Ventilación por Desplazamiento una Forma de Minimizar la Energía Utilizada en la Climatización

La Ventilación por Desplazamiento es un concepto innovador para la inyección de aire acondicionado y ventilación de edificios.

Carlos Cepeda Mazón

Ésta utiliza el movimiento natural que el aire caliente tiene hacia arriba para proveer mejor ventilación y confort. La Ventilación por Desplazamiento fue originalmente diseñada para construcciones y ambientes industriales, sin embargo, hoy en día goza de un porcentaje de participación de mercado creciente para muchas y muy diversas aplicaciones en todo el mundo. Aunque relativamente nueva en los Estados Unidos y México, la Ventilación por Desplazamiento se ha utilizado en los países Escandinavos por más de tres décadas, en donde es una tecnología más que probada.

En un sistema de Ventilación por Desplazamiento, el aire de inyección es alimentado al espacio por acondicionar a nivel del piso o muy cerca del mismo, a baja velocidad y a una temperatura ligeramente menor a la temperatura de confort del espacio. El aire frío que es inyectado “desplaza” al aire caliente de la habitación, creando una zona de aire fresco y frío en el nivel de ocupación (Zona de Estratificación). El calor y los contaminantes producidos por las actividades en el espacio suben hasta el nivel del techo de donde son extraídos.

Los sistemas de Ventilación por Desplazamiento son típicamente más eficientes en el uso de energía y producen menores niveles de ruido, que los sistemas tradicionales de inyección forzada desde el techo, comúnmente conocidos como sistemas de acondicionamiento por mezcla. Además proveen mejores eficiencias en la ventilación, así como mejores niveles de calidad del aire.

La Ventilación por Desplazamiento funcionará siempre mejor en espacios altos con techos de 3 metros o mayores, en donde la estratificación mejorará el rendimiento térmico y el control de contaminantes. Las aplicaciones típicas son: Lobbies, Atrios, Salas de Juntas, Cines y Auditorios, Restaurantes, Salones de Clases, Cocinas, Centros Comerciales, Autoservicios y Gimnasios.

Los sistemas de Ventilación por Desplazamiento han sido utilizados en Europa del Norte por más de 30 años y han probado ser exitosos especialmente en donde la eficiencia en el uso de energía y en donde la calidad del aire interior son de primera importancia para los habitantes del edificio. Sin embargo, el éxito de los sistemas de Ventilación por Desplazamiento para climas calientes y húmedos, depende fuertemente de cómo estos sistemas son capaces de mantener los niveles de humedad del aire, de diseño, en el área acondicionada. Esto significa que en aplicaciones para algunas zonas de nuestro país, se recomienda y necesita algún tipo de control de humedad como bypass en la Unidad Manejadora de Aire, para alcanzar y mantener la humedad relativa objetivo, en la zona ocupada.

En los sistemas de Ventilación por Desplazamiento, el aire es inyectado a baja velocidad a través de terminales de piso o difusores especiales (Difusores de Desplazamiento). El aire frío inunda el piso de manera muy parecida a como lo haría el agua. Las fuentes de calor en la habitación hacen que el aire caliente se disipe hacia arriba y el aire fresco y frío se desplaza hacia la zona ocupada, finalmente el aire caliente es extraído a nivel de techo. Ver figura 2

Fig. 2 Ventilación por Desplazamiento

Dado que los Difusores de Desplazamiento se encuentran instalados al nivel más bajo, un considerable gradiente de temperatura vertical se presenta de manera natural  entre el piso y el techo de la habitación. En los sistemas de Ventilación por Desplazamiento, el flujo del aire se da por fuerzas convectivas, que de igual manera sirve como transporte de los contaminantes del aire, de tal manera que la menor concentración de los mismos es a niveles bajos y la mayor en el techo, por arriba de la zona ocupada.

Las ventajas y beneficios que estos sistemas ofrecen sobre el acondicionamiento convencional, llamado de Ventilación por Mezcla, serán expuestos a continuación.

DIFERENCIAS DE DISEÑO EN LA VENTILACIÓN POR DESPLAZAMIENTO
1. Sin corrientes. El aire es normalmente inyectado cerca del piso de la habitación a muy baja velocidad, lo que resulta en una inyección de aire sin “tiro” y subsecuentemente con un bajo riesgo de corrientes.

2. Aire estratificado en la habitación. El aire de inyección es, por decisión, no mezclado uniformemente con el aire de la habitación. Es intencionalmente estratificado de manera vertical para proveer una mejor calidad de aire en la parte ocupada del espacio. El aire es inyectado a temperatura ligeramente menor que la temperatura de confort del área. El aire de inyección se mueve horizontalmente a través del piso, como inundando el área, hasta que naturalmente sube, dirigido por fuerzas convectivas en la medida que va siendo calentado por las fuentes internas de calor, como procesos, personas, luces, computadoras, etc.

En su movimiento el aire transporta los contaminantes que se generan en el espacio, manteniendo una zona ocupada con bajas concentraciones de CO₂ y humos o vapores, las concentraciones más altas serán a nivel de techo, de donde se extraerá aire caliente y contaminado. A diferencia de un sistema de Ventilación por Mezcla en donde la concentración de contaminantes es diluida con grandes cantidades de aire inyectado, en los sistemas de Ventilación por Desplazamiento se requieren menos cambios de aire, por lo tanto una menor cantidad de energía eléctrica es requerida por el sistema de ventiladores, dado el menor movimiento de aire.

3. Mejoras en la ventilación. Dado que tanto las personas como los procesos generan corrientes convectivas, que generalmente son efluentes ascendentes que llegan por encima de la zona ocupada y en tanto no se utilicen ventiladores que generan grandes movimientos del aire en la habitación, el aire asciende desde los niveles más bajos desarrollando un sistema de ventilación natural, lo que significa que los ocupantes localizados en los niveles bajos estarán respirando un aire con características más cercanas a las condiciones del aire de inyección, en tanto que la extracción se realice al nivel de techo, con lo cual se logra una eficiente ventilación a bajo costo.

4. Reducción de la capacidad de enfriamiento. La estratificación térmica también permite alguna reducción de los requerimientos de enfriamiento, ya que cerca del 50% del calor que generan las lámparas de iluminación y otras fuentes localizadas por encima de los ocupantes no alcanza a la zona ocupada de la habitación, por lo tanto en el diseño, son cargas que no necesitan ser consideradas.

5. Menor potencia de los ventiladores. En el diseño de estos sistemas, está comprobado que se requiere de una menor cantidad de aire de inyección, para alcanzar la temperatura y condiciones de ventilación de diseño, que en los sistemas convencionales de climatización por mezcla. Por esto se necesita menor capacidad y potencia en los ventiladores. Directamente vinculado a lo anterior, existen menores niveles de ruido en los espacios acondicionados, con cantidades reducidas de flujo de aire y con menores velocidades de salida del mismo, se genera un menor nivel de ruido comparando contra el sistema convencional por mezcla.

El éxito de los sistemas de Ventilación por Desplazamiento para climas calientes y húmedos, depende fuertemente de cómo estos sistemas  son capaces de mantener los niveles de humedad del aire,  de diseño, en el área acondicionada

OTRAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES
A) la selección de los difusores – un factor crucial
La mayoría de los problemas de corrientes de aire reportados se generan debido a una inadecuada selección de los difusores de desplazamiento. Un difusor diseñado para manejar pequeñas diferencias de temperatura, entre la de inyección y la de confort, originará corrientes a lo largo del piso, cuando sea utilizado en condiciones de altas diferencias en la temperatura.

Fig. 3 Diferentes tipos de Difusores de Desplazamiento

Siempre se deberá elegir el tipo de difusor adecuado para el espacio que se desea acondicionar, la recomendación es utilizar difusores de desplazamiento manufacturados por compañías que entreguen documentación y tablas de comportamiento de sus productos. Ver figura 3.

B) Cantidad de cambios de aire
Usualmente encontramos que en ambos sistemas de acondicionamiento, por mezcla y por desplazamiento, se requiere más o menos la misma cantidad de aire, pero con la Ventilación por Desplazamiento usualmente se obtiene una mejor calidad del aire interior, para una misma cantidad de aire de ventilación.

Pruebas de laboratorio muestran que los sistemas de Ventilación por Desplazamiento pueden trabajar con menos cambios de aire que los sistemas por mezcla.

Cuando se requieren cantidades muy pequeñas de aire de ventilación y grandes diferencias entre la temperatura del aire de inyección y la temperatura de diseño, los sistemas de ventilación por mezcla serán en la mayoría de los casos una mejor opción.

Fig. 4 Difusor de desplazamiento ubicado en el piso de un edificio

C) Se requiere trabajo y colaboración con los arquitectos
Los difusores de desplazamiento de pared necesitan una cantidad importante de área en el muro o requieren espacio en el piso o sobre del mismo, para colocar unidades adecuadas, por lo tanto debe existir colaboración con los arquitectos para encontrar la mejor localización de los difusores.

Existen muchos tipos de difusores de desplazamiento, los más comúnmente utilizados son los del tipo que se integra a las paredes o muros, otros son los que se montan sobre la pared o en las esquinas del espacio, o los que se montan en columnas, o libremente sobre el piso, incluso los hay para inyección desde el piso. Fig. 4 Ejemplo de una instalación.

D) ¡Por favor! No pies fríos
Se debe poner especial atención a la temperatura del aire cercano al piso, recordemos que en los sistemas de ventilación por desplazamiento, la temperatura del aire se incrementa desde el piso hacia el techo, por lo tanto cuando el aire se inyecta a temperaturas menores a las requeridas, se pueden crear condiciones inadecuadas. Una de las ventajas de estos sistemas, es que permiten inyectar el aire a tan sólo 2 ó 5 grados centígrados menos que la temperatura de diseño o confort.

CONCLUSIÓN
Los sistemas de ventilación por desplazamiento pueden ahorrar energía de las siguientes maneras:
•  Menor potencia requerida en los equipos de ventilación debido a que se maneja menor cantidad de cambios de aire
•  Menor potencia requerida en el equipo de enfriamiento debido a menores cantidades de flujo de aire
•  Menor potencia requerida en el equipo de enfriamiento debido a la mayor temperatura del aire de inyección.
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REFERENCIAS
-Combining energy efficiency with good air quality. Harri Itkonen. April 2007
-Displacement Ventilation. Rehva Guidebook. Hakon Skistad, Elisabeth Mundt, Meter V. Nielsen, Kim Hagström and Jorma Railio. Second Edition 2004
-Displacement Ventilation In Hospitals. Robert Gulick P.E., LEED® AP July 2007
-Consideration of Displacement Ventilation vs Mixed Flow Ventilation, for Building Owners / Designers. Mike Hardy.