Sistemas de vigas frías

La sustentabilidad es ya una exigencia mundial. El sistema de vigas frías nació bajo las más altas exigencias de confort, ahorro energético y simplicidad de funcionalidad para apoyar este concepto.

La tecnología de acondicionamiento ambiental con vigas frías nació en Europa del Norte en la década de 1970. Actualmente, es una práctica común utilizada como sistema de confort, ya que su eficacia es muy apreciada.

El sistema de vigas frías fue adoptado desde hace aproximadamente 5 años en América y ha llegado para quedarse como una alternativa más en sistemas de acondicionamiento ambiental.

Imagen 1.Vigas pasivasImagen 2. Vigas activas 1. Plenum de aire de inyección (aire primario) 2. Boquillas de inyección 3. Serpentín de enfriamiento 4. Aire mezclado (primario y de inyección) 5. Aire de la habitación

Qué es una viga fría
Son elementos de inducción con características muy especiales que integran los dos elementos fundamentales usados en intercambio térmico, aire-agua. No hay ninguna relación con la estructura de la construcción del inmueble.

Existen dos tipos de vigas frías: pasivas y activas.

Vigas pasivas. Consisten en un serpentín de enfriamiento integrado en un gabinete metálico que “atrapa” el aire caliente del área por acondicionar y lo enfría para lograr un ciclo de acondicionamiento.

Vigas activas. Proveen el aire de ventilación o de reposición al área por acondicionar, y logran el acondicionamiento del área mediante la inducción total del aire a través del serpentín de enfriamiento, logrando un confort completo.

Descripción del sistema

El acondicionamiento a través de vigas frías es un sistema de enfriamiento, calefacción y ventilación en espacios donde la calidad del aire y el control individual de la temperatura son apreciados.

El sistema de vigas frías utiliza los elementos aire/agua, logrando una excelente transferencia de temperatura y proveyendo un excelente confort interior y una alta eficiencia energética.

Fundamentos del sistema
El principio de operación del sistema es simple y libre de problemas; combina los dos elementos básicos en acondicionamiento ambiental. Mediante el uso de vigas frías activas, la ventilación se logra en forma muy eficiente, con lo que se logra una calidad de uniformidad en toda el área, inyectando el aire por uno o ambos lados.

La ventilación requerida cuando consideramos el uso de vigas frías pasivas podemos aplicarla mediante la utilización de un sistema de mezcla típica, con difusores de techo o rejillas en muros, o bien, mediante el sistema de inyección por piso.

Las unidades son elementos de inducción que operan a niveles medios de presión. Ofrecen beneficios en el costo del ciclo de vida al tratarse de elementos libres de partes móviles, con un muy bajo costo de mantenimiento a largo plazo. Asimismo, son elementos de muy alta eficiencia en cuanto al uso de energía.

Este sistema nos permite otorgar un confort térmico excelente, ya que inyecta el aire a bajas velocidades en la zona ocupada (50 fpm), aun en condiciones de máximo enfriamiento, lo que da como resultado una agradable sensación de frescura en el ambiente, libre de tiros forzados. Por su característica de manejo de temperaturas, presenta un bajo gradiente térmico, ya que logra una efectiva forma de mezclado.

Imagen 3. Velocidad baja en zona de ocupaciónImagen 4. Diagrama esquemático de un sistema de vigas frías Imagen 5.

Las vigas frías sólo brindan enfriamiento sensible, el serpentín de enfriamiento trabaja en seco, sin sistemas de recolección de condensados. El aire primario que suministramos como aire de ventilación deberá ser tratado en una unidad manejadora (UMA). Es necesario un control de la temperatura del agua para evitar la condensación

Un punto importante que habrá que considerar es que el inmueble por acondicionar bajo el sistema de vigas frías necesita limitar la infiltración del exterior hacia el interior del edificio; si fuera el caso, se requiere atención especial sobre los sistemas de administración del edificio si las ventanas son susceptibles de abrir.

Al suministrar el aire de ventilación a las diversas áreas, la resultante es bastante benéfica, ya que las unidades manejadoras reducen en forma importante su tamaño y el caballaje, con un consumo energético mucho menor que en otro sistema. Al exigir un aire de inyección a temperaturas mayores a las de otros sistemas (58-65 °F), logramos una eficiencia energética en los chillers (UGA).

La ductería, por consecuencia, es mucho más pequeña, obteniendo el beneficio de optimizar el espacio entre losa y plafón en cada piso. El diámetro de conexión de las vigas frías se reduce a 5” de diámetro, y el peralte que se presenta en estos elementos es de no más de 9”.

Una forma de integración del sistema es ubicar dos chillers. El primero suministrará el agua helada a las UMAs (45-50 °F), trabajando con una eficiencia de hasta 30% más. El segundo chiller entregará el agua helada a las vigas frías, a una temperatura de (57-60 °F). De igual manera que el anterior, su eficiencia de operación se ve incrementada en forma importante, de hasta 30% más.

En caso de considerar un sistema de enfriamiento y calefacción habrá necesidad de considerar una caldera para abastecer agua caliente, tanto a los serpentines de las UMAs, como a las vigas frías, en forma muy eficiente (95-104 °F).

Eficiencia de los sistemas de vigas frías
Como hemos establecido, las vigas frías requerirán una mayor temperatura del agua de enfriamiento (57-60 °F), dando como resultado un incremento en la eficiencia de operación del chiller y logrando una importante reducción de pérdidas térmicas.

En el modo de calefacción, la temperatura del agua será menor que en otros sistemas (95-104 °F), logrando de igual forma una importante reducción de pérdidas de calor.

El  sistema de aire exterior será dedicado a proveer básicamente el airede ventilación, por lo que el flujo de aire será mucho menor que en los sistemas tradicionales. Por tanto, hay menos presión en ductos que en sistemas de unidades de inducción tradicional, logrando menores niveles de potencia en los ventiladores, por menor presión en ductos

Integración de controles de agua y aire
Válvulas de balance, válvulas de control, llaves de servicio, válvulas mixtas de control y balance, sensor de condensación, termostato o sensor de temperatura son algunos de los componentes que debemos de considerar en la instalación de un sistema de vigas frías.

Mantenimiento de vigas frías
Los sistemas de vigas frías requieren muy bajo mantenimiento, ya que no existen filtros que cambiar ni charolas de condensación que limpiar, aunado a su complejo sistema de drenaje. Los serpentines y superficies son fáciles de limpiar, debido a que son elementos que trabajan en seco; de esta forma, la limpieza se reduce a básicamente polvo que pudiera irse acumulando, por lo que se recomienda una limpieza cada cinco años. No existen motores ni ventiladores que requieran mantenimiento continuo.

Aplicaciones recomendadas
•   Plantas de oficinas modulares y abiertas
•   Habitaciones de hotel
•   Áreas comunes en hospitales
•   Tiendas de menudeo
•   Salas de bancos

Riesgo de condensación
Existe aún temor en cuanto al riesgo de que los equipos lleguen a condensar; sin embargo, si controlamos las temperaturas señaladas en los parámetros establecidos, esteremos “cubiertos” hasta con 4 °F entre la temperatura del agua y la temperatura de rocío. Es importante revisar este punto en cada localidad en donde se pretenda usar este sistema.

Como ya hemos señalado, habrá que considerar la integración de un control de condensación en cada válvula de control. El proceso de enfriamiento y la deshumidificación puede comprobarse en la carta psicrométrica

El proceso de intercambio de temperatura propiamente en las vigas frías, es decir en el área por acondicionar, se representa en la carta psicrométrica.

Caso práctico
El ingeniero de diseño llevará a cabo un análisis de cargas térmicas por áreas, estableciendo los parámetros de ventilación que cumplan con los requerimientos, con base en el número de personas por área (10-15 CFM/Persona), o bien, con base en el área misma, considerando 0.3-0.6 CFM/ft2.

Existen softwares de apoyo para llevar a cabo la selección de las vigas frías de diversos fabricantes, los cuales nos permiten presentar una propuesta de “sembrado” y dimensionamiento por área si se considera la selección de éstos precisamente bajo los parámetros mencionados: cantidad de aire de ventilación y GPM.

Una vez hecha la selección, se realiza un recuento total de CFM y, con base en esta información, el ingeniero de diseño podrá llevar a cabo la selección de la UMA que dé la capacidad requerida; pondrá cuidado especial en marcar las temperaturas de aire primario y de agua (fría y caliente en su caso).

Aun cuando las vigas cuentan con un control de volumen que ayudará al ajuste fino del balance final, es recomendable colocar una compuerta de balance manual en cada ramal secundario, con la finalidad de garantizar los CFM establecidos en la selección de los elementos.

De igual forma, se hace un recuento de los GPM requeridos para suministrar a los serpentines de las manejadoras; con base en las temperaturas señaladas, podemos hacer la selección del chiller 1.

La sumatoria de GPM requeridos por el total de vigas frías dará la pauta para seleccionar el chiller 2 bajo las temperaturas consideradas en el sistema.

Cada área llevará un sensor de temperatura, el cual gobernará una válvula control de 2 o 3 vías; ésta dará paso al agua caliente o fría, según la exigencia de dicho sensor. En esta misma posición, es recomendable la colocación de un sensor de condensación (previendo cualquier incidencia de este tipo, la cual es poco probable).

Cada viga fría será provista de una válvula de balance para garantizar el paso de los GPM determinados en su selección. Es recomendable colocar dos manearles de servicio en cada viga fría para efectos de alguna reparación que llegara a presentarse.

El balance general del sistema en sí es muy sencillo, ya que, al mantenerse una presión de aire constante en todo el sistema, el nivel de presión en ducto fluctúa en un rango de 0.01 a 0.021 lb/in2.

Se puede concluir que el costo inicial de un sistema de vigas frías, comparado con un sistema VAV, se encuentra 30% más arriba; sin embargo, el beneficio del sistema está calculado, en promedio, en un retorno de inversión en un periodo de 2 a 3 años.