La importancia de la Ventilación

Como es sabido, un sistema HVAC se compone de calefacción, ventilación y aire acondicionado. De estas tres ramas, la ventilación es usualmente pasada por alto o no se le da la importancia adecuada, debido a que típicamente no es tan compleja como las otras dos; sin embargo, hay ocasiones en que un buen sistema de ventilación es la opción más económica y eficiente.

Crítico. Los lugares donde se producen gases o vapores nocivos no pueden prescindir de la ventilación.

Karla Real Méndez.

Principios básicos
Cuando se busca ventilar un espacio, en realidad lo que se quiere decir es que se precisa ingresar aire fresco (aunque de hecho, este aire no siempre es fresco), más limpio y con menos contaminantes que el aire interior. La ventilación puede ser de forma natural, por desplazamiento, forzada o una combinación de ellas. Para esto, se requiere la ayuda de los ventiladores, que pueden operar, según sea el caso, como inyectores o extractores. El tipo de ventilador que se seleccione depende básicamente de dos factores principales: el tipo de aplicación y su punto de operación (flujo y carga).

Dependiendo de la aplicación, el equipo que se elija puede ser tan sencillo como un ventilador axial para un almacén, sin accesorios ni construcción especial alguna, o puede tratarse de un ventilador centrífugo de alta capacidad con un rack para filtros de carbón activado, dámpers automáticos, una construcción a prueba de explosión, etcétera. Es importante poner atención a los requerimientos del cliente, ya que muchas de las especificaciones que se reciben no tienen sólo que ver con el desempeño del ventilador, sino con la seguridad durante su operación.

Con respecto al flujo, además de los más comunes CFM (pies cúbicos por minuto), es posible y muy probable que en algún momento se reciban especificaciones en cambios de aire por hora (CAH). Al final, este valor se podrá convertir en CFM, con los que se podrá seleccionar el inyector o extractor del modo habitual. El concepto de CAH se refiere simplemente a cuántas veces en una hora podría llenarse el espacio por ventilar con aire nuevo. Entonces, tener un sistema de ventilación de 5 cambios de aire por hora en un almacén significa que es posible mover el equivalente a 5 veces el volumen total de aire que puede contenerse en el almacén (alto x largo x ancho) en 1 hora. Lógicamente, entre mayor sea el número de CAH requeridos, mayor será el flujo en CFM que los equipos de ventilación deberán manejar.

Existen diversas fuentes confiables que pueden consultarse para tener una idea de cuántos CAH se deben utilizar según la aplicación; esto, en caso de no tener una idea clara o un punto de partida para comenzar con el análisis y los cálculos. Una buena idea es acudir al website de algún fabricante de equipos de ventilación para buscar este tipo de información, y por supuesto, ASHRAE tiene capítulos dedicados a este tema. Sin embargo siempre es importante verificar que estas recomendaciones cumplan con las especificaciones del proyecto (si es que existen).

La contraparte de los CFM es la caída de presión estática que existe antes y después del equipo de ventilación. Así como sucede con los equipos de bombeo, los equipos de ventilación deben ser seleccionados para mover el fluido (en este caso aire) a través del circuito (ductería, por ejemplo, pero no necesariamente) y todos los accesorios que se encuentren instalados a lo largo del sistema de distribución del aire de ventilación. Este valor está dado normalmente en pulgadas de columna de agua.

Hay muchos elementos, además de ductos, rejillas o dámpers, que generan caída de presión estática y que han de considerarse al momento de hacer la selección de un ventilador. Louvers en muro, filtros, mallas contra pájaros, resistencias eléctricas y, por supuesto, cualquier otro elemento que se encuentre instalado dentro del flujo del aire y represente un obstáculo para la circulación debe ser tomado en cuenta.

En el caso de los filtros, no hay que olvidar que la caída de presión estática durante su uso va aumentando. Con frecuencia se comete el error de revisar la ficha técnica del filtro y obtener su caída de presión, sin verificar si el filtro se encuentra en las condiciones que se indican en la ficha. Algunas veces, este dato hace referencia al momento en que el filtro está limpio –lo cual será cierto durante el primer par de días o de horas–,  por lo que lo ideal es considerarlos medio sucios o sucios. Al igual que en el caso de los sistemas hidrónicos, si en un sistema de ventilación varía la caída de presión estática para la cual fue seleccionado el extractor/inyector (por ejemplo, debido al uso de un factor de seguridad muy grande o a una estimación incorrecta de la verdadera caída de presión), el flujo variará considerablemente. Así, hay que tener cuidado de hacer el análisis lo más cercano posible a la realidad, de otro modo el comportamiento y el desempeño del equipo de ventilación serán muy difíciles de predecir con exactitud.

En la industria de la ventilación existe otro rasgo que tiene mucha importancia y que se analiza con unidades y escalas únicas para esta rama: el nivel de sonido. Existen casos en que el ruido del ventilador no es de importancia, sobre todo cuando conviven con equipo más ruidoso; por ejemplo, una fábrica automotriz. Sin embargo, en una gran parte de las aplicaciones se busca no superar un cierto nivel de ruido, de modo que hay que revisar que la selección que se haga se encuentre dentro de los niveles de ruido permisibles para la aplicación. Las unidades más comunes utilizadas para calcular el nivel de ruido son los sones. Un sone es el equivalente al ruido que emite un refrigerador cuando una persona se encuentra a una distancia de 5 pies. Al igual que los CAH, existen guías que recomiendan los niveles de sones adecuados para cada aplicación.

Al igual que en los sistemas hidrónicos, si en un sistema de ventilación varía la caída de presión estática para la cual fue seleccionado el extractor/inyector, el flujo variará considerablemente

Importancia
La relevancia de la ventilación va más allá de remover el calor de un almacén que no cuenta con aire acondicionado o de remover olores y humedad de cocinas o baños en una planta de manufactura. Aunque estas son, quizás, sus aplicaciones más comunes y numerosas, la ventilación va mucho más allá de estas simples aplicaciones de extracción. Por ejemplo, se ha comprobado la relación directa entre la productividad y la salud de los empleados con respecto al nivel de ventilación en un área de trabajo.

En aplicaciones donde se tiene un número elevado de personal laborando o donde se requiera que las personas presentes se mantengan atentas por un periodo prolongado de tiempo (cine, sala de conferencias, salas de juntas), es recomendable tener un buen nivel de ventilación para evitar una alta concentración de CO2, ya que esto provoca somnolencia. Otra forma en que un buen sistema de ventilación promueve una mayor productividad en el personal es al evitar la propagación de enfermedades, dolores de cabeza, reacciones alérgicas y malestares generales; se ha visto una reducción incluso en incapacidades a corto plazo en oficinas en donde el nivel de ventilación es apropiado. Además, existen casos en los que no sólo es una cuestión de confort o productividad, sino de seguridad. Algunos componentes o gases generados, ya sea en un piso de producción o en un laboratorio, pueden llegar a ser inflamables o altamente combustibles si se permite que su concentración alcance niveles altos, y aquí también cobra una gran importancia el sistema de ventilación. Debe existir una buena comunicación con el diseñador del sistema contraincendios, ya que ambas disciplinas pueden verse afectadas si existe una mala consideración.

Debido a lo anterior, en los últimos años el valor que la industria HVAC le ha dado a la ventilación ha aumentado considerablemente. Como consecuencia, ASHRAE ha hecho importantes modificaciones a sus estándares relacionados con el aire de ventilación y la calidad del aire. Incluso el Green Building Council de EUA (USGBC), para otorgar la certificación LEED toma la cantidad y calidad del aire de ventilación muy en serio y una gran parte de los puntos que se pueden obtener para esta certificación (casi una tercera parte, de hecho) están relacionados con la calidad del aire y la ventilación.

En relación con los equipos que se utilizan en estos sistemas, los ventiladores se clasifican básicamente en dos tipos: axiales y centrífugos. La diferencia entre uno y otro radica en la característica de flujo de aire cuando éste pasa a través de las aletas o aspas del ventilador. En el axial, el flujo del aire es paralelo al eje del equipo (tanto al entrar como al salir); en los centrífugos, el aire entra paralelo al eje y sale de modo perpendicular.

Ventiladores axiales
Este tipo de ventiladores son utilizados cuando se requiere abatir flujos pequeños y cargas de caída de presión muy bajas. Por ello, estos equipos son instalados normalmente sin ductería y con pocos accesorios a la entrada y descarga. El motor de estos ventiladores se encuentra dentro de la corriente de aire, y es importante tenerlo en consideración al momento de seleccionar un equipo axial para una aplicación en donde la limpieza es importante o donde el calor que el motor emite subiría la temperatura del aire a un nivel inaceptable.

Por sus características, son útiles para abatir flujos pequeños y caídas de presión poco considerables. Se instalan por lo regular sin ductería y con accesorios mínimos a la entrada y descarga

Sus cualidades les permiten manejar flujos de aire mayores y mayores caídas de presión. su motor se halla fuera del flujo de aire, por lo que no causan suciedad ni calor excesivo

Ventiladores centrífugos
Los ventiladores de tipo centrífugo pueden manejar mayores flujos y caídas de presión mucho más grandes. Además, normalmente estos equipos tienen los motores ubicados fuera del flujo de aire, por lo que la suciedad o el calor excesivo debido al motor no son problema.

Ubicación de los equipos
Por lo general, los equipos de ventilación se instalan en la cubierta del edificio, en un muro o entre la misma ductería. Dependiendo de donde se tenga pensado instalar el ventilador, varía el modelo del equipo, ya que un ventilador que se instala en línea con el sistema de ductería no necesariamente puede instalarse en la cubierta, y no todos los que se instalan en techo se pueden instalar en pared. Además, de la ubicación también dependen los accesorios de instalación que sea necesario adquirir junto con el equipo de ventilación.

Es preciso recordar que se debe tratar de ubicar los equipos de manera que facilite la conexión al sistema de ductería (en caso de que exista), evitando codos innecesarios o cambios bruscos de dirección, antes y después del ventilador. También, se debe tratar de colocar las descargas de aire del sistema de extracción lo más lejos posible de tomas de aire. Dentro del edificio, sobre todo cuando se trata de sistemas de extracción localizada de aire, es de suma importancia que el flujo de aire no se vea afectado por corrientes de aire provocadas por el sistema de aire acondicionado, otras extracciones, puertas abriéndose y cerrándose, etcétera.

Las leyes de los ventiladores
Si resulta útil la analogía, es posible comparar un sistema de ventilación con uno hidrónico. En este caso, el ventilador realizaría la misma función que la bomba y los ductos serían el equivalente de la red de tuberías que ayudan a mover agua de un punto a otro. La única diferencia entre ambos sistemas es que el fluido que maneja uno de ellos es aire y, en el otro caso, agua. La ventaja cuando se trata de aire es que, normalmente, estos sistemas son más nobles que los sistemas hidrónicos. Aun así, las leyes de afinidad de los ventiladores son prácticamente las mismas que aplican a las bombas, teniendo entonces las siguientes ecuaciones:

CFM2 = (RPM2 / RPM1) x CFM1
SP2 = (RPM2 / RPM1)2 x SP1
BHP2 = (RPM2 / RPM1)3 x BHP1

en donde:
CFM1 = flujo de aire en condición inicial, en ft³/min
CFM2 = flujo de aire en condición final, en ft3/min
RPM1 = revoluciones por minuto del motor en condición inicial, en R.P.M.
RPM2 = revoluciones por minuto del motor en condición final, en R.P.M.
BHP1 = potencia al freno en condición inicial, en H.P.
BHP2 = potencia al freno en condición final, en H.P.

En estas ecuaciones puede verse que variar las revoluciones del motor hará que el flujo de aire varíe lineal y directamente, que la presión estática varíe cuadráticamente y la potencia al freno, cúbicamente.

Aplicaciones especiales
Existen aplicaciones en las que un buen sistema de ventilación no sólo es recomendable, sino obligatorio. Un ejemplo muy claro son los sistemas de extracción para campanas en grandes cocinas industriales. Quienes se han encontrado con la tarea de diseñar un sistema como estos, saben que es un proceso largo y complejo. Las consideraciones por tomar son muchas y es mucha, también, la cantidad de información específica necesaria para poder comenzar a trabajar.

El layout exacto de los equipos para cocinar, el número de quemadores por estufa o parrilla, si habrá asador o freidor, de qué tamaño y con qué tipo de combustible los hará funcionar; si todos los equipos estarán cubiertos por la campana; en suma, nada debe dejarse a la suposición. Un mal dato o una mala interpretación de la información pueden provocar que el humo y los olores de la cocina viajen a las áreas adyacentes o, peor aún, que se presente una situación en donde un mal diseño agrave una situación de riesgo para el personal o incluso para el edificio.

Otro caso donde el buen conocimiento de los principios de la ventilación es crítico es en los sistemas de presión escalonada (presiones positivas y negativas). En el caso de un laboratorio donde se manejen sustancias que pueden producir gases o vapores nocivos, por ejemplo, es vital tener un correcto control de las presiones entre el área en donde se producen estos vapores y las áreas que rodean la zona (oficinas, salas de juntas, producción, almacenamiento de combustible, entre otras). Esto se logra con un buen manejo de la ventilación y cuidando las proporciones de inyección y extracción minuciosa.

Entonces, se entiende que un sistema de ventilación está compuesto por muchas variables a las que hay que poner extremo cuidado. En ocasiones, la simpleza del sistema, al compararlo con uno de aire acondicionado, por ejemplo, hace olvidar que, sin ventilación, el resto de los sistemas HVAC no funcionarán al ciento por ciento.
———————————————————————————————————————————————-

Karla Real Méndez
Especialista en Ingeniería de aplicación HVAC, es egresada de la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Autónoma de Baja California. Cuenta con más de 10 años de experiencia en la industria del aire acondicionado, 7 de ellos en el diseño de sistemas industriales HVAC. Impartió la materia de Aire Acondicionado Industrial en la Universidad Autónoma de Baja California de 2004 a 2009. Forma parte de la 13va generación del “Seminario de Especialistas” de 8 semanas en la Little Red School House de Bell & Gossett, en Morton Grove, IL.