Rayo frío

Un sistema de vigas frías es un tipo de sistema HVAC de radiación / convección diseñado para calentar y enfriar grandes edificios mediante el uso de agua. ^{[ 1 ]} Este método elimina la mayor parte de las ganancias de calor local sensible de la zona y permite reducir el caudal de aire preacondicionado de la unidad de tratamiento de aire, disminuyendo entre un 60 % y un 80 % el caudal de aire de diseño de los conductos y los requisitos de capacidad del equipo. ^{[ 2 ]}

Hay dos tipos de vigas frías, una viga fría pasiva (PCB) y una viga fría activa (ACB). Ambas consisten en tuberías de agua (de aletas y tubos) que pasan a través de un intercambiador de calor contenido en una carcasa suspendida del techo o empotrada en él. ^{[ 3 ] [ 4 ]} A medida que la viga enfría el aire a su alrededor, el aire se vuelve más denso y cae al suelo. Es reemplazado por aire más caliente que se mueve desde abajo, lo que provoca un movimiento pasivo constante del aire llamado convección , para enfriar la habitación. ^{[ 5 ] [ 6 ]} La viga activa consta de conexiones de conductos de aire, boquillas de inducción, serpentines de transferencia de calor hidrónicos, salidas de suministro y entradas de aire inducido. Contiene un suministro de aire integral que pasa a través de boquillas e induce aire de la habitación a la serpentina de enfriamiento. Por esta razón, tiene una mejor capacidad de enfriamiento que la viga pasiva. En cambio, la viga pasiva proporciona enfriamiento del espacio sin el uso de un ventilador y se realiza principalmente por convección . ^{[ 2 ]} Las vigas pasivas pueden estar expuestas o empotradas. El enfoque pasivo puede proporcionar mayores niveles de confort térmico , ^{[ 7 ]} mientras que el enfoque activo (también llamado "difusor de inducción") ^{[ 8 ]} utiliza el impulso del aire de ventilación que entra a una velocidad relativamente alta para inducir la circulación del aire de la habitación a través de la unidad (aumentando así su capacidad de calefacción y refrigeración). ^{[ 5 ]}

La viga refrigerada se distingue del techo refrigerado. ^{[ 9 ] [ 8 ]} El techo refrigerado utiliza el flujo de agua a través de tuberías como una viga refrigerada; sin embargo, las tuberías en un techo refrigerado se encuentran detrás de placas metálicas del techo, y las placas calentadas/enfriadas son la causa de la radiación/convección y no la unidad de tuberías en sí. ^{[ 9 ]} Las vigas refrigeradas son aproximadamente un 85 por ciento más efectivas en convección que los techos refrigerados. ^{[ 9 ]} El techo refrigerado debe cubrir un área de techo relativamente grande tanto porque es menos eficiente como porque proporciona calefacción principalmente por medios radiantes. La capacidad de calefacción radiante es proporcional al área de superficie. ^{[ 10 ]}

Las vigas frías activas se montan en un falso techo y luego se anclan a la estructura superior, ya que los techos de barras en T no pueden soportar el peso operativo típico de una viga fría. ^{[ 11 ]} Las vigas generalmente tienen de 1 a 2 pies (0,30 a 0,61 m) de ancho y requieren menos de 1 pie (0,30 m) de espacio superior. ^{[ 11 ]} Un sistema típico de viga fría de 2 pies (0,61 m) de ancho generalmente pesa alrededor de 15 libras (6,8 kg) por pie (0,30 m) de longitud de viga cuando está seca. ^{[ 11 ]} Las vigas se pueden instalar de varias formas: totalmente expuestas, empotradas u ocultas dentro de un falso techo o techo perforado. Cuando se trabaja dentro de una rejilla de falso techo, las vigas deben instalarse antes de la rejilla, aproximadamente de 60 a 75 mm por encima del techo terminado, y luego bajarse después de la instalación del techo. El montaje final debe permitir 3 pulgadas (7,6 cm) de movimiento en todas las direcciones. ^{[ 12 ]} Las vigas frías generalmente se instalan de manera que el centro de cada viga no esté a más de 3 metros (9,8 pies) del centro de la viga siguiente. ^{[ 13 ]} Algunos arquitectos y usuarios finales no les gustan las vigas porque no cubren todo el techo, por lo que se pueden ver los conductos, el cableado y otra infraestructura. ^{[ 8 ]} Las vigas generalmente se conectan a las líneas principales de suministro y retorno de agua con mangueras flexibles. Para minimizar la corrosión, se pueden instalar mangueras resistentes a la difusión de oxígeno. ^{[ 12 ]} Se puede obtener un mayor rendimiento del sistema aumentando la presión estática del aire en el edificio. ^{[ 11 ]} Las vigas frías se consideran tan fáciles de montar como las luminarias, pero requieren un acceso adecuado para el servicio y el mantenimiento. ^{[ 12 ]} Los sistemas generalmente necesitan poca limpieza (aspiración de suciedad y polvo de las aletas cada cinco años). ^{[ 11 ]}       

El sistema de vigas frías activas emplea aletas para ayudar a calentar y enfriar. ^{[ 8 ]} Los sistemas de vigas frías activas son eficaces hasta el punto de que el aire exterior se puede mezclar con el aire interior sin ningún sistema de aire acondicionado tradicional (como calefacción, refrigeración, humidificación o deshumidificación), lo que permite que un edificio cumpla con su requisito de calidad del aire de "aire exterior mínimo". ^{[ 8 ]}

Los sistemas de refrigeración por vigas frías requieren que el agua sea tratada por sistemas de calefacción y refrigeración. Generalmente, el agua en un sistema pasivo de vigas frías se enfría a unos 16 a 19 °C (61 a 66 °F) . ^{[ 14 ] [ 15 ]} En los sistemas activos de calefacción por vigas frías, la temperatura del agua suele ser de 40 a 50 °C (104 a 122 °F) . ^{[ 13 ]} (Los sistemas de calefacción por vigas frías generalmente no pueden depender únicamente de la convección y a menudo requieren un sistema de circulación de aire primario impulsado por ventilador para forzar el aire más caliente hacia el suelo donde la mayoría de las personas se sientan y trabajan). ^{[ 13 ]} Hay diferencias de efectividad y costo entre los sistemas de vigas pasivas y activas. Los sistemas pasivos de vigas frías pueden proporcionar alrededor de 5,6 a 6,5 ​​vatios por pie (60 a 70 vatios por metro) de capacidad de refrigeración . ^{[ 8 ]} Los sistemas activos de vigas frías son aproximadamente el doble de efectivos. ^{[ 8 ]} En ambos casos, la convección es tan eficiente que la relación entre el aire entrante y el aire calentado/enfriado puede llegar a ser de 6:1. ^{[ 11 ]} Sin embargo, los estudios sobre el ahorro de costes energéticos de los sistemas de vigas frías activas frente a las pasivas siguen siendo inconclusos a fecha de 2007 y parecen depender en gran medida del edificio específico. ^{[ 8 ]}    

Una consideración importante en la implementación de sistemas de vigas frías es la cantidad de aire que se deberá suministrar a una zona según los requisitos del código (que los sistemas de vigas frías podrían no poder cumplir) y los requisitos de deshumidificación. Las escuelas, oficinas y hoteles/residencias estudiantiles son tres tipos de programas que pueden beneficiarse del uso de vigas frías, ya que el espacio reducido del plenum permite techos más altos y la menor cantidad de ventilador reduce los niveles de ruido, lo cual es beneficioso para el aprendizaje, el trabajo y el sueño. Por el contrario, las habitaciones de pacientes de hospitales requieren niveles más altos de calidad del aire y, por lo tanto, necesitan más ventilación que carga de refrigeración y calefacción de la que un sistema de vigas frías puede proporcionar. ^{[ 12 ]}

La principal ventaja del sistema de vigas frías es su menor costo operativo porque el sistema requiere mucha menos energía para proporcionar el mismo efecto de calefacción y refrigeración que un sistema HVAC de aire tradicional. El agua puede proporcionar la misma capacidad de refrigeración que el aire sin necesidad de enfriarse a temperaturas tan bajas, ahorrando energía. ^{[ 15 ] [ 17 ]} Debido a que la refrigeración y la calefacción del aire ya no están vinculadas a la entrega de aire, los edificios pueden ahorrar dinero al hacer funcionar menos ventiladores de circulación de aire a velocidades más bajas. ^{[ 8 ]} Una estimación sitúa la cantidad de aire manejado entre un 25 y un 50 por ciento menos utilizando sistemas de vigas frías. ^{[ 11 ]} Al dirigir la entrega de aire exterior limpio donde se necesita (en lugar de inyectarlo en todo el sistema para calentar y enfriar), hay una menor necesidad de tratar grandes cantidades de aire exterior (lo que ahorra dinero). ^{[ 8 ]} En un caso, el Edificio de Ciencias Genómicas de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill redujo sus costos de HVAC en un 20 por ciento con un sistema de vigas frías activas. ^{[ 18 ]} Este es un ahorro típico en costos de energía. ^{[ 8 ]} Los sistemas de vigas frías también tienen algunas ventajas, ya que son casi silenciosos, ^{[ 11 ]} requieren poco mantenimiento y son altamente eficientes. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Los sistemas HVAC tradicionales impulsados ​​por ventiladores crean velocidades de aire algo más altas, ^{[ 20 ]} que algunas personas encuentran incómodas. Los sistemas HVAC de vigas frías también requieren menos espacio en el techo que los sistemas HVAC de aire forzado, lo que puede resultar en alturas de edificios más bajas y techos más altos. ^{[ 15 ] [ 17 ]} Dado que no requieren altos flujos de aire forzado, sí requieren redes de conductos de distribución de aire reducidas (lo que también ayuda a reducir el costo). ^{[ 15 ] [ 17 ]}

Los sistemas de vigas frías no son la solución definitiva. Puede ser necesario un sistema de conductos adicional para cumplir con los requisitos mínimos de aire exterior. ^{[ 8 ]} Ambos tipos de sistemas de vigas frías son menos eficaces para calentar que para enfriar, y a menudo se necesitan sistemas de calefacción suplementarios. ^{[ 8 ]} Los sistemas de vigas frías no se pueden usar solos en edificios con techos de más de 2,7 metros (8,9 pies) de altura , porque el aire no circulará correctamente. ^{[ 13 ]} En estos casos, se debe emplear un sistema de circulación de aire forzado. Las vigas frías no suelen tener un sistema de drenaje de condensado, por lo que si la temperatura del agua es demasiado baja o la humedad es alta, puede producirse condensación en la viga, lo que da lugar a un problema conocido como "lluvia interna". ^{[ 17 ] [ 19 ] [ 21 ]} (En algunos casos, el aire exterior más seco se puede mezclar con el aire interior más húmedo para reducir los niveles de humedad interior manteniendo el rendimiento del sistema). ^{[ 11 ]} Los sistemas de vigas frías no se recomiendan para áreas con alta humedad (como teatros, gimnasios o cafeterías). ^{[ 17 ]} Debido a que son menos eficaces para enfriar, los sistemas pasivos de vigas frías generalmente no son adecuados para climas semitropicales y tropicales. ^{[ 8 ]} Los hospitales generalmente no pueden usar sistemas de vigas frías debido a las restricciones en el uso de aire recirculado. ^{[ 11 ]} También se sabe que los sistemas de vigas frías causan una circulación de aire notable que puede hacer que algunas personas se sientan incómodas. ^{[ 9 ]} (Los dispositivos pasivos de desviación de aire pueden ayudar a interrumpir estos patrones de aire, aliviando el problema.) ^{[ 22 ]} Algunos diseñadores han descubierto que ampliar los conductos alrededor de los sistemas activos de vigas frías para aumentar la circulación del aire provoca ecos en las áreas de trabajo y amplifica el sonido del agua moviéndose a través de las tuberías a niveles perceptibles. ^{[ 11 ]} Dado que las vigas frías son sistemas basados ​​en agua, las tuberías (tanto de suministro como de retorno) y las válvulas de control deben instalarse en campo para distribuir el agua fría a múltiples vigas en cada espacio del edificio. Esto aumenta los costos de instalación, al tiempo que aumenta el riesgo de fugas de agua debido al aumento de las conexiones de tuberías. ^{[ 8 ]} 

Se ha comprobado que las vigas frías logran una uniformidad térmica aceptable (un estudio de Rhee et al. encontró que la diferencia térmica vertical es menor a 1 °C utilizando un caudal de aire pequeño, lo que ahorra energía). Pero alrededor de las zonas perimetrales, la carga de refrigeración aumenta, lo que provoca un impacto negativo en la uniformidad térmica. ^{[ 23 ]} Una solución para esto, utilizada por algunos diseñadores, es instalar un sistema de vigas frías alrededor del perímetro del edificio (donde las diferencias de temperatura pueden ser mayores) y otro en el interior del edificio, para controlar mejor la temperatura en toda la estructura. ^{[ 11 ]}

La viga refrigerada multiservicio es una forma relativamente nueva de viga refrigerada. Desarrollada en 1996, incorpora cableado eléctrico y computarizado, iluminación, sensores de detección de movimiento y rociadores en la unidad de viga refrigerada. ^{[ 24 ]} La viga refrigerada multiservicio se instaló por primera vez en el edificio de Barclaycard en Northampton , Inglaterra , pero desde entonces se ha utilizado en la sede de Lloyd's Register ( Londres ), Airbus UK ( Bristol ) y la Autoridad del Gran Londres ; Riverside House (Londres); Empress State Building (Londres); 55 Baker Street (Londres) ^{[ 25 ]} y 101 New Cavendish Street (Londres). ^{[ 24 ] [ 26 ]}

En 2007, los sistemas HVAC de vigas frías se utilizaban más ampliamente en Australia y Europa que en Estados Unidos. ^{[ 8 ]} Pero el sistema ha tenido un mayor uso en los mercados estadounidenses desde 2020. ^{[ 27 ]} En Australia, el sistema se utilizó por primera vez en 30 The Bond, Sydney, que fue el primer edificio en Australia en obtener la calificación de 5 estrellas ABGR. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Los sistemas HVAC de vigas frías se han utilizado en la Terminal 5 de Heathrow ^{[ 30 ]} y en el Constitution Center (el edificio de oficinas privadas más grande de Washington, DC). ^{[ 31 ]} El sistema también ha tenido un uso destacado en la Harvard Business School , el Wellesley College y la sede estadounidense de la compañía farmacéutica AstraZeneca . ^{[ 31 ]}

• Awbi, Hazim B. Ventilación de edificios. Florence, Ky.: Taylor & Francis, 2003.
• Beggs, Clive. Energía: Gestión, suministro y conservación. Londres: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2009.
• Geary, Matthew. Propuesta final preliminar: Rediseño del sistema mecánico y temas generales. Hospital Butler Memorial: Nueva torre de hospitalización. Proyecto final de grado – Opción mecánica. Facultad de Ingeniería. Universidad Estatal de Pensilvania. 10 de diciembre de 2010.
• Gelfand, Lisa y Freed, Eric Corey. Arquitectura escolar sostenible: diseño para escuelas primarias y secundarias. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010.
• Hall, F. y Greeno, Roger. Manual de instalaciones de edificios. Londres: Butterworth-Heinemann, 2009.
• Hamilton, D. Kirk y Watkins, David H. Diseño basado en la evidencia para múltiples tipos de edificios. Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2009.
• Hare, Nicholas y Fisher, Peter. «Oficinas especulativas en Milton Keynes». En Arquitectura, ciudad, medio ambiente: Actas de PLEA 2000. Koen Steemers, ed. Londres: James & James, 2000.
• Hundy, GF; Trott, AR; y Welch, T. Refrigeración y aire acondicionado. Boston: Butterworth-Heinemann/Elsevier, 2008.
• Levermore, GJ. Sistemas de gestión energética de edificios: aplicaciones para sistemas HVAC de bajo consumo energético y control de ventilación natural. Florence, Ky.: Taylor & Francis, 2000.
• Mumovic, Dejan y Santamouris, M. Manual de diseño e ingeniería de edificios sostenibles: un enfoque integrado de la energía, la salud y el rendimiento operativo. Sterling, Virginia: Earthscan, 2009.
• Oughton, DR; Hodkinson, S., y Faber, Oscar. Calefacción y aire acondicionado de edificios de Faber & Kell. Londres: Butterworth-Heinemann, 2008.
• Sisle, Ellen; Leonard, Paul; y Weiss, Jonathan A. Diseño sostenible de laboratorios de investigación: planificación, diseño y operación. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010.