Volumen de aire variable

El sistema de volumen de aire variable ( VAV ) es un tipo de sistema de calefacción, ventilación y/o aire acondicionado ( HVAC ). A diferencia de los sistemas de volumen de aire constante (CAV), que suministran un flujo de aire constante a una temperatura variable, los sistemas VAV varían el flujo de aire a una temperatura constante o variable. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las ventajas de los sistemas VAV sobre los sistemas de volumen constante incluyen un control de temperatura más preciso, menor desgaste del compresor, menor consumo de energía de los ventiladores del sistema, menor ruido de los ventiladores y deshumidificación pasiva adicional. ^{[ 3 ]}

Una caja VAV es la unidad que controla el flujo de aire. La configuración de terminal de conducto único es la más sencilla, donde una caja VAV se conecta a un único conducto de suministro de aire que distribuye aire tratado desde una unidad de tratamiento de aire (UTA) al espacio al que da servicio la caja. ^{[ 2 ]} Esta configuración puede suministrar aire a temperaturas o volúmenes variables para satisfacer las cargas de calefacción y refrigeración, así como los caudales de ventilación requeridos por el espacio. ^{[ 2 ]}

Generalmente, las cajas VAV son independientes de la presión, lo que significa que utilizan controles para suministrar un caudal constante independientemente de las variaciones en las presiones del sistema en la entrada VAV. ^{[ 2 ]} Esto se logra mediante un sensor de flujo de aire ubicado en la entrada VAV que abre o cierra la compuerta dentro de la caja VAV para ajustar el flujo de aire. ^{[ 2 ]} La diferencia entre una caja CAV y una VAV es que una caja VAV se puede programar para modular entre diferentes puntos de ajuste de caudal según las condiciones del espacio. La caja VAV está programada para operar entre un punto de ajuste de flujo de aire mínimo y máximo, y puede modular el flujo de aire según la ocupación, la temperatura u otros parámetros de control. ^{[ 4 ]} Una caja CAV solo puede operar entre un valor constante, un valor máximo o un estado de "apagado". ^{[ 5 ]} Esta diferencia significa que la caja VAV puede proporcionar un control de temperatura del espacio más preciso con un consumo energético mucho menor. Otra razón por la que las cajas VAV ahorran más energía es que están acopladas con variadores de velocidad en los ventiladores , de modo que los ventiladores pueden reducir su velocidad cuando las cajas VAV experimentan condiciones de carga parcial. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Es común que las cajas VAV incluyan algún tipo de recalentamiento, ya sean serpentines de calefacción eléctricos o hidráulicos. ^{[ 4 ]} Mientras que los serpentines eléctricos funcionan según el principio de calentamiento por resistencia eléctrica, donde la energía eléctrica se convierte en calor mediante resistencia eléctrica, el calentamiento hidráulico utiliza agua caliente para transferir calor del serpentín al aire. La adición de serpentines de recalentamiento permite que la caja ajuste la temperatura del aire de suministro para satisfacer las cargas de calefacción en el espacio, al tiempo que proporciona las tasas de ventilación requeridas. ^{[ 2 ]} En algunas aplicaciones, es posible que el espacio requiera tasas de renovación de aire tan altas que causen riesgo de sobreenfriamiento. ^{[ 5 ]} En este escenario, los serpentines de recalentamiento podrían aumentar la temperatura del aire para mantener el punto de ajuste de temperatura en el espacio. ^{[ 2 ]} Este escenario tiende a ocurrir durante las temporadas de refrigeración en edificios que tienen zonas perimetrales e interiores. Las zonas perimetrales, con mayor exposición solar, requieren una temperatura de aire de suministro más baja de la unidad de tratamiento de aire que las zonas interiores, que tienen menor exposición solar y tienden a mantenerse más frías que las zonas perimetrales cuando no se acondicionan. Al suministrarse la misma temperatura de aire a ambas zonas, las serpentinas de recalentamiento deben calentar el aire de la zona interior para evitar un enfriamiento excesivo. ^{[ 8 ]}

El caudal del ventilador es variable. En el caso de una unidad de tratamiento de aire VAV que da servicio a varias zonas térmicas, el caudal destinado a cada zona también debe variar.

Una unidad terminal VAV , ^{[ 9 ]} a menudo llamada caja VAV , es el dispositivo de control de flujo a nivel de zona. Básicamente, es una compuerta de aire calibrada con un actuador automático . La unidad terminal VAV se conecta a un sistema de control local o central. Históricamente, el control neumático era común, pero los sistemas de control electrónico digital directo son populares, especialmente para aplicaciones de tamaño mediano a grande. El control híbrido, por ejemplo, con actuadores neumáticos y adquisición digital de datos, también es popular. ^{[ 10 ]}

En el diagrama se muestra una aplicación comercial común. Este sistema VAV consta de una caja VAV, conductos y cuatro terminales de aire.

El control de la capacidad del ventilador del sistema es fundamental en los sistemas VAV. Sin un control adecuado y rápido del caudal, los conductos del sistema, o su sellado, pueden dañarse fácilmente por sobrepresión. En el modo de refrigeración, cuando se alcanza la temperatura deseada en el espacio, la caja VAV se cierra para limitar el flujo de aire frío. A medida que la temperatura aumenta, la caja se abre para reducirla. El ventilador mantiene una presión estática constante en el conducto de descarga, independientemente de la posición de la caja VAV. Por lo tanto, cuando la caja se cierra, el ventilador reduce su velocidad o restringe el flujo de aire hacia el conducto de suministro. Cuando la caja se abre, el ventilador aumenta su velocidad y permite un mayor flujo de aire hacia el conducto, manteniendo una presión estática constante. ^{[ 11 ]}

Uno de los desafíos de los sistemas VAV es proporcionar un control de temperatura adecuado para múltiples zonas con diferentes condiciones ambientales, como una oficina en el perímetro acristalado de un edificio frente a una oficina interior al final del pasillo. Los sistemas de doble conducto suministran aire frío por un conducto y aire caliente por otro para proporcionar una temperatura adecuada del aire de suministro mixto para cualquier zona. Sin embargo, un conducto adicional es engorroso y costoso. Recalentar el aire de un solo conducto, mediante calefacción eléctrica o por agua caliente, suele ser una solución más rentable. ^{[ 12 ]}

Los sistemas de recalentamiento VAV tradicionales utilizan caudales de aire mínimos del 30 % al 50 % del caudal de diseño. Estos caudales mínimos se seleccionan para evitar el riesgo de ventilación insuficiente y problemas de confort térmico. Sin embargo, la investigación publicada que respalda la eficacia de este enfoque es escasa. Los sistemas que operan con caudales mínimos más bajos (del 10 % al 20 % del caudal de diseño) consumen menos energía del ventilador y de la serpentina de recalentamiento en comparación con un sistema tradicional, y estudios recientes han demostrado que se puede lograr confort térmico y una ventilación adecuada incluso con estos caudales mínimos más bajos. ^{[ 13 ]}

Los sistemas de recalentamiento VAV que utilizan un caudal de aire mínimo más elevado suelen emplear una secuencia de control convencional de "máximo único". En esta secuencia, se selecciona un único punto de ajuste de caudal de aire máximo de refrigeración para las condiciones de refrigeración de diseño. El caudal de aire de refrigeración se reduce gradualmente hasta el punto de ajuste de caudal mínimo, donde permanece a medida que la temperatura ambiente desciende por debajo del punto de ajuste de temperatura de refrigeración. Cuando se alcanza el punto de ajuste de calefacción, la serpentina de calefacción eléctrica o hidráulica se activa y proporciona gradualmente más calor hasta alcanzar la capacidad máxima de calefacción a la temperatura de calefacción de diseño. ^{[ 14 ]}

Las investigaciones han demostrado que el uso de una secuencia de control diferente, de "doble máximo", puede ahorrar cantidades sustanciales de energía en comparación con la secuencia de control convencional de "máximo único". Esto se logra gracias al uso de caudales mínimos de aire más bajos en la secuencia de "doble máximo". ^{[ 14 ]} Bajo esta secuencia de control, se selecciona el mismo caudal máximo de aire de refrigeración y se reduce de manera similar a medida que disminuye la temperatura del espacio. Cuando la temperatura del espacio desciende al punto de ajuste de temperatura de refrigeración, el caudal de aire alcanza un valor mínimo inferior al utilizado en la secuencia de "máximo único" (10% - 20% frente a 30% - 50% del caudal máximo de aire de refrigeración). Cuando la temperatura del espacio alcanza el punto de ajuste de temperatura de calefacción, la serpentina de calefacción se activa y aumenta su potencia eléctrica (para serpentinas eléctricas) o la posición de la válvula de agua caliente (para serpentinas hidrónicas) mientras el caudal de aire permanece en el punto de ajuste mínimo. Cuando la serpentina de calefacción alcanza su capacidad máxima de calefacción, tras una nueva caída de la temperatura del espacio, el caudal de aire aumenta hasta alcanzar un punto de ajuste de caudal máximo de aire de calefacción (normalmente alrededor del 50% del caudal máximo de aire de refrigeración). ^{[ 5 ]}