire exterior a densidades de ocupación más altas o tener deficiencia de este a densidades más bajas.
4. Los sensores de CO₂ deben seleccionarse para que tengan una incertidumbre no mayor a ± 50 ppm para los rangos de concentración típicamente encontrados en aplicaciones de climatización (por ejemplo, 400 a 2000 ppm), deben haber sido calibrados en fábrica, poderse calibrar en campo y que no requieran calibración de más de una vez cada cinco años mientras estos funcionen bajo condiciones de operación típicas según las especificaciones del fabricante.
5. Debe proporcionarse fácil acceso físico para verificar que el sensor está funcionando correctamente y para realizar el mantenimiento y calibración programados. Esto ayudará a mantener adecuadamente el sistema de CVD y a validar que se suministre la cantidad adecuada de aire exterior bajo todos los niveles de ocupación y condiciones de carga variable. Es recomendable llevar un registro de datos de concentraciones de CO₂ que permita revisar la tendencia de los niveles de CO₂ con el fin de garantizar que los sensores y controles de CO₂ estén funcionando según lo diseñado.

ALTERNATIVAS AL CVD BASADO EN MEDICIÓN DE CO₂

En algunas aplicaciones, como en aulas de clase, donde la ocupación es cero o casi del 100%, el control de las tasas de aire exterior se puede diseñar con base en señales provenientes de un sensor de ocupación del área climatizada, un temporizador o interruptor de luz. 

Otras formas de CVD se basan en tecnologías que pueden contar la cantidad de personas que entran y salen de un área climatizada y de esta manera ajustar la cantidad de aire exterior necesaria. En su forma más simple, esto se realiza estimando el número de personas durante ciertos períodos de tiempo y de esta manera programando el suministro de aire exterior necesario. Sin embargo, nuevos avances en tecnologías de detección pueden llegar a automatizar esta tarea.

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Referencias: ASHRAE Indoor Air Quality Guide 

PRÁCTICA # 1: Bases del Diseño (BoD)

Elaborar el documento Bases del Diseño es una actividad clave que permite establecer los objetivos deseados de cualquier proyecto de climatización que pretenda incorporar almacenamiento térmico con bancos de hielo. Este documento debe incluir un resumen de los objetivos críticos de diseño y requisitos funcionales como se muestra a continuación:

1. Establecer el nivel de redundancia y confiabilidad.
2. Definir la flexibilidad en la implementación y operación.
3. Listar los criterios de aceptación del proyecto.
4. Establecer el nivel de rendimiento energético deseado.
5. Definir el factor de seguridad a usar en el dimensionamiento del sistema.
6. Definir las condiciones del espacio requerido.
7. Establecer el perfil de ocupación de la edificación.
8. Listar los principales parámetros operativos del sistema (ejemplo; temperaturas de suministro y retorno de agua, tiempo de operación de chillers, etc.).
9. Definir restricciones de orden presupuestal.
10. Hacer una descripción narrativa del sistema propuesto y la aplicación.
11. Realizar un diagrama a nivel esquemático del sistema.
12. Definir el perfil de operación por hora de la planta de producción de agua helada.
13. Describir las estrategias de control para todos los modos y condiciones de operación según se apliquen al perfil operativo por hora y a la tarifa de energía aplicable.

De acuerdo con el proceso de commissioning, el documento Bases del Diseño deber ser constantemente revisado y actualizado en conjunto con el equipo de diseño del proyecto.

PRÁCTICA # 2: Estudio de Factibilidad

Los estudios de factibilidad son una referencia fundamental para realizar una evaluación adecuada sobre la pertinencia que tienen los sistemas de almacenamiento térmico de frío con bancos de hielo en proyectos de climatización y los programas de incentivos tributarios y económicos que ofrecen los gobiernos locales.

Un estudio de factibilidad deberá tener las siguientes características generales:

1. Garantizar que los sistemas y/o equipos propuestos cumplan con lo establecido en el proceso de commissioning y específicamente en los documentos: Requisitos del Propietario del Proyecto (OPR) y Bases del Diseño (BoD).
2. Definir un perfil de carga térmica preciso y sus variaciones estacionales. Un perfil de carga térmica confiable es importante para modelar diferentes escenarios de operación.
3. Proporcionar un análisis detallado de las estrategias operativas y de control propuestas.
4. Definir el tipo de almacenamiento térmico que se va a realizar y el rendimiento del chiller correspondiente a los parámetros de diseño del sistema propuesto. El tipo de almacenamiento puede variar significativamente en función de la secuencia de carga y las temperaturas de suministro y retorno requeridas.
5. Use la tarifa de energía correcta para modelar cada uno de los escenarios de operación tenidos en consideración.

Los proyectos de almacenamiento térmico de frío con bancos de hielo tienen características exclusivas que deben ser aplicables y tenidas en cuenta, tales como:

1. Costo del refrigerante secundario.
2. Intercambiadores de calor.
3. Tratamiento de aguas.
4. Sistemas de bombeo adicionales.
5. Efecto del bajo diferencial de temperatura (∆T) sobre la potencia y costo de operación del sistema de distribución de agua helada.
6. Otras reducciones en gastos de infraestructura, como suministro de cableado eléctrico, transformadores y torres de enfriamiento.
7. Pérdidas de energía almacenada por paradas inesperadas de la operación del sistema.
8. Capacidad para satisfacer las bajas cargas del almacenamiento.
9. Posibles aumentos de eficiencia energética en los chillers debido a las bajas temperaturas de condensación en las noches.

PRÁCTICA # 3: Perfil de Carga y Capacidad del Sistema

Para dimensionar adecuadamente un sistema de almacenamiento térmico de frío con bancos de hielo es indispensable saber diferenciar entre la capacidad de almacenamiento real y nominal. Los elementos y/o equipos para los sistemas de almacenamiento con bancos de hielo no pueden dimensionarse con precisión ni compararse en función de la capacidad de almacenamiento nominal. Omitir el cálculo de la capacidad real disponible puede llevar a una subestimación significativa de los costos de implementar un sistema de este tipo. Si este error no se corrige en la fase de diseño, también puede conducir a un déficit en la capacidad de almacenamiento térmico disponible. Los fabricantes de sistemas de almacenamiento térmico con bancos de hielo han desarrollado una variedad de métodos para predecir el rendimiento de los equipos y elementos de estos sistemas y deberán ser consultados en una etapa temprana del diseño.

Se debe realizar un cálculo preciso del chiller requerido y la capacidad de almacenamiento térmico de frío del sistema. Los métodos simplificados para estimar las capacidades requeridas para el chiller y el sistema de almacenamiento son útiles para los estudios preliminares. Sin embargo, un análisis de diseño detallado y preciso debe contener un análisis hora por hora que considere el rendimiento combinado del chiller y el sistema de almacenamiento térmico de frío con bancos de hielo. La capacidad de muchos de estos sistemas depende en parte de las temperaturas del refrigerante con las que trabaje el chiller.

Un perfil de carga preciso es crítico para el éxito de un diseño de un sistema de climatización con almacenamiento térmico de frío con bancos de hielo. Estos sistemas deben suministrar la carga de enfriamiento total demandada en el día, así como también deben poder cubrir una carga de diseño pico.

El rendimiento de muchos sistemas de almacenamiento térmico de frío está relacionado con el inventario o cantidad de hielo disponible para ser usado en cubrir las cargas térmicas demandadas por el edificio; por lo tanto, la secuencia y el tiempo en el que ocurren las cargas de enfriamiento son tan importantes como el valor de estas. En el diseño se debe asegurar que se incluyan las cargas de enfriamiento que ocurren durante el día, incluidas las cargas que pueden ocurrir durante el modo de carga de hielo en la noche. Es posible que estas cargas nocturnas deban tenerse en cuenta en la capacidad del chiller y que los controles y las configuraciones de las tuberías también se vean afectados por las cargas de enfriamiento que se producen durante este modo de operación del sistema.

Referencias: ASHRAE – Design Guide for Cool Thermal Storage

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Los distritos térmicos o también llamados distritos de enfriamiento, distribuyen energía térmica en forma de agua helada desde una planta de producción central a consumidores finales (clientes) de tipo residencial, comercial, institucional o industrial para uso típicamente en sistemas de climatización. Estos sistemas reducen los costos de energía y las emisiones de gases efecto invernadero, mientras liberan espacio valioso en los edificios al centralizar los equipos de producción de agua helada a través de economías de escala y gestión de equipos, optimizando el uso de combustibles, energía y recursos.

Ya sea que el sistema sea para el servicio público o privado, este tipo de sistemas tienen beneficios económicos y ambientales que dependen en gran medida de la aplicación. Se debe considerar la viabilidad política, particularmente si una ciudad o un organismo gubernamental está considerando una instalación de un distrito de enfriamiento.  Históricamente, los distritos de enfriamiento exitosos en Norteamérica y Europa han tenido el respaldo político y el apoyo de la comunidad.

APLICABILIDAD

Los distritos de enfriamiento se usan mejor en sectores donde la densidad de carga térmica es alta y el número de horas equivalentes de carga de enfriamiento (u horas de operación) es alto.  Se necesita una alta densidad de carga térmica para cubrir la inversión de capital del sistema de transmisión y distribución, que generalmente constituye alrededor del 50% del costo total del sistema. Esto hace que los distritos de enfriamiento sean más atractivos para atender áreas urbanas densamente pobladas y grupos de edificios de alta densidad con altas cargas térmicas.

Los entornos urbanos donde los bienes inmuebles son muy costosos son lugares ideales, ya que permiten a los propietarios de edificios aprovechar al máximo el área técnica que ocuparían los equipos de climatización al mover la mayor parte de estos fuera del edificio.  Las áreas residenciales de baja densidad generalmente no son mercados atractivos para los distritos de enfriamiento.

COMPONENTES

Los distritos de enfriamiento tienen tres componentes principales:

1. Planta central de producción de agua helada (enfriadores de agua, torres de enfriamiento, motobombas, intercambiadores de calor, almacenamiento térmico)
2. Red de distribución de agua helada (tuberías y válvulas).
3. Sistemas de consumo o interconexión con el usuario final (estación de transferencia de energía).

BENEFICIOS

1. Beneficios hacia el propietario del edificio o cliente

• Personal operativo. Una de las principales ventajas para el propietario de un edificio es que el personal operativo de los sistemas de climatización puede reducirse. Cuando se provee agua helada al edificio como lo haría una empresa de servicios públicos y dependiendo del nivel de sofisticación de los controles de los sistemas de climatización del edificio, es probable que pueda reducirse dicho personal.
• Espacio utilizable. El espacio utilizable en el edificio aumenta cuando una caldera o enfriador de agua y equipos relacionados con sistemas de climatización ya no son necesarios. También se elimina el ruido y la vibración al interior del edificio asociado con estos equipos. En proyectos de modernización, este espacio generalmente no se puede convertir en espacio útil para oficinas, sin embargo, brinda la oportunidad de aumentar el almacenamiento u otro uso.

2. Beneficios hacia el medioambiente.

La producción de agua helada en una planta central suele ser más eficiente que el uso de equipos en el edificio, por lo tanto, los impactos ambientales son reducidos.  Las mayores eficiencias surgen debido a la posibilidad de tener un equipo más grande y eficiente y la capacidad de ajustar su operación para que el punto de máxima eficiencia de este coincida la carga térmica demandada por los edificios interconectados al sistema.  Los distritos de enfriamiento pueden aprovechar la diversidad de la carga térmica demandada por los usuarios del sistema para implementar tecnologías como el almacenamiento térmico de hielo con mayor facilidad que los sistemas de climatización dedicados para edificios individuales.

Para plantas de producción de agua helada con equipos accionados eléctricamente, tener un equipo con la mayor eficiencia posible se convierte en el beneficio medioambiental mas relevante ya que las plantas de agua helada de edificios normales también funcionan con equipos accionados eléctricamente. Puede haber beneficios ambientales adicionales de producir agua helada desde una planta central grande, como son la capacidad de usar efluentes de aguas residuales tratadas como agua de reposición de la torre de enfriamiento y la capacidad de manejar refrigerantes en un ambiente más seguro y controlado.

Cuando se queman combustibles para generar enfriamiento a través de absorción o turbinas de gas / vapor o enfriadores accionados por mecánicamente, las emisiones de las plantas de producción de agua helada centrales son más fáciles de controlar que las de las plantas individuales y en general producen menos contaminantes debido a la robustez y calidad de los equipos, una mayor eficiencia energética de estos y el nivel de mantenimiento más alto que deben tener.

Los refrigerantes y otros productos químicos se pueden monitorear y controlar más fácilmente en una planta de producción de agua helada central. Cuando las condiciones del sitio lo permiten, la ubicación remota de la planta reduce muchas de las preocupaciones de usar sistemas de refrigeración con amoníaco.

3. Beneficios económicos.

Un distrito de enfriamiento puede ofrecer muchos beneficios económicos. A pesar de que los costos básicos son asumidos por el propietario u operador de la planta central de producción de agua helada, el usuario final puede obtener los beneficios de las economías de escala.

• Alta eficiencia energética. Una planta central de producción de agua helada más grande puede lograr mayores eficiencias energéticas y menores emisiones de gases efecto invernadero que si se tuvieran varias plantas más pequeñas. Cuando se debe cumplir con regulaciones locales estrictas para las emisiones, el consumo de agua, etc., el sistema de automatización y control también es más económico para plantas centrales grandes. El desempeño energético a carga parcial de las plantas centrales grandes puede ser más eficiente que el de muchos sistemas pequeños instalados de forma independiente debido a que la planta más grande puede modular la salida de agua helada y operar con uno o más circuitos de refrigeración según lo requiera la carga térmica demandada por las edificaciones. Las plantas centrales de agua helada de los edificios generalmente operan a una eficiencia promedio de 1.2 kW / TR (2.9 COP); mientras que las plantas de producción de agua helada de los distritos de enfriamiento pueden tener eficiencias promedio alrededor de 0,85 kW / TR (4,1 COP) y hasta 0,70 kW / TR (5,0 COP) en sistemas que cuentan con almacenamiento térmico de hielo.  Por lo tanto, la eficiencia de producir agua helada en un distrito de enfriamiento es aproximadamente un 40% mayor que en una planta central de enfriamiento de un edificio y hasta un 70% más si el distrito de enfriamiento cuenta con almacenamiento térmico. De manera similar, los distritos de enfriamiento utilizan sistemas de automatización típicamente industriales que ofrecen un mayor nivel de control y monitoreo del sistema en comparación con los sistemas de enfriamiento descentralizados de tipo comercial.
• Energía primaria disponible. Si bien a nivel de infraestructura civil y arquitectónica para edificios puede no ser práctico producir agua helada a través de enfriadores de absorción, esto si es posible en plantas centrales de producción de agua helada más grandes. El uso de enfriadores de alto voltaje también puede ser poco práctico en las plantas de enfriamiento para edificios, excepto en las destinadas para distritos de enfriamiento.
• Mantenimiento de equipos. Con menos equipos, hay proporcionalmente menos actividades relacionadas con mantenimiento, reducción de gastos y menos personal para servicio técnico.
• Seguros. Tanto los costos de seguro de propiedad como de responsabilidad civil pueden reducirse significativamente con la eliminación de calderas, enfriadores de agua, motobombas e interruptores eléctricos desde el interior del edificio, ya que se reduce el riesgo de incendios o accidentes.

Los distritos de enfriamiento no solo ofrecen versatilidad, confiabilidad, reducción en los costos de operación y mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero, sino que el uso de estos sistemas les permite a los grandes centros urbanos planificar su infraestructura civil y arquitectónica de tal manera que el impacto ambiental en cuanto ruido, vibración, estética, etc., hacia los ciudadanos y usuarios finales de estos sistemas sea menor.

Es clave en este sentido una temprana planificación y diseño integrado del distrito de enfriamiento, guiado por un proceso de commissioning, que permita reducir el costo inicial del distrito, tener una correcta instalación de los diferentes componentes y tener unos costos de operación óptimos.

Referencias: ASHRAE District Cooling Guide

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Los consultores o profesionales que diseñamos edificios entendemos que en el diseño de casi todos los elementos y/o sistemas del edificio intervienen todas las disciplinas técnicas que hacen parte del proyecto, por lo que tiene sentido integrar varias disciplinas técnicas para lograr soluciones eficientes y sostenibles en beneficio de la optima construcción y desempeño del edificio.

Desafortunadamente, el proceso de diseño tradicional y que más predomina todavía es aquel en el que tendemos a tener un proceso subdividido y lineal en lugar de diseñar conjuntamente alrededor de un proceso interactivo. En este proceso tradicional, los elementos y/o sistemas a diseñar están subdivididos de tal manera que diferentes consultores o profesionales trabajan en un relativo aislamiento entre sí.

Durante el diseño conceptual, se pueden hacer suposiciones sobre cómo se diseñarán ciertos elementos y/o sistemas sin explorar completamente otras posibilidades. Estas suposiciones pueden estar implícitas en el sentido de que las decisiones tempranas se tomen en función de los requisitos para la asignación de espacio para el edificio, forma básica, orientación y ubicación en sitio. Estas decisiones tempranas también están fuertemente basadas en consideraciones de estética y presentación sin explorar completamente las implicaciones para la ventilación, iluminación, ruido, control térmico, energía o calidad de aire interior.

Muchas opciones para resolver estos problemas se eliminan inadvertidamente en este proceso, por lo que en algunos casos se requiere que los consultores o profesionales de diseño “ajusten a la fuerza” sus propuestas de diseño las cuales pueden resultar no siendo las más optimas para el proyecto.

Una alternativa a esto es el “proceso de diseño integrado”. Este proceso tiene como objetivo aprovechar al máximo la naturaleza asociativa que se puede lograr con los consultores o profesionales de diseño de las diferentes disciplinas técnicas que hacen parte del proyecto para que trabajen entre sí y, de este modo, maximicen la capacidad de diseñar el edificio y así cumplir con los requisitos del propietario del proyecto (OPR) establecidos a través de un proceso de commissioning eficiente.

LAS TENDENCIAS ACTUALES REQUIEREN UN DISEÑO INTEGRADO

Hoy, con la tendencia mundial hacia los edificios que emplean estrategias sostenibles o “verdes”, los arquitectos e ingenieros, están utilizando técnicas avanzadas, que incluyen simulación y modelado energético para ayudar a desarrollar diseños óptimos y, a menudo, más simples en los que cada elemento y/o sistema del edificio está diseñado teniendo en cuenta otros elementos y/o sistemas para que se complementen mutuamente.

Por lo tanto, los diseños son a menudo menos complejos, más eficientes energéticamente, más fáciles de mantener y más adaptativos para los ocupantes. La principal diferencia entre el diseño convencional actual y este enfoque emergente está en el proceso de diseño. Se requiere que todos los miembros del equipo de diseño trabajen dentro de un marco integrado, pensando en que todas las decisiones de diseño estén dentro del contexto de la seguridad y bienestar de los ocupantes del edificio, el confort térmico, la calidad de aire interior y el impacto con el medio ambiente.

Este equipo debe incluir a todos los consultores especialistas: como son los de calidad de aire interior, iluminación, acústica, control de incendio, seguridad, comunicaciones, energía, entre otros. Un ejemplo clave es el uso de ventilación natural y/o por desplazamiento donde las ganancias solares térmicas deben minimizarse.

UN DISEÑO INTEGRADO PERMITE UNA MEJOR CALIDAD DE AIRE INTERIOR Y EFICIENCIA ENERGÉTICA

Las acciones para producir una buena calidad de aire interior y un desempeño energético óptimo involucran casi todos los elementos y/o sistemas diseñados de un edificio los cuales están dentro del alcance de un numero significativo de miembros del equipo de diseño. Por lo tanto, la integración del diseño es particularmente importante para lograr una buena calidad de aire interior y una alta eficiencia energética en las edificaciones. Por ejemplo, es imposible separar alternativas de diseño que traten la ventilación del edificio y las que aborden las condiciones climatológicas del sitio, el estado del tiempo y la calidad del aire exterior. Todas están estrechamente conectadas. Por ejemplo:

1.     Las condiciones de confort térmico en interiores afectan la calidad del aire interior, y la ventilación con aire exterior casi siempre afecta las condiciones de confort térmico del área tratada.

2.     La envolvente del edificio afectará en gran medida el desempeño térmico y energético del edificio y afectará el confort térmico local para aquellos que se encuentran cerca de paredes, ventanas o puertas exteriores.

3.     Las superficies frías de las paredes exteriores no solo afectan a los ocupantes, sino que también afectan el potencial de condensación y los problemas relacionados con la humedad y el moho en las paredes.

4.     Las paredes exteriores calientes pueden dar lugar a tasas de emisión elevadas de productos químicos como el formaldehído que pueden ser componentes del aislamiento térmico o productos compuestos de la madera en las paredes.

5.     La iluminación a través de las ventanas exteriores puede proporcionar iluminación y mayor comodidad y bienestar de los ocupantes, pero también puede ir traer ganancias o pérdidas térmicas que deben tratarse mediante control pasivo o activo, como películas anti-radiación para vidrio, o por dispositivos de sombreado manuales o automáticos.

6.     La iluminación eléctrica siempre va acompañada de cierta ganancia de calor que genera una carga de enfriamiento adicional y a menudo innecesaria, además de una penalización para el consumo de energía.

LIDERAZGO Y COMUNICACIÓN GARANTIZAN EL ÉXITO DEL DISEÑO INTEGRADO

El concepto de diseño integrado requiere la integración de los diferentes consultores o profesionales que diseñan los elementos y/o sistemas de un edificio. Esto no puede hacerse con éxito en un proceso de diseño subdividido. Un proceso de diseño integrado requiere un compromiso sustancial con el proceso interactivo, con reuniones periódicas entre los miembros relevantes del equipo de diseño.

El director del proyecto necesita coordinar las interacciones directas de los diversos miembros del equipo de diseño, que incluirán, por ejemplo, arquitectura general, sistema de climatización, iluminación, electricidad, diseño de interiores, etc. Si bien puede que no siempre sea obvio cómo estas disciplinas técnicas y profesionales se afecten entre sí o cómo sus consideraciones y decisiones colectivas impacten en la calidad de aire interior y la eficiencia energética de una edificación, el proceso de diseño integrado debe garantizar una buena comunicación y coordinación entre estas. El diseño integrado debe tener una coordinación orientada a que los miembros del equipo de diseño interactúen y coordinen sus diseños entre sí.

Autor: Ernesto Porras

Referencias: Indoor Air Quality Guide of ASHRAE

El commissioning es un proceso centrado en la calidad para mejorar la ejecución y entrega de un proyecto. Su propósito es reducir el costo y los riesgos asociados con el desarrollo del proyecto y aumentar los beneficios para los propietarios, ocupantes y usuarios de los sistemas instalados en las edificaciones.

El commissioning incluye tareas específicas que se llevan a cabo para evaluar y documentar que todos los sistemas se planifiquen, diseñen, instalen, prueben, operen y sean mantenidos de forma adecuada para cumplir con los requisitos del proyecto del propietario los cuales son plasmados en un documento conocido como OPR.

El commissioning comienza desde la concepción del proyecto, durante el prediseño, y continúa durante la vida útil de los sistemas instalados a través de la operación y el mantenimiento de estos.

PRINCIPALES FASES DEL COMMISSINING

La implementación de un proceso de commissioning en un proyecto deberá hacer énfasis en la elaboración del OPR, la documentación complementaria que acompaña a este documento y en la comunicación adecuada de esta información a cada uno de los involucrados a lo largo del desarrollo del proyecto.

El commissioning se ha estructurado para coincidir con las fases de un proyecto genérico como son el prediseño, diseño, construcción y ocupación y operación. Si las circunstancias obligan a que los propietarios adopten el proceso de commissioning durante las fases de diseño, construcción o durante el primer año de la fase de ocupación y operación del proyecto; dicha implementación posterior deberá recopilar toda la información que se habría desarrollado como si el proceso de commissioning hubiese iniciado durante la fase de prediseño. Esto es necesario para la documentación exitosa de la fase de ocupación y operación y el commissioning posterior durante la vida útil de los sistemas de climatización instalados.

PREDISEÑO

El prediseño es una fase preparatoria del proceso de commissioning en el que se desarrollan y definen los requisitos del propietario del proyecto OPR.

En esta fase se recopila información sobre el proyecto, que incluye:

1. Listado de requisitos generales, como son las condiciones interiores del área climatizada, etc.
2. Afectaciones hacia el exterior, por ejemplo, ruido de torres de enfriamiento, descarga de efluentes contaminados, afectaciones en infraestructura pública, etc.
3. Aplicabilidad de códigos y regulaciones locales.
4. Condiciones del lugar y clima.
5. Función de la edificación, por ejemplo, si la edificación va a ser destinada a oficinas, un hospital, centro comercial, etc.
6. Tecnologías aplicables en le desarrollo del proyecto, como son recuperación de calor, almacenamiento térmico, nivel de complejidad del sistema de automatización, etc.
7. Sostenibilidad, por ejemplo, contenido de material reciclado, uso de eficiente de la energía, etc.
8. Horario y perfil de ocupación de la edificación.
9. Necesidades generales del propietario, ocupantes, operadores y personal de mantenimiento.

Los objetivos del proceso de commissioning en esta fase incluyen:

1. Desarrollar el OPR.
2. Definir el alcance y presupuesto para el proceso de commissioning.
3. Desarrollar un plan de commissioning para el proyecto.
4. Establecer y aprobar las actividades de commissioning que se desarrollarán en esta fase.

DISEÑO

Durante la fase de diseño se crea un documento llamado Bases del Diseño (BoD) que transmite claramente las suposiciones hechas en el desarrollo de una alternativa o solución de diseño que cumpla con la intención y los criterios del OPR. Este documento incluye descripciones narrativas de los sistemas a instalar y se amplía el plan de commissioning desarrollado en el prediseño para incluir detalles de las actividades que deberán ejecutarse en las fases de construcción, ocupación y operación.

Los objetivos del commissioning en la fase de diseño incluyen lo siguiente:

1. Verificar que las bases del diseño estén alineadas con lo que requiere el OPR.
2. Actualizar el plan de commissioning para incluir actividades correspondientes a las fases de construcción, ocupación y operación de las edificaciones.
3. Desarrollar listas de chequeo preliminares para la fase de construcción.
4. Actualizar el alcance y el formato del manual de operación y mantenimiento de los sistemas del proyecto.
5. Definir los requisitos de capacitación para el personal de operación y mantenimiento de la edificación.
6. Realizar una revisión de diseño centrada en el commissioning.
7. Aprobar las actividades de commissioning a ejecutar en la fase de diseño.

CONSTRUCCIÓN

Durante la fase de construcción del proyecto, los sistemas de climatización se instalan, inspeccionan, prueban y ponen en servicio para cumplir con los requisitos del propietario del proyecto. Esta fase también puede incluir actividades de licitación, negociación y contratación. Durante esta fase también se entrega el manual del sistema y se realiza la capacitación al personal de operación y mantenimiento de la edificación.

Los objetivos del commissioning en la fase de construcción incluyen:

1. Actualizar el OPR.
2. Actualizar del plan de commissioning.
3. Verificar que las fichas técnicas de los sistemas a instalar cumplen con el OPR
4. Desarrollar los procedimientos de puesta en marcha detallados y formatos de recolección de datos de operación.
5. Verificar que los sistemas instalados cumplen con el OPR.
6. Entregar manual de operación y mantenimiento de los sistemas instalados.
7. Verificar que se realice la capacitación del personal de operación y mantenimiento de la edificación.
8. Aprobar las actividades de commissioning a ejecutar en la fase de construcción.

OCUPACIÓN Y OPERACIÓN

Las actividades de commissioning que inician en esta fase deben continuar hasta el final del período de garantía contractual e idealmente continuar durante toda la vida útil de la instalación. Durante la fase de ocupación y operación de la edificación se debe verificar que la puesta en marcha, el mantenimiento, la modificación de los sistemas instalados y su documentación asociada estén acordes con lo requerido en el OPR.

Los objetivos del commissioning en la fase de ocupación y operación incluyen:

1. Usar el conocimiento y la experiencia del agente de commissioning contratado para el proyecto para minimizar los llamados por garantías hacia los contratistas.
2. Brindar orientación permanente sobre la operación y mantenimiento de los sistemas instalados para cumplir con el OPR.
3. Realizar pruebas y ajustes periódicos a los sistemas instalados para cumplir con el OPR.
4. Documentar las lecciones aprendidas durante la aplicación del proceso de commissioning para su aplicación en proyectos futuros.
5. Aprobar las actividades de commissioning a llevarse a cabo durante la fase de ocupación y operación de la edificación.

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Referencias: ASHRAE – The Commissioning Process