Unidades de tratamiento de aire. En este artículo vamos a aprender cómo funcionan las unidades de tratamiento de aire o UTA. Veremos diferentes ejemplos de UTAs típicas junto con animaciones de componentes como compuertas, serpentines de calefacción y refrigeración, ruedas de calor, humidificadores, serpentines de circulación, intercambiadores de calor y más, para ayudarle a aprender ingeniería de HVAC.
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Entonces, ¿dónde encontramos unidades de tratamiento de aire?
Las unidades de tratamiento de aire, que suelen tener las siglas A.H.U se encuentran en edificios comerciales e industriales de tamaño medio o grande.
Suelen estar situadas en el sótano, en el tejado o en las plantas de un edificio. Las UTAs servirán a un área o zona específica dentro de un edificio como el lado este, o los pisos 1 – 10 o tal vez un solo propósito como sólo los aseos del edificio. Por lo tanto, es muy común encontrar múltiples UTAs alrededor de un edificio.
Algunos edificios, en particular los antiguos edificios de gran altura, tendrán sólo una gran UTA, por lo general ubicada en el techo. Estas abastecerán a todo el edificio. Es posible que no tengan un conducto de retorno, algunos diseños antiguos se basan en que el aire simplemente se filtra fuera del edificio. Este diseño ya no es tan común en los edificios nuevos porque es muy ineficiente, ahora es más común tener múltiples UTAs más pequeñas que suministran a diferentes zonas. Los edificios también son más herméticos por lo que necesitamos tener un conducto de retorno para regular la presión dentro del edificio.
Entonces, ¿cuál es el propósito de una unidad de tratamiento de aire?
Las unidades de tratamiento de aire acondicionan y distribuyen el aire dentro de un edificio. Toman el aire fresco del exterior, lo limpian, lo calientan o lo enfrían, tal vez lo humidifican y luego lo llevan a través de algunos conductos a las áreas diseñadas dentro de un edificio. La mayoría de las unidades tendrán un conducto adicional para sacar el aire sucio usado de las habitaciones, de vuelta a la UTA, donde un ventilador lo descargará de nuevo a la atmósfera. Una parte de este aire de retorno puede recircular hacia el suministro de aire fresco para ahorrar energía, algo que veremos más adelante en este artículo. De lo contrario, cuando esto no sea posible, la energía térmica puede extraerse y alimentar la entrada de aire fresco. De nuevo, veremos esto más adelante con más detalle.
Veamos un diseño simple y típico, y luego veremos algunos más avanzados.
En este modelo tan básico tenemos las dos carcasas de la AHU para el flujo y el retorno de aire. En la misma parte frontal en la entrada y salida de cada carcasa tenemos una rejilla para evitar la entrada de objetos y vida salvaje en los componentes mecánicos del interior de la UTA.
En esta foto se puede ver que la entrada de la AHU hubiera aspirado un montón de basura si no estuviera la rejilla, por eso es importante.
En la entrada de la caja de aire fresco y en la descarga de la caja de aire de retorno tenemos unos amortiguadores. Las compuertas son múltiples láminas de metal que pueden girar. Pueden cerrarse para evitar que el aire entre o salga, pueden abrirse para permitir totalmente la entrada o salida de aire, y también puede variar su posición en algún punto intermedio para restringir la cantidad de aire que puede entrar o salir.
Después de los amortiguadores tendremos unos filtros. Estos están ahí para tratar de atrapar toda la suciedad y el polvo, etc, que entra en el ahu y en el edificio. Si no tenemos estos filtros el polvo se va a acumular dentro de los conductos y dentro del equipo mecánico, también va a entrar en el edificio y ser respirado por los ocupantes, así como ensuciar el edificio. Por lo tanto, queremos eliminar la mayor cantidad posible de esto. En cada banco de filtros, tendremos un sensor de presión. Este medirá el grado de suciedad de los filtros y avisará a los ingenieros cuando sea el momento de sustituirlos. A medida que los filtros recogen la suciedad, se restringe la cantidad de aire que puede fluir a través de ellos y esto provoca una caída de presión a través de los filtros. Normalmente, tenemos algunos filtros de panel o prefiltros para atrapar las partículas de polvo más grandes. Luego tenemos algunos filtros de bolsa para atrapar las partículas de polvo más pequeñas. En realidad, ya hemos cubierto los filtros de ahu en gran detalle. Puedes ver un video tutorial sobre eso haciendo clic aquí.
Lo siguiente que encontraremos son las bobinas de refrigeración y calefacción. Estas están para calentar o enfriar el aire. La temperatura del aire de suministro se mide cuando sale de la UTA y entra en los conductos. Debe estar a una temperatura determinada para que las personas que están dentro del edificio se sientan cómodas; esta temperatura determinada se denomina temperatura de consigna. Si la temperatura del aire está por debajo de este valor, la batería de calefacción añadirá calor para aumentar la temperatura del aire y llevarla al punto de consigna. Si el aire está demasiado caliente, la batería de refrigeración eliminará el calor para reducir la temperatura del aire y alcanzar el valor de consigna. Las bobinas son intercambiadores de calor, dentro de la bobina hay un fluido caliente o frío, normalmente algo como agua calentada o enfriada, refrigerante o vapor. Ya hemos hablado de ellos en detalle anteriormente, puedes ver un video tutorial al respecto haciendo clic aquí.
A continuación tendremos un ventilador. Esto va a tirar el aire desde el exterior y luego a través de las compuertas, filtros y bobinas y luego empujar esto en los conductos alrededor del edificio. Los ventiladores centrífugos son muy comunes en las unidades de tratamiento de aire antiguas y existentes, pero ahora se están instalando ventiladores EC para aumentar la eficiencia energética. A través del ventilador también tendremos un sensor de presión, que detectará si el ventilador está en funcionamiento. Si está en marcha, creará una diferencia de presión, que podemos utilizar para detectar un fallo en el equipo y avisar a los técnicos del problema. También es probable que haya un sensor de presión del conducto poco después del ventilador, que leerá la presión estática y en algunos ahu la velocidad del ventilador se controla como resultado de la presión en el conducto, por lo que también encontraremos muy a menudo un variador de velocidad conectado al ventilador para los sistemas de volumen variable. Hemos cubierto los sistemas VAV por separado, se puede ver un video tutorial para que haciendo clic aquí.
Luego tenemos los conductos que enviarán el aire alrededor del edificio a las áreas diseñadas. También tendremos algunos conductos de retorno que están trayendo todo el aire usado del edificio de nuevo a una parte separada de la UTA. Esta UTA de retorno suele estar situada cerca del suministro, pero no tiene por qué, puede estar situada en otro lugar. Si quieres aprender a dimensionar y diseñar los conductos, puedes ver un video tutorial haciendo clic aquí.
La UTA de retorno, en su forma más simple, sólo tiene un ventilador y una compuerta en su interior. El ventilador está tirando el aire de alrededor del edificio y luego empujándolo fuera del edificio. La compuerta se encuentra en la salida de la carcasa del ahu y se cerrará cuando la UTA se apague.
Ese es un UTA muy simple y típico. Entonces, ¿qué más podríamos encontrar?
Si estamos en una zona fría del mundo donde la temperatura del aire alcanza el punto de congelación o se acerca a él. Entonces es probable que encontremos un precalentador en la entrada de la toma de aire fresco. Normalmente se trata de un calentador eléctrico. Cuando el aire exterior llega a unos 6*c (42,8F) el calentador se encenderá y calentará el aire para proteger los componentes del interior de las heladas. De lo contrario, esto podría congelar las bobinas de calefacción y refrigeración en el interior y reventarlas.
¿Qué hay del control de la humedad? Algunos edificios necesitan controlar la humedad del aire que suministran al edificio. Encontraremos un sensor de humedad en la salida de la UTA de suministro para medir la humedad en el aire de suministro, esto también tendrá un punto de ajuste para la cantidad de humedad que debe estar en el aire por diseño.
Si el contenido de humedad del aire está por debajo de este valor, entonces tenemos que introducir la humedad en el aire utilizando un humidificador, esto suele ser una de las últimas cosas en la UTA. Este dispositivo suele añadir vapor o rociar una niebla de agua en el aire. Muchos edificios estándar de tipo oficina en el norte de Europa y Norteamérica han apagado sus unidades de humedad o las han desinstalado para ahorrar energía. Aunque todavía son cruciales para lugares como almacenes de documentos y salas de ordenadores.
Si el aire es demasiado húmedo, se puede reducir a través de la bobina de enfriamiento. A medida que el aire golpea la bobina de enfriamiento la superficie fría hará que la humedad dentro del aire se condense y fluya, usted encontrará una bandeja de drenaje debajo de la bobina de enfriamiento para recoger el agua y drenar esto. La bobina de enfriamiento se puede utilizar para reducir aún más el contenido de humedad mediante la eliminación de más calor, pero, por supuesto, esto disminuirá la temperatura del aire por debajo del punto de ajuste de suministro, si esto ocurre, entonces la bobina de calefacción también puede ser encendida para llevar la temperatura de nuevo, esto funcionará, aunque es muy intensivo en energía.
Recuperación de energía
Si las unidades de tratamiento de aire (UTA) de suministro y de extracción están situadas en zonas diferentes, una forma común de recuperar parte de la energía térmica es utilizar una bobina de circulación. Esto utiliza un serpentín dentro de la UTA de suministro y de retorno que están conectados a través de tuberías. Una bomba hace circular el agua entre ambas. Esto recogerá el calor residual de la UTA de extracción y lo añadirá a la UTA de suministro. Esto reducirá la demanda de calor de la batería de calefacción cuando la temperatura del aire exterior sea inferior a la temperatura de consigna de suministro y la temperatura del aire de retorno sea superior a la consigna, ya que, de lo contrario, el calor se expulsaría a la atmósfera. Por lo tanto, necesitaremos un sensor de temperatura del aire en la UTA de retorno en la entrada y probablemente tendremos sensores de temperatura del aire después de la bobina de retorno, así como antes de la entrada de aire fresco. Estos sensores se utilizarán para controlar la bomba y para medir su eficacia. Como la bomba consumirá electricidad, sólo es rentable encenderla si la energía ahorrada es mayor que la que consumiría la bomba.
Otra versión muy común con la que nos encontraremos es tener un conducto situado entre el escape y la entrada de aire fresco. Esto permite que parte del aire de escape se recircule de nuevo en la entrada de aire fresco, para compensar la demanda de calefacción o refrigeración. Esto es seguro y saludable, pero tendrá que asegurarse de que el aire de escape tiene un bajo nivel de Co2, por lo que necesitamos algunos sensores de Co2 para controlar esto. Si el nivel de Co2 es demasiado alto, el aire no puede ser reutilizado, la compuerta de mezcla se cerrará y todo el aire de retorno será rechazado del edificio. En el modo de recirculación, las compuertas principales de entrada y salida no se cerrarán completamente en esta configuración porque todavía necesitamos una cantidad mínima de aire fresco para entrar en el edificio. Podemos utilizar esto en invierno si el aire de retorno es más cálido que el aire exterior y podemos utilizarlo en verano si el aire de retorno es más frío que el aire exterior, respectivamente a la temperatura del aire de consigna de suministro, por lo que también necesitaremos algunos sensores de temperatura en la entrada, el retorno y justo después de la región de mezcla. Algunos edificios requieren un 100% de aire fresco, por lo que esta estrategia no se puede utilizar en todas partes, las leyes y regulaciones locales lo dictarán.
Otra variación que podemos encontrar, es la rueda de calor. Esto es muy común en las nuevas UTAs compactas. Esto utiliza una gran rueda giratoria, la mitad de ella se encuentra dentro de la corriente de aire de escape y la otra mitad se encuentra dentro de la entrada de aire fresco. La rueda girará, impulsada por un pequeño motor de inducción, mientras gira recoge el calor no deseado de la corriente de escape y lo absorbe en el material de las ruedas. La rueda gira entonces hacia la corriente de entrada de aire fresco, este aire está a una temperatura más baja que la corriente de escape, por lo que el calor se transferirá de la rueda a la corriente de aire fresco que, obviamente, calienta esta corriente de aire entrante y, por lo tanto, reduce la demanda de la bobina de calefacción. Esto es muy eficaz, pero algo de aire se filtrará de la corriente de escape a la corriente de aire fresco, por lo que no se puede utilizar en todos los edificios.
Otra versión que podemos encontrar es el intercambiador de calor de placas de aire. Este utiliza finas láminas de metal para separar las dos corrientes de aire para que no entren en contacto o se mezclen en absoluto, la diferencia de temperatura entre las dos corrientes de aire hará que el calor se transfiera desde la corriente de escape caliente a través de las paredes metálicas del intercambiador de calor y hacia la corriente de entrada fría.