Métodos para una adecuada distribución de aire

Exactitud en el diseño de ingeniería, correctas especificaciones para elaborar el análisis del proceso de balanceo térmico, variedad en el uso de piezas, instalar equipos certificados, utilizar sólo el aire necesario y tomar siempre en cuenta la acústica conforman los principales elementos para lograr una adecuada distribución de aire acondicionado.

Por: Andrea Rivera,

La instalación de un sistema de aire acondicionado (AA) no es cosa simple. No basta sólo lanzar aire caliente o frío a diestra y siniestra. Por su complejidad, este tipo de proyectos son un arte de la ingeniería y requieren cálculos rigurosos de cargas de enfriamiento que se realizan tomando en cuenta ciertas características físicas de las edificaciones. Se trata, dicen los expertos, de hacer juego entre carga y potencia, y de utilizar el mayor número posible de dispositivos para dar mayor variabilidad al complejo.

Una mejor distribución de aire se logra con cálculos exactos de la carga de aire de enfriamiento –también llamada carga térmica– en espacios y edificios, ya sea tipo residencial, industrial, institucional, gubernamental o comercial. El ingeniero Gustavo Tudare Prado, profesor de las cátedras de Aire Acondicionado y Computación en el programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Zulia, Venezuela, asegura que es necesario tomar en cuenta los siguientes factores:

• Datos atmosféricos del sitio
• Características de las edificaciones (dimensiones físicas)
• Orientación del edificio (dirección de las paredes del espacio a acondicionar)
• Momento del día en que la carga llega a su pico
• Espesor y características de los aislamientos
• Cantidad de sombra en los vidrios
• Concentración de personal en el local
• Fuentes de calor internas
• Cantidad de ventilación requerida
• Características de los materiales de construcción (tamaño de los componentes, colores externos de fuentes y formas)
• Fecha en que se realizan los cálculos de la carga de enfriamiento (contar con información de varias horas del día y de varios meses es lo ideal)

Tudare Prado explica en un documento difundido por la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés), acerca del cálculo de cargas térmicas, que el tipo de sistema de acondicionamiento de aire, la ubicación del ventilador, la pérdida y ganancia de calor de los ductos, la energía de ventilación, la filtración de los ductos, el tipo de sistema de retorno de aire y  los sistemas de iluminación por extracción de calor afectan la carga del sistema y el tamaño de los componentes.

Los sistemas HVAC, indica, “deben de contrarrestar las fuerzas del tiempo cuando la humedad o la temperatura al aire libre se mueven en un rango aceptable, favoreciendo la seguridad y el confort de las personas. Por tanto, un entendimiento claro del comportamiento del tiempo es útil para diseñadores y operadores de estos sistemas. Limitaciones en esa comprensión son, a menudo, raíz de problemas que pueden afectar la calidad del aire interior y ocasionar el deterioro prematuro de la edificación y de los equipos”.

En su opinión, una adecuada distribución del flujo de aire se logra a través de conductos con una simple abertura de vertido y otra de retorno en la misma máquina, hasta con complejos sistemas dotados de un entramado de conductos de diferentes secciones de flujo interconectados, con múltiples rejillas de salida y retorno, sistemas de compuertas reguladoras de flujo y control en caso de incendio.

Refiere que para un adecuado funcionamiento de un sistema de AA –con independencia de su complejidad– es muy importante no sólo distribuir el aire frío en mayor o menor grado a cada local, según sus condiciones, sino lograr un adecuado retorno. “Una ventana de salida de aire frío en un local no será funcional si el aire frío vertido no tiene posibilidades bien definidas de retornar a la máquina frigorífica”.

Lo verdaderamente trascendente, según Tudare, y uno de los desafíos más grandes para un diseñador consiste en la total comprensión del clima en una localidad desconocida. “El conocimiento acerca del comportamiento climático local, generalmente, está menos disponible para el diseñador o proyectista en localidades remotas; a veces, esto trae consecuencias costosas. En cierto modo, resulta obvio pensar que un procedimiento estándar de un sistema de AA para una edificación en Chicago no sería el mismo bajo el clima de Puerto Rico, con carga latente diez veces más grande”.

Con dependencia de la orientación geográfica del edificio, puntualiza, la carga máxima de temperatura se toma alrededor de las quince horas; la máxima ganancia solar a través de vidrios llega a cualquier hora desde las siete de la mañana hasta las cinco de la tarde. “Las ganancias de calor internas pueden llegar a su pico máximo en cualquier momento; por lo que se hace necesario efectuar un cálculo de las ganancias de calor en varios puntos del día para poder determinar el pico máximo de la carga de enfriamiento”.

Ingeniería ante todo
Miguel Ángel Rosario fue quien se encargó de proyectar un laboratorio de biocontención para el Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias (INER), en la Ciudad de México.

Ingeniero mecánico industrial, egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Culhuacán, del Instituto Politécnico Nacional, y miembro ASHRAE, desde hace más de 20 años trabaja en el diseño de AA para hospitales. En entrevista con Mundo HVAC&R, explica cómo lograr una adecuada distribución del flujo de aire, mientras recuerda un caso reciente que presenció: “Nos trajeron a un cliente que había desarrollado un proyecto de sistema de aire acondicionado. Lo ejecutó en obra; desafortunadamente, con dimensiones no basadas en la ingeniería. Hubo muchos problemas porque es un edificio de oficinas de dos niveles y casi todo está abierto. Imaginemos áreas en las que hay 60, 80 y hasta 90 personas trabajando. En principio, el edificio cuenta con las cuatro orientaciones: Norte, Sur, Este, Oeste, pero distribuyeron el sistema de AA de tal manera que no zonificaron, y a todo le dieron una dimensión estándar.

”El edificio ya está ocupado, con las personas trabajando. Ahora tienen problemas porque a determinada hora hay zonas que se calientan más que otras; de modo que a las personas ubicadas en dirección oriente les pega el sol toda la mañana y las personas del fondo se congelan: simplemente, no tienen forma de balancear sus temperaturas ni de garantizarles algo de  confort.”

Para solucionar el problema, el equipo del ingeniero Rosario elaboró un análisis del cálculo de las cargas térmicas con el propósito de conocer el volumen exacto de aire y humedad requeridos para manejar una temperatura lo más agradable posible. “Decidimos instalar unos difusores con volumen de aire variable y, en algunas zonas, cajas con volumen de aire variable para resolver varios de sus problemas”.

El ingeniero Rosario indica que para evitar situaciones similares cada proyecto debe ser desarrollado junto con análisis de cargas planeados a la perfección, zonificación adecuada del edificio y colocación de los equipos correspondientes.

“En el caso mencionado, había una serie de oficinas o cubículos donde se necesitaba tener forzosamente temperaturas controladas. Eso significa poner a trabajar el cerebro y pensar qué tipo de sistema puede resolver este tipo de problemas. Si el proyecto se desarrolla conforme a los requerimientos y se balancea correctamente, no tiene por qué haber ningún tipo de inconveniente en cuanto a las condiciones de confort. Porque ese es el principio del AA: tratar el aire para sentirse fresco durante el verano y mantener una temperatura templada en invierno.”

Desde hace algunos años, el ingeniero Rosario imparte pláticas a estudiantes de octavo semestre de la carrera de Arquitectura, de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Xochimilco, en la cual los introduce al campo de las instalaciones. Más que conferencias o clases formales, su intención es prepararlos y sensibilizarlos acerca de los problemas que se presentan en la vida real cuando se proyectan e instalan los sistemas; acerca de los espacios y las áreas que requieren instalaciones específicas, y mostrarles cuáles son los factores que deben de ser tomados en cuenta durante un análisis de cargas térmicas.

“Una casa de máquinas es el corazón del edificio y, si está mal diseñada o mal ubicada, no funcionará bien. Es necesario instruir a los alumnos en este tipo de conocimiento. Lo primero es hacerles entender que la proyección e instalación de sistemas de AA no es un trabajo en solitario, sino interdisciplinario; es decir, el AA no configura por sí mismo una entidad aislada, también intervienen otros campos de igual importancia, como la eléctrica, la hidráulica, telecomunicaciones, la estructura… Es un trabajo muy completo y muy complejo, que sigue un orden natural. Todo va estrechamente relacionado. Cada área es el eslabón de una cadena”.

Especialista en proyectos sostenibles de AA, el ingeniero Rosario toma siempre como base los parámetros establecidos por ASHRAE. Señala que un proyecto parte de una propuesta arquitectónica y de ahí se someten a análisis algunas cuestiones, como el principio de eficiencia energética de un edificio (si es sustentable o no). Estos datos, junto con la especificación de los materiales de construcción y el factor de transmisión o resistencia térmica del material (si es cristal sencillo, pero tiene una película de protección contra los rayos ultravioleta), se insertan en un programa, y se van estableciendo los requerimientos, local por local.

“De esta manera, vamos configurando el escenario: el número de personas trabajando, la cantidad de equipos instalados que emiten calor (computadoras, impresoras, hornos de microondas, iluminación), según sea el caso. Saber todo esto es relevante para realizar los cálculos y, a partir del análisis, se determina el volumen de aire exacto requerido para la eliminación de energía, en primavera y verano, o el ingreso en tiempos de frío. Este es el proceso que se debe seguir para el desarrollo de un proyecto: partimos de un plano arquitectónico, de la necesidad específica de un cliente, ya sean oficinas, hoteles, hospitales o laboratorios especializados”.

Previo al balance térmico, el ingeniero Rosario elabora una propuesta, con una visión exacta de cómo lo va a proyectar: con un equipo, con dos, con diez. La clave: considerar el tamaño del edificio y, en función de ello, dimensionar la instalación.

Uno de los “problemas” señalados por el ingeniero Rosario es que el AA ocupa un volumen bastante grande entre el plafón y la losa, “pero es necesario porque de esta manera se protegen los equipos. A esto lo denominamos necesidades hacia el área de arquitectura; o sea, ya con plano en mano, se identifican las necesidades para poder acondicionar”.

Antes del análisis definitivo, continúa, se tiene que hacer un precálculo. “Si un proyecto es muy grande, se necesitará destinar un espacio para acondicionar el cuarto de máquinas y desde ahí generar los fluidos que serán enviados hasta la manejadora a través de equipos de bombeo. Básicamente, el proceso se divide en el anteproyecto y los requerimientos. Cada espacio lo va plasmando el arquitecto en su plano; aunque hay ocasiones en que el arquitecto no considera los espacios verticales y horizontales que se tienen que utilizar para instalaciones del AA.

”Una vez que los ingenieros dan el requerimiento al área de arquitectura, nos devuelven los planos y entonces empezamos a desarrollar el cálculo fino con base en los planos de fachadas, con las especificaciones de materiales, el número de personas y de equipos: todo lo que intervendrá en la operación de un edificio”.

La proyección e instalación de sistemas de AA no es un trabajo solitario, sino interdisciplinario. En él intervienen otros campos de igual importancia: eléctrica, hidráulica, telecomunicaciones, estructura

Una vez que se obtiene el balance térmico, el volumen de aire, el número de galones por minuto y las coordenadas de refrigeración, el paso siguiente tiene que ver con el área de ingeniería eléctrica: “Los ingenieros eléctricos nos dan un plano con la ubicación de la luminaria, para que nosotros tengamos una perfecta coordinación entre difusores, rejillas, lámparas y todo lo que interviene en la parte de AA, y el sistema eléctrico. De aquí empezamos a desarrollar unos planos, que se llaman diagramas unifilares, donde señalamos el número de salidas, la cantidad de difusores y equipos, y empezamos a trazar una línea que va a representar los ductos con la suma total de los pies cúbicos de aire que se requieren”.

El siguiente paso es dimensionar las rejillas y los difusores. Cada uno tiene un parámetro de operación y un rango de velocidades que deben quedar señaladas a la perfección para que no sea un difusor exageradamente grande o uno pequeñito con el que se va a tener problemas de ruido. “Hay parámetros con los que debo trabajar o diseñar para no tener problemas durante la operación. Uno de ellos es la dimensión de los difusores (que pueden ser de cuatro vías, de tres, de dos o de una), la cual se elegirá en función de la superficie disponible. Puede ser largo, cuadrado o rectangular. Hay difusores cúbicos, cilíndricos y lineales, todo depende de qué se va a acondicionar: un auditorio, un teatro. El diseño arquitectónico no siempre es un espacio rectilíneo; recordemos que para cada necesidad hay una solución.

”Del difusor más sencillo vamos a los modelos actuales, diseños mucho más modernos con adornos específicos (el cliente puede solicitar un plafón especial y se construye con los requerimientos particulares que él desee). Una vez que se tiene la dimensión exacta del difusor, se empiezan a dimensionar los ductos, los cuales son hechos de lámina galvanizada o de otros materiales que actualmente hay en el mercado, como el P3, que es un poliuretano con una placa de aluminio de un espesor muy pequeño: no llega ni a 1 milímetro, apenas son micras. Este material, que es muy ligero, resulta perfecto para usarse en remodelaciones o edificios viejos a los que no es conveniente agregar mucho peso”.

De los datos se parte hacia el método. “Los datos obtenidos y anotados en el plano son los que se van a regular para obtener las condiciones requeridas de AA; luego se dimensiona el ducto de acuerdo con el requerimiento de velocidades. Al final se hace la selección de los equipos. Enseguida, el área de ingeniería se encarga de alimentarlos eléctricamente”.

El balance térmico va a indicar la cantidad de pies cúbicos de aire que deberá contrarrestar el calor o el frío interior de un espacio. “Supongamos que hemos instalado un equipo que va a dar 5 mil pies cúbicos. Primero necesito verificar que, efectivamente, el equipo dé 5 mil pies cúbicos; de lo contrario, tiene que ser muy próximo, al menos 1 o 2 por ciento de diferencia. Una vez hecha la verificación, se procede a realizar el proceso de balanceo. Cuando el equipo todavía no está balanceado, el sistema avienta el aire y éste sale por donde le resulte más fácil”.

El ingeniero Rosario menciona un protocolo para realizar ese balanceo: “Debemos cerrar compuertas desde el principio del ducto para que el volumen de aire llegue a todo el ramal. En este punto, la velocidad del aire es mucho más rápida que la del aire que llega al final del ducto; de manera que se van cerrando y abriendo compuertas del equipo para empatar los rangos establecidos. Al mismo tiempo que se disminuye la velocidad inicial cerrando las compuertas, se aumenta la del aire que llega hasta el final del ducto abriendo las compuertas localizadas allí. Esto garantiza un buen suministro y una adecuada distribución del aire, pero siempre siguiendo lo que está reflejado en el plano”.

En términos básicos, así es como se realiza el balanceo de un sistema de AA, el cual aplica también en sistemas de agua helada o refrigerante, o en sistemas de calefacción con agua caliente, vapor o resistencias eléctricas. “Una vez que el sistema se ha balanceado, en caso de que sea de volumen variable, se va a instalar una cajita con un sensor de temperatura, que es el que va a proporcionar las condiciones de temperatura”.

Un punto a resaltar es que, aun cuando el proyecto o la obra estén bien desarrollados, sin el correcto balanceo del sistema de AA, no hay ninguna garantía de un buen funcionamiento. “Lo que sucede  es que el aire escapa por donde menor resistencia tiene y, si no se calibra o restringe en ciertos puntos, el sistema se vuelve loco: se pierde el control”.

La forma del ducto sí importa
Para lograr una excelente distribución de aire, el ingeniero Rosario insiste en que “la  empresa encargada de realizar el balanceo de cada uno de los sistemas de AA, trátese de aire o agua, deberá elaborar y documentar el procedimiento de ajuste y equilibrio de los sistemas de distribución y difusión de aire, de acuerdo con los siguientes puntos:

1. De cada circuito se deberá conocer el caudal nominal y la presión, así como los caudales nominales en ramales y unidades terminales
2. El punto de trabajo de cada ventilador –del que se debe conocer la curva característica– deberá ser ajustado al caudal y a la presión correspondiente con el diseño
3. Las unidades terminales de impulsión y retorno serán ajustadas al caudal de diseño mediante sus dispositivos de regulación
4. Para cada local se debe conocer el caudal nominal de aire impulsado y extraído, previsto en el  proyecto o memoria técnica, así como el número, tipo y ubicación de las unidades de impulsión y retorno terminales
5. El caudal de las unidades terminales deberá quedar ajustado al valor especificado en el proyecto o memoria técnica
6. En unidades terminales con flujo direccional, se deben ajustar las aletas para minimizar las corrientes de aire y establecer su distribución adecuada
7. En locales donde la presión diferencial del aire, respecto de los locales de su entorno o el exterior, sea una condicionante para el proyecto o memoria técnica, se deberá ajustar la presión diferencial de diseño mediante actuadores sobre los elementos de regulación de los caudales de impulsión y extracción de aire, en función de la diferencia de presión por conservar en el local, manteniendo, a la vez, constante la presión en el conducto. El ventilador adaptará, en cada caso, su punto de trabajo a las variaciones de la presión diferencial mediante un dispositivo adecuado”.

Sistemas de distribución de agua
La empresa instaladora realizará y documentará el procedimiento de ajuste y equilibrado de los sistemas de distribución de agua de acuerdo con lo siguiente:

1. De cada circuito hidráulico se deben conocer el caudal nominal y la presión, así como los caudales nominales en ramales y unidades terminales
2. Se comprobará que el fluido anticongelante contenido en los circuitos expuestos a heladas cumpla con los requisitos especificados en el proyecto o memoria técnica
3. Cada bomba –de la que se debe conocer la curva característica– deberá ser ajustada al caudal de diseño, como paso previo al ajuste de los generadores de calor y frío a los caudales y temperaturas de diseño
4. Las unidades terminales o los dispositivos de equilibrado de los ramales serán equilibradas al caudal de diseño
5. En circuitos hidráulicos equipados con válvulas de control de presión diferencial, se deberá ajustar el valor del punto de control del mecanismo al rango de variación de la caída de presión del circuito controlado
6. Cuando exista más de una unidad terminal de cualquier tipo, se deberá comprobar el correcto equilibrio hidráulico de los diferentes ramales mediante el procedimiento previsto en el proyecto o memoria técnica

El ingeniero Rosario trabajó por 20 años en la División de Proyectos del IMSS (1982-2003) –una  década en el Centro Médico Nacional Siglo XXI–, lapso en el que participó en el programa de reconstrucción de hospitales tras el terremoto de 1985.

“El aire es la instalación más voluminosa en espacio, y a veces ocurre que los diseños arquitectónicos deben modificarse porque los planos no incluyen el espacio para las instalaciones de AA. Por ejemplo, acondicionar alrededor de 10 mil metros cuadrados requiere de entre ocho y 10 equipos que precisan, cada uno, de 25 metros cuadrados de superficie. En 25 mil metros cuadrados, ocupo aproximadamente 1 mil 200 metros para cuartos de aire, ¿de dónde voy a sacar ese espacio? La única opción siempre son las azoteas, lo cual, en ocasiones, rompe con todo el concepto arquitectónico. Como ingenieros, sabemos que el metro cuadrado cuesta mucho dinero y no podemos, ni debemos, pedir áreas que no requiramos”.

Para un sistema convencional de volumen de aire constante, se utilizan ductos de forma cúbica, aunque los hay cilíndricos y también ovalados. “Principalmente, lo que tratamos de hacer es evitar turbulencias. En particular, los ductos cilíndricos presentan menos pérdidas por fricción, menos rozamiento, menos turbulencia, menos ruido. Digamos que la forma de los ductos sí importa y, aunque los cilíndricos u ovalados resultan excelentes, ocupan demasiado espacio. Por eso casi siempre se instalan los de forma cúbica o rectangular. De esta forma aminoramos nuestra lucha constante con los arquitectos por conseguir un poquito más de espacio”.

Respecto de la marca de los equipos, en realidad ninguna falla; más bien, el óptimo funcionamiento del sistema está supeditado a un buen diseño de ingeniería y al hecho de especificar perfectamente bien lo que se requiere. “Cualquier marca certificada bastará; y si además el fabricante garantiza lo que solicitas en el plano, no debe de haber ningún problema. El buen funcionamiento depende totalmente del proyecto y después de la buena ejecución de la obra”, concluye Miguel Ángel Rosario, quien es miembro de la Sociedad Mexicana de Ingeniería en Hospitales.

Cuestiones de acústica
También experto en sistemas de AA, el ingeniero José Luis Trillo, miembro ASHRAE, Capítulo Ciudad de México, comparte para Mundo HVAC&R algunos de los factores que intervienen para lograr una excelente distribución del AA. En primera instancia, menciona que “con todo y el principio del volumen variable, las bases del AA son las mismas desde hace cincuenta años o más; lo único que ha cambiado es la eficiencia. Y en esta nueva tendencia hacia la sostenibilidad, deshacerse del calor dentro de un edificio puede ser más fácil si se trata de una edificación de tipo sostenible”.

Se dice que la carga total de un sistema de AA en un edificio es de alrededor de 40 o 45 por ciento. “Si no es que más”, refiere el ingeniero Trillo, quien sugiere “tener en mente la eficiencia de energía. Sobre todo en hospitales, laboratorios especializados y centros de investigación, donde las instalaciones de AA demandan más energía, casi 250 por ciento más que una instalación convencional; sin embargo –advierte–, los  sistemas de volumen variable nos permiten lograr un ahorro de energía considerable”.

Respecto de la distribución, explica: “No  se debe de olvidar que la potencia en un sistema de distribución de aire está en función del cubo del gasto; es decir, si incrementamos el gasto de aire, la potencia se incrementa al cubo y, si reducimos el gasto de aire; esto es, si usamos baja temperatura y disminuimos la carga –si enfriamos el aire adentro, en lugar de llevárnoslo–, vamos a reducir la potencia al cubo. Es decir, si bajamos 50 por ciento del gasto, reduciremos casi 90 por ciento la potencia. Hay que jugar con esto. Siempre hay que tratar de usar únicamente lo que se necesita y de disminuir el gasto del aire”.

Un aspecto muy importante para el ingeniero Trillo es la acústica. “Por mis años de experiencia sé que, si una vez instalado el sistema hay problemas de ruidos indeseables, resulta sumamente difícil, y muy caro, resolverlo. Si desde el diseño nos acordamos de la acústica y tomamos nuestras precauciones, no habrá falla”.

Sobre esto menciona dos errores frecuentes: “Uno tiene que ver con la velocidad; es decir, el diseño de un sistema de AA para un estudio de grabación no debe ser el mismo, que el de oficinas. Para ambientes laborales, generalmente diseñamos a 1 mil 500 o 1 mil 800 pies por minuto; en el otro caso, hay que diseñarlo a 600 o 700 pies por minuto”.

Un sistema bueno no se siente
Otra de sus recomendaciones es analizar qué tipo de accesorios es posible integrar en el sistema. “Nos hemos acostumbrado a simplificar. Me refiero al hecho de construir ductos únicamente con codos e i griegas, y hasta ahí, sin tomar en cuenta la variedad de piezas que se pueden colocar en un ducto. Simplemente, se puede hacer una desviación usando deflectores o codos con aletas. La idea es hacer uso de todos los recursos disponibles”.

Una consideración a tomar en cuenta es la difusión de aire: “Cuando el aire sale del difusor o de la rejilla y, dependiendo del tipo y lugar dónde esté instalado, va a generar cierto patrón en la habitación. La teoría del AA señala que un buen sistema no debe sentirse. Sobre todo en restaurantes –me ha tocado–, muchas veces el aire del difusor pega directamente sobre las mesas, y es infame recibir en la espalda aire a una temperatura de 12 grados Celsius. A los comensales no nos queda de otra: o nos enfermamos o nos vamos del lugar”.

Un asunto imprescindible para el ingeniero Trillo –lo único que pide de los equipos– es la ingeniería, “que los productos estén sujetos a un estándar y que, cuando un fabricante señale en su difusor un tiro de 10 pies, efectivamente lo tenga. Que no indique un ruido de NC 25 y a la hora de instalarlo resulte que tiene un ruido de NC 40. Yo sí pido que todos los equipos de difusión de aire sean certificados, ya sea en laboratorios de Estados Unidos o de cualquier otro país. Mientras así sea, y el diseño de ingeniería sea el correcto y el balanceo, también, no habrá ningún problema”.
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