Los principios básicos del diseño de conductos, parte 1
Cuando se trata de calentar y enfriar los hogares, la distribución de aire forzado es el rey. Sí, mi amigo canadiense Robert Bean de Healthy Heating impulsa el sistema radiante tanto para la calefacción como para la refrigeración, y mi amigo texano Kristof Irwin se bebió ese koolaid e instaló lo que puede ser el primer sistema de refrigeración radiante en Texas. Sin embargo, aunque los sistemas de distribución radiante se impongan por completo, seguiremos necesitando sistemas de conductos de aire forzado. ¿Por qué? Porque seguimos necesitando mover el aire para la ventilación y, en climas húmedos como el del sureste de Estados Unidos, para la deshumidificación.
Así que, si vamos a mover el aire a través de conductos, tenemos que entender la física del aire y cómo hacemos que cumpla nuestras órdenes. En esta serie de artículos, te llevaré a través de estas cosas. Hoy voy a empezar con lo que se hace en el proceso de diseño de HVAC antes de llegar a la fase de diseño de conductos (Manual D), así como la física del flujo de aire cuando está limitado por los conductos. Seguiré con artículos sobre el proceso que utilizamos en el diseño de los sistemas de conductos, incluyendo la presión estática disponible, la longitud equivalente y la elección de los accesorios.
¿Preparado?
Antes del diseño de los conductos
Diseñar un sistema de conductos es importante, pero hay algunos pasos críticos que vienen primero. El número uno es el cálculo de la carga de calefacción y refrigeración utilizando un protocolo como el Manual J* de ACCA o el Manual de Fundamentos de ASHRAE.* Tiene que saber cuánta calefacción y refrigeración necesita para cada habitación (en BTU/hora). A continuación, esos requisitos de BTU por hora se traducen inmediatamente en requisitos de flujo de aire por habitación en pies cúbicos por minuto (cfm). Esto se hace automáticamente en el software que utilizamos (RightSuite Universal de WrightSoft).
Una vez que se conocen los números de BTU/h y cfm del edificio, es necesario seleccionar el equipo adecuado para la calefacción y la refrigeración. El protocolo Manual S de ACCA* le ayuda a hacerlo. No basta con encontrar un equipo que satisfaga las cargas totales de calefacción y refrigeración de la vivienda. Hay que asegurarse de que se ajusta a las condiciones de diseño interiores y exteriores de la vivienda. Lo ideal es que tenga las tablas de datos de rendimiento del fabricante para ayudarle a hacerlo bien.
Entonces está listo para empezar a diseñar el sistema de conductos.
El peso del aire
Lo primero que debe saber es que el aire tiene peso. David Hill ha dado un par de grandes presentaciones sobre el diseño de conductos en el Building Science Summer Camp y este es su punto de partida. (Ver el excelente resumen de Michael Chandler de la charla de Hill en el Campamento de Verano de 2011 en Green Building Advisor). En la foto de abajo, Hill sostiene un bloque de 1 pie cúbico, que según él pesaría casi 0,1 libras si fuera aire. El número real es 0,0807 libras a temperatura y presión estándar.
Si tiene un acondicionador de aire de 2,5 toneladas, el flujo de aire nominal sería de 1.000 cfm. (La regla aquí es 400 cfm por tonelada.) Eso significa que el soplador tiene que empujar alrededor de 81 libras de aire a través del sistema cada minuto. Se necesita trabajo para mover el peso.
Bueno, en realidad, si usted recuerda su clase de física de introducción, usted sabe que no es del todo cierto. Puedes mover el peso gratis si lo mueves horizontalmente y sin ningún tipo de resistencia. Se necesita trabajo para moverlo hacia arriba contra la gravedad o para empujarlo en cualquier dirección contra la fricción. Y eso nos lleva a…
La física del flujo de aire
Si sacas un ventilador a tu patio en un día tranquilo y lo enciendes, obtendrás su máximo flujo de aire. Si toma ese mismo ventilador y sopla el aire en un tubo de cartón, tiene que trabajar contra la presión que se acumula en ese espacio. Cuanto más reduzcas el tamaño de ese tubo o lo hagas más largo o gires el aire con él, más presión estática se acumula. Y más se reduce el flujo de aire.
Ese es el principio básico con el que hay que trabajar en el diseño de conductos. He escrito anteriormente sobre los dos factores que intervienen en la reducción del flujo de aire en los conductos. Uno es la fricción. A medida que el aire se mueve a través de un conducto, interactúa con las superficies. Cuanto más lisa sea la superficie interior, mejor será el flujo de aire. Cuanto más rugosa sea la superficie, más ralentiza el aire.
El segundo factor es la turbulencia. Esto generalmente surge cuando se mueve el aire a través de accesorios, o cuando se gira el aire. En el caso de los conductos rígidos, se gira el aire con los accesorios, pero desgraciadamente no siempre es así con los conductos flexibles.
Cuando el aire sale del climatizador, le ocurren varias cosas. Se envía a las distintas habitaciones de la casa. A medida que viaja a través de un sistema de conductos de tronco y rama, la cantidad sigue disminuyendo porque parte de ella se desvía por cada rama en el camino hacia el final.
Cada sección de conducto, cada accesorio, cada vuelta del aire añade resistencia a ese flujo de aire debido a la fricción y la turbulencia. Las rejillas y los registros, los filtros y las compuertas de equilibrado también añaden resistencia. Esa resistencia se traduce en disminuciones de la presión estática, o en caídas de presión.
Así, empezamos en el soplador con una presión alta. En el momento en que el aire sale de las rejillas de ventilación de suministro, esa presión ha caído a cero (en relación con la presión de la habitación).
El siguiente paso en el proceso de diseño de conductos
En el próximo artículo, hablaré más sobre esas caídas de presión y cómo determinan la presión estática disponible, que luego conduce a la longitud efectiva total de nuestro sistema de conductos. Puedes acceder a los otros artículos de la serie con los enlaces que aparecen a continuación.
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Otros artículos de la serie Diseño de conductos:
Diseño de conductos 2 – Presión estática disponible
Diseño de conductos 3 – Longitud efectiva total
Diseño de conductos 4 – Cálculo de la tasa de fricción
Diseño de conductos 5 – Dimensionamiento de los conductos
Las 2 causas principales de la reducción del flujo de aire en los conductos
No mate su flujo de aire con esta enfermedad de los conductos flexibles
La ciencia de la flacidez – conductos flexibles y flujo de aire
El secreto para mover el aire de forma eficiente a través de su sistema de conductos – mi artículo sobre la presentación de David Hill en el campamento de verano de 2015 sobre conductos ovalados