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Sep 25, 2023

VRF, opciones mini split ahora viables para aplicaciones HVAC

Aunque es un nombre inapropiado, las bombas de calor VRF y mini split son comúnmente

Aunque un nombre algo inapropiado, las bombas de calor VRF y mini split se conocen comúnmente como "unidades sin conductos". Estos sistemas son mucho más versátiles hoy que hace cinco años.

Es difícil encontrar un buen nombre para una línea de productos de bomba de calor de zona única o multizona impulsada por inversor con un compresor de velocidad variable. El término "mini split" realmente no encaja, porque en los últimos 10 años, han crecido desde unidades de 9 Kbtuh hasta 48 Kbtuh, lo que les permite competir con equipos convencionales más grandes. El término "sin ductos" también es incorrecto, porque ahora hay una selección significativa de modelos con ductos disponibles.

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Esto deja una crisis de identidad en una industria que normalmente no está familiarizada con estos sistemas. El nombre "mini split" es probablemente el más apropiado, porque sin importar la capacidad, el tamaño compacto del equipo siempre es evidente.

Otro desarrollo en los últimos cinco años, en términos generales, es la oferta de unidades de condensación de sistema mini split que tienen capacidad de operación y rendimiento de calefacción a temperaturas exteriores negativas (hasta -15 °F). Esto inició un salto cuántico en las aplicaciones en los climas del norte.

Luego vino el cambio a aplicaciones más sustanciales. Alrededor de 2006, los fabricantes comenzaron a aplicar la tecnología de compresores de varias velocidades accionados por inversor a sistemas de mayor capacidad con más zonas interiores y mayor control. Esto condujo al nacimiento de los sistemas de flujo de refrigerante variable (VRF) en el mercado norteamericano. Por primera vez, se podría aplicar un número significativo de zonas separadas a un edificio, respondiendo a las necesidades térmicas individuales de cada zona (u ocupante), pero también limitando la capacidad de calefacción y refrigeración a la que realmente requiere el edificio. Esto permitió al propietario del edificio disfrutar de ahorros sustanciales de energía en comparación con los tipos de equipos de velocidad única/capacidad única. Los ahorros de energía han superado incluso a otros tipos de sistemas HVAC de capacidad variable con sistemas de automatización de edificios complejos.

La variedad de unidades interiores también ha ayudado enormemente. El aumento en la capacidad total y el número de zonas para un sistema dado; operación de calefacción a bajas temperaturas exteriores; y una plétora de opciones con conductos y sin conductos para unidades interiores han creado un aumento significativo en las aplicaciones de edificios residenciales y comerciales.

El mercado mini split creció de una solución de habitación de tres estaciones a aplicaciones residenciales y comerciales ligeras para toda la casa. Mientras tanto, VRF se expandió de los sistemas de calefacción y refrigeración de tipo puntual aplicados a una sola área de confort problemática, a los sistemas HVAC de todo el edificio completos con controles programables, suministro de aire fresco y operación simultánea de calefacción y refrigeración.

Hoy en día, la aplicabilidad residencial y comercial de estas tecnologías es casi ilimitada. Esto es particularmente cierto en el caso de renovaciones de edificios o estructuras históricas que tenían sistemas HVAC inexistentes, muy limitados o anticuados.

Los sistemas mini split y VRF están encontrando una tracción significativa en estructuras donde la pérdida o ganancia de calor del edificio varía ampliamente, como hoteles, edificios de apartamentos/condominios, instalaciones educativas e iglesias. Estos sistemas son una excelente opción cuando no hay conductos existentes o el tamaño del conducto existente es inadecuado.

La lista de aplicaciones que no son adecuadas para VRF se está reduciendo rápidamente. Si la aplicación fuera un coliseo deportivo o un salón de convenciones, VRF probablemente no sería la mejor opción debido al gran volumen de aire fresco requerido. Sin embargo, los puestos de concesiones, tiendas u oficinas circundantes serían candidatos ideales para VRF. Lo más probable es que una combinación híbrida de sistemas proporcione el mejor de los casos.

La familia de productos VRF se divide en dos grupos de sistemas: bomba de calor y recuperación de calor. Si bien los componentes generales parecen similares, estos son sistemas muy diferentes en lo que respecta a lo que brindan a los ocupantes del edificio.

Un sistema de bomba de calor VRF (es decir, de una a tres unidades exteriores conectadas a un solo circuito de refrigeración) proporciona calefacción o refrigeración a todas las zonas conectadas. Esto significa que todas las unidades interiores conectadas a ese sistema estarán en el mismo modo operativo: calefacción o refrigeración. Esto funciona bien para aplicaciones de construcción donde la necesidad de cambiar de modo no ocurre muy rápidamente, o la selección de temperatura (que requiere un cambio de modo) no es una elección individual del ocupante

Por el contrario, un sistema VRF de recuperación de calor es capaz de proporcionar calefacción y refrigeración simultáneas a sus distintas zonas (nuevamente, de una a tres unidades exteriores en un solo circuito de refrigeración), y lo hace de forma económica. Las zonas dentro del sistema pueden operar en cualquier modo. Un sistema de recuperación de calor "recupera" los BTU que ocurren dentro de las zonas ocupadas que necesitan capacidad de enfriamiento y mueve esos BTU a zonas que requieren calor, ahorrando así energía.

Los sistemas de recuperación de calor funcionan extremadamente bien donde la temperatura del espacio interior depende de la elección del ocupante, donde las cargas dentro de un edificio son diferentes de una zona a otra, o donde las cargas pueden cambiar rápidamente debido a la ganancia solar, la ocupación, etc. Ejemplos de estos son unidades residenciales multifamiliares, habitaciones de hotel e instalaciones de vida asistida. La elección de usar bomba de calor o recuperación de calor se basa en la expectativa de que el usuario final elija su entorno de calefacción y refrigeración.

Una de las consideraciones de diseño de HVAC comerciales más importantes es proporcionar ventilación de aire fresco requerida por el código mecánico para el edificio. En la mayoría de las aplicaciones unitarias, el aire fresco (a menudo llamado aire exterior) puede representar del 15 al 30 por ciento de la carga de calefacción y refrigeración.

Esta carga se introduce con bastante frecuencia en la cámara de aire de retorno o en el conducto de un sistema. Este método se ha utilizado durante décadas en la industria HVAC, principalmente porque ofrece el costo inicial más bajo. Pero a medida que los costos de energía continúan aumentando, la tecnología de ventiladores de recuperación de calor (HRV) y ventiladores de recuperación de energía (ERV) ha ganado popularidad.

Un HRV intercambia la carga sensible solo entre el aire exterior y las corrientes de aire "viciado" o de escape. Un ERV intercambia cargas sensibles y latentes (humedad) entre las dos corrientes de aire. Un ERV será una opción más efectiva en climas con un mayor contenido de humedad. El aire de retorno o "viciado" del edificio se usa para templar el aire fresco entrante, lo que reduce la carga que se coloca en el sistema de calefacción y refrigeración. Cuanto mayor sea la eficiencia del núcleo HRV o ERV, más se acercará el aire fresco a una condición de habitación neutral y menor será la carga en el equipo HVAC principal.

Como resultado, a los fabricantes de VRF se les ha encomendado la tarea de hacer que la integración de los sistemas HRV/ERV sea lo más fluida posible. Esto incluye una comunicación simple entre los controles de cada sistema y proporciona formas efectivas de suministrar aire fresco.

Con la mayoría de los sistemas VRF actuales, el aire fresco se puede proporcionar a través de un sistema de conductos o se puede introducir directamente en una unidad interior sin conductos si esa unidad tiene una provisión (kit de aire fresco) para la conexión a un conducto de aire fresco. En Fujitsu, la solución premium de aire fresco incluye el uso de un sistema HRV o ERV de alta eficiencia de Ventacity Systems. Este sistema, junto con su sistema de control patentado, se comunica con los sistemas VRF para proporcionar aire fresco a las zonas equipadas con kits de aire fresco o mediante conductos en todo el edificio.

Un buen ejemplo de integración de un sistema de entalpía de aire fresco de alta eficiencia con tecnología VRF se puede ver en Tarrytown, Nueva York, donde un edificio de oficinas de uso mixto se sometió recientemente a una actualización del sistema HVAC. La instalación de 71,000 pies cuadrados había sido atendida por cuatro unidades de techo de gas natural multizona de 60 toneladas durante casi 50 años.

Edificio de oficinas con VRF Retrofit, Tarrytown, NY

ACTUALIZACIÓN VRF:Los sistemas Fujitsu General Airstage VRF se instalaron en un edificio de oficinas de espacio mixto en Tarrytown, Nueva York.

ÉXITO DEL EQUIPO: De izquierda a derecha: Glenn Grossman, presidente de Blend Air; Umair Surani, ingeniero de ventas de Fujitsu; Juan Pérez, especialista en ventas y soporte de Fujitsu; y Michael Teixeira de Johnstone Supply.

VENTANAS DE OPORTUNIDAD:Las oficinas de esquina presentan cargas únicas de calefacción y refrigeración que son ideales para aplicaciones de recuperación de calor.

EN TRANSICIÓN:Los sistemas VRF completos instalados en la fase uno se pueden ver a la derecha, con el sistema original aún en su lugar a la izquierda, durante la modernización del sistema HVAC del edificio de oficinas de Tarrytown.

LISTO PARA EL TRABAJO:Varios sistemas Fujitsu Airstage están instalados en la azotea de un edificio de oficinas de uso mixto en Tarrytown, Nueva York.

IDEANDO:Las salas de reuniones en el edificio de 71,000 pies cuadrados se zonificaron individualmente con unidades de cassette de techo.

Blend Air Mechanical Corp. comenzó a instalar un sistema VRF de recuperación de calor a principios de 2019. Antes de la modernización, se contrató a un ingeniero consultor externo para realizar un análisis energético del edificio para comparar el rendimiento del sistema existente con el de ambos sistemas nuevos, unidades de techo de código mínimo y el sistema VRF. Se estimó que el sistema Fujitsu Airstage VRF, combinado con un sistema ERV de Ventacity Systems, proporcionaría un ahorro anual de electricidad y gas natural de 224 000 kWh y 38 800 termias, respectivamente. Esto produce una reducción de costos anual de $62,000. Se descubrió que el sistema VRF/ERV supera al sistema de techo mínimo del nuevo código en 181 000 kWh y 29 000 termias, o alrededor de $46 000 al año.

La modernización del sistema HVAC se dividió en dos fases, cada una cubriendo una mitad idéntica del edificio. Hasta el momento, se han instalado 16 de las 32 unidades condensadoras VRF en total. El primer sistema ERV se instaló en julio de 2019.

"El sistema ERV puede funcionar en función de los niveles de CO2 dentro del espacio ocupado, pero hemos optado por ejecutar el sistema con un flujo de aire de volumen constante", dijo Glenn Grossman, presidente de Blend Air. "Se hicieron modificaciones a los conductos existentes para acomodar los sistemas ERV. Usamos un conducto existente para escape y otro como conducto de aire fresco. El sistema extrae aire de escape de áreas comunes, mientras que el aire fresco ingresa a través de cámaras de aire de retorno conectadas a todo el aire los controladores.

"Nos enteramos de que el gasto de energía para los meses de abril y mayo estuvo $23,000 por debajo de las cifras del mismo período de 2018", dijo Umair Surani, ingeniero de ventas de Fujitsu. "Eso solo representa la mitad del edificio y no tiene en cuenta el impacto del sistema ERV. Las cifras deberían ser aún más impresionantes una vez que se hayan registrado los ahorros de energía del sistema ERV. Los ahorros podrían ser un 25 por ciento adicional o más."

Los sistemas VRF brindan otra ventaja más para los ingenieros, instaladores y usuarios finales, ya que la capacidad conectada de las unidades interiores puede tener un tamaño superior a la capacidad total de las unidades exteriores. Las unidades exteriores son la fuente de todas las BTU de calefacción y refrigeración necesarias para el edificio y deben dimensionarse para satisfacer esas necesidades a la temperatura de diseño exterior. Esta relación de capacidad es del 100 por ciento. Sin embargo, algunas zonas internas pueden alcanzar su punto máximo en varios momentos debido a la variabilidad en la ocupación o el equipo interno. Por lo general, estos aumentos no ocurren cuando se produce la carga máxima del sistema y generalmente están relacionados con el enfriamiento.

En lugar de tener un sistema sobredimensionado, los sistemas VRF permiten dimensionar esa zona a su capacidad máxima, que en realidad puede ser, por ejemplo, el 120 por ciento de la unidad exterior, de modo que el exceso de capacidad que no está siendo utilizado por otras zonas pueda ser utilizado por la zona de pico temporal.

La tecnología mini split y VRF ha crecido y evolucionado rápidamente en los últimos años y ahora puede considerarse una posibilidad viable para la mayoría de las aplicaciones HVAC residenciales y comerciales debido a su flexibilidad, comodidad y eficiencia. Es una opción ahora donde puede no haber sido hace una década.

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