Las unidades de tratamiento de aire (UTA) son componentes esenciales en los sistemas de climatización (ing. HVAC – Heating, Ventilation, and Air Conditioning) que se encargan de mantener la calidad del aire necesaria en espacios cerrados, ya sea en edificios residenciales, públicos, comerciales o industriales, y proporcionar un ambiente interior confortable y saludable. En estas unidades, es fundamental controlar las fugas internas, que pueden afectar la eficiencia y la calidad del aire suministrado.
Dos conceptos cruciales en el funcionamiento de estas unidades son el Factor de Corrección del Aire Exterior (OACF, por sus siglas en inglés) y el Índice de Transferencia del Aire de Escape (EATR, por sus siglas en inglés). En este artículo vas a descubrir qué son OACF y EATR, cómo las fugas internas pueden afectar su funcionamiento y qué medidas pueden tomarse para prevenir estas fugas.
¿Qué es una fuga en una unidad de tratamiento de aire (UTA)?
Una fuga es un intercambio involuntario entre dos volúmenes de aire. En las UTAs existen dos tipos:
- Fugas externas – intercambio de aire entre el interior de la carcasa y el exterior.
- Fugas internas – intercambio de aire entre dos flujos (impulsión y retorno), tanto en el lado exterior como en el lado del local – OACF y EATR.
En UTAs con recuperador rotativo, las fugas internas se dividen en dos tipos:
- Fugas por rotación (trasladadas) – la transferencia del aire de extracción atrapado dentro de la matriz del recuperador durante el paso desde el lado de extracción al de impulsión. Se instala un sector de purga para reducir el arrastre y lograr la máxima calidad del aire de suministro.
- Fugas por diferencia de presiones (sellado) – una fuga de aire desde el flujo de extracción hasta el flujo de aire de suministro y se puede evitar mediante la configuración correcta de la presión en el sistema de la unidad de tratamiento de aire – la disposición de los ventiladores.
Impacto de las fugas internas en Unidades de Tratamiento de Aire
Las fugas internas pueden tener varios efectos negativos, como la disminución de la eficiencia energética de la unidad, ya que se pierde aire tratado y se mezcla aire no tratado. Además, estas fugas pueden comprometer la calidad del aire interior, permitiendo que contaminantes y olores del aire de extracción (retorno) ingresen al aire de suministro (impulsión). Las fugas internas en una UTA pueden tener varios impactos negativos:
- Reducción de la eficiencia energética – las fugas aumentan la carga de trabajo de la unidad, ya que se necesita más energía para mantener las condiciones deseadas de temperatura y humedad.
- Deterioro de la calidad del aire interior – el aire de escape puede contener contaminantes que, al mezclarse con el aire de suministro debido a las fugas, pueden degradar la calidad del aire interior.
- Desbalance de presiones – las fugas pueden causar desequilibrios de presión en el sistema, lo que puede afectar el rendimiento de la UTA y otros componentes del sistema HVAC.
Fugas internas en UTAs a través del recuperador
OACF (Outdoor Air Correction Factor)
El OACF es un factor de corrección del aire exterior que se utiliza para ajustar la proporción de aire fresco necesario en función de las fugas internas y la eficiencia de la UTA. Este coeficiente se calcula para asegurar que la cantidad de aire exterior suministrada cumpla con los requisitos de ventilación, teniendo en cuenta las pérdidas y las fugas que puedan ocurrir dentro de la unidad. Un OACF mayor indica que se necesita un mayor volumen de aire exterior para compensar las fugas internas y mantener la calidad del aire interior. El cálculo del OACF se basa en diversos factores, incluyendo la temperatura exterior y la calidad del aire.
EATR (Exhaust Air Transfer Ratio)
El EATR es la proporción de aire de extracción que se transfiere al aire de impulsión debido a las fugas internas dentro de la UTA. Este ratio es crucial para evaluar el impacto de las fugas en la calidad del aire suministrado. Un EATR elevado indica que una mayor cantidad de aire de escape (potencialmente contaminado) está siendo reintroducida en el aire de suministro, lo que puede comprometer la calidad del aire interior. Este índice se calcula comparando la cantidad de aire de escape con el aire total suministrado.
¿Qué es un recuperador rotativo y cómo funciona?
Un recuperador de calor rotativo, según la definición de Eurovent, es un dispositivo que incorpora una rueda giratoria (masa acumuladora) con el fin de transferir energía sensible o total (sensible y latente, es decir calor y humedad) entre dos flujos de aire. Incorpora material de transferencia de calor, un mecanismo de accionamiento, una carcasa o marco, e incluye todos los sellos que se proporcionan para retardar el desvío y la fuga de aire de una corriente de aire a la otra.
En un recuperador rotativo correctamente diseñado, configurado y mantenido, la fuga de aire de extracción potencialmente contaminado por patógenos, olores o sustancias es típicamente muy baja y sin significado práctico. No obstante, en el caso de una disposición incorrecta de los ventiladores del climatizador o la falta de equilibrio de presión correcto dentro del mismo, la fuga puede ser significativamente mayor.
Tipos de recuperadores rotativos
Principalmente, hay tres tipos de recuperadores rotativos:
Condensación
La masa acumuladora se compone de metal liso (habitualmente aluminio) y sin tratar, que sólo transmite humedad cuando se produce condensación en el lado del aire caliente y es recogida (parcialmente) por el aire frío. Cuanto mayor es la diferencia de temperaturas, más humedad (calor latente) se puede transferir. El uso de ruedas de condensación para la transmisión de calor y humedad se recomienda principalmente para sistemas de ventilación sin refrigeración mecánica, es decir, para funcionamiento en invierno.
Entálpico (Higroscópico)
La masa acumuladora metálica ha sido tratada para formar una estructura de superficie capilar. La humedad se transmite por sorción y condensación, siendo el componente de sorción muy bajo. La transmisión de humedad en funcionamiento de verano (κ < 0) también es muy baja.
Sorción
La masa acumuladora presenta en este caso una superficie que transmite la humedad mediante sorción pura (es decir, sin condensación). Por tanto, la eficiencia de la humedad es prácticamente independiente del potencial de condensación. La baja disminución se puede explicar por la reducción simultánea de la diferencia de temperatura. Las ruedas de sorción se recomiendan especialmente en sistemas con refrigeración mecánica. La alta eficiencia de humedad, incluso en condiciones de verano, seca el aire fresco. Esto requiere menos capacidad de enfriamiento/deshumectación y reduce los costos de energía para el enfriamiento hasta en un 50%.
Caso práctico – comparativa entre recuperador rotativo de condensación y sorción
Vamos a comparar dos casos, el primero de un recuperador rotativo de condensación y el segundo, de sorción. Ambos recuperadores tienen 80% de eficiencia sensible, tanto en verano como en invierno. Las condiciones de aire son las mismas para ambos casos y son las siguientes:
Condiciones de aire:
- 2 ºC 90% HR – exterior en invierno
- 33 ºC 55% HR – exterior en invierno:
- 21 ºC 50% HR – nterior en invierno:
- 24 ºC 50% HR – interior en invierno:
La eficiencia latente de los recuperadores (real):
- 46% – condensación en invierno
- 81% – sorción en invierno
- ~0% – condensación en verano
- 79% – sorción en verano
En nuestro análisis hemos considerado recuperadores Hoval – marca líder en recuperación de calor.
| Recuperador | Temperatura de salida | Potencia sensible recuperada | Humedad Relativa | Potencia latente recuperada | Potencia total recuperada | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Condensación | 17,2 ºC | 25,6 kW | 46% | 7,2 kW | 32,8 kW | |
| Sorción | 17,2 ºC | 25,6 kW | 57% | 12,7 kW | 38,3 kW | |
| Diferencia | – | – | 11% | 5,5 kW | 5,5 kW |
| Recuperador | Temperatura de salida | Potencia sensible recuperada | Humedad Relativa | Potencia latente recuperada | Potencia total recuperada |
|---|---|---|---|---|---|
| Condensación | 26,0 ºC | 11,9 kW | 82% | 0,4 kW | 12,3 kW |
| Sorción | 26,0 ºC | 11,9 kW | 52% | 27,9 kW | 39,8 kW |
| Diferencia | – | – | 30% | 27,5 kW | 27,5 kW |
Caso práctico – resultados en gráficos psicrométricos
En los siguientes gráficos podemos observar los resultados en gráficos psicrométricos. El eje horizontal representa los cambios en la temperatura (ºC), y el eje vertical los cambios en la cantidad de agua (gagua/kgaire seco) – la humedad. Cuanto más inclinada la línea, más cambio en humedad representa. Un línea horizontal representa un cambio solo en la temperatura (bulbo seco), sin cambio en la cantidad de agua (humedad absoluta).
¿Por qué es importante recuperar también el calor latente (humedad)?
La recuperación de energía abarca dos campos: recuperación de calor sensible (temperatura) y recuperación de calor latente (humedad).
Si bien la mayoría de los sistemas sólo recuperan la temperatura, algunos sistemas también son capaces de recuperar la humedad del aire. Esto da como resultado una potencia transferida mucho mayor ya que el aire humidificado a la misma temperatura tiene una entalpía más alta. A modo de comparación: evaporar sólo 1 kg/h de agua en el aire refleja 700 W de potencia.
Por tanto, recuperar la temperatura y la humedad abre un campo adicional de ahorro energético.
Ventajas de la recuperación combinada de energía sensible y latente (calor y humedad)
La recuperación adicional de humedad de alta eficiencia abre nuevas oportunidades de ventajas energéticas y de inversión:
- En edificios refrigerados mecánicamente, la potencia de refrigeración necesaria se puede reducir hasta en un 50% (dependiendo de las condiciones y la técnica) mediante el uso de los recuperadores rotativos de sorción. Esto es posible porque en verano la transferencia de humedad seca el aire exterior. Debido a esto, la sección de enfriamiento (batería de frío) se puede reducir ya que se necesita menos energía para alcanzar la misma temperatura. Esto da como resultado menores costos de inversión con condiciones de aire aún mejores. Al mismo tiempo también se reduce la energía necesaria. Esto no sólo ahorra energía y dinero sino que también protege el medio ambiente.
- En invierno, el aire en muchos edificios deben humectarse para tener un ambiente interior saludable. En este caso, la energía necesaria para evaporar el agua o la calefacción adicional (debido a los efectos de enfriamiento adiabático del agua) se puede ahorrar en su mayor parte gracias a la recuperación de la humedad.
- En casos de riesgo de congelación, la transferencia de humedad reduce (y con una transferencia de humedad altamente eficiente en la mayoría de los casos incluso evita) la formación de condensación en el lado del aire de extracción. Por lo tanto, o no se produce congelación o al menos se reduce enormemente. En este caso, durante el período frío no es necesaria ninguna reducción de la capacidad del recuperador de calor: el intercambiador de calor no se congela.
¿Qué es el sector de purga en un recuperador rotativo?
El sector de purga desencadena la purga del aire de extracción presente dentro de la rueda giratoria con el aire fresco, es decir el aire de extracción no puede pasar al aire de impulsión. La separación completa de los dos flujos en los recuperadores rotativos se garantiza únicamente con un sector de purga en funcionamiento.
En dispositivos sin sectores de purga, una parte del aire de extracción puede transferirse al aire exterior mediante arrastre. Si esto no es aceptable, entonces el arrastre puede eliminarse utilizando sistemas de sector de purga. En dispositivos con sectores de purga OACF aumenta y EATR disminuye, reduciendo el riesgo de recontaminación del aire.
- Recuperador rotativo con sector de purga = OACF más alto y EATR más bajo
- Recuperador rotativo sin sector de purga = OACF más bajo y EATR más alto
El sector de purga cumple su función solo cuando el potencial de presión del aire fresco es mayor que el del aire de expulsión (lado exterior del recuperador). Esto se consigue con una adecuada disposición de los ventiladores en la UTA.
¿Cómo minimizar las fugas internas a través del recuperador?
La fuga interna ocurre cuando la diferencia de presión entre las dos corrientes es mayor que cero. Aumenta al aumentar la diferencia de presión. Es difícil eliminar por completo las fugas, pero su efecto se puede reducir tomando las siguientes medidas:
- sector de purga en funcionamiento – la presión del aire fresco impide la fuga del aire de extracción.
- disposición de los ventiladores adecuada – puede diseñarse para mantener la diferencia de presiones tan baja como lo permita el sistema.
- sellado resistente a la presión – utilizar un sistema de sellado más estable que permita bajas fugas incluso con grandes diferencias de presión.
Combinando estas soluciones las fugas se pueden reducir a valores muy bajos y garantizar un sistema hermético.
Importancia de la disposición de los ventiladores en UTAs
Los ventiladores se pueden disponer en cuatro combinaciones diferentes y cada combinación influye en ambos factores, OACF y EATR. En los siguientes ejemplos vamos a descubrir la importancia de las diferentes disposiciones en una unidad de tratamiento de aire equipada con un recuperador rotativo. Los datos de partida son iguales para todas las disposiciones y son los siguientes:
- Pérdida de carga del recuperador: 100 Pa
- Filtro F7 (impulsión): 100 Pa
- Filtro M5 (extracción): 80 Pa
- Presión externa disponible (impulsión): 300 Pa
- Presión externa disponible (extracción): 200Pa
Disposición Vertical (lado local) – la disposición más desfavorable
ΔPOACF = 100 Pa
ΔPEATR = 300 Pa
Esta disposición de ventiladores provocará una transferencia de aire desde el flujo de extracción al flujo de suministro, lo que provocará un EATR alta y un OACF baja, aunque ambos en direcciones desfavorables. La posición del ventilador de extracción es la razón de la transferencia de aire, porque empuja el aire a través del recuperador y el ventilador de impulsión extrae el aire a través del recuperador. Además, el sector de purga no funciona en esta disposición.
Disposición diagonal (sentido del aire) – la disposición preferida
ΔPOACF = 280 Pa
ΔPEATR = 80 Pa
Esta disposición es ideal los recuperadores rotativos, porque ambos ventiladores aspiran el aire a través del recuperador. Debido a la diferencia de presión beneficiosa, las fugas de la extracción a la impulsión pueden mantenerse bajas. EATR es bajo mientras que OACF aumenta relativamente poco.
Disposición diagonal (contrasentido)
ΔPOACF = 400 Pa
ΔPEATR = 200 Pa
En esta disposición ambos ventiladores empujan el aire a través del recuperador. La gran diferencia de presión entre los pisos dará lugar a un OACF alto y un EATR bajo. Esta configuración tendrá un riesgo bajo de fugas del extracción a la impulsión
Disposición vertical (lado exterior)
ΔPOACF = 780 Pa
ΔPEATR = 580 Pa
El ventilador de impulsión empuja el aire a través del recuperador. La gran diferencia de presión entre los pisos dará lugar a un EATR bajo y un OACF muy alto. Esta configuración tiene la diferencia de presiones más alta entre los pisos de las cuatro combinaciones, lo que resulta en un riesgo bajo de fuga de aire desde el extracto hasta el suministro, aunque provoca aumento de gasto energético.
Conclusión
El control de las fugas internas en las unidades de tratamiento de aire es esencial para mantener la eficiencia energética y la calidad del aire interior. Comprender y gestionar los coeficientes de OACF y EATR permite a los profesionales de HVAC diseñar y mantener sistemas que cumplen con los estándares de ventilación y confort, asegurando un ambiente saludable y eficiente para los ocupantes del edificio.
Referencias
- ANSI/AHRI: Standard 1060 Standard for Performance Rating of Air to Air Exchangers for Energy Recovery Ventilation Components
- ASHRAE: Handbook, Chapter 25.6 – Air to Air Energy Recovery Device.
- Eurovent 17/11: Guidelines for Heat Recovery
- Eurovent ECP 10: AIR TO AIR REGENERATIVE HEAT EXCHANGERS
OACF y EATR – fugas en recuperadores rotativos y la importancia de la disposición de los ventiladores. Cálculo de las fugas reales ante el COVID-19.
Los recuperadores de calor rotativos transfieren calor y humedad a través de una masa rotatoria que alterna entre los flujos de aire de extracción y de impulsión. Este principio funcional ofrece una recuperación de energía extremadamente eficiente, pero también conlleva un cierto riesgo de fuga.
El OACF y el EATR son factores importantes para la evaluación de los recuperadores de calor y la disposición de los ventiladores influye en ambos factores y es crucial que estén bien diseñados e instalados.
En el siguiente documento explicamos la importancia de la disposición de los ventiladores, más aún en tiempos de la pandemia del
COVID-19 y calculamos las fugas reales que pueden ocurrir en un recuperador rotativo.
OACF, EATR e importancia de la posición de los ventiladores