Volumen de aire variable

El 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. 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 por parte de los ventiladores del sistema, menos ruido de los ventiladores y deshumidificación pasiva adicional.

La forma más simple de una caja VAV es la configuración de terminal de conducto único, que está conectada a un conducto de aire de suministro único que suministra aire tratado desde una unidad de tratamiento de aire (UTA) al espacio al que sirve la caja. Esta configuración puede suministrar aire a temperaturas o volúmenes de aire variables para satisfacer las cargas de calefacción y refrigeración, así como las tasas de ventilación requeridas por el espacio.

Lo más común es que las cajas VAV sean independientes de la presión, lo que significa que la caja VAV utiliza controles para proporcionar un caudal constante independientemente de las variaciones en las presiones del sistema que se experimentan en la entrada de la VAV. Esto se logra mediante un sensor de flujo de aire que se coloca en la entrada de la VAV y que abre o cierra el regulador dentro de la caja VAV para ajustar el flujo de aire. 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 funcionar 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. Una caja CAV solo puede funcionar entre un valor máximo constante o un estado "apagado". Esta diferencia significa que la caja VAV puede proporcionar un control de temperatura del espacio más estricto mientras utiliza mucha menos energía. Otra razón por la que las cajas VAV ahorran más energía es que están acopladas con variadores de velocidad en los ventiladores, por lo que los ventiladores pueden reducir su velocidad cuando las cajas VAV experimentan condiciones de carga parcial.

Es común que las cajas VAV incluyan una forma de recalentamiento, ya sea mediante serpentines de calentamiento eléctricos o hidrónicos. Mientras que los serpentines eléctricos funcionan según el principio de calentamiento por resistencia eléctrica, por el cual la energía eléctrica se convierte en calor a través de la resistencia eléctrica, el calentamiento hidrónico 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 cumplir con las cargas de calefacción en el espacio mientras proporciona las tasas de ventilación requeridas. En algunas aplicaciones, es posible que el espacio requiera tasas de cambio de aire tan altas que provoque un riesgo de enfriamiento excesivo. En este escenario, los serpentines de recalentamiento podrían aumentar la temperatura del aire para mantener el punto de ajuste de temperatura en el espacio. Este escenario tiende a ocurrir durante las temporadas de enfriamiento en edificios que tienen zonas perimetrales e interiores. Las zonas perimetrales, con mayor exposición al sol, requieren una temperatura del aire de suministro más baja de la unidad de manejo de aire que las zonas interiores, que tienen menos exposición al sol y tienden a permanecer más frías que las zonas perimetrales cuando se dejan sin acondicionar. Dado que se suministra el mismo aire a la misma temperatura en ambas zonas, las bobinas de recalentamiento deben calentar el aire de la zona interior para evitar un enfriamiento excesivo.

El caudal del soplador de aire es variable. En el caso de un único manipulador de aire VAV que atiende a varias zonas térmicas, el caudal de cada zona también debe variar.

Una unidad terminal VAV, a menudo denominada caja VAV, es el dispositivo de control de caudal a nivel de zona. Básicamente, es un regulador de aire calibrado con un actuador automático. La unidad terminal VAV está conectada a un sistema de control local o central. Históricamente, el control neumático era algo común, pero los sistemas de control digital directo electrónicos son populares, especialmente para aplicaciones de tamaño mediano a grande. El control híbrido, por ejemplo, con actuadores neumáticos con recopilación de datos digitales, también es popular.

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 de los ventiladores del sistema es fundamental en los sistemas VAV. Sin un control rápido y adecuado del caudal, los conductos del sistema o su sellado pueden dañarse fácilmente por sobrepresurización. En el modo de funcionamiento de refrigeración, cuando se alcanza la temperatura en el espacio, se cierra una caja VAV para limitar el flujo de aire frío hacia el interior del espacio. Cuando la temperatura aumenta en el espacio, la caja se abre para bajar la temperatura. 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 la velocidad o restringe la cantidad de aire que entra en el conducto de suministro. Cuando la caja se abre, el ventilador aumenta la velocidad y permite que entre más aire en el conducto, manteniendo una presión estática constante.

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 de vidrio de un edificio frente a una oficina interior al final del pasillo. Los sistemas de conductos dobles proporcionan aire frío en un conducto y aire caliente en un segundo conducto para proporcionar una temperatura adecuada de aire de suministro mixto para cualquier zona. Sin embargo, un conducto adicional es engorroso y costoso. Recalentar el aire de un solo conducto, utilizando calefacción eléctrica o de agua caliente, suele ser una solución más rentable.

Los sistemas de recalentamiento VAV tradicionales utilizan caudales de aire mínimos de entre el 30 % y el 50 % del caudal de aire de diseño. Estos caudales de aire mínimos se seleccionan para evitar el riesgo de ventilación insuficiente y problemas de confort térmico. Sin embargo, la investigación publicada que apoye la eficacia de este enfoque es escasa. Los sistemas que funcionan con rangos de caudal de aire mínimos más bajos (entre el 10 % y el 20 % del caudal de aire de diseño) tienden a utilizar menos energía del ventilador y del serpentín de recalentamiento en relación con un sistema tradicional, y las investigaciones recientes han demostrado que aún se puede lograr el confort térmico y la ventilación adecuada con estos mínimos más bajos.

Los sistemas de recalentamiento VAV que utilizan el flujo de aire mínimo más alto suelen emplear una secuencia de control convencional de "máximo único". En esta secuencia de control, se selecciona un único punto de ajuste de flujo de aire máximo de enfriamiento para las condiciones de enfriamiento de diseño. El flujo de aire de enfriamiento se reduce gradualmente hasta el punto de ajuste de flujo de aire mínimo, donde permanece a medida que la temperatura del espacio desciende por encima del punto de ajuste de temperatura de enfriamiento. Cuando se alcanza el punto de ajuste de calefacción, se activa la bobina de calefacción eléctrica o hidrónica y proporciona gradualmente más calor hasta que se alcanza la capacidad de calefacción máxima a la temperatura de calefacción de diseño.

Las investigaciones han demostrado que el uso de una secuencia de control diferente, "máximo doble", puede ahorrar cantidades sustanciales de energía en relación con la secuencia de control convencional "máximo único". Esto se logra gracias al uso de tasas de flujo de aire mínimas más bajas en la secuencia "máximo doble". En esta secuencia de control, se selecciona el mismo flujo de aire máximo de enfriamiento 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 enfriamiento, el flujo de aire alcanza un valor mínimo más bajo que el utilizado en la secuencia "máximo único" (10% - 20% frente a 30% - 50% del flujo de aire de enfriamiento máximo). Cuando la temperatura del espacio alcanza el punto de ajuste de temperatura de calefacción, se activa la bobina de calefacción y aumenta su potencia eléctrica (para bobinas eléctricas) o la posición de la válvula de agua caliente (para bobinas hidrónicas) mientras que el flujo de aire permanece en el punto de ajuste mínimo. Cuando la bobina de calentamiento alcanza su capacidad máxima de calentamiento, al producirse una nueva caída de la temperatura del espacio, el flujo de aire aumenta hasta alcanzar un punto de ajuste de flujo de aire de calentamiento máximo (normalmente, alrededor del 50 % del flujo de aire de enfriamiento máximo).