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Capítulo 2
Sistemas de aire acondicionado
2.1 Introducción

El sistema de aire acondicionado es la materialización práctica de la instalación que permite el acondicionamiento de aire. Está constituido por un conjunto de equipos, unidades terminales, tuberías, elementos de regulación, etc., que hacen posible la extracción de calor en verano, o el aporte de calor en invierno, además de conseguir que los demás parámetros que definen el estado de confort se mantengan dentro de unos límites preestablecidos.

2.2 Clasificación de los sistemas de aire acondicionado

Existen cuatro criterios para clasificar los sistemas de aire acondicionado, por lo cual expondremos cuatro clasificaciones diferentes: a) según el tipo de fluido, frío o caliente, que se introduce en el local, b) según la centralización o dispersión de los equipos que componen la instalación de frío, c) en base a la forma de la unidad que acondiciona el aire y d) según la velocidad del aire (sólo para los sistemas de aire)

a) Según el tipo de fluido, frío o caliente, que se introduce en el local:

 Todo Aire. Se trata de instalaciones que enfrían o calientan aire, únicamente aire, que es introducido en el local que se desea dimatizar. Existen numerosas variantes de este método, siendo las más características las que emplean un conducto y las que emplean dos conductos.Monoconducto. Cuando el aire se distribuye mediante un conducto único. A su vez pueden dividirse en sistemas de caudal variable (este último se conoce con las siglas VAV) y sistemas de caudal constante. El sistema mono-conducto de caudal constante es el más común, incluso se conoce con el nombre de sistema convencional.Doble conducto. Sistemas que utilizan dos conductos de aire: uno de aire frío y otro de aire caliente, los dos de aire frío. Se trata de sistemas técnicamente muy buenos, pero caros y que necesitan hacer llegar a cada habitación o local dos conductos de aire, con lo cual se requiere más espacio muerto para hacer pasar los tubos. La reglamentación para las instalaciones de ocupación humana prohibe las instalaciones que mezclen fluidos fríos y calientes aunque existen algunas excepciones.

 Aire-Agua. Estos sistemas emplean los dos fluidos (el aire y el agua) como elementos de calefacción en invierno, o de refrigeración en verano. El aire se trata en una unidad central y se distribuye a los locales como si se tratase de un sistema todo aire de conducto único. El agua se enfría o se calienta en otra unidad central y se hace llegar a los mismos locales mediante una red de tuberías. El agua llega a una unidad terminal situada en el local donde cederá o absorberá calor del ambiente. Existen dos tipos de unidades terminales: los fan-coils y los inductores aunque estos últimos están en desuso.

 Todo Agua. Sólo se emplea agua, la cual se enfría o calienta en una unidad central y se distribuye a los locales. Llega a las unidades terminales que comentábamos en el apartado anterior, es decir, fan-coils o inductores. La única diferencia con el sistema anterior es que no se emplea aire.Fluido Frigorífico. El fluido que enfría al local no es aire ni agua, sino directamente el fluido frigorífico. Puede utilizarse un sistema descentralizado, con pequeñas unidades autónomas e independientes que se colocan generalmente en una ventana, por eso se llaman acondicionadores de ventana, o a un sistema centralizado con una red de distribución de fluido frigorífico, de forma que llegue a una unidad terminal situada en el interior del local o habitación. Este último sistema se conoce con las siglas VRV.

b) Según la centralización o dispersión de los equipos que componen la instalación de frío:

 Sistema centralizado. Existe una central donde se enfría o calienta el aire o el agua que posteriormente se distribuye a los distintos locales, habitaciones, pisos, etc., que se desea climatizar. En la misma central se hace el tratamiento completo del aire, si se emplea aire (filtrado, mezcla con aire exterior, impulsión, etc.).

 Sistema semicentralizado. Existe una parte común del proceso de acondicionamiento que se realiza en una central y otra parte que se lleva a cabo en el mismo local que se desea climatizar.

 Sistema descentralizado. Se utilizan máquinas individuales que realizan el tratamiento completo del aire en cada local que se desea climatizar. Por ejemplo, todos hemos visto los típicos acondicionadores de ventana, que se colocan uno en cada local. Es evidente que cuando se trata de climatizar un espacio muy grande y complejo, por ejemplo un edificio completo, o unos grandes almacenes o un bloque de oficinas, debe recurrirse a los sistemas centralizados. Cuando se trata de acondicionar un local pequeño independientemente del resto de la vivienda o del edificio, tendrá que utilizarse el sistema descentralizado.

c) En base a la forma de la unidad que acondiciona el aire:

 Sistema tipo central o unidad climatizadora. Se trata de un conjunto de elementos que se acoplan formando unidades modulares. Este sistema se utiliza en la climatización de grandes espacios y en la gama industrial.

 Equipo autónomo. Es una unidad de tratamiento de aire que lleva en sí todo el proceso de acondicionamiento. No está constituido por módulos, sino que en un solo «paquete» se realizan todas las operaciones.

En el capítulo 6 se verán los equipos más comunes utilizados en aire acondicionado.

d) Según la velocidad del aire:

 Baja velocidad. Cuando la velocidad es menor de 11 m/s.

 Alta velocidad. Cuando las velocidades están comprendidas entre 11 y 25 m/s.

2.3 Concepto de carga parcial

Cuando se calcula la dimensión de una instalación de aire acondicionado, se hace de acuerdo con las llamadas condiciones de carga máxima, que corresponden a unos valores de temperatura y humedad exteriores desfavorables.

Consideremos una instalación de aire acondicionado para dar frío en verano. La temperatura exterior que se considera es la media de las máximas (en Barcelona, 31 °C). Si algún día la temperatura exterior es mayor de 31 °C, en teoría la instalación no podría contrarrestar la carga, y la temperatura del local subiría unos grados. Es preferible esta situación que tener sobredimensionada la instalación. A una situación de más de 31 °C (seguimos con el ejemplo de Barcelona) no se llama de carga parcial, sino de sobrecarga. En general, lo que ocurrirá es que la temperatura exterior será próxima a 31 °C, o inferior. Cuando la temperatura exterior es menor, la carga térmica es menor también, y entonces se dice que la instalación está en situación de carga parcial. Ahora bien, si hemos dimensionado la instalación para carga máxima, no habrá ningún problema en hacer funcionar la instalación a carga máxima, es decir, sin ninguna limitación; el problema radica precisamente en que funcione a carga parcial, porque obligamos al sistema a trabajar en unas condiciones que son cambiantes y, en general, de potencia inferior a la de diseño. Por esto es tan importante la regulación de las instalaciones. La regulación permite que una instalación funcione en condiciones de carga parcial. Cuando se proyecta una instalación de aire acondicionado se supone que en el exterior tenemos unas condiciones determinadas, que se llaman:

 Temperatura exterior de proyecto.

 Humedad exterior de proyecto.

Si mantenemos dentro del local una temperatura inferior, es evidente que entrará calor en el local procedente del exterior, por diferentes conceptos. Este calor se denomina carga térmica del local. Consideremos los siguientes supuestos:

a) Que la temperatura exterior sea mayor que la de proyecto.

Esta situación debe darse de forma muy esporádica, es decir, en contadas ocasiones. Si ocurriese muy a menudo querría decir que no se ha considerado correctamente la temperatura exterior de proyecto. De todas formas, si se produce, quiere decir que la carga térmica es superior a la de proyecto. En teoría no hay regulación para esta situación, puesto que la instalación se ha diseñado para una carga máxima que es la de proyecto. En consecuencia, en el interior del local no se alcanzarían las condiciones de confort, es decir, en el local aumentaría la temperatura. En la práctica, las instalaciones de aire acondicionado tienen un margen de seguridad, de manera que, si la carga térmica aumenta sólo un poco respecto a la máxima, todavía pueden conseguirse las condiciones de confort.

b) Que la temperatura exterior sea igual que la de proyecto.

En este caso, la carga térmica es la de proyecto y se llama carga máxima. Es decir, la carga máxima se da cuando las condiciones exteriores de temperatura y humedad coinciden con las de proyecto.

c) Que la temperatura exterior sea menor que la de proyecto.

Esta situación es la estadísticamente más frecuente. La carga térmica es inferior a la de proyecto y se llama carga parcial. En la tabla 2.1 hemos recogido todas estas situaciones. Así pues, vemos que, salvo contadas ocasiones, la carga térmica del local será o bien la máxima o bien la carga parcial. Es evidente que el sistema de aire acondicionado debe diseñarse de forma que dé respuesta a ambas situaciones; para que trabaje en condiciones de carga parcial es preciso que disponga de unos elementos de regulación que permitan su adaptación a la cambiante carga térmica.

Tabla 2.1 Situaciones que pueden presentarse con la temperatura exterior y la carga

El aire acondicionado produce aire frío, o aire y agua fríos, cuya misión es contrarrestar el calor que llega al local procedente del exterior y del interior, que no es otra cosa que la carga térmica.

Veamos algunos ejemplos, para reforzar las ideas expuestas anteriormente.

2.4 División zonática

A la hora de elegir un sistema de aire acondicionado hay que considerar diversos factores entre ellos la división en zonas del ambiente que se desea climatizar. En general, se consideran dos zonas: Una zona perimetral y otra zona interior (ver figura 2.1 en la página siguiente). Las características son las que se indican en la tabla 2.2.

Figura 2.1 División zonática

Tabla 2.2 División de las zonas que se desea climatizar

2.5 Sistemas todo aire, conducto único, caudal constante

El caudal de aire que suministramos al local es constante; ahora bien, si la carga térmica disminuye, debe regularse de alguna manera la instalación, para que se interrumpa la llegada de aire frío al local o, por lo menos, que la temperatura del aire sea más alta.

Existen diversas formas de regular «la aportación de frío» al local. Una de ellas es la llamada «todo-nada» que consiste en parar la instalación cuando disminuye la temperatura del aire del local y ponerla en marcha cuando la temperatura aumenta.

En la figura 2.2 se ha representado de forma esquemática una instalación todo aire, conducto único y regulación todo-nada. En dicha figura, BE es la batería de enfriamiento encargada de enfriar el aire en verano y BC la batería de calefacción encargada de calentarlo en invierno. V son válvulas. T es un termostato que detecta cuando baja o sube la temperatura y manda una señal a la batería de enfriamiento haciéndola parar o ponerse en marcha.

Figura 2.2 Esquema de una instalación todo aire, conducto único y regulación todo-nada (“on-off”)

Otra forma de regular la instalación –más económica– es la de emplear el sistema del by-pass (ver figura 2.3). La idea es hacer un puente (bypass) entre el aire frío y el aire de retorno, con unas válvulas que dejen pasar más o menos aire. Si la temperatura del local baja, el termostato T acciona el motor M, que abre la válvula A y cierra un poco la B, con lo cual se mezcla aire caliente procedente del local con aire frío que sale de la máquina de refrigeración, llegando así aire menos frío al local.

Figura 2.3 Esquema de una instalación todo aire, conducto único, con regulación mediante “by-pass” del aire de retorno

2.6 Sistema VAV (volumen variable de aire)

El sistema VAV son las iniciales en inglés de «volume air variable». Es un sistema de climatización Todo Aire que pretende regular las condiciones térmicas del local modificando o variando el caudal de aire frío que se introduce, sin modificar la temperatura del mismo.

Por ejemplo, si la carga térmica disminuye, quiere decir que deberá entrar aire igual de frío, pero en menor cantidad, o bien la misma cantidad de aire a menor temperatura. El VAV utiliza el primer medio: menos aire a la misma temperatura. Para conseguirlo se emplean unas compuertas que se regulan automáticamente en función de la temperatura del local controlada mediante un termostato.

En la figura 2.4 se ha representado el esquema con los elementos más característicos de un sistema VAV. Vamos a explicar el funcionamiento en verano; el aire tratado se desvía en dos ramales (puede haber más): cada ramal va al local que debe ser climatizado, en el cual tendremos un termostato ambiente, tarado a una cierta temperatura. Supongamos que la temperatura es de 24 ± 1 °C. El sistema funcionará para que, en situación de carga máxima, la temperatura del local sea de 24 °C.

Figura 2.4 Sistema VAV

Si la carga disminuye, como llega el mismo aire frío a la misma temperatura, la temperatura del local disminuye, inmediatamente el termostato detecta esta disminución de temperatura y envía una señal al servomotor de la compuerta del ramal, cerrándola ligeramente. Esto provoca una disminución del caudal del aire que llega al local, con lo cual la temperatura vuelve a subir hasta alcanzar de nuevo la temperatura deseada.

Si la disminución de caudal ocurriese simultáneamente en todos los ramales, se produciría una variación de presión estática que podría producir un aumento de caudal de aire en los ramales en los que no ha habido regulación. Para evitar esto, un presostato colocado en la impulsión regula una compuerta motorizada situada en la aspiración para tener siempre la misma diferencia de presión en el ventilador.

En el VAV, la unidad terminal es la pieza fundamental del sistema, ya que es la encargada de realizar la difícil misión de regular el caudal de aire, en función de la carga térmica y verterlo en el recinto.

El acondicionamiento de aire con fan-coils es uno de los más populares que existen. Está basado en instalar unos aparatos llamados fan-coils (serpentín y ventilador) en las habitaciones o locales que deben refrigerarse. A los fan-coils se hace llegar agua fría mediante una red de tuberías. El agua se enfría mediante una central enfriadora. El agua que llega al fan-coil alimenta una batería cuya misión es enfriar aire del local aspirado mediante un ventilador. En invierno la batería puede ser alimentada con agua caliente procedente de una caldera. En la figura 2.5, en la página siguiente, se ha indicado de forma simple el esquema general de un fan-coil.

Figura 2.5 Esquema básico de un “fan-coil”

2.7 Sistema con fan-coils

El fan-coil es una unidad terminal del sistema de aire acondicionado denominado con el mismo nombre que la unidad terminal: sistema con fan-coils. El fan-coil consta de los siguientes elementos:

 Ventilador centrífugo accionado con un motor de varias velocidades.

 Batería de tubos de cobre expandidos mecánicamente en aletas corrugadas de cobre o aluminio. Puede ser una batería o dos en el caso de los fancoils a cuatro tubos. Está provista de purgadores y tapones.

 Bandeja de condensados en chapa galvanizada, con aislamiento térmico.

El sistema de fan-coils se puede clasificar en base a dos criterios diferen tes:

 Que tenga o no toma de aire de ventilación.En este caso el sistema puede diseñarse de forma que el ventilador del fan-coil aspire aire únicamente del recinto o bien el fan-coil está provisto de una toma de aire exterior; el ventilador aspira aire exterior de ventilación. Para evitar el efecto chimenea esta solución debe limitarse a edificios bajos y protegidos del viento.

 Según la disposición y número de tubos de agua que acceden y salen del fan-coil.Esta disposición puede ser: de dos tubos y de cuatro tubos.