Comparación de sistemas HVAC de dos y cuatro tubos con bombas de calor de fuente de agua

Muchos sistemas HVAC utilizan tuberías hidrónicas como un medio para proporcionar calefacción y refrigeración de espacios. Fan-coils individuales sirven a cada zona, mientras que un enfriador y una caldera centrales asumen las cargas totales de HVAC según sea necesario. Son posibles dos configuraciones principales del sistema: se puede usar el mismo circuito de tubería hidrónica para ambas funciones, o se puede usar tubería hidrónica separada para calefacción y refrigeración.

  • Sistema de dos tubos: Cuando la calefacción y la refrigeración comparten tuberías hidrónicas, cada fan-coil solo tiene una tubería de suministro y una tubería de retorno.
  • Sistema de cuatro tubos: Cuando la calefacción y la refrigeración tienen tuberías hidrónicas separadas, los fan-coils tienen dos tuberías de suministro y dos de retorno.

Como en la mayoría de las decisiones de ingeniería, la configuración de cada sistema tiene ventajas y desventajas. Este artículo proporcionará una descripción general de los sistemas de dos y cuatro tubos, comparándolos con una alternativa más moderna: las bombas de calor de fuente de agua.


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Sistemas HVAC de dos tubos

Un sistema de dos tubos utiliza la mitad de la tubería hidrónica requerida por un sistema de cuatro tubos, lo que da como resultado un menor costo y un tiempo de instalación más corto. El sistema también es más compacto, lo que reduce los requisitos de espacio de las salas de máquinas. El mantenimiento también es más sencillo en un sistema de dos tubos, gracias a la reducción del número de accesorios de tubería y válvulas.

La principal limitación de un sistema HVAC de dos tubos es la falta de flexibilidad operativa. El circuito de tuberías hidrónicas que atraviesa el edificio se conecta a la caldera o al enfriador según las necesidades generales, y todas las áreas del edificio deben operar en el mismo modo; calentar algunas áreas mientras se enfrían otras no es posible con esta configuración del sistema.

Los sistemas HVAC de dos tubos son una excelente opción para climas tropicales, donde los edificios a menudo funcionan durante todo un año sin requerir calefacción. La caldera normalmente se omite en estos casos, a menos que se requiera para agua caliente, pero en ese caso es un sistema de construcción completamente diferente.

Sistema HVAC de cuatro tubos

Esta configuración del sistema utiliza el doble de tuberías que un sistema HVAC de dos tuberías y, por lo tanto, es más costosa y lleva más tiempo instalarla. Además, un sistema de cuatro tuberías requiere más espacio para acomodar dos circuitos de tuberías hidrónicos que atraviesan el edificio. El mayor número de accesorios, válvulas y puntos de conexión también da como resultado un sistema más exigente en términos de mantenimiento.

Sin embargo, los sistemas HVAC de cuatro tubos ofrecen características de rendimiento que no están disponibles con un sistema de dos tubos. Por ejemplo, los fancoils pueden brindar enfriamiento y deshumidificación simultáneos al usar los serpentines de agua fría y agua caliente al mismo tiempo:

  • El serpentín de agua enfriada se usa a su máxima capacidad para eliminar la mayor cantidad de humedad posible del aire, incluso si el aire se enfría por debajo de la temperatura requerida.
  • Cualquier enfriamiento excesivo se compensa con el serpentín de calentamiento, entregando aire con una temperatura y humedad aceptables.

Un sistema de dos tubos no permite esta flexibilidad, ya que la temperatura y la humedad del aire se fijan una vez que fluye a través del fan-coil. Una mayor deshumidificación requiere más enfriamiento, y una temperatura del aire más alta da como resultado una humedad más alta.

Otra ventaja significativa de un sistema de cuatro tubos es que diferentes áreas del edificio pueden enfriarse o calentarse simultáneamente. Solo es cuestión de utilizar el circuito hidrónico correspondiente en los fan-coils que dan servicio a dichas zonas.

Cómo utilizan la energía los sistemas de dos y cuatro tubos

En la ciudad de Nueva York, la mayor parte de la refrigeración de espacios se logra con electricidad, mientras que la calefacción de espacios normalmente se basa en gas natural o combustible para calefacción. Dado que la electricidad en la ciudad de Nueva York es muy costosa, una tonelada por hora de enfriamiento generalmente tiene un costo más alto que una tonelada por hora de calefacción. Por esta razón, las actualizaciones del sistema de enfriamiento tienden a ofrecer un mayor retorno por dólar gastado y las empresas de administración de propiedades pueden enfocarse primero en ellos para maximizar el retorno de la inversión.

Por supuesto, puede haber excepciones a la regla anterior. Si un edificio tiene un enfriador moderno de alta eficiencia y una caldera antigua, el costo por tonelada-hora de calefacción puede ser mayor. Una auditoría energética es la la mejor manera de identificar las mejoras de edificios más rentables.

Bombas de calor hidroeléctricas: las mejores características de ambos sistemas

Si un sistema utiliza bombas de calor de fuente de agua en lugar de fan-coils, puede ofrecer las ventajas de un sistema de cuatro tuberías mientras se basa en un solo circuito de tuberías hidrónicas. Las bombas de calor de fuente de agua pueden funcionar en modo de refrigeración o de calefacción con un circuito de agua común.

  • Las bombas de calor extraen el calor de las áreas que requieren refrigeración y el calor se rechaza en el circuito de agua.
  • La calefacción de espacios es posible simultáneamente, y esta energía térmica se puede extraer del mismo circuito de agua mediante bombas de calor en modo calefacción.

Con esta configuración del sistema, las cargas de calefacción y refrigeración se equilibran entre sí, lo que da como resultado una eficiencia operativa mucho mayor. Nunca se requiere que el enfriador y la caldera funcionen simultáneamente: el enfriador funciona cuando la carga de refrigeración es mayor y la caldera funciona cuando la carga de calefacción es mayor.

Para reducir aún más los costos de operación, se pueden utilizar calderas y enfriadores de alta eficiencia, pero considere que la eficiencia se reporta de manera diferente para cada tipo de equipo:

  • Las calderas de gas o petróleo utilizan la Eficiencia Anual de Utilización de Combustible (AFUE), que se informa como un porcentaje. Por ejemplo, una caldera de gas con un AFUE del 95 % entrega el 95 % del calor de combustión al agua que fluye en la tubería hidrónica.
  • Los enfriadores utilizan el Índice de eficiencia energética (EER) para informar su eficiencia en condiciones de prueba estándar y el Índice de eficiencia energética integrado (IEER) para reflejar su eficiencia después de considerar los factores estacionales y la variabilidad de la carga. El EER y el IEER no son valores porcentuales, sino una relación entre la salida de refrigeración en Btu/hora y la entrada de electricidad en vatios, similar al valor del consumo de gasolina de un automóvil.

Las calderas más eficientes del mercado tienen un AFUE superior al 95 %, mientras que las enfriadoras condensadas por agua más eficientes tienen un EER superior a 20. Las enfriadoras condensadas por aire son menos eficientes que las enfriadoras por agua.

También es posible utilizar una bomba de calor geotérmica para sustituir tanto la caldera como la enfriadora. Estas unidades son tan eficientes como un enfriador enfriado por agua y pueden igualar el costo de funcionamiento de una caldera de gas cuando está en modo calefacción, aunque funcionen con electricidad. Sin embargo, las bombas de calor geotérmicas requieren condiciones específicas del agua subterránea para ser viables. Pueden ser una excelente opción en construcciones nuevas donde no se han instalado enfriadores ni calderas, o cuando tanto el enfriador como la caldera son viejos e ineficientes. Si el enfriador y la caldera existentes ya son eficientes, el la actualización a una bomba de calor de fuente terrestre puede no ser financieramente viable.