Sistemas de Volumen de Aire Variable – VAV

Para entender bien como funciona un Sistema de Volumen de Aire Variable, comenzaremos por explicar al Sistema de Volumen Constante (CV), al cual también lo podemos llamar Sistema de Volumen Constante y Temperatura Variable.

Un Sistema de Aire Acondicionado de Volumen de Aire Variable (VAV) varía el volumen del aire a temperatura constante que es suministrado para cumplir con los cambios de carga del espacio por acondicionar.

Ing. Alfonzo Rivera

Para entender bien como funciona un Sistema de Volumen de Aire Variable, comenzaremos por explicar al Sistema de Volumen Constante (CV), al cual también lo podemos llamar Sistema de Volumen Constante y Temperatura Variable.

Nomenclatura:EA: Exhaust Air, Aire de Desfogue OA: Outside Air, Aire Exterior RA: Return Air, Aire de Retorno SA: Supply Air, Aire de Suministro

Este sistema envía un flujo de volumen constante de aire al espacio por acondicionar, para mantener la temperatura de espacio requerida a todas las condiciones de carga se varía la temperatura del aire a suministrar. En este ejemplo, la temperatura del aire es variada al controlar la capacidad del serpentín de enfriamiento central mediante una Válvula de Control de Agua Helada.

Sin embargo, debido a que estos tipos de sistemas sólo pueden responder a la demanda de un termostato, éstos sólo pueden ser aplicables a edificios con requerimientos de temperatura similares. Si el edificio cuenta con muchos espacios y con diversas necesidades de enfriamiento, cada uno debe ser atendido con un sistema propio.

Otro diseño de los sistemas de volumen constante es una unidad manejadora de aire que cuenta con un ventilador y un serpentín de enfriamiento para enviar aire frío primario a todas las zonas y así satisfacer la demanda de las zonas que requieren ser enfriadas. Sin embargo, también cuentan en cada zona con un serpentín de recalentamiento para proporcionar aire caliente a las zonas que así lo requieran.

Con esta aplicación tendremos un desperdicio de energía al calentar el aire que previamente fue enfriado. Esta aplicación no es muy usada debido al gran desperdicio de energía, sólo se emplea en ocasiones especiales, como por ejemplo, cuando hay una fuente de calor “gratuita” (ese es el caso de los recuperadores de calor).

En contraste, un Sistema de Volumen de Aire Variable (VAV) envía el aire primario a una temperatura constante y varía el flujo o volumen de aire para mantener la temperatura del espacio requerida a las condiciones de carga.

Los Sistemas de Volumen de Aire Variable generalmente están diseñados para suministrar aire a un gran número de espacios en cantidades variables, que fluctúan desde un mínimo preestablecido hasta la plena carga del diseño, normalmente el volumen mínimo equivale al 20 o 25 por ciento del máximo.

El gasto volumétrico de aire se controla en las cajas terminales y la velocidad del ventilador debe responder a los requerimientos del sistema. Debido a que la capacidad del ventilador es directamente proporcional a su velocidad y la potencia requerida es proporcional al cubo de la velocidad, ésta debe disminuir cuando el gasto volumétrico decrece. En este caso deben hacerse varias consideraciones económicas y técnicas. Para estos sistemas la fuente de potencia ideal es el motor eléctrico de velocidad variable.

Actualmente existe un sistema de control de velocidad del motor denominado control de frecuencia ajustable a variador de frecuencia, el cual tiene las mejores características desde el punto de vista del costo, confiabilidad y eficiencia. Este tipo de controlador se puede aplicar a la mayoría de los motores de corriente alterna, aun cuando es deseable que éstos sean de alta calidad.

Otra manera de controlar al ventilador es introduciendo un componente que regule un torbellino o movimiento rotacional del aire de entrada, lo cual alterará sus características de tal modo, que requerirá de menos potencia cuando baje el gasto. Esto se hace instalando alabes de inclinación variable en la entrada del ventilador, los cuales constituirán un sistema de control o regulación de flujo radial mediante un actuador electrónico. A medida que se van cerrando los alabes, se reduce el gasto volumétrico del aire y esto cambia las características del ventilador. Sin embargo, este recurso no es tan efectivo para reducir el requerimiento de potencia del ventilador como lo es la reducción de velocidad rotacional del ventilador, aun cuando su costo y su mantenimiento son bajos.

Variador de Frecuencia	Alabes de Inclinación Variable                                   “Inlet Guide Vanes (IGV)”

Componentes de un sistema VAV

Un sistema simple de VAV debe contar con lo siguiente:

• Una unidad manejadora de aire con ventilador de volumen variable (variador de frecuencia), un serpentín de enfriamiento, posiblemente un serpentín de calefacción, controles, filtros, caja de mezcla, y opcionalmente un ventilador de retorno o desfogue.

• Ducto de inyección.

• Cajas de Volumen de Aire Variable un su propio termostato para cada zona independiente a controlar.

• Termostato y controlador para cada unidad terminal

• Ducto de retorno o pleno

Las cajas de volumen de aire variable modulan el flujo de aire suministrado a cada espacio mediante un actuador y un controlador. Existen diversos tipos de cajas VAV pero todas dentro de dos clasificaciones:

1)    Control por Presión Dependiente

2)    Control por Presión Independiente.

Cajas VAV con Control por Presión Dependiente: La compuerta de zona es controlada proporcionalmente entre las posiciones máxima y mínima de la compuerta de acuerdo a la desviación de la temperatura de cuarto con respecto a la consigna (set point). El flujo actual varía con la presión del aire de inyección y el área de la abertura de la compuerta. A esto se le llama modulación de la compuerta. También podemos decir que una caja VAV con control por presión dependiente es aquella donde el control de ésta es en base a la temperatura que se requiere en un área específica,  sin importar la cantidad de flujo de aire que este pasando por la caja, es un sistema que depende del flujo de aire que proporciona el equipo central.

Cajas VAV con Control por Presión Independiente: La compuerta es ajustada de forma proporcional para mantener un volumen de aire fluyendo a través de la compuerta. El termostato de zona posiciona a la compuerta basándose en la consigna del flujo de aire y en la desviación de la temperatura de cuarto con respecto a su respectiva consigna. En otras palabras, una caja VAV con control por presión independiente es aquel en donde el control de ésta se basa en la temperatura que se requiere en un área específica y en el volumen de flujo de aire máximo y mínimo requeridos; es decir, la caja siempre buscará balancear y regular el flujo de aire que fluye a través de ella, independientemente de lo que el sistema central este proporcionando.

VAV – Presión Dependiente

Debido a que las cajas VAV se encuentran constantemente modulando, la presión estática del ducto principal también está cambiando, por lo que se requiere controlar la velocidad del ventilador o la posición de los alabes de tal forma que se mantenga constante la presión estática en algún lugar del sistema de ductos. Erróneamente se ubica al sensor de presión estática casi inmediatamente a la salida del ventilador, por lo que se recomienda colocarlo más adelante, de manera tal que la caja terminal más distante tenga un nivel aceptable de presión estática. La recomendación es que se coloque casi al final del ramal principal o por lo menos a dos tercios de la distancia total del sistema de ductos, que es donde se detecta mejor la caída de presión del sistema.

VAV – Presión Independiente

Como conclusión podemos decir que una muy buena razón para usar los sistemas VAV es el potencial de ahorro de energía al operar los sistemas a cargas parciales, lo cual deriva en otros dos beneficios adicionales. Uno es la reducción del volumen de aire mediante el variador de frecuencia y como consecuencia menor consumo del motor del ventilador. El segundo es la reducción del flujo de aire a través del serpentín de enfriamiento lo cual ocasiona que el sistema de refrigeración disminuya su capacidad para estabilizar la temperatura del aire primario, y como consecuencia un ahorro de energía en refrigeración comparado con una operación a plena carga.

Sin embargo, otra razón para emplear los sistemas VAV es que tenemos confort en cada una de las zonas a bajo costo, lo cual aumenta la productividad de los ocupantes del edificio al estar laborando en un ambiente con la más alta calidad.

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