CAPÍTULO 7: CALEFACCIÓN, VENTILACIÓN, AIRE ACONDICIONADO

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1 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 102 CAPÍTULO 7: CALEFACCIÓN, VENTILACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Al pensar en eficiencia en energía, una de las decisiones más importantes que se harán con respecto a un nuevo hogar es el tipo de sistema de calefacción y de enfriamiento que se va a instalar. Otra consideración crítica es la selección del contratista de calefacción y de aire acondicionado. La eficiencia del funcionamiento de un sistema depende tanto de la instalación apropiada el grado de funcionamiento del equipo. El diseño incorrecto y la instalación incorrecta del sistema HVAC tienen impactos negativos en la comodidad personal y en las cuentas de energía. El diseño y la instalación incorrectos de un sistema de HVAC pueden afectar negativa y dramáticamente la calidad del aire en un hogar. Los conductos mal diseñados y mal instalados pueden crear condiciones peligrosas que pueden reducir la comodidad, afectar negativamente la calidad del aire interior, o aún amenazar la vida de los dueños de una casa.

2 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 103 TIPOS DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Claves para obtener eficiencia en el diseño de un sistema en el campo incluyen: Decidir en el tamaño del sistema para la carga de calefacción y enfriamiento específicos del hogar que se está construyendo; Selección e instalación apropiadas de los controles; Cargar la unidad correctamente con la cantidad apropiada de refrigerante; Planear el tamaño y el diseño de la canalización o de la tubería para obtener el máximo rendimiento en energía; y Aislar y sellar toda la canalización. Hay dos tipos de sistemas de calefacción que son más comunes en un nuevo hogar: aire forzado o radiante, con el aire forzado que se utiliza en la mayoría de los hogares. La fuente de calor es una unidad de calefacción, que quema un gas, o una bomba de calor eléctrica. Estas unidades generalmente se instalan con acondicionadores centrales de aire. Las bombas de calor proporcionan calefacción y enfriamiento. Algunos sistemas de calefacción están integrados con sistemas para calefacción de agua. COMPONENTES DE SISTEMA DE AIRE FORZADO La mayoría de los nuevos hogares tienen sistemas de aire forzado de calefacción y de enfriamiento. Estos sistemas utilizan una unidad central además de un acondicionador de aire, o una bomba de calor. Como se muestra en el cuadro 7-1, los sistemas de aire forzado utilizan una serie de conductos. Estos conductos distribuyen el aire calentado o enfriado a través del hogar. Un soplador, situado en una unidad llamado un tratante del aire, fuerza el aire acondicionado a través de los conductos. En muchos sistemas residenciales, el soplador forma parte integral del recinto cerrado de la unidad de calefacción/enfriamiento.

3 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 104 La mayoría de los hogares en Kentucky pueden seleccionar de uno de los siguientes métodos para sistemas centrales, de aire forzado; los aparatos activados con unidades eléctricas de aire acondicionado, bombas eléctricas de calor o un sistema dual de combustible que combina una unidad prendida por combustible con una bomba de calor eléctrica. El mejor sistema para cada hogar depende del costo y la eficiencia del equipo, el uso anual de energía, y el precio y la disponibilidad locales de fuentes de energía. En la mayoría de los hogares, cualquiera de los dos tipos de sistemas, si está diseñado e instalado correctamente, proporcionará comodidad personal en forma económica. SISTEMAS DE CALEFACCIÓN RADIANTE Los sistemas de calefacción radiante combinan típicamente una caldera central, un calentador de agua o un calentador de agua con una bomba con tubería, para transportar el vapor o el agua caliente en al área habitable. La calefacción se entrega a los cuartos en el hogar vía radiadores o sistemas radiantes en el piso, tales como losas radiantes o tubería debajo del piso. Las ventajas de los sistemas de calefacción radiante incluyen: Una operación más quieta que los sistemas de calefacción que utilizan sopladores de aire forzado. Más comodidad personal a temperaturas del aire más bajas. Las temperaturas radiantes más altas de los radiadores o de los pisos permiten que la gente se sienta más calientes a temperaturas del aire más bajas. Algunos dueños de casa, con sistemas de calefacción radiante, reportan que están cómodos a temperatura de aire de 60 F en un cuarto. Una mejor división del calor entregado a cada sitio. Más comodidad del calor. Muchos dueños de casa, con sistemas de calefacción radiante, encuentran que la calefacción es más cómoda. Las desventajas de los sistemas de calefacción radiante incluyen: Costos más altos de instalación. Los sistemas radiantes típicamente cuestan 40% a 60% más para instalar que sistemas de calefacción de aire forzado comparables. Ninguna disposición para refrescar el hogar. El costo de un sistema de calefacción radiante, combinado con enfriamiento central, sería difícil de justificar económicamente. Algunos diseñadores de hogares de dos pisos han especificado sistemas de calefacción radiante en el piso inferior y calefacción de aire forzado y enfriamiento en la segunda planta. Sin filtración del aire. Puesto que el aire no se cicla entre el sistema y la casa, no hay filtración de aire. Dificultad en encontrar piezas de reparación. La opción de distribuidores autorizados puede ser limitada. EQUIPO DE LA BOMBA DE CALOR Las bombas de calor están diseñadas para mover el calor de un fluido a otro. El fluido dentro del hogar es el aire y el fluido en el exterior es aire (fuente de aire), o agua (geotérmica). En el verano, el calor del aire interior se mueve al fluido exterior. En el invierno, el calor se toma del fluido exterior y se mueve al aire interior. BOMBAS DE CALOR CON FUENTE DE AIRE El tipo más común de bomba de calor es la bomba de calor con fuente aire. La mayoría de bombas de calor funcionan por lo menos con el doble de la eficiencia de los sistemas de calefacción convencionales de resistencia eléctrica en la zona de clima 4. Tienen cursos de vida típicos de 15 años, comparados a los 20 años para la mayoría de las unidades.

4 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 105 Las bombas de calor utilizan el ciclo de compresión de vapor para mover calor (véase el cuadro 7-2). Una válvula de inversión permite que la bomba de calor trabaje automáticamente en el modo de calefacción o el modo de enfriamiento. El proceso de calefacción es: 1. El compresor (en la unidad exterior) presuriza el refrigerante, que se transporta por tubos adentro. 2. El gas caliente entra en la bobina de condensación del interior. El aire del cuarto pasa por la bobina y es calentado. El refrigerante se enfría y se condensa. 3. El refrigerante, que es ahora un líquido presurizado, fluye afuera a una válvula reguladora donde se expande para convertirse en un líquido fresco de baja presión. 4. La bobina del evaporador exterior, que sirve como el condensador en el proceso de enfriamiento, utiliza el aire exterior para hervir en un gas el refrigerante frío, líquido. Este paso completa el ciclo. 5. Si el aire exterior es tan frío que la bomba de calor no puede calefaccionar adecuadamente el hogar, los calentadores de tira de resistencia eléctrica proporcionan generalmente la calefacción suplementaria. En forma periódica en el invierno, la bomba de calor debe cambiar al ciclo de descongelación, que derrite cualquier hielo que se haya formado en la bobina exterior. Los sistemas empaquetados y las unidades del cuarto utilizan los componentes antedichos en una sola caja. En temperaturas exteriores de 25 F a 35 F, las bombas de calor no pueden sostener la carga entera de calefacción del hogar. La temperatura en la cual la bomba de calor no puede sostener la carga de calefacción se llama el punto de equilibrio. Para proporcionar calor de reserva suplementaria, muchos constructores utilizan bobinas de resistencia eléctrica llamadas los calentadores de tira. Los calentadores de tira, situados en la unidad de dirección de aire, son mucho más costosos para usar que la bomba de calor misma. No deben ser de tamaño excesivo, porque pueden elevar los requisitos de carga máxima de la compañía de electricidad local.

5 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 106 Se puede utilizar un termóstato de bomba de calor de etapas en coordinación con los calentadores de tira de múltiples etapas para reducir al mínimo la operación de la tira de calor. Para solucionar este problema, algunas casas utilizan un sistema de combustible dual que caliente el hogar con gas natural o propano cuando las temperaturas bajan debajo del punto de equilibrio. Las bombas de calor de fuente de aire deben tener termostatos exteriores, que previenen la operación de los calentadores de tira a temperaturas sobre 35 F o 40 F. Muchos códigos mecánicos y de energía requieren controles para prevenir la operación del calentador de tira durante el tiempo cuando la bomba de calor sola puede proporcionar calefacción adecuada. La circulación de aire apropiada a través de la bobina es esencial para la operación eficiente de una bomba de calor. Durante la instalación, la proporción de circulación de aire se debe comprobada para asegurarse de que cumpla con las recomendaciones del fabricante. EFICIENCIA DE LA BOMBA DE CALOR CON FUENTE DE AIRE La eficiencia de calefacción de una bomba de calor se mide por su Factor de Rendimiento Estacional de Calefacción [Heating Season Performance Factor (HSPF)] que es la proporción de calor proporcionada en Btu por hora a watts de electricidad usados. Este factor considera las pérdidas cuando el equipo se pone en marcha y las paradas, así como la energía perdida durante el ciclo de descongelación. A las nuevas bombas de calor manufacturadas después de 2005 se les requiere que tengan un HSPF de por lo menos 7,7. Los valores típicos para el HSPF son 7,79 para eficiencia mínima, 8,0 para eficiencia media, y 8.2 para eficiencia alta. Las bombas de calor de velocidad variable tienen índices de HSPF de hasta 9,0, y las bombas de calor geotérmicas tienen HSPF de sobre 10,0. El HSPF tiene un promedio de rendimiento del equipo de calefacción para un invierno típico en los Estados Unidos, por lo tanto la eficiencia real variará en diversos climas. Para modificar el HSPF para un clima específico, se llevó a cabo un estudio de modelado y se desarrolló una ecuación que modifica el HSPF, basado en la temperatura local del diseño de invierno. En climas más fríos, el HSPF disminuye y en los climas más templados, aumenta. En la zona de clima 4, el HSPF pronosticado es aproximadamente 15% menos que el HSPF divulgado. BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS A diferencia de una bomba de calor de fuente de aire, que tiene un cambiador de calor exterior, una bomba de calor geotérmica depende de cañerías llenas de líquido, enterradas bajo tierra, como fuente de calefacción en el invierno y de enfriamiento en el verano, cuadros 7-3, 7-4. En cada estación, la temperatura de la tierra está más cerca a la temperatura deseada del hogar, por lo tanto, se necesita menos energía para mantener comodidad. La eliminación del equipo exterior significa eficiencia más alta, menos mantención, más larga vida para el equipo, falta de ruido, y sin inconvenientes para cortar el césped alrededor de la unidad exterior. Esto cambia con el gasto más alto de instalación.

6 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 107 Hay varios tipos de diseños de rollo cerrado para la tubería: En sistemas de pozos profundos, un rollo de tubería se extiende por varios cientos de pies subterráneos. Los rollos poco profundos se sitúan en fosas largas, que tienen típicamente cerca de 6 pies de profundidad y varios cientos de pies de longitud. Al enrollar la tubería, reduce los requisitos de longitud. Para los hogares situados en lagos privados grandes, los rollos se pueden instalar en el fondo del lago, lo que generalmente disminuye los costos de instalación y puede mejorar el rendimiento.

7 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 108 La instalación apropiada de los rollos geotérmicos es esencial para el alto rendimiento y larga vida del sistema. Elegir solamente a profesionales calificados, que tienen experiencia de varios años en instalar las bombas de calor geotérmicas similares a las diseñadas para su hogar. Las bombas de calor geotérmicas proporcionan un servicio más largo que lo hacen las unidades de fuente de aire. El equipo interior debe durar tanto como cualquier otro sistema tradicional de calefacción o de enfriamiento. La tubería enterrada generalmente tiene una garantía de 25 años. La mayoría de los expertos creen que la tubería durará incluso más largo tiempo porque está hecha de un plástico durable con conexiones de calor selladas, y el líquido circulante tiene un aditivo anticorrosivo. Las bombas de calor geotérmicas cuestan U$1.300 a U$2.300 más por tonelada que las bombas de calor convencionales de fuente de aire. El costo real varía según la dificultad de instalar los rollos de tierra así como el tamaño y las características del equipo. Debido a su alto costo de instalación, puede que estas unidades no sean económicas para los hogares con necesidades bajas de calefacción y de enfriamiento. Sin embargo, sus bajos costos de funcionamiento, requisitos reducidos de mantención, y mayor comodidad pueden hacerlas atractivas a muchos dueños de hogar. EFICACIA DE LA BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA La eficiencia de calefacción de una bomba de calor geotérmica es medida por el coeficiente de funcionamiento [Coefficient of Performance (COP)], que mide el número de unidades de calefacción o de enfriamiento producido por una unidad de electricidad. El COP es una medida más directa de eficiencia que el HSPF y se utiliza para las bombas de calor geotérmicas porque la temperatura del agua es más constante. Los fabricantes de unidades geotérmicas proporcionan los COP para diversas temperaturas de agua que entra en la unidad. Si una unidad fuera instalada con un COP de 3,0, el sistema estaría funcionando con una eficiencia de aproximadamente del 300%. EQUIPO DE LA UNIDAD DE CALEFACCIÓN Las unidades de calefacción queman combustibles tales como gas natural, propano, y aceite combustible para producir calor y para proporcionar aire interior, caliente y cómodo durante el tiempo frío. Las unidades de calefacción vienen con una variedad de eficiencias. La economía comparativa entre las bombas de calor y las unidades de calefacción depende del tipo de combustible quemado, de su precio, del diseño del hogar, y del clima exterior. Los aumentos de precios recientes de la energía han mejorado los factores económicos de un equipo más eficiente. Sin embargo, debido a la incertidumbre de los precios a largo plazo de diversas formas de energía, es difícil comparar las unidades de calefacción con varios tipos de combustibles y bombas de calor. FUNCIONAMIENTO DE LA UNIDAD DE CALEFACCIÓN Las unidades de calefacción requieren el oxígeno para la combustión y el aire adicional para dejar salir los gases de escape. La mayoría de las unidades de calefacción son unidades de respiradero no directo- usan el aire circundante para combustión. Otras, conocidas como con respiradero directo o unidades desacopladas, traen el aire de combustión al área del quemador vía entradas selladas que se extienden al aire exterior. Las unidades de calefacción con respiraderos directos se pueden instalar dentro del área acondicionada de un hogar puesto que no dependen del aire interior para funcionamiento seguro. Las unidades de calefacción con respiraderos no-directos tienen que recibir el aire exterior adecuado para la combustión y para la

8 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 109 extracción de gases. La principal preocupación con unidades de respiraderos no-directos es que un calentador que no funciona correctamente puede permitir la entrada de gases de los tubos, que podrían contener monóxido de carbono venenoso, al área alrededor de la unidad de calefacción. Si hay escapes en el sistema de vuelta, o escapes de aire entre el área de la unidad de calefacción y el espacio vital, el monóxido de carbono podría entrar áreas habitables y causar severos problemas de salud. La mayoría de las nuevas unidades de calefacción tienen dispositivos de escape de aire forzado, lo que significa que un soplador propulsa los gases de escape por el tubo al exterior. Las unidades de calefacción atmosférica, que no tienen un ventilador de aire forzado, no son tan comunes debido a los requisitos federales de eficiencia. Sin embargo, algunos fabricantes de unidades de calefacción han podido cumplir con los requisitos de eficiencia con las unidades atmosféricas. Las unidades de calefacción atmosférica deben estar aisladas del espacio acondicionado. Aquellas unidades que están situadas en espacios de arrastre bien ventilados y en áticos generalmente tienen suficiente aire de combustión y no tienen problemas en ventilar los gases de escape al exterior. Sin embargo, las unidades ubicadas en closets o en cuartos mecánicos dentro del hogar, o en espacios de arrastre y sótanos relativamente apretados, pueden tener problemas. Los cuartos mecánicos de unidades de calefacción tienen que estar bien sellados de los otros cuartos del hogar (véase el cuadro 7-5). Las paredes, tanto interiores como exteriores, deben ser aisladas. Dos conductos de aire exterior con el tamaño para la unidad de calefacción específica se deben instalar desde el exterior adentro del cuarto, una apertura cerca del piso y otra cerca del cielo raso, o según lo especificado en el código de gas de su comunidad.

9 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 110 MEDIDAS DE MEDIDAS DE EFICIENCIA PARA LAS UNIDADES DE CALEFACCIÓN La eficiencia de una unidad de calefacción a gas es medida por la Utilización Eficiente Anual de Combustible [Annual Fuel Utilization Efficiency (AFUE)] una clasificación que toma en consideración las pérdidas de las luces de los pilotos, del arranque, y de las paradas. El mínimo AFUE para la mayoría de las unidades de calefacción ahora es 78%, con eficiencias que van hasta 97% para las unidades de calefacción con cambiadores de calor de condensación. El AFUE no considera el uso de electricidad de la unidad para los ventiladores y los sopladores, que puede exceder fácilmente U$50 anualmente. Un índice de AFUE del 78% significa que por cada U$1.00 de combustible usado por la unidad, se produce aproximadamente U$.78 de calor útil. El resto U$.22 de energía se pierde por el tubo como calor residual y gas de escape. La eficiencia está al más alto nivel si la unidad de calefacción funciona por períodos más largos. Las unidades de gran tamaño funcionan intermitentemente y tienen eficiencias de funcionamiento reducidas. Las unidades de calefacción con AFUE del 78% al 87% incluyen componentes tales como igniciones electrónicas, cambiadores de calor eficientes, mejores controles del aire de entrada, y sopladores de aire inducidos a productos de combustión de gases de escape. Los modelos con eficiencias de sobre el 90%, comúnmente llamadas unidades de calefacción de condensación, incluyen cambiadores de calor secundarios especiales que en realidad enfrían los gases de la tubería hasta que se condensen parcialmente, para prácticamente eliminar las pérdidas de calor por el tubo de escape. Una línea de drenaje debe ser conectada con el tubo para coger el condensado. Una ventaja del gas de escape más fresco es que el tubo se puede hacer de cañería plástica más bien que de metal y puede ser ventilado horizontalmente a través de una pared lateral. Hay una variedad de unidades de calefacción de condensación disponibles. Algunas dependen principalmente del cambiador de calor secundario para aumentar la eficiencia, mientras que otros, tales como la unidad de calefacción de pulso, han renovado el proceso entero de combustión. Una unidad de calefacción de pulso alcanza eficiencias de sobre el 90% usando una bujía para hacer estallar los gases, mandando una onda de choque por un tubo de escape del extractor. La onda crea succión para atraer más gas a través de las válvulas de aleta unidireccionales, y el proceso se repite. Una vez que tal unidad de calefacción se calienta, no se necesita la bujía porque el calor de la combustión encenderá el siguiente suministro de gas. El problema más grande es el ruido, por lo tanto asegurarse que se suministre un buen silenciador a la unidad de calefacción, y no instalar el tubo de escape donde el ruido moleste. Debido a la gran variedad de unidades de calefacción de condensación en el mercado, comparar los precios, las garantías, y el servicio. También, comparar cuidadosamente los factores económicos con los de las unidades con eficiencia moderada. Las unidades de condensación pueden tener reembolsos económicos a más largo plazo que lo esperado para hogares eficientes en energía debido a las reducidas cargas de calefacción. La tabla 7-1 compara la inversión balanceada para unidades de calefacción a gas con alta eficiencia en hogares en el Código y en hogares ENERGY STAR.

10 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 111 Tabla 7-1 Análisis Económico de Las Unidades de Calefacción a Gas Tipo de Tratamietno AFUE 0.95 Ahorros en Energía*($/año) Comparado a AFUE de 0,80 Inversión Balanceada ($) Hogar de Código Hogar ENERGY STAR *Para un sistema en Lexington, KY Véase el Capítulo 2 para información sobre la inversión balanceada. SISTEMAS ELÉCTRICOS INTEGRADOS Varios productos utilizan bombas centrales de calor para calentar el agua, la calefacción del espacio, y para el aire acondicionado. Estas unidades integradas están disponibles en modelos de fuente de aire y geotérmicos. Para ser una opción viable, los sistemas integrados deben: Tener un historial probado en el campo; Costar casi igual, si no menos, que los sistemas comparables de calefacción y los de agua caliente; Proporcionar por lo menos una garantía de cinco años; y Tener un tamaño correcto tanto para una carga de calefacción como para el agua caliente. Cerciorarse de que la unidad no sea substancialmente más costosa que una bomba de calor eficiente en energía separada y un calentador de agua eléctrico. Las unidades dentro de los U$1.500 pueden proporcionar reembolsos económicos favorables. CALENTADORES NO VENTILADOS ENCENDIDOS CON COMBUSTIBLE No se recomiendan los calentadores no ventilados que queman gas natural, propano, keroseno, u otros combustibles. Mientras que estos dispositivos funcionan generalmente sin problemas, las consecuencias de una falla en el funcionamiento amenazan la vida pueden dejar escapar monóxido de carbono directamente en el aire del hogar. Los calentadores no ventilados también pueden causar serios problemas de humedad dentro del hogar. La mayoría de los dispositivos vienen equipados con alarmas diseñadas para detectar problemas de la calidad del aire. Sin embargo, a muchos expertos no les parece bien poner a riesgo a una familia con envenenamiento de monóxido de carbono; ellos no ven ninguna razón lógica para usar estas unidades dentro del hogar (cuadro 7-6). Existe una gran variedad de calentadores eficientes de espacio con respiraderos.

11 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 112 Ejemplos de unidades no ventiladas que se deben evitar incluyen: Chimeneas a gas donde no hay chimenea, los productos de combustión entran en el cuarto. En vez de esto, utilizar la combustión sellada, unidades con respiradero directo. Calentadores individuales de cuartos. Seleccionar modelos con respiraderos directos, de aire forzado (cuadro 7-7).

12 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 113 AIRE ACONDICIONADO En verano, los acondicionadores de aire y las bombas de calor funcionan de la misma manera para proporcionar enfriamiento y deshumidificación. Extraen calor de dentro del hogar y lo transfieren afuera. Ambos sistemas típicamente utilizan un ciclo de compresión de vapor. Este ciclo circula un refrigerante, un material que aumenta en temperatura perceptiblemente cuando es comprimido y se enfría rápidamente cuando se expande. La porción exterior de un acondicionador de aire típico se llama la unidad de condensación y contiene el compresor, la parte ruidosa que utiliza la mayor parte de la energía, y la bobina de condensación. Una unidad de condensación enfriada por aire se debe mantener libre de plantas y de basuras que pudieran bloquear el flujo de aire a través de la bobina o dañar las aletas delgadas de la bobina. Idealmente, la unidad de condensación debiera estar situada a la sombra. Sin embargo, no bloquear el flujo de aire a esta unidad con vegetación densa, con cercado o con cubiertas en la parte superior. El equipo mecánico interior, llamado la unidad de control del aire, contiene la bobina del evaporador, el soplador del interior, y la extensión, o válvula reguladora. Los controles y la canalización para circular el aire frío al hogar completan el sistema. LOS ACONDICIONADORES DE AIRE Los acondicionadores de aire utilizan el ciclo de compresión del vapor, un proceso de 4 pasos (véase el cuadro 7-8).

13 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) El compresor (en la unidad exterior) presuriza un refrigerante gaseoso. El refrigerante se calienta durante este proceso. 2. Los ventiladores en la unidad exterior soplan el aire a través del gas presurizado caliente, a la bobina de condensación; el gas refrigerante se enfría y se condensa en un líquido. 3. El líquido presurizado se transporta por tubos a la unidad de control de aire. Entra en una válvula reguladora o de expansión, donde se expande y se enfría. 4. El líquido frío circula a través de bobinas del evaporador Se sopla aire interior a través de las bobinas y se enfría mientras que el refrigerante se calienta y se evapora. Se sopla el aire enfriado a través de la canalización. El refrigerante, que ahora es un gas, vuelve a la unidad exterior donde se repite el proceso. Si las unidades no están proporcionando suficiente deshumidificación, la respuesta típica del dueño de casa es bajar el termóstato. Puesto que por cada grado que se baja el termóstato aumentan las cuentas de enfriamiento de 3% a 7%, los sistemas que tienen eficiencias nominales altas, pero deshumidificación inadecuada, pueden tener cuentas de enfriamiento más altas que lo previsto. De hecho, los sistemas de alta eficiencia que funcionan mal pueden en realidad costar más para hacer funcionar que una unidad bien diseñada, de eficiencia moderada. Asegurarse que el contratista haya utilizado las técnicas del Manual para determinar el tamaño del sistema de manera que el aire acondicionado cumpla con las cargas razonables y latentes (de la humedad) en eficiencia que especifica el fabricante. LA CLASIFICACIÓN SEER La eficiencia de enfriamiento de una bomba de calor o de un acondicionador de aire está clasificada por el Cociente de Rendimiento de Energía Estacional [Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER)], una proporción de la cantidad promedio de enfriamiento proporcionada durante la estación de enfriamiento a la cantidad de electricidad usada. La legislación nacional actual exige un SEER mínimo de 13, para la mayoría de los acondicionadores de aire residenciales. Las eficiencias de algunas unidades pueden exceder un SEER de 16,0. Al igual que el HSPF, se hizo un estudio modelo y se desarrolló una ecuación que modifica el SEER, basados en el diseño local de temperatura de verano. En climas más templados, el SEER baja. En la zona de clima 4, el SEER pronosticado es aproximadamente 5% menos que el SEER reportado. UNIDADES DE VELOCIDAD VARIABLE El estándar mínimo actual para los acondicionadores de aire es un SEER 13. Los acondicionadores de aire de una eficiencia más alta pueden ser muy económicos. La tabla 7-2 examina los factores económicos de diversas opciones para un hogar muestra. Para aumentar la eficiencia total del funcionamiento de un acondicionador de aire o de una bomba de calor, se han desarrollado compresores de múltiples velocidades y con velocidades variables. Estas unidades de compresores pueden funcionar a velocidades bajas o medias cuando las temperaturas exteriores no son extremas. Pueden alcanzar a un SEER de 15 a 17. El costo de unidades de velocidad variable es generalmente alrededor de 30% más alto que las unidades estándar. Las

14 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 115 unidades de velocidad variable ofrecen varias ventajas sobre sopladores estándar de una velocidad, por ejemplo: Generalmente ahorran energía; Son más quietos, y porque funcionan más o menos continuamente, el ruido de encendido es mucho menor (a menudo es el sonido que más se nota); y Deshumedecen mejor. Algunas unidades ofrecen un ciclo especial de deshumidificación, que es accionado por un medidor de humedad que detecta cuando los niveles de humedad en el hogar son demasiado altos. Tabla 7-2 Factores Económicos del Acondicionador de Aire Tipo de Tratamiento Ahorros en Energía* ($/año) Inversión Balanceada ($) SEER 14 (3 toneladas) comparado a un SEER de SEER 15 (3 toneladas) comparado a un SEER de *Para un sistema en Lexington, KY Véase el Capítulo 2 para información sobre inversión balanceada. INSTALACIÓN APROPIADA Con demasiada frecuencia, el equipo de alta eficiencia de enfriamiento y de calefacción está instalado incorrectamente, lo que puede hacerlo funcionar con una eficiencia perceptiblemente reducida. Un sistema de aire acondicionado con un SEER de 13 que está instalado mal con canalización que se filtra puede funcionar con un rendimiento del 25% a 40% más bajo durante el tiempo caluroso. Los típicos problemas de instalación son: La carga incorrecta del sistema- el refrigerante del sistema de enfriamiento es la parte del sistema que hace la mayor parte del trabajo-fluye de ida y vuelta entre la bobina interior y la bobina exterior, cambiando condiciones, y experimentando compresión y expansión. Un sistema puede tener muy poco o demasiado refrigerante. El contratista de HVAC debe utilizar los procedimientos de instalación del fabricante para cargar el sistema correctamente. La carga correcta no se puede asegurar por medidas del calibrador de presión solamente. En la construcción nueva, el refrigerante se debe pesar. Entonces, utilizar el método de temperatura de sobrecarga o, para ciertos tipos de válvulas de expansión, el método subenfriamiento, para confirmar que la carga está correcta. Flujo de aire reducido-si el sistema tiene canalización mal diseñada, constricciones en el sistema de distribución de aire, filtros atascados o filtros más restrictivos, u otros impedimentos, puede que el soplador no pueda transportar aire adecuado por las bobinas interiores del sistema de enfriamiento. El flujo de aire reducido del 20% puede reducir la eficiencia de funcionamiento de la unidad por alrededor de 1,7 puntos SEER; de esta manera, una unidad con un SEER de 13,0 funcionaría solamente a un SEER de 11,3.

15 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 116 El flujo de aire inadecuado a la unidad exterior- si la unidad exterior está situada debajo de una cubierta o dentro de un recinto cerrado, la circulación adecuada de aire entre la unidad y el aire exterior puede no tener lugar. En tales casos, la temperatura del aire alrededor de la unidad se eleva, de tal modo que se hace más difícil que la unidad enfríe el refrigerante que está circulando. La eficiencia de una unidad rodeada por el aire exterior que es de 10 grados más calurosa que la temperatura del ambiente exterior se puede reducir más de un 10%. LOS SISTEMAS HVAC Para el funcionamiento apropiado, un sistema HVAC debe ser correctamente diseñado, su tamaño debe ser correcto y debe ser instalado correctamente. Un sistema apropiado de HVAC proporcionará un mejor ambiente interior y reducirá al mínimo el costo de funcionamiento. En el proceso de planeamiento para un hogar eficiente en energía, se deberá hacer todo lo que se pueda para reducir la carga de calefacción y de enfriamiento en el hogar antes de que se haga el diseño del sistema HVAC. DETERMINANDO EL TAMAÑO Cuando se está tomando en consideración un sistema HVAC para una residencia, hay que recordar que los hogares eficientes en energía y los hogares con energía solar pasiva tienen menos demanda para calefacción y para enfriamiento. Se pueden lograr ahorros substanciales con la instalación de unidades más pequeñas que tengan un tamaño correcto para la carga que se necesita. Por el hecho que las cuentas de energía en hogares más eficientes son más bajas, los sistemas de eficiencia más alta no proporcionarán tantos ahorros anuales en las cuentas de energía y puede que no sean tan rentables como en hogares menos eficientes. No sólo cuesta más el equipo de gran tamaño, sino que también puede desperdiciar energía. El equipo de gran tamaño también puede disminuir la comodidad. Por ejemplo, un acondicionador de aire de gran tamaño enfría una casa pero puede que no proporcione la deshumidificación adecuada. Este aire fresco, pero húmedo crea un ambiente incómodo. No depender de métodos de regla general para determinar el tamaño del equipo HVAC. Muchos contratistas seleccionan los sistemas de aire acondicionado basándose en una regla, tal como 600 pies cuadrados de área enfriada por tonelada de aire acondicionado (una tonelada proporciona Btu por hora de enfriamiento). En lugar de esto, utilizar un procedimiento para determinar el tamaño como sigue: Los cálculos en el Manual J publicado por la Asociación de Contratistas de Aire Acondicionado (Air Conditioning Contractors Association); Procedimientos similares desarrollados por la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración, y de Aire Acondicionado [American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers(ASHRAE)]; o Procedimientos de software desarrollados por compañías de electricidad o de gas, el Departamento de Energía de los E.E.U.U. (U.S. Department of Energy) o por los fabricantes de equipo HVAC.

16 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 117 Los cálculos de la carga de calefacción y de enfriamiento dependen de las temperaturas exteriores de diseño de invierno y de verano (véase el apéndice para una definición) y del tamaño y del tipo de construcción para cada componente de la superficie exterior del edificio, así como también del calor emitido por las luces, la gente, y el equipo dentro de la casa. Si se utiliza un sistema dividido en zonas de calefacción y de enfriamiento, las cargas en cada zona deben ser calculadas. La tabla 7-3 compara el tamaño de los sistemas de calefacción y de enfriamiento para los hogares en la tabla 2-2. El hogar más eficiente reduce la carga de calefacción por un 35% y la carga de enfriamiento por un 26%. Así, los ahorros de U$600 a U$1.000 al reducir el tamaño del equipo HVAC compensan el costo adicional de las características de energía en el hogar más eficiente. Tipo de Casa Table 7-3 Comparación de la Determinación del Tamaño del Equipo Hogar de Código HERS=98 Determinación del Tamaño del Sistema HVAC Hogar ENERGY STAR HERS=85 Hogar que Excede ENERGY STAR HERS=70 Calefacción (BTU/hora) Enfriamiento (BTU/hora) Cálculo de toneladas de enfriamiento* 3,0 2,5 2,0 Pies cuadrados/toneladas *Calculados a 110% del tamaño calculado. Hay Btu/hora en una tonelada de enfriamiento. Las reglas generales sobresimplificadas habrían proporcionado un sistema de gran tamaño de calefacción y de enfriamiento para el hogar más eficiente. La regla general típica en Kentucky ha sido tener en cuenta 600 pies cuadrados por tonelada de aire acondicionado. Puesto que el hogar tiene pies cuadrados de espacio acondicionado, los contratistas de HVAC podrían proporcionar 3,5 a 4 toneladas de enfriamiento ( = 3,33, redondear hacia arriba.) La unidad de gran tamaño habría costado más para instalar. Además, los gastos de funcionamiento serían más altos. La unidad de gran tamaño sufriría mayor desgaste y puede que no proporcione deshumidificación adecuada. La determinación apropiada del tamaño incluye el diseño del sistema de enfriamiento para proporcionar deshumidificación adecuada. En un clima de humedad mezclada, es importante calcular la carga latente. La carga latente es la cantidad de deshumidificación necesaria para el hogar. Si se no hace caso de la carga latente, el hogar puede ponerse incómodo debido al exceso de humedad. La Fracción Sensata de Calefacción [The Sensible Heating Fraction(SHF)] señala la porción de la carga de enfriamiento para reducir las temperaturas del interior (enfriamiento sensato). Por ejemplo, en una unidad HVAC con un SHF de 0,75, el 75% de la energía gastada por la unidad se usa para enfriar la temperatura del aire interior. El 25% restante va para remover el calor latente- extrae la humedad del aire en el hogar. Para calcular exactamente la carga de enfriamiento, el diseñador de un sistema de HVAC debe también calcular el SHF deseado y así, la carga latente. Muchos hogares en la zona de clima 4 tienen un SHF de aproximadamente 0,7. Esto significa que el 70% del enfriamiento será sensato y el 30% latente. Los sistemas que entregan menos de 30% de enfriamiento

17 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 118 latente pueden fallar en proporcionar la deshumidificación adecuada en verano. Tarda 15 minutos para que la mayoría de los acondicionadores de aire alcancen eficiencia máxima. Durante temperaturas exteriores extremas (bajo 32 F en invierno y sobre 88 F en verano), el sistema debe funcionar alrededor del 80% del tiempo. Los sistemas de gran tamaño enfrían el hogar rápidamente y a menudo no funcionan con eficiencia máxima. CONTROLES DE LA TEMPERATURA El tipo más básico de sistema de control es un termostato de calefacción y de enfriamiento. Los termóstatos programables pueden ahorrar mucha energía en los hogares. Estos termóstatos programables ajustan automáticamente el nivel de temperatura cuando la gente está durmiendo o no están en el hogar. Asegurarse que el termóstato programable seleccionado esté diseñado para el equipo en particular de calefacción y de enfriamiento que va a controlar. Esto es especialmente importante para las bombas de calor, pues un termóstato programable incorrecto puede en realidad aumentar las cuentas de energía. Un termóstato se debe situar centralmente dentro de la casa o de la zona. No debe recibir luz directa del sol o estar cerca de un electrodoméstico que produce calor. Una buena ubicación es a menudo 4 a 5 pies sobre el piso en un vestíbulo interior cerca de una parrilla de vuelta. La pared interior, en la cual está instalado, debe estar bien sellada en la parte superior e inferior para prevenir la circulación del aire frío en el invierno o del aire caliente en el verano. Algunos dueños de casa han experimentado incomodidad y cuentas más altas de energía por años porque el aire del ático se filtró en la cavidad de la pared detrás del termóstato y causó que el sistema de enfriamiento o de calefacción funcionara por mucho más tiempo que lo necesario. SISTEMAS DIVIDIDOS EN ZONAS DEL HVAC Los hogares más grandes a menudo utilizan dos o más unidades separadas de calefacción y de aire acondicionado para diferentes pisos o áreas. Los sistemas múltiples pueden mantener mayor comodidad en la casa mientras que ahorran energía al permitir que diferentes zonas de la casa estén a diferentes temperaturas. Los ahorros más grandes ocurren cuando una unidad que sirve en una zona vacante puede ser apagada. En vez de instalar dos sistemas separados, los contratistas de HVAC pueden proporcionar sistemas automáticos de zonas que funcionan con un sistema. La canalización en estos sistemas típicamente tienen una serie de reguladores controlados termostáticamente que controlan el flujo de aire a cada zona. Aunque es algo nuevo en la construcción residencial, los termóstatos, los reguladores y los controles para la división en zonas centrales grandes de los sistemas se han utilizado por años en edificios comerciales. Si sus subcontratistas de calefacción y de aire acondicionado piensan que la instalación de dos o tres unidades separadas de HVAC es necesaria, hagan que también calculen el costo de un solo sistema con un control por regulador sobre la canalización. Tal sistema se debe diseñar cuidadosamente para asegurarse que el soplador no sea dañado si los reguladores se cierran a varios conductos surtidores. En esta situación, el soplador todavía intenta entregar el mismo flujo de aire que antes, pero ahora solamente a través de unos pocos conductos. La presión de vuelta creada contra las aletas del soplador puede causar daño al motor. Hay tres opciones primarias de diseño: 1. Instalar un sistema manufacturado que utiliza un conducto de puente con flujo de aire dirigible que conecta el pleno surtidor con la canalización de vuelta. La instalación del puente regulador con flujo de aire dirigible es el método típico. Cuando solamente una zona está abierta, el regulador de puente con flujo de aire dirigible, que responde automáticamente a los cambios en la presión en el sistema

18 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 119 del conducto, se abre para permitir parte del aire disponible que tome un atajo directo al conducto de vuelta, y así disminuye la presión total en la canalización (cuadro 7-9). 2. Crear dos zonas y agrandar el tamaño de la canalización de modo que cuando el regulador en una zona se cierre, el soplador no sufra daño. Solamente se recomienda este método para dos zonas de cargas aproximadamente iguales de calefacción y de enfriamiento. 3. Utilizar un sistema de HVAC de velocidad variable con un ventilador de velocidad variable para el sistema de conducto. Por el hecho que los sistemas de velocidad variable son generalmente más eficientes que los sistemas de una velocidad, esto hará que los ahorros aumenten aun más. SELECCIÓN DEL EQUIPO DE ENFRIAMIENTO Las tablas 7-4 y 7-5 muestran cartas del equipo para dos unidades de aire acondicionado de muestra. Cada sistema proporciona una amplia gama de salidas, dependiendo de la velocidad del soplador y de las condiciones de temperatura. La Fracción Sensata de Calefacción [The Sensible Heating Fraction (SHF)] es la fracción de salida total que enfría la temperatura del aire. El resto de la salida deshumedece el aire y es el enfriamiento latente. Observar que ambos sistemas proporcionan cerca de Btu/hora de enfriamiento. Considerar el sistema A (cuadro 7-4) con 80 F de vuelta de aire y un SEER de 15: A velocidad baja del ventilador, el Sistema A proporciona Btu/hora, un SHF de 0,71, y por lo tanto un enfriamiento latente del 29% (deshumidificación). A alta velocidad del ventilador, el Sistema A proporciona Btu/hora, pero un SHF de 0,81, y solamente un enfriamiento latente del 19%. Ésta no es suficiente deshumidificación en muchos hogares en Kentucky.

19 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 120 Tabla 7-4 Información del Sistema A de Muestra de Enfriamiento, SEER 15 Volumen total de aire (cfm) Capacidad Total de Enfriamiento (Btu/h) Fracción Sensata de Calefacción (SHF) Bombillo Seco ( F) 75 F 80 F 85 F ,58 0,71 0, ,61 0,76 0, ,64 0,81 0,96 Considerar el sistema B (cuadro 7-5) con la vuelta de aire del 80 F y un SEER de13: A velocidad baja del ventilador, el Sistema B proporciona Btu/hora, un SHF de 0,67 y deshumidificación del 33%. A alta velocidad del ventilador, el Sistema B proporciona Btu/hora, un SHF de 0,76 y deshumidificación del 24%. Tabla 7-5 Información del Sistema B de Muestra de Enfriamiento, SEER 13 Volumen total de aire (cfm) Capacidad Total de Enfriamiento (Btu/h) Fracción Sensata de Calefacción (SHF) Bombillo Seco ( F) 75 F 80 F 85 F ,56 0,67 0, ,58 0,71 0, ,61 0,76 0,90 Por lo tanto, el Sistema A, aunque es nominalmente más eficiente que el B, proporciona menos deshumidificación y potencialmente menos comodidad. VENTILACIÓN Y LA CALIDAD DEL AIRE INTERIOR Todas las casas necesitan ventilación para remover el aire interior viciado y la humedad excesiva y para proporcionar oxígeno para los habitantes del hogar. Ha habido considerable preocupación recientemente acerca de cuánta ventilación se requiere para mantener la calidad del aire en los hogares. Mientras que es difícil medir la severidad de los problemas de la calidad del aire interior, los expertos de la ciencia de la construcción y la mayoría de los especialistas de la calidad del aire interior están de acuerdo que la solución no es construir una casa ineficiente en la cual se filtre el aire.

20 Capítulo 7: Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC) 121 Los estudios de investigación muestran que los hogares estándar tienen la posibilidad de tener problemas de calidad de aire interior como los hogares eficientes en energía. Mientras que el abrir y cerrar de ventanas ofrece una forma para controlar el aire exterior para ventilación, esta estrategia es raramente útil sobre una base regular, por todo el año. La mayoría de los investigadores de la construcción creen que no hay una casa que se filtre tanto que los ocupantes dejen de lado sus preocupaciones acerca de la calidad del aire interior. Los investigadores recomiendan los sistemas mecánicos de ventilación para todos los hogares. La cantidad de ventilación requerida depende del número de ocupantes y de su estilo de vida, así como también del diseño del hogar. El estándar ANSI/ASHRAE, la Ventilación Para Calidad Aceptable del Aire Interior en Edificios Residenciales de Pocos Pisos [Ventilation for Aceptable Indoor Air Quality (ANSI/ASHRAE )] recomienda que los hogares tengan 7,5 pies cúbicos de aire fresco natural por minuto por ocupante, más flujo adicional de aire igual (en pies cúbicos por minuto) a 1% del área acondicionada del hogar, medido en pies cuadrados. Por ejemplo, considerar un hogar de pies cuadrados, con 3 dormitorios, y asumir que 4 personas ocupan el hogar. La cantidad de ventilación recomendada por ASHRAE sería de 50 cfm: 7,5 cfm/persona x 4 personas + 1% del área del piso (2.000 pies cuadrados) = 30 cfm + 20 cfm = 50 cfm Al aumentar el número de ocupantes o al aumentar los pies cuadrados del hogar aumentaría los requisitos de ventilación necesarios. Los hogares más viejos, con más filtraciones de aire pueden tener filtración natural de aire de 1,0 a 2,5 ACHnat. Los hogares estándar que se construyen hoy en día son más herméticos y generalmente tienen índices que van de 0,35 a 0,75 ACHnat. Los hogares nuevos, eficientes en energía tienen índices de 0,30 ACHnat o menos. El problema es que las filtraciones de aire no son una fuente confiable de aire fresco y tampoco son controlables. El sistema de clasificación de ENERGY STAR incluye una provisión de casas que son construidas herméticamente. Si el hogar tiene un índice medido de filtración de aire natural menor de 0,35 ACHnat, el puntaje HERS no mejorará a menos que se proporcione ventilación mecánica. Si el índice medido de filtración de aire natural es menor de 0,25, el software dará una advertencia que se debe proporcionar ventilación adicional de aire y la cantidad que se necesita. Las filtraciones de aire no se pueden predecir y los índices de filtración para todos los hogares varían. Por ejemplo, la filtración de aire es mayor durante los períodos fríos y con viento y puede ser bastante baja durante el tiempo caluroso. Entonces, se pueden acumular contaminantes durante los períodos de tiempo calmado aunque las casas sean del tipo que se filtran. Estos hogares también tendrán muchos días cuando la filtración excesiva proporcione demasiada ventilación, lo que causa incomodidad, cuentas más altas de energía, y el posible deterioro de la superficie exterior del edificio. La preocupación acerca de la calidad del aire interior ha motivado a más y más dueños de casa a instalar sistemas de ventilación controlada para proporcionar una fuente confiable de aire fresco. El método más simple es proporcionar ventilación local en los baños y en las cocinas para controlar la humedad (véase el cuadro 7-10). Casi todos los ventiladores de escape en la construcción estándar no son eficientes lo que constituye la principal causa de problemas de humedad interior en los hogares. Los ventiladores de escape del baño y de la cocina deben ventilar hacia el exterior, no solamente a un ático o a un espacio de arrastre. Las pautas generales establecen que se proporcione un mínimo de 50 pies cúbicos por minuto (cfm) de flujo

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