FUNDAMENTOS DE
SISTEMAS DE HVAC
Sofanor Alarcón Rojas
• Ing. Refrigeración y Aire Acondicionado
• Ing. Eléctrico
• MBA
• ASHRAE Member
• CEM Certificación de Energy Management (AEE)
• LEED Green Associate
• LEED AP
• ASHRAE Chapter Chairman of Continuos Education
• ASHRAE Trainer
• ASHRAE Elected President
• Experiencia en Sud América, Norte América, Asia y Europa
FUNDAMENTOS DE
SISTEMAS DE HVAC
INDICE
• Capítulo 1 “ Introducción a los sistemas de HVAC”
• Capítulo 2 “ Revisión general de los sistemas de Aire Acondicionado”
• Capítulo 3 “ Consideraciones básicas de diseño”
• Capítulo 4 “Conceptos de confort ambiental”
• Capítulo 5 “Salud
Salud ambiental y calidad del aire en interiores”
interiores
• Capítulo 6 “Componentes primarios del sistema”
• Capítulo 7 “Componentes secundarios del sistema”
• Capítulo 8 “Sistemas Centrales”
• Capítulo 9 “Sistemas todo‐aire: Trayectoria única”
• Capítulo 10 “Sistemas todo‐aire: Doble vía”
• Capítulo 11 “Sistemas de aire‐agua y solo agua”
INDICE
• Capítulo 12 “Bombas calefactoras, sistemas integrales y acondicionadores de habitación”
• Capítulo 13 “Conservación de energía y sistemas de recuperación de calor”
• Capítulo 14 “Fundamentos del almacenaje térmico”
• Capítulo 15 “Usos del almacenaje térmico”
• Capítulo 16 “Controles”
Controles
CAPITULO 1
Capítulo 1
1.1 Introducción
1.2 ¿Qué es el aire acondicionado?
1.3 Principales
p
procesos de aire acondicionado
p
1.4 Principales usos del aire acondicionado
En 1842,
1842 Lord Kelvin ratura más alta a la más baja,
baja como cuando
enfriamos un café introduciendo una cuchara de metal a la taza y ésta
absorbe el calor.
•El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Por ejemplo, si
humedecemos la mano en alcohol, sentimos frío en el momento en que
éste se evapora, puesto que absorbe el calor de nuestra mano.
•La presión y la temperatura están directamente relacionadas. En un
recipiente cerrado, como una olla, necesitamos proporcionar menor
cantidad de calor para llegar a la misma temperatura que en uno.
En 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases de la refrigeración
moderna y, al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado,
las del aire acondicionado, desarrollando el concepto de climatización de verano.
Por esa época, un impresor de Brooklyn, Nueva York, tenía serias dificultades durante el
proceso de impresión, debido a que los cambios de temperatura y humedad en su taller
alteraban ligeramente las dimensiones del papel, impidiendo alinear correctamente las
tintas El frustrado impresor no lograba imprimir una imagen decente a color
tintas.
color.
Carrier, recién graduado de la Universidad de Cornell con una Maestría en Ingeniería,
acababa de ser empleado por la Compañía Buffalo Forge, con un salario de 10 dólares
semanales. El joven se puso a investigar con tenacidad cómo resolver el problema y diseñó
una máquina que controlaba la temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados,
dando lugar a la primera unidad de aire acondicionado de la Historia.
El invento hizo feliz al impresor de Brooklyn, que por fin pudo tener un ambiente estable que
le permitió imprimir a cuatro tintas sin ninguna complicación. El “Aparato para Tratar el
Aire” fue patentado en 1906.
Debido a su calidad, un gran número de industrias se interesaron por el aparato de Carrier. La
primera venta que realizó al extranjero fue en 1907, para una fábrica de seda en Yokohama, Japón.
En 1911, Carrier reveló su Fórmula Racional Psicométrica Básica a la Sociedad Americana de
Ingenieros Mecánicos. La fórmula sigue siendo hoy en día la base de todos los cálculos
fundamentales para la industria del aire acondicionado.
El inventor dijo que recibió su “chispa de genialidad” mientras esperaba un tren. Era una noche
brumosa y él estaba repasando mentalmente el problema del control de la temperatura y la
humedad. Para cuando llegó el tren, ya había comprendido la relación entre temperatura,
humedad y punto de condensación.
Las industrias florecieron con la nueva habilidad para controlar la temperatura y los niveles de
humedad durante la producción. Películas, tabaco, carnes procesadas, cápsulas medicinales y otros
productos obtuvieron mejoras significativas en su calidad gracias al aire acondicionado.
En 1915, entusiasmados por el éxito, Carrier y seis amigos ingenieros reunieron 32,600 dólares
para formar la Compañía de Ingeniería Carrier, dedicada a la innovación tecnológica de su único
producto, el aire acondicionado.
¿Que es el Aire Acondicionado?
‐ Incluye todo lo concerniente a los sistemas HVAC
‐ Heating Ventilation Air AConditioning
‐ Control de Temperatura, Humedad, limpieza , calidad y circulación de Aire,
según
ú lo
l requieran
i
llos ocupantes,
t ya sea en fforma de
d un proceso o un
producto (Willis Carrier 1876 – 1950)
‐ Es mas que un lujo ocasional, es esencial para nuestra salud y bienestar
‐ Calefacción, Enfriamiento, Humidificación, Deshumidificación, Ventilación
y/o control de la calidad del aire en todas las épocas del año.
‐ De gran importancia para humanos, animales y crucial para variados
procesos industriales.
Principales procesos del Aire Acondicionado
Principales procesos del Aire Acondicionado
Calentamiento
Enfriamiento
Humidificación
Principales procesos del Aire Acondicionado
Deshumidificación
Ventilación y
Movimiento del Aire
Limpieza del Aire
Principales procesos del Aire Acondicionado
CAPITULO 2
¿Qué es un Sistema de Aire Acondicionado?
• Proveer Calor
• Variar el calor para satisfacer las variaciones de tiempo y
espacio en la carga.
• Proveer enfriamiento.
• Variar el enfriamiento para satisfacer las variaciones de tiempo y
espacio de carga.
• Proveer la ventilación adecuada.
• Proveer la limpieza de aire (filtro).
• Humidificación / Deshumidificación.
• Integrarse con otros sistemas del edificio.
Sistemas Centrales de HVAC
Equipo Secundario
Equipo Primario
Equipo Secundario
Zonas
Principales Sistemas
• Sistemas Todo Aire
• Sistemas Aire Agua
• Sistemas Todo Agua
• Equipos integrales de Aire Acondicionado
CAPITULO 3
Consideraciones Básicas
de Diseño
Capítulo 3
3.1 Introducción
3.2 Unidades y dimensiones
3.3 Equilibrio
q
entre energía,
g humedad y materiales
3.4 Cargas que dependen del clima
Selección de un Sistema
• Cargas de ocupantes humanos
• Cargas dependientes del clima
• Cargas del proceso, dispositivos y
del equipo mecánico
Unidades y Dimenciones
• Sistema IP (inch – pounds)
• Sistema Internacional (SI)
Unidades y Dimenciones
Equilibrio entre Energía, Humedad y Materiales
Radio de humedad (masa)
Equilibrio entre Energía, Humedad y Materiales
Equilibrio entre Energía, Humedad y Materiales
qconv = convective
i heat
h
transfer
f from
f
surfaces,
f
Btu/h
/h
qCE = convective parts of internal loads, Btu/h
qIV = sensible load caused by infiltration and ventilation air,
Btu/h
qsys = heat transfer to/from HVAC system, Btu/h
CAPITULO 4
Conceptos de Confort
Ambiental
Capítulo 4
4.1 Introducción
4.2 Consideraciones fisiológicas para el confort humano
4.3 Consideraciones para la transferencia de calor para el confort humano
4.4 Descripción de los índices ambientales.
4 5 La carta de confort ASHRAE
4.5
Rangos de Calor desde 300
a 3,000 BTH/h
Generation típica de calor metabólico para varias actividades
Btu/h∙ft2
Resting
Sleeping
13
Reclining
15
Seated, quiet
18
Standing, relaxed
22
Walking (on level surface)
2.9 fps (2 mph)
37
4.4 fps (3 mph)
48
5.9 fps (4 mph)
70
Office Activities
Reading, seated
18
Writing
18
Typing
20
Filing, seated
22
Filing, standing
26
Walking about
31
Lifting/packing
f
/ k
39
Driving/Flying
Car
18 to 37
Aircraft, routine
22
Ai
Aircraft,
ft instrument
i t
t
33
landing
Aircraft, combat
44
Heavy vehicle
59
met*
0.7
0.8
1.0
1.2
1 mett = 18.4
18 4 Bt
Btu/h∙ft
/h ft2
MET : generación de calor metabólica
2.0
2.6
3.8
1.0
1.0
1.1
1.2
1.4
1.7
2.1
1.0 to 2.0
1.2
18
1.8
2.4
3.2
Promedio de área: 19.6 ft2
1 CLO= 0.88 ft2xhx°F/BTU
Valores de prendas en CLO
1 CLO= 0.88 ft2xhx°F/BTU
ASHRAE Summer and Winter Comfort Zones [Acceptable ranges of operative temperature
and humidity with air speed ≤ 40 fpm for people wearing 1.0 and 0.5 clo clothing during
primarily sedentary activity (≤1.1
(≤1 1 met).]
met) ]
Stress Termico producto de actividades de trabajo
Equivalencias de sensaciones térmicas producto del viento
CAPITULO 5
Salud Ambiental y Calidad de
Aire en Interiores
Capítulo 5
5.1 Introducción
5.2 Contaminantes del aire
5.3 Efectos de la calidad en interiores sobre confort y la salud
5.4 Factores que afectan la calidad del aire interior.
5 5 Estrategias de diseño y equipamiento para mejorar y
5.5
mantener una calidad de aire aceptable en interiores.
Sensación relativa, sicológica y de salud en prolongadas exposiciones
CAPITULO 6
Componentes Primarios
del Sistema
Capítulo 6
6.1 El sistema completo
6.2 Equipo de calefacción
6.3 Equipo
q p de refrigeración
g
6.4 Torres de enfriamiento
Sistemas completo de HVAC
Equipo Secundario
Equipo Primario
Equipo Secundario
Equipo de Calefacción
Equipo de Calefacción
Eficiencias
• Eficiencia de Estado Estable 75 a 82%
• Eficiencia de Utilización
• Eficiencia de utilización anual de combustible AFUE
• Eficiencia
Efi i i Estacional
Et i
l
• Calefacción por Resistencia Eléctrica 100%
65 a 82%
Equipo de Refrigeración
Circuito básico de refrigeración
Ciclo en Gráfica PH
Eficiencias equipos de Refrigeración
Energy Efficiency Ratio (EER)
The Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER)
Coefficient of performance (COP)
Sistema de Refrigeración por Absorción
Torres de Enfriamiento
Torres de Enfriamiento
Torres de Enfriamiento circuito cerrado
CAPITULO 7
Componentes Secundarios
del Sistema
Capítulo 7
7.1 Sistemas conductores de aire y agua
7.2 Sistemas de ductos y tuberías
7.3 Ventiladores y bombas
Cambios de presion de flujos en ductos
Carta de Fricción para ductos redondos (ρ = 0.075
0 075 lbm/ft3 and ε = 0.0003
0 0003 ft)
Diametro equivalente Ductos Rectangulares
Diametro equivalente Ductos Rectangulares
Pérdidas Dinámicas
Coeficiente local de Pérdidas
C = local loss coefficient, dimensionless
Δpj = total pressure loss, in. of water
ρ = density, lbm/ft3
V = velocity, fpm
pv = velocity pressure, in. of water
Componentes de ventiladores Centrífugos y Axiales
Capacidades de operacion de diferentes ventiladores
Metodo para obtener la curva de rendimiento de los Ventiladores
Curvas de Ventilador y sistema mostrando puntos de balance en operación
Corte y componentes de una bomba centrífuga
Curvas de operación de una bomba
CAPITULO 8
Sistemas Centrales
Capítulo 8
8.1 Principales sistemas de HVAC
8.2 Usos de un sistema central básico
8.3 Selección de los componentes
p
de un sistema
8.4 Intercambiadores de calor y serpentines de enfriamiento
Principales Sistemas de HVAC
9 Sistemas Todo Aire
‐ Unizonal
‐ Recalentamiento
‐ Volumen de aire variable (VAV)
‐ Inducción
ducc ó
‐ Doble Ducto
‐ Multizonal
Principales Sistemas de HVAC
9 Sistemas Aire ‐ Agua
‐ 2 tubos de inducción
‐ 3 tubos de inducción
‐ 4 tubos de inducción
Principales Sistemas de HVAC
9 Sistemas Todo Agua
‐ Unidad ventilador serpentin
‐ Ventiladores de unidad
‐ Unidades de valance
Principales Sistemas de HVAC
9 Sistemas Equipo Unitario
‐ Unidades de Ventana
‐ Consolas
‐ Bombas de calor
‐U
Unidades
dades de Techo
ec o
Sistema Central Básico
• Para
P
cargas uniformes
if
• Unizona de control
• Variaciones hasta 4°F
• Grandes zonas abiertas
• Equipos de presición en
zonas pequeñas
Esquema general de un sistema de manejo de aire
Intercambiadores de Calor de Casco y tubo
Intercambiadores de Calor de placas
Intercambiadores de Calor tipo Coil
CAPITULO 9
Sistemas Todo Aire
Capítulo 9
9.1 Introducción a los sistemas todo – aire.
9.2 Sistemas de volumen constante, de un solo ducto,
unizonales.
9.3 Sistemas de volumen constante, de un solo ducto y
recalentamiento zonificado.
9.4 sistemas de volumen variable, de un solo ducto.
Esquema general de un sistema manejador de aire
Ciclo de aire con ahorrador de temparatura
Rendimientos de Economizadores por Temperatura
Rendimientos de Economizadores por Entalpía
Sistemas de Volumen Constante, un solo ducto y recalentamiento zonificado
Sistemas de Volumen Variable de un solo ducto
Caja de Volumen Variable
CAPITULO 10
Sistemas Todo Aire
Doble Via
Capítulo 10
10.1 Sistemas todo aire de doble via
10.2 Sistemas de doble ducto
10.3 Sistema multizona en tres niveles
10.4 Sistemas de volumen variable de aire , doble ducto
Sistema de Volumen Constante con Recalentamiento
Sistema de Volumen Variable con Recalentamiento, Inducción y Ventiladores
Single Fan – Sistema de doble ducto
Sistema Multi Zona
Ventilador Doble Sistema de Ductos
Doble Ventilador,
CAPITULO 11
Sistemas Aire – Agua
y solo Agua
g
Capítulo 11
11.1 Caracteristicas de los sistemas aire ‐ agua
11.2 Sistemas de inducción aire ‐ agua
11.3 Sistemas aire – agua
g a base de ventilador/serpentín
p
11.4 Sistemas solo agua
Unidades Terminales
Radiadores
Small-Tube Cast-Iron Radiators
Section Dimensions
Catalog Rating per
Section,a
B Width, in.
Number of
Tubes per
Section
ft2
Btu/h
A Height,
in.b
Min.
Max.
C Spacing,
in.c
D Leg
Height,
in.b
3
1.6
384
25
3.25
3.50
1.75
2.50
16
1.6
384
19
4 44
4.44
4 81
4.81
1
1.75
2 0
2.50
1.8
432
22
4.44
4.81
1.75
2.50
2.0
480
25
4.44
4.81
1.75
2.50
2.1
504
22
5.63
6.31
1.75
2.50
24
2.4
576
25
5 63
5.63
6 31
6.31
1 75
1.75
2 50
2.50
2.3
552
19
6.81
8
1.75
2.50
3.0
720
25
6.81
8
1.75
2.50
3.7
888
32
6.81
8
1.75
2.50
4
5
6
a These ratings are based on steam at 215°F and air at 70°F. They apply only to installed radiators exposed in a normal
manner, not to radiators installed behind enclosures, behind grilles, or under shelves. For Btu/h ratings at other
temperatures, multiply table values by factors found in Table 2.
Bombeo con variador de velocidad
Ejemplo de curvas de operacion
de una bomba con variador de
Velocidad
Diferentes tanques de expansión
Configuraciones de Válvulas de Control
Ejemplo de diferentes tipos de aplicaciones en un loop
Chiller con flujo constante
Chiller con flujo variable
CAPITULO 12
Bombas de Calor,
Sistemas Unitarios y
Acondicionadores de Cuarto
Capítulo 12
12.1 Bombas de calor
12.2 Bombas de calor y acondicionadores de aire
12.3 Acondicionadores p
para cuarto y unidades de p
pared
Operación de una válvula de 3
vías en un bomba de calor
Características de operación Bomba de Calor
Modalidades de bombas de calor
Deshumidificacion Heat Pump
Típica Unidad Paquete
Instalación en Azotea de una unidad paquete
Típica s unidades divididas
CAPITULO 13
Conservación de Energía y
Sistemas de Recuperación de
Calor
Capítulo 13
13.1 Eficiencia en el uso de la energía
13.2 Conservación de la energía
13.3 Sistemas de recuperación
p
de calor
Eficiencia en el uso de la Energía
• Buscar el uso de la menor cantidad de energía para lograr un resultado deseado.
• Reducir la cantidad de la carga de calentamiento o enfriamiento.
• Reducir las pérdidas en los sistemas en los sistemas de conversión y distribución
distribución.
• Recuperar tanta energía como sea posible.
• Cogeneración.
• Sistemas EMS (Energy Management System).
• Control Digital Directo (DDC) .
• Aprovechamiento de la luz diurna.
• Las Bombas de Calor.
• Sistemas de Volumen Variable (VAV).
• Almacenamiento Térmico.
• Recuperación
R
ió de
d Calor
C l
Conservación de la Energía
• Buscar el uso de la menor cantidad de energía para lograr un resultado deseado.
• Reducir la cantidad de la carga de calentamiento o enfriamiento.
• Reducir las pérdidas en los sistemas en los sistemas de conversión y distribución
distribución.
• Recuperar tanta energía como sea posible.
• Cogeneración.
• Sistemas EMS (Energy Management System).
• Control Digital Directo (DDC) .
• Aprovechamiento de la luz diurna.
• Las Bombas de Calor.
• Sistemas de Volumen Variable (VAV).
• Almacenamiento Térmico.
• Recuperación
R
ió de
d Calor
C l
Conservación de la Energía
Heat Pipe
CAPITULO 14
Fundamentos
d Al
de
Almacén
é té
térmico
i
Capítulo 14
14.1 Conceptos del almacenaje térmico
14.2 Razones y estrategias para recurrir al almacenaje térmico
14.3 Puntos básicos del almacenaje
j térmico
CAPITULO 15
Fundamentos
d Al
de
Almacén
é té
térmico
i
Capítulo 15
15.1 Técnicas para el almacenaje térmico
15.2 Sistemas a base de tanques de agua
15.3 Sistema a base de p
partículas sólidas ((camas de p
piedra))
15.4 Sistemas productores de hielo
15 5 Sistemas de hielo de serpentín
15.5
15.6 Hielo encapsulado y otros materiales para cambio de fase (PCMs)
CAPITULO 16
Controles
Capítulo 16
16.1 Puntos básicos de control
16.2 Tipos de control
16.3 Control de dos p
posiciones ((encendido‐apagado)
p g
)
16.4 Control de dos posiciones programadas
16 5 Control flotante
16.5
16.6 Controles proporcionales, proporcional e integral y PID
Diagrama de bloque de un sistema de control
Control con retroalimentación con circuito cerrado
Tiempo muerto y ganancia en un proceso sujeto a cambios de entrada
Control de dos Posiciones
Respuesta de control Proporcional
Respuesta Estable de Control Proporcional Integral
Respuesta flotante con respecto a la carga