El presente artículo pretende aportar una visión de las tecnologías existentes en los sistemas de ventilación destinados a mantener unas condiciones ambientales idóneas para el ser humano. Este temario, se dividirá en dos artículos, el primero describiendo las diversas tecnologías y el segundo aportando una visión energética del conjunto.

1Introducción

En nuestra vida, estamos encerrados de 14 horas en recintos o locales que presentan una calidad de aire de 2 a 5 veces más contaminada que el del exterior.

Por ello, la renovación del aire interior es una necesidad para garantizar unas condiciones de salud y bien estar indispensables.  En caso de que el aire no sea renovado con regularidad, este presentará una gran variedad de contaminantes químicos.

La contaminación del aire se manifiesta bajo tres tipologías que son:

• Contaminación interior propia al local: que se manifiesta por la aparición de compuestos orgánicos volátiles provenientes de perfumes, ceras, barnices, pegamentos, ácaros, entre otros.
• Contaminación interior emitida por los ocupantes que produce el aumento de la humedad, bacterias, dióxido de carbono y tabaco.
• Contaminación exterior que aporta partículas finas, polen, entre otros.

Estas sustancias pueden generar alergias, dolores de cabeza y enfermedades ligadas a una estancia prolongada.

Por lo tanto, una buena ventilación además de eliminar gran parte de estas sustancias eliminará malos olores y reducirá la humedad que puede ser fuente de daños estructurales.

A continuación, se aportan una serie de cifras con respecto al aire y la ventilación:

• El aire interior se encuentra de 2 a 5 veces más contaminado que el aire exterior.
• Un adulto respira 12,000 litros de aire por día y un niño aproximadamente la mitad.
• 40% de los locales o recintos se encuentran con problemas de humedad y moho.
• Permanecemos más de 80% de nuestro tiempo en recintos cerrados.
• 30% de las personas nacidas después de 1980 presentan algún tipo de alergia.
• El 90% del tiempo, el aire que respiramos en el interior de locales no dispone de una renovación suficiente.

2Concepto de los sistemas de ventilación

Un sistema de ventilación pretende renovar el aire interior de un recinto para garantizar unas condiciones idóneas para el ser humano.

Existen diversas tipologías de sistemas de los cuales mencionaremos los siguientes:

• Ventilación natural
• Ventilación mecánica

Ventilación natural

En la ventilación natural no existen elementos mecánicos que generan el movimiento del aire. La circulación se produce por diferencias de presión debidas al viento exterior que interactúa con las fachadas de los edificios y a la diferencia de masa volumétrica entre el aire exterior e interior. Estos efectos producen un efecto chimenea donde el movimiento del aire se realiza de forma natural.

El aire exterior, por lo tanto, se introduce al interior del edificio, por las rendijas de las puertas y ventanas de las diversas fachadas.

Estos sistemas de ventilación no disponen de un caudal constante y resulta complicado controlar el caudal de ventilación introducido, ya que proviene de entradas de aire no previstas a tal efecto. En este caso, este tipo de renovación de aire se denomina infiltración.

En el caso de ventilación natural diseñada a tal efecto, se dispone de rejillas o ductos dispuestos en diversas estancias de un edificio para permitir la circulación del aire.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• La ventilación natural no consume energía para generar una circulación del aire desde el exterior hacia el interior
• Al no disponer de elementos mecánicos tales como ventiladores, el mantenimiento resulta mínimo.

Inconvenientes

• En ciertos casos y épocas del año, esta ventilación natural, es excesiva en vista de que el caudal de renovación de aire es producido por fenómenos naturales. Este exceso de aire exterior implica un funcionamiento más prolongado o demandante de climatización o calefacción, generando un gasto energético suplementario.

Regulación de los sistemas de ventilación natural

Tal y como se ha comentado anteriormente, un descontrol del caudal de aire de ventilación puede implicar en ciertos casos un gasto de energía importante. Por ello, resulta útil poder controlar ese caudal.

Hoy en día, existen numerosas formas de poder controlar estos flujos mediante rejillas con registro regulable manual o automático, ventanas con cierre automático, entre otros. Todo ello, a través de sondas de calidad de aire (CO2), interruptores horarios, entre otros.

Ventilación mecánica

Hoy en día, la ventilación mecánica permite una renovación del aire en el conjunto de los locales de forma controlada.

El aire exterior se introduce por entradas de aire previstas a tal efecto y el aire viciado es extraído por bocas de extracción situadas en las zonas sensibles de olores o humedades.

Existen dos tipologías de ventilación mecánica:

• La ventilación mecánica de simple flujo
• La ventilación mecánica de doble flujo

Ventilación mecánica simple flujo

La ventilación mecánica simple flujo es cuando el flujo de aire introducido o extraído es realizado por medio de un equipo de ventilación mecánica.

El sistema más usual corresponde a una extracción de aire equipada de ventilador en las salas de agua tales como baños, duchas, lavandería, entre otras y la entrada se realiza por medio de rejillas ubicadas en las diversas estancias y fachadas. Esta extracción localizada genera una depresión en el conjunto del edificio produciendo la circulación del aire por todo el edificio. El ejemplo más común es las habitaciones de hoteles y oficinas.

Para que este tipo de ventilación sea funcional se deben cumplir los tres requisitos siguientes:

• Los locales húmedos deben encontrarse en depresión por lo que se debe equipar esas estancias de ventiladores o rejillas conectadas a un sistema de extracción mecánica.
• La existencia de rejillas exteriores en fachada para poder aportar el flujo de aire de renovación solicitado por el ventilador de extracción.
• La colocación de rejillas de paso entre estancias que aseguran la circulación del aire por el conjunto del edificio. 

A modo indicativo se refleja una serie de tipologías de edificios en los que el sistema de ventilación mecánica de simple flujo puede realizarse.

Entrada de aire	Pasos	Extracción
Oficinas	Pasillos	Baños
Habitaciones de hotel	Puertas de baño	Baños
Centros deportivos	Pasillos	Vestuarios
Comedor restaurante	Accesos estancias	Cocinas y/o zona de fumadores

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• La ventilación de simple flujo implica una inversión baja.
• No requiere de grandes instalaciones ni espacios técnicos específicos.
• Las conducciones de aire son muy limitadas ya que la circulación del aire se realiza directamente a través de los locales.
• Los caudales de aire son controlados a diferencia de un sistema natural.

Inconvenientes

• Este tipo de sistema de ventilación está limitado a edificios o locales de tamaño moderado, en vista de que el caudal de aire requerido para una extracción de salas húmedas no suele cubrir las necesidades de ventilación del conjunto de los locales.
• No permite la recuperación de la energía (calorífica o frigorífica) del aire extraído.
• El aire de renovación no dispone de filtración, además de que las tomas de aire suelen ser un foco de ruido molesto.
• Este sistema puede desestabilizarse en caso de que se abran ventanas o soplen vientos fuertes, generando un descontrol de los flujos de aire introducidos y extraídos.
• Los pasos entre estancias al ser de rejillas pueden generar problemas de ruido.
• Las tomas de aire pueden ser puntos de falta de confort para los usuarios ya que se introduce aire exterior que en invierno puede estar relativamente frío.

Regulación

Este tipo de sistema puede ser controlado por medio de:

• Marcha- paro
• Programador horario     
• Velocidades en el equipo para poder funcionar de forma reducida en caso de poca ocupación
• Un sistema de control de la calidad del aire interior que actué sobre la velocidad y la marcha-paro del equipo.

Ventilación doble flujo

La ventilación doble flujo consiste en introducir aire nuevo filtrado al edificio a través de un sistema de ventilación mecánica y extraer el aire viciado por medio de otro equipo de ventilación mecánico.

En la mayor parte de los casos, estos sistemas se encuentran centralizados implicando la colocación de un solo equipo compuesto de secciones de filtración, ventilador de impulsión, ventilador de extracción, baterías.

En ciertos casos, existen equipos de ventilación separados en estancias puntuales, implicando un sistema de ventilación de doble flujo descentralizado.

Estos sistemas de doble flujo tienen la ventaja de poder controlar la presión del local, implicando que en casos donde se requiera que la estancia esté en sobrepresión, se pueda realizar a través de la reducción del caudal de aire extraído del ventilador. (ejemplo laboratorios).

El aire nuevo introducido suele ser vehiculado a los diversos locales por medio de una red de ductos tanto verticales como horizontales. Para limitar su impacto visual, estos circuitos suelen estar incorporados al interior de los falsos techos.

El aire viciado extraído, se asemeja al sistema de simple flujo que requiere de una red de ductos general para la evacuación hacia el equipo extractor.

La impulsión del aire a los locales se realiza por medio de rejillas o difusores repartidos en las diversas estancias. Estas rejillas disponen de un plenum de acoplamiento para su conexionado a la red de distribución de aire. Estas rejillas para poder ser equilibradas a nivel de flujo de aire se encuentran equipadas de registros de regulación de accionamiento manual, permitiendo obstruir el paso del aire y por lo tanto disponer del caudal deseado.

Las instalaciones de doble flujo pueden acompañarse de diversos sistemas complementarios tales como:

• Sistema de recuperación de energía por intercambio entre el aire viciado extraído y nuevo.
• Sistema de tratamiento de aire térmico (calor o frio). 
• Recirculación parcial del aire viciado siempre y cuando se cumpla con la mínima exigencia de renovación y se requiera de un tratamiento de aire (frio o calor).

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Es un sistema muy controlable permitiendo disponer de un aire limpio, filtrado, precalentado o pre-enfriado y pudiendo actuar sobre la sobrepresión o depresión de las estancias.
• Este sistema permite la recuperación de la energía contenida en el aire extraído, transfiriéndola al aire nuevo introducido.
• A diferencia con el sistema de simple flujo, los problemas de ruido desaparecen.

Inconvenientes

• Se trata de un sistema de alta inversión frente a los sistemas anteriormente detallados, ya que requiere de ductos de distribución y rejillas.
• Requiere de una puesta a punto relativamente importante, ya que se deben regular los flujos de cada rejilla, implicando la actuación de numerosos operarios.
• A nivel operativo, este sistema requiere de un mayor costo de energía al duplicar los equipos de ventilación.
• Este sistema obliga una cierta estanqueidad del edificio para asegurar su correcto funcionamiento.

Regulación

Este tipo de sistema puede ser controlado por medio de:

• Marcha- paro.
• Programador horario.
• Velocidades en el equipo para poder funcionar de forma reducida en caso de poca ocupación.
• Variación de frecuencia en ambos equipos para ajustarse a las necesidades reales de renovación además de permitir el ajuste de presión en las estancias (sobrepresión o depresión).
• Un sistema de control de la calidad del aire interior que actué sobre la velocidad y la marcha-paro del equipo.

3Tipos de ventiladores

Los ventiladores son turbo máquinas cuya función es la de trasladar el aire de un punto hacia otro. Existen numerosas tipologías de equipos de ventilación, tal y como se detallan a continuación:

Ventiladores centrífugos:

En los ventiladores centrífugos, el aire sigue una trayectoria axial a la entrada y paralela a la salida del equipo. Su rodete puede ser:

El rendimiento de los ventiladores con álabes inclinados hacia adelante es de 60 a 75% mientras que los equipos con álabes inclinados hacia atrás se sitúa entre el 75 y 85%.  El equipo con alabes radiales tiene un rendimiento muy bajo, implicando su poco uso en sistemas de ventilación o acondicionamiento del aire.

Estos equipos centrífugos pueden permitir la regulación del flujo de aire mediante un álabe orientable, aunque esta técnica se encuentra actualmente sustituida por la incorporación de variadores de frecuencia.

Ventiladores axiales

En los ventiladores axiales, el aire a la entrada y salida del equipo forman una trayectoria cilíndrica coaxial.

Este tipo de ventiladores puede alcanzar rendimientos elevados (hasta los 90%). Sin embargo, estos equipos son sensibles a la velocidad de aire que incide a la entrada del ventilador.

Los ventiladores axiales permiten regular el flujo de aire con base en la variación del ángulo de las palas, o bien al ángulo de los registros ubicados tras o delante del equipo.

El uso de este tipo de ventiladores se centra en zonas donde no se puede instalar ductos.

Ventiladores transversales

En los ventiladores transversales, la dirección del aire en el rodete esté perpendicular al eje tanto a la entrada como a la salida del equipo.

Estos equipos tienen un rendimiento bajo que se sitúa por debajo de los 60% y su uso se basa en pequeños equipos de aire acondicionado tales como fan coils, cortinas de aire y pequeños climatizadores.

Ventiladores helicocentrifugos

Los ventiladores helicocentrifugos son una mezcla de tecnologías centrífugas y axiales. El aire entra de igual forma que en los equipos axiales y sale como en los ventiladores centrífugos.

4Curva de características de los ventiladores

La curva de características de un ventilador muestra los diferentes caudales que es capaz de vehicular y las presiones de funcionamiento correspondientes a esos flujos. En los ventiladores axiales, el caudal es importante y la presión relativamente baja. En los ventiladores centrífugos, las presiones son altas y los caudales bajos. En los ventiladores helicocentrífugos, se combinan ambas posibilidades otorgando caudales altos y también presiones altas.

Por lo tanto, cada tipología, dispone de una curva característica que refleja el caudal y presión disponible en puntos de funcionamiento concretos. En estas curvas existe una curva recomendable de funcionamiento, ya que fuera de ella, pueden producirse fenómenos de aumento de consumo eléctrico, de ruido y flujos de aire intermitentes.

5Leyes de los ventiladores

Las leyes de los ventiladores agrupan una serie de ecuaciones destinadas a determinar los parámetros de los puntos de funcionamiento diferentes a los efectuados en los ensayos de los equipos.

Distinguimos las siguientes leyes con base en:

Variación del diámetro:

Caudal
Presión
Potencia

Variación de velocidad

Caudal
Presión
Potencia

Variación de la densidad

Caudal
Presión
Potencia

Variación de varios parámetros

Caudal
Presión
Potencia

Variación de varias prestaciones

Diámetro
Velocidad rotacional
Potencia

Donde:

D	Diámetro hélice/rodete en m
n	Velocidad rotacional en 1/s
p	Potencia mecánica del ventilador en W
P	Presión del ventilador en Pa
ρ	Densidad del aire en kg/m³
Q	Caudal de aire en m³/s
Índice 0	Parámetros en condiciones iniciales

6Conclusiones

En este artículo, detallamos los diferentes sistemas de ventilación de aire existentes, así como la tecnología y leyes de los equipos de ventilación. En el siguiente artículo, se presentarán los diversos componentes de una instalación de ventilación y se enumerarán las posibles mejoras energéticas que se podrán integrar en las instalaciones.