Sistemas de aire total: funcionamiento y dimensionamiento

Los sistemas de aire total son una de las soluciones más avanzadas y difundidas para la gestión de la calidad del aire dentro de los edificios. Tanto en el ámbito residencial como comercial, industrial y sanitario. La necesidad de garantizar un ambiente sano, confortable y de bajo impacto energético ha impulsado la evolución de sistemas de ventilación. Este no solo asegura un continuo intercambio de aire, sino también un tratamiento efectivo del mismo en función de las condiciones climáticas y de las necesidades específicas de los ambientes.

¿Qué son los sistemas de aire total?

Los sistemas de aire total son sistemas complejos destinados al tratamiento y distribución del aire en espacios cerrados. Su función principal es garantizar una correcta calidad del aire y un adecuado confort ambiental, interviniendo en varios parámetros como la temperatura, la humedad, la concentración de contaminantes y la distribución uniforme del aire mismo. Estos sistemas se diferencian de los híbridos, que integran tecnologías adicionales como la calefacción o el enfriamiento por paneles radiantes, o sistemas hidrónicos, para tratar simultáneamente el aire y el ambiente.

Estos sistemas se concentran principalmente en el tratamiento del aire de entrada y expulsión, empleando técnicas de ventilación mecánica controlada (VMC) para gestionar el aire de manera óptima. Tales sistemas son utilizados en el ámbito residencial, comercial, industrial y en estructuras públicas, garantizando un intercambio de aire constante y la regulación de la temperatura y la humedad, con el objetivo de mantener condiciones ambientales ideales en cualquier estación.

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¿Por qué son útiles los sistemas de aire total?

El principio fundamental detrás de los sistemas de aire total es asegurar un adecuado intercambio de aire. En espacios cerrados, la calidad del aire puede deteriorarse rápidamente debido a varios factores, como la producción de dióxido de carbono (CO_₂), la acumulación de humedad, la presencia de partículas finas, alérgenos y contaminantes químicos. La ventilación mecánica controlada (VMC) es el método principal para contrarrestar estos fenómenos, ya que permite introducir de manera continua y regulada aire fresco proveniente del exterior, mientras que simultáneamente expulsa el aire viciado. En este contexto, los sistemas de aire total desempeñan un papel fundamental en asegurar la salubridad del ambiente, equilibrando el flujo de aire externo e interno, manteniendo niveles óptimos de oxígeno y reduciendo la concentración de sustancias contaminantes.

Tratamiento del aire

En un sistema de aire total, el aire exterior es tratado primero por una unidad de tratamiento del aire (UTA), que lo purifica y lo adapta a las necesidades del ambiente. Este tratamiento puede incluir operaciones de filtración, para eliminar partículas, polen, bacterias, virus y otros contaminantes, y operaciones de calefacción o enfriamiento para regular la temperatura, de modo que el aire introducido en los ambientes sea confortable. En algunos casos, también puede ser necesaria una humidificación o deshumidificación para mantener el nivel de humedad bajo control, evitando ambientes demasiado secos o demasiado húmedos que podrían favorecer la proliferación de moho o causar incomodidad.

En ambientes muy grandes o en edificios de alta eficiencia energética, se emplean tecnologías de recuperación de calor para optimizar la eficiencia energética. Tales tecnologías permiten aprovechar la energía del aire de salida para precalentar o enfriar previamente el aire de entrada, reduciendo así el consumo para la calefacción y el enfriamiento.

El corazón de un sistema de aire total es, por lo tanto, el sistema de tratamiento del aire, que garantiza la calidad del aire introducido, pero también el flujo de aire, que debe ser distribuido de manera uniforme y sin crear zonas de estancamiento. La ventilación mecánica debe ser diseñada de manera que garantice una distribución homogénea del aire dentro de los ambientes, evitando zonas demasiado calientes o frías, o con escasa circulación. Además, la presión dinámica dentro de los conductos de distribución debe estar bien equilibrada, para evitar problemas de sobrepresión o subpresión que podrían comprometer la eficiencia del sistema.

¿Cómo está hecho un sistema de aire total?

Un sistema de aire total se compone de varios elementos, cada uno de los cuales desempeña una función específica. El principal componente de un sistema de ventilación de aire total es la unidad de tratamiento del aire (UTA). Esta unidad es responsable de tratar el aire de entrada, que proviene del exterior, antes de que sea distribuido en los ambientes a través de conductos y bocas. Las operaciones principales realizadas por la UTA incluyen la filtración del aire para eliminar las impurezas y las partículas sólidas presentes en el ambiente exterior, el calentamiento o enfriamiento del aire, lo que permite adaptarlo a la temperatura deseada, y la humidificación o deshumidificación, que permite regular la humedad relativa del aire para evitar la incomodidad y la proliferación de bacterias y hongos.

¿Cómo se distribuye el aire?

El aire tratado se distribuye luego a los ambientes a través de una red de conductos. Estos conductos están diseñados para minimizar las pérdidas de carga, es decir, la resistencia al paso del aire, y deben estar suficientemente dimensionados para garantizar un flujo homogéneo y uniforme. Los materiales de los conductos varían, pero los más comunes son el acero galvanizado y materiales plásticos resistentes. Dentro de estos conductos, el aire puede ser distribuido a través de bocas y rejillas. Las bocas de distribución pueden estar montadas en el techo, en la pared o en el suelo, dependiendo de las necesidades específicas del proyecto. Las rejillas de extracción, por otro lado, sirven para eliminar el aire viciado del ambiente, creando un equilibrio entre el aire de entrada y el de salida, sin comprometer la presión interna.

Equilibrio del aire

En un sistema de aire total, el equilibrio entre el aire introducido y el extraído es esencial para el correcto funcionamiento. Para ello, el sistema de extracción es tan crucial como el sistema de distribución. El aire en exceso o contaminado es evacuado por ventiladores de extracción, que pueden ser instalados directamente en los ambientes o en conductos centrales, dependiendo de la configuración del sistema. Estos sistemas están diseñados para garantizar un flujo constante, impidiendo que el aire estancado comprometa la calidad del ambiente.

Sistemas de control

Además, los sistemas de aire total modernos a menudo están equipados con sofisticados sistemas de control y automatización, que permiten monitorear y regular en tiempo real parámetros como la temperatura, la humedad, la calidad del aire y la velocidad del flujo. Los sensores de CO_₂, partículas finas y COV (compuestos orgánicos volátiles) permiten optimizar el consumo energético y mantener los parámetros ambientales dentro de los límites ideales. Las centralitas de control, a su vez, gestionan todo el sistema, regulando de manera autónoma los ventiladores, la calefacción, el enfriamiento y la deshumidificación según las condiciones ambientales detectadas.

Sistema de aire total: el funcionamiento

El funcionamiento se desarrolla a través de una serie de fases que van desde la captación del aire exterior hasta su tratamiento, distribución y finalmente expulsión, para mantener constante la calidad del aire dentro del edificio. Veamos, por lo tanto, en detalle las diversas fases del funcionamiento de un sistema de aire total.

Captación del aire exterior

El primer paso en un sistema de aire total es la captación del aire exterior. Este proceso ocurre a través de una apertura externa, que puede estar situada en una pared o en el techo del edificio, dependiendo del proyecto. El aire proveniente del exterior puede contener una variedad de sustancias, como polvo, contaminantes atmosféricos, polen y otras impurezas. Es por eso que es necesario tratarlo antes de introducirlo en los ambientes internos.

El aire exterior es captado a través de canales de aspiración, que lo dirigen hacia la unidad de tratamiento del aire (UTA) donde se llevarán a cabo los tratamientos posteriores. La cantidad de aire captado se calcula en función del número de personas que ocupan el ambiente, las dimensiones del espacio y los requisitos de calidad del aire.

Filtración del aire

Una vez que el aire ha sido captado, el siguiente paso es la filtración. El aire exterior contiene partículas de polvo, smog, polen y microorganismos que pueden comprometer la calidad del ambiente interno. Los filtros dentro de la UTA están diseñados para capturar estas partículas y purificar el aire antes de que sea introducido en los ambientes. Los filtros están generalmente compuestos de materiales como fibra sintética, carbón activo (para eliminar olores y compuestos orgánicos volátiles) o filtros HEPA (de alta eficiencia), que capturan incluso partículas muy finas.

La calidad de la filtración depende del tipo de filtro utilizado y de su eficiencia, que se mide a través de la clase de filtración. Por ejemplo, filtros de clase F7 o F9 (en el ámbito europeo) se utilizan para retener partículas finas, mientras que los filtros de clase HEPA pueden eliminar incluso bacterias y virus.

Tratamiento térmico del aire

Una vez filtrado, el aire puede ser sometido a tratamiento térmico, es decir, calefacción o enfriamiento, dependiendo de las necesidades climáticas y estacionales. Esta fase es fundamental para garantizar que el aire introducido en los ambientes internos sea siempre confortable y mantenga una temperatura estable.

• calefacción: si el aire exterior es frío, el aire se calienta antes de ser introducido en el edificio. Esto se realiza a través de baterías de calefacción dentro de la UTA, que pueden ser alimentadas por diferentes tipos de energía, como gas, electricidad o sistemas de calefacción centralizada. El aire se lleva entonces a la temperatura establecida, que depende de las necesidades del edificio (por ejemplo, entre 18°C y 22°C para un ambiente residencial);
• enfriamiento: si el aire exterior es cálido y el edificio requiere enfriamiento, el aire es tratado a través de un intercambiador de calor o una batería de enfriamiento, que baja la temperatura del aire mediante refrigeración. En algunos sistemas avanzados, el enfriamiento del aire puede lograrse con el sistema de enfriamiento por evaporación, donde el aire se enfría al pasar a través de un medio húmedo que absorbe calor, liberando aire más fresco.

Humidificación o deshumidificación

Otra fase crítica para el bienestar de los ocupantes es el control de la humedad. La humedad relativa dentro de los ambientes debe mantenerse dentro de límites ideales para evitar problemas relacionados con un exceso o una carencia de humedad.

• humidificación: en ambientes donde el aire es demasiado seco (por ejemplo, durante el invierno o en ambientes con calefacción centralizada), el aire puede ser humidificado a través de dispositivos que rocían vapor de agua en el aire. En algunos sistemas de aire total, existen humidificadores adiabáticos que aumentan la humedad simplemente a través de un proceso de evaporación;
• deshumidificación: en ambientes con exceso de humedad (típicamente en verano o en espacios cerrados como cocinas y baños), el aire puede ser deshumidificado. Este proceso ocurre a través de dispositivos como baterías de deshumidificación o intercambiadores de calor que enfrían el aire para conducir la condensación a un tanque de recolección.

Distribución del aire tratado

Después de ser filtrado, tratado térmicamente y, si es necesario, humidificado o deshumidificado, el aire se introduce en los ambientes a través de un sistema de canales de distribución. Estos conductos, que pueden estar hechos de materiales como acero galvanizado o plástico, llevan el aire tratado a las diferentes zonas del edificio.

La distribución del aire se realiza a través de bocas de difusión, que son dispositivos ubicados en el techo, pared o suelo, dependiendo del diseño. Las bocas están diseñadas para garantizar una distribución uniforme del aire y evitar la formación de zonas de estancamiento o corrientes de aire molestas. Dependiendo del tipo de instalación y de las necesidades específicas, las bocas pueden ser regulables, permitiendo a los usuarios orientar el flujo de aire en las direcciones deseadas.

Extracción del aire viciado

Paralelamente a la entrada del aire fresco, es necesario un sistema de extracción del aire viciado, que elimina el aire agotado y lo reemplaza con aire nuevo. El aire viciado es aquel que ha perdido parte del oxígeno y ha acumulado contaminantes como dióxido de carbono (CO₂), vapores, olores, polvos y humedad. La extracción se realiza generalmente a través de ventiladores de extracción, que pueden estar ubicados en puntos estratégicos como baños, cocinas o áreas comunes. Estos ventiladores aspiran el aire en exceso y lo canalizan al exterior del edificio a través de un sistema de conductos de expulsión.

Control y regulación automática

Los sistemas de aire total modernos están equipados con sofisticados sistemas de control y automatización. Estos monitorean constantemente la calidad del aire, la temperatura, la humedad y otros parámetros ambientales. Utilizando sensores (por ejemplo, sensores de CO₂, PM10, VOC y humedad), el sistema es capaz de regular automáticamente el flujo de aire tratado, calentando, enfriando, humidificando o deshumidificando el aire según las condiciones detectadas. Las centralitas de control pueden ser programadas para activar o desactivar los ventiladores, regular el caudal de aire o modificar las configuraciones de tratamiento térmico según las necesidades.

Tipos de sistemas de aire total

Existen diferentes tipos de sistemas de aire total, cada uno con características específicas:

• sistemas de ventilación natural: estos sistemas aprovechan las diferencias de presión atmosférica y la temperatura interna y externa para facilitar el flujo de aire. Pueden incluir aperturas controladas (como ventanas y bocas) y conductos diseñados para maximizar la eficiencia del flujo de aire. Sin embargo, su eficacia puede variar significativamente según las condiciones climáticas externas;
• sistemas de ventilación mecánica controlada (VMC): estos sistemas están equipados con ventiladores que pueden ser regulados para mantener un flujo de aire constante. Pueden dividirse en: VMC de simple flujo: Aspira aire del exterior y lo introduce en los ambientes internos sin recuperación de calor. Estos sistemas son más simples de instalar, pero menos eficientes desde el punto de vista energético;
• VMC de doble flujo: incluye un intercambiador de calor que permite la recuperación del calor del aire expulsado, mejorando la eficiencia energética. Este tipo de sistema es particularmente ventajoso en climas fríos, ya que reduce la necesidad energética para la calefacción.

Sistemas de aire total y aire primario

Los sistemas de aire se distinguen en:

• sistemas de aire total: el circuito de ventilación calienta o enfría los ambientes;
• sistemas de aire primario: el circuito tiene la función de ventilación y pre-recogida o pre-enfriamiento.

Mientras que el sistema de aire total representa un sistema completo para la gestión de la ventilación y del confort interno, el aire primario es un elemento específico que proporciona aire fresco del exterior al sistema. Ambos son fundamentales para garantizar un ambiente saludable y confortable, pero operan a niveles diferentes en el contexto de la ventilación mecánica.

Sistema de aire primario

Un sistema con aire primario es un tipo de sistema de ventilación que utiliza aire externo como fluido base para el tratamiento del ambiente. Sin embargo, tiene un enfoque que combina el aire con otros sistemas para garantizar el confort térmico. En la configuración del sistema con aire primario, el aire se introduce dentro del ambiente y se utiliza para satisfacer en parte la necesidad térmica, pero no es el único medio de calefacción o enfriamiento.

Normalmente, en este tipo de sistema, el aire primario (aire externo) se utiliza principalmente para la ventilación y para garantizar el recambio de aire, pero el tratamiento térmico real (calefacción y enfriamiento) se lleva a cabo a través de otros sistemas como paneles radiantes, convectores o baterías de enfriamiento y calefacción.

Un ejemplo típico de aire primario es el aire de entrada tratado por un sistema de ventilación. Este puede ser calentado o enfriado a través de un sistema de aire acondicionado, pero no constituye la única fuente de confort térmico. En este caso, el sistema de ventilación trabaja en sinergia con otros sistemas que contribuyen a la regulación de la temperatura ambiental. Por ejemplo, un sistema de enfriamiento a paneles radiantes o una batería de intercambio térmico.

Las principales diferencias

Las principales diferencias entre los dos sistemas se pueden identificar en varios aspectos, entre los cuales:

Principio de funcionamiento

• sistema de aire total: el aire es el único fluido tratado y distribuido para garantizar el confort térmico y la calidad del aire, con calefacción, enfriamiento y deshumidificación que ocurren directamente a través del tratamiento del aire mismo;
• sistema con aire primario: el aire externo se utiliza principalmente para la renovación del aire y la ventilación. Mientras que el tratamiento térmico ocurre a través de otros sistemas como baterías de enfriamiento y calefacción, paneles radiantes o convectores.

Tratamiento térmico

• sistema de aire total: la calefacción o el enfriamiento ocurre directamente en la unidad de tratamiento de aire (UTA). Todo sin necesidad de otro sistema de climatización;
• sistema con aire primario: el aire primario se trata para la renovación del aire. De todos modos, no es responsable por sí solo del tratamiento térmico, que ocurre a través de un sistema separado.

Sistemas auxiliares

• sistema de aire total: no necesita sistemas auxiliares para la climatización, ya que el aire se trata y distribuye directamente;
• sistema con aire primario: usa otros dispositivos (como calentadores, radiadores, paneles radiantes) para el tratamiento térmico, mientras que el aire primario se limita a garantizar la renovación del aire.

Aplicaciones

• sistema de aire total: adecuado para edificios donde se necesita un control constante de la calidad del aire y de la temperatura, como residencias, oficinas, escuelas y hospitales;
• sistema con aire primario: a menudo utilizado en edificios comerciales o industriales donde el aire primario sirve principalmente para la ventilación, mientras que otros sistemas térmicos se ocupan de la calefacción o enfriamiento.

Dimensionamiento del sistema de aire total

El dimensionamiento de un sistema de aire total es un proceso técnico complejo. Este requiere una evaluación precisa de varios factores para garantizar un correcto equilibrio entre la necesidad de:

• ventilación,
• tratamiento del aire (calefacción, enfriamiento, humidificación y deshumidificación),
• y eficiencia energética.

Además, incluye la gestión de la energía y el diseño de todos los componentes principales del sistema:

• unidad de tratamiento de aire (UTA),
• red de distribución de aire,
• ventiladores,
• sistemas de extracción.

Cálculo de la necesidad de aire

El primer paso fundamental en el dimensionamiento de un sistema de aire total es el cálculo de la necesidad de aire para cada ambiente. Este valor depende de diversas variables, como:

• el número de personas presentes,
• las actividades realizadas,
• las dimensiones de los ambientes,
• y la calidad del aire requerida.

Cálculo del caudal de aire para la Unidad de Tratamiento de Aire (UTA)

El caudal de aire calculado en la fase anterior determina las capacidades mínimas de la UTA. Es necesario calcular el volumen de aire a tratar para todo el edificio o para un ambiente individual. Este valor depende del caudal de aire por persona y del número de personas o del tamaño de los ambientes. Si una oficina de 100 m² tiene un caudal de aire requerido de 10 m³/h por persona y alberga a 20 personas, el caudal total de aire necesario para el ambiente será:

Caudal total=10 m³/h por persona × 20 personas=200 m³/h

Este valor debe ser considerado para dimensionar correctamente la UTA.

Dimensionamiento de los conductos y de la red de distribución de aire

El diseño de la red de conductos y de las bocas de difusión es un paso importante para garantizar una distribución uniforme del aire en todos los ambientes. Para dimensionar correctamente la red, es necesario considerar diversos factores: velocidad del aire, diámetro de los conductos, distribución del aire.

Selección y dimensionamiento de los ventiladores

Los ventiladores son fundamentales para garantizar el flujo de aire necesario a través del sistema. La selección de los ventiladores depende del caudal volumétrico requerido, de las pérdidas de carga en el sistema y de la presión estática. La unidad de tratamiento de aire, en particular, debe estar equipada con ventiladores que sean capaces de mantener el caudal deseado. Todo esto sin comprometer la eficiencia energética. La pérdida de carga en las tuberías y en los filtros debe ser estimada e incluida en los cálculos para determinar la potencia necesaria para los ventiladores. La presión estática debe ser suficiente para superar las pérdidas de carga del sistema (conductos, filtros, rejillas, etc.).

Cálculo de la potencia térmica para calefacción y enfriamiento

Es útil calcular la potencia térmica necesaria para calentar o enfriar el aire introducido. Esta depende de la diferencia de temperatura entre el aire exterior y el interior. Por lo tanto, este cálculo es esencial para dimensionar correctamente las baterías de calefacción o las baterías de enfriamiento en la UTA.

La potencia térmica requerida puede calcularse con la fórmula:

P = V × C × ΔT

donde:

• P es la potencia (en kW);
• V es el caudal volumétrico (en m³/s);
• C es la capacidad térmica del aire (aproximadamente 0.33 kJ/m³ °C);
• ΔT es la diferencia de temperatura (en °C).