El diseño de sistemas HVAC requiere una evaluación metódica de las opciones

Dado que la calefacción y la refrigeración figuran entre los costes más elevados de la mayoría de los edificios, los propietarios están decididos a encontrar nuevos enfoques eficaces para los edificios nuevos y a mejorar el rendimiento de las unidades existentes. Y a medida que el sector sigue avanzando hacia prácticas de construcción sostenibles que maximicen el rendimiento de los edificios y minimicen el impacto ambiental, el tipo de sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado será un factor importante para alcanzar los objetivos de eficiencia energética. Otros factores, como la seguridad y el cumplimiento de la normativa, los costes de funcionamiento y el ciclo de vida útil, también deben tenerse en cuenta a la hora de evaluar los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Dos métodos de calefacción y refrigeración que suelen compararse en términos de consumo energético y rendimiento del sistema son los sistemas hidrónicos y los sistemas de caudal de refrigeración variable.

Los sistemas hidrónicos como tecnología de confort doméstico se han utilizado de alguna forma durante siglos. Los sistemas hidrónicos actuales ofrecen calefacción y refrigeración por agua a través de tuberías, conductos y otros componentes como bombas, accionamientos, controles, intercambiadores de calor y válvulas.

Los sistemas VRF utilizan refrigerante como principal medio de calefacción/refrigeración y constan de una unidad compresora principal conectada mediante conductos de refrigerante a varias unidades interiores de cassette que pueden controlarse individualmente. Se desarrollaron en los años ochenta en Europa y Asia y se introdujeron en Estados Unidos hace aproximadamente una década.

Aunque cada uno de ellos tiene su lugar en los sistemas HVAC de los edificios comerciales, los ingenieros de especificaciones deben ser diligentes a la hora de revisar los parámetros de diseño y los códigos de seguridad aplicables de las normas 15 y 34 de ASHRAE para asegurarse de que están tomando las decisiones adecuadas. Un análisis cuidadoso de las áreas clave de diferenciación entre hidrónicos y VRH también puede ayudar a los diseñadores de sistemas durante este proceso.

A la hora de especificar un sistema, es importante tener en cuenta no sólo el tamaño del edificio, sino también el del propio sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Los sistemas hidrónicos son los más adecuados para edificios que requieren de 50 a 100 toneladas o más de capacidad de refrigeración. Los sistemas hidrónicos también tienen la capacidad de bombear agua de forma eficiente a grandes distancias, como un campus universitario o un rascacielos de oficinas.

Por otro lado, la eficiencia del sistema VRF disminuye en función de la longitud de las tuberías de refrigerante. Las normas ASHRAE 15 y 34 definen límites específicos de concentración de refrigerante basados en libras de refrigerante por cada mil pies cúbicos de volumen interior, además de su toxicidad aguda prevista. Normalmente, la carga de refrigerante en un sistema VRF es de 4 a 6 libras de refrigerante por tonelada de refrigeración. Para cumplir los requisitos de ASHRAE 15, puede ser necesario dividir el sistema VRF en circuitos de refrigerante más pequeños, comprometiendo así los beneficios de las cargas desviadas.

Los sistemas VRF suelen estar limitados a edificios de menos de 10 plantas porque la longitud de los conductos es limitada y está convenientemente dividida en zonas para transportar los refrigerantes y aceites a través del edificio según las especificaciones del fabricante. Las largas distancias de los conductos pueden poner en peligro el rendimiento de la unidad, desde la acumulación de aceite o refrigerante en los conductos hasta la reducción de la eficiencia.

Deben tomarse medidas para garantizar que las tuberías de refrigeración no se instalen en pasillos o en el suelo plano de un gran espacio de oficinas abierto, ya que ambos son considerados medios de escape por las normas establecidas por ASHRAE y la Asociación Internacional de Oficiales de Fontanería y Mecánica (IAPMO). Incluso con sistemas de extinción de incendios y rociadores montados en el techo, estas zonas siguen considerándose vías de evacuación.

Aunque las fugas son posibles tanto en los sistemas hidrónicos como en los VRF, una fuga en un sistema VRF puede ser fatal.

Las fugas de refrigerante VRF no pueden detectarse por la vista o el olfato, lo que dificulta su localización y reparación. En espacios con ventilación mínima, las altas concentraciones de gas refrigerante en el aire pueden poner a las personas en riesgo de asfixia.

Los sistemas hidrónicos con unidades de refrigeración también necesitan refrigerante para funcionar, pero el sistema medio utiliza entre un 66% y un 75% menos de refrigerante que un sistema VRF del mismo tamaño, según la Hydronics Industry Alliance. Los sistemas hidrónicos no están exentos de los códigos ASHRAE e IAPMO que rigen los sectores de la climatización y la fontanería, sin embargo, el refrigerante de un sistema hidrónico suele estar contenido dentro de una sala de máquinas que, por código, debe estar adecuadamente ventilada para hacer frente a una posible fuga.

Aparte de la pequeña cantidad de refrigerante asociada a las unidades de refrigeración de un sistema hidrónico, el agua que circula por el sistema y sus tuberías no supone ningún riesgo para la seguridad o el medio ambiente durante la vida útil del sistema.

No puede decirse lo mismo de los refrigerantes VRF. La Agencia de Protección del Medio Ambiente ha introducido importantes cambios en las normas del artículo 608 de la Ley de Aire Limpio, que regula el tratamiento, uso y venta de refrigerantes.

La más destacada es la normativa que prohíbe el uso de hidrofluorocarburos como el R-410A en las nuevas enfriadoras (refrigeradas por aire, por agua, scroll, twist y centrífugas), unidades rooftop y sistemas VRF a partir de 2024.

En virtud de las normas actualizadas, la EPA ha ampliado el programa de gestión de refrigerantes, extendiendo la normativa a los sustitutos que no presentan fugas de ozono, como los hidrofluorocarburos. Esta medida reduce el índice de fugas permitido para los aparatos de refrigeración y refrigeración de confort. También integra las mejores prácticas del sector, como la verificación de las reparaciones y la realización de inspecciones anuales de fugas en los sistemas que hayan perdido una pequeña cantidad de su carga de refrigerante.

Los sistemas VRF patentados requieren técnicos especializados para su instalación y mantenimiento, lo que puede disparar los costes, en comparación con los sistemas hidrónicos de agua diseñados con componentes universales que pueden ser instalados y revisados por cualquier técnico de mantenimiento de HVAC. Los componentes de un sistema hidrónico se producen y prueban en fábrica, lo que reduce la tasa de fallos tras la instalación.

Dado que las tuberías VRF requieren soldaduras fuertes y blandas, la calidad de la instalación depende del nivel de destreza del instalador. Los instaladores también deben estar certificados para trabajar con refrigerantes sometidos a presiones extremadamente altas y tener conocimientos de detección requisitos de fugas y ventilación por parte de IAPMO y el International Code Council, que adoptaron las normas 15 de ASHRAE.

Además, cada fabricante de VRF tiene un protocolo diferente, lo que reduce aún más el grupo de técnicos cualificados para la instalación y el mantenimiento. Una instalación y un mantenimiento inadecuados pueden provocar el fallo prematuro de los sistemas VRF.

Con los sistemas hidrónicos, se pueden cambiar los fabricantes de los componentes e instalar nuevas tecnologías sin que ello repercuta en otros componentes del sistema.

El coste inicial de un sistema hidrónico suele ser inferior, y los sistemas ofrecen una flexibilidad mucho mayor en cuanto a componentes, funcionamiento y mantenimiento, tanto en términos de piezas como de mantenimiento. Los sistemas avanzados incluyen la aplicación de tecnologías como sistemas sencillos de tuberías integradas que reducen drásticamente las tuberías y los costes, y bombas equipadas con variadores de velocidad que aumentan la eficiencia energética.

Los sistemas VRF suelen tener una vida útil más corta que los sistemas hidrónicos. Se sabe que los sistemas hidrónicos duran entre 20 y 25 años, mientras que los sistemas VRF pueden necesitar ser sustituidos 10 ó 15 años después de su instalación. El compresor de un sistema VRF está sometido a un esfuerzo adicional durante los ciclos de calefacción, lo que reduce su longevidad.

A temperaturas más bajas, los sistemas hidrónicos son más fiables que los sistemas VRF. Esto se debe a que el sistema VRF requiere una fuente de calor suplementaria en climas fríos, como la calefacción eléctrica, que puede anular la eficiencia energética del sistema. Sin otra fuente de calor, el compresor VRF puede funcionar a pleno rendimiento para calentar por la mañana, pero esto consume más electricidad, anulando potencialmente cualquier ventaja de eficiencia, incluida la reducción de los costes energéticos.

El sistema VRF puede ofrecer tanto calefacción como refrigeración, y puede recuperar el calor de una zona y utilizarlo en otra. Esto es eficaz en edificios con múltiples zonas de temperatura, como un hotel. Sin embargo, un sistema VRF no tiene capacidad para almacenar energía. El agua de un sistema hidrónico puede extraer calor o frío de una habitación y transportar esa energía de vuelta al sistema para almacenarla y utilizarla más tarde, reduciendo el consumo y los costes energéticos.