Contención y control del flujo de aire en el plafón

El movimiento del aire dentro de un espacio con el propósito de calentar, enfriar y ventilar es fundamental para el diseño de edificios modernos.

La conciencia de cómo se mueve el aire dentro y entre los espacios también está aumentando a medida que los diseños se adaptan a la pandemia actual de COVID-19, se preparan para la posibilidad de pandemias futuras y crean espacios más saludables en general. Este informe explora las ventajas de reducir las fugas a través del nivel de plafón, lo que permite a los diseñadores y administradores de edificios controlar mejor su espacio.

En muchos espacios (tales como hospitales, salas blancas, áreas que albergan equipos sensibles, espacios para personas mayores, salas de enfermería laboral, vestuarios, etc.), el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés) también necesita un diseño que pueda controlar cómo el aire pasa en cascada (en secuencia) a través de las diferentes salas. El objetivo es evitar que haya contaminación cruzada en áreas sensibles. La conciencia de cómo se mueve el aire dentro y entre los espacios también está aumentando a medida que los diseños se adaptan a la pandemia actual de COVID-19, se preparan para la posibilidad de pandemias futuras y crean espacios más saludables en general.

Uno de los métodos que utilizan los diseñadores para controlar cómo el aire pasa en cascada entre salas y espacios es la presurización. Esto incluye aportar un exceso de aire en algunos espacios y un déficit en otros. Esta presurización, sin embargo, puede crear otras vías para el transporte del aire que pueden no estar previstas, como a través de muros y plafones, potencialmente hacia plenos compartidos y a través de pasillos. El grado de “flujo de presurización” logrado dependerá de los acabados del espacio, incluidas las puertas, las placas de plafón, la estructura del muro, etc., así como de la cantidad de aire excesivo o deficiente proporcionado; por ejemplo, el grado de presurización del espacio. El diseño mecánico determinará en gran medida la vía de aire en cascada, pero no siempre la controlará. El aire tomará el camino más fácil hasta su destino. El flujo pasará de una zona de alta presión a una de baja presión en un edificio a través de la vía, lo que generará menos pérdida de presión. Por lo tanto, mientras que el diseño mecánico puede tomar una vía de flujo, el aire puede tomar otra.

Dado que la cascada de aire es importante, es útil saber bien cómo se desplaza de zonas de alta a baja presión. A pesar de la falta de control y la incertidumbre descritas anteriormente, podemos estimar la porción del flujo de presurización que sale de cualquier espacio a través de diferentes vías. Estas vías incluyen puertas, muros y el plafón. Esto significa que si se presuriza una sala con el objetivo de que el aire pase en cascada a través de la puerta hacia la zona adyacente a un ritmo determinado, es posible analizar las presiones y los flujos para confirmar que se logre dicho objetivo. Así, se puede determinar cuánto del exceso de aire de presurización suministrado a un espacio puede salir a través de la puerta, del plafón o de los muros. Es probable que si uno le preguntara a un diseñador mecánico si pensaba que controlar la cascada de flujo era una buena idea para un espacio sensible, diría que sí y que, de hecho, es una práctica. Esto significa que es útil comprender y controlar los flujos involuntarios a través de delimitaciones que no están destinadas a ser vías de flujo. Este documento tiene como objetivo demostrar cómo la estructura mejorada de las placas de plafón y los sistemas de plafones pueden generar una mejor cascada de presión a través de diferentes niveles de estanqueidad.

Los sistemas de ventilación pueden proporcionar presurización positiva o negativa al equilibrar la cantidad relativa de aire suministrado con la cantidad que sale o regresa del espacio. Para una sala presurizada positivamente (Figura 1), se suministra más aire que el que sale. El exceso de aire que no tiene a dónde ir empuja el interior del espacio y la presión en la sala se acumula hasta que el aire comienza a filtrarse a través de los plafones, muros, debajo de las puertas, alrededor de las ventanas y a través de accesorios como luces, tuberías de rociadores, ductos, conductos, etc. Los efectos opuestos ocurren en un espacio presurizado negativamente, donde se suministra menos aire del que sale o regresa. Esto disminuirá la presión en la sala y el sistema de escape extraerá desde el interior de la sala hasta que el aire comience a filtrarse desde las zonas adyacentes.

Hay muchos tipos diferentes de espacios donde se requiere presurización y muchos más donde también podría ser útil. Estos incluyen salas blancas, hospitales (salas de entorno de protección y salas de aislamiento), laboratorios, espacios vitales para personas mayores, salas de enfermería laboral, vestuarios, salas de control de fabricación, etc. En ciertos climas, la presurización se usa para reducir la infiltración en los edificios y evitar problemas de humedad. La presurización en un edificio es útil porque brinda a los diseñadores una forma de controlar la dirección del flujo de aire y crear una capa adicional de separación. Por lo general, la presurización se realiza en cascada desde las áreas que deben estar limpias (positivas) hacia las que pueden estar contaminadas (negativas) (Figura 2). Por ejemplo, una sala limpia con circuitos electrónicos que tiene equipos muy sensibles estaría presurizada positivamente, mientras que un estacionamiento subterráneo estaría presurizado negativamente. En un entorno hospitalario, el aire fluiría desde los entornos de protección (positivo) donde se encuentran los pacientes vulnerables hacia las salas de aislamiento aerotransportado (negativo) donde se encuentra una persona con una infección.

En un entorno ideal, el exceso de flujo necesario para presurizar un espacio se mantendría al mínimo. Esto se debe a que más flujo se traduce en ventiladores más grandes, sistemas más grandes y más consumo de energía para la calefacción/refrigeración y climatización del exceso de aire. Si ese exceso de aire se puede reducir, mientras se cumplen los requisitos de presurización y flujo, se ahorra energía y posiblemente también costos de capital.

El área debajo y alrededor de las puertas, las pequeñas grietas alrededor de las ventanas, los pequeños huecos o imperfecciones en el cerramiento y las particiones internas y otras vías de flujo del aire contribuyen a la cantidad de flujos de presurización. En términos generales, cuanto más fugas haya en un cerramiento alrededor de un espacio, más difícil será presurizarlo. Otra consecuencia de presurizar un espacio es que puede haber pérdidas parásitas o flujos que se desplacen a partes no deseadas del edificio, por ejemplo, a un pleno o un pasillo compartido. Con la mayor conciencia actual sobre la propagación de enfermedades infecciosas, parece que limitar esta propagación potencial sería beneficioso, incluso si ese beneficio no es cuantificable con facilidad.

Las placas de plafón se utilizan en la mayoría de los diseños de espacios públicos cuando se desea ocultar el espacio sobre plafones suspendidos donde hay conductos, tuberías u otros accesorios, mientras se proporciona un acceso conveniente al espacio de arriba. Estas placas de plafón forman el plano de fuga entre el espacio ocupado y el pleno. Otros elementos en el nivel del plafón tales como luces, rejillas, rociadores, etc. contribuyen a esa fuga general. Sin embargo, las placas de plafón presentan el área de superficie más grande para posibles fugas al nivel del plafón. Este estudio se realizó para evaluar si hubo algún impacto beneficioso en la reducción de las fugas al nivel del plafón y, por lo tanto, cuál es el beneficio de proporcionar un medio para disminuir las fugas a través de las placas al aumentar el desempeño de su sellado.

Para investigar la presión y las tasas de flujo inducidas por la presurización del espacio, se utilizó una herramienta numérica detallada. En la herramienta, cada sala o subzona dentro de un espacio se modela como un nodo unido por la resistencia al flujo de aire a través de los elementos del edificio (es decir, cerramiento del edificio, particiones interiores, puertas y plafones). Cada tipo de vía de flujo se representó en el modelo, incluidas las puertas, las fugas generales a través de diferentes tipos de construcción, los espacios alrededor de los rociadores, etc. La herramienta de modelado numérico empleada en este estudio utiliza el mecanismo de resolución CONTAMW del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) para predecir las tasas de flujo y las presiones en cada elemento del edificio para las condiciones mecánicas prescritas.

Se seleccionaron tres tipos de espacios para el estudio. Cabe señalar que estos espacios se estudiaron de forma aislada y que los resultados presentados aquí son demostrativos del potencial de los plafones con fugas bajas, por lo que pueden no ser aplicables a todos los diseños. Cada diseño debe evaluarse dentro del contexto del resto del edificio. Los tres espacios estudiados fueron una sala de aislamiento de infecciones transmitidas por el aire (AIIR, por sus siglas en inglés) (Figura 3), una sala de entorno de protección (PER, por sus siglas en inglés) (Figura 3) y una serie de salas adyacentes con suministro por conductos y retorno al pleno sin conductos (Figura 4). Dado que la aplicación es un consultorio de atención médica, la intención es proporcionar al pleno un filtro de aire para reducir la carga de contaminantes potenciales que se dirigen hacia la unidad de manejo de aire (AHU, por sus siglas en inglés). Sin embargo, a medida que otras industrias buscan orientación para el diseño de la atención médica, el suministro de aire a través de conductos y la configuración del retorno sin conductos también se pueden aplicar a espacios como las salas de enfermería en escuelas o centros de vivienda para personas mayores.

Tanto para las AIIR como para las PER, el aire de suministro y de retorno se canalizan. Sin embargo, sobre la sala del paciente, el baño y la antesala, hay un pleno compartido. Cada sala de aislamiento se modeló como una sala de 30' × 20' con particiones interiores que se encuentran en el diseño típico de un hospital. El esquema de calefacción, ventilación y aire acondicionado aplicado a los modelos para las AIIR y PER se estableció para cumplir con los requisitos especificados en la norma ASHRAE 170–2017.

En cada uno de los espacios, se utilizaron valores de fuga típicos para luces, muros, puertas, rociadores y particiones de la sala. Se probaron las tasas de fuga para seis placas de plafón diferentes (Tabla 1), que van desde las típicas a las de fuga baja con juntas, para ver cómo afectaban el desempeño de presurización de los espacios. Todos los demás parámetros de fuga se mantuvieron constantes. En los casos en que las salas requirieron presurización, las tasas de flujo de calefacción, ventilación y aire acondicionado se ajustaron para lograr esa presurización dentro de una tolerancia de 0.01 psf del valor necesario.

Los resultados de los modelos para las AIIR y PER muestra una serie de resultados previstos diferentes que incluyen: la variación en el flujo a través del plafón, los flujos de calefacción, ventilación y aire acondicionado necesarios para cumplir con los niveles de presurización establecidos por los códigos, y los cambios en la presurización logrados en la sala en función del tipo de placa de plafón utilizada.

En el modelo para las AIIR, los resultados muestran que a medida que el plafón se hace más estrecho, la tasa de flujo a través de las placas del plafón se reduce (Tabla 2), lo que es un resultado previsto. Sin embargo, uno de los hallazgos es la vía que toma el aire usando las placas de plafón menos estrechas (Categoría 1). El aire sale de la antesala a través de las placas de plafón mediante el pleno hacia la sala del paciente y el baño, lo que no está previsto desde el punto de vista del diseño. Esta transferencia de aire a través del pleno del plafón implica el riesgo de que los contaminantes entren en el espacio vacío del plafón y también puedan salir.

Con placas de plafón más estrechas (Categoría 3C), se reduce el flujo de aire necesario para presurizar el espacio. La presión en la sala también aumenta, lo que podría justificar reducciones en el flujo. Tanto las fugas de plafón reducidas como los resultados de la tasa de flujo mecánico muestran el beneficio de ajustar el plafón (Categoría 1 en comparación con Categoría 3C) desde un punto de vista de operación mecánica; es decir, flujos reducidos (la presión en el plafón pasó de 38 cfm a 5 cfm) y una presurización más fácil (una reducción en el flujo de calefacción, ventilación y aire acondicionado de 10 cfm). La Figura 5 muestra los flujos a través de la AIIR para los tipos de placas de plafón de Categoría 1 y 3C como ejemplo.

En la PER, los resultados también muestran una reducción en las pérdidas parásitas (71 cfm para la Categoría 1 en comparación con 8 cfm para la Categoría 3C) con placas de plafón más estrechas, así como un mejor control en las vías de fuga. Las fugas de las placas de plafón típicas (Categoría 1) son incluso mayores en comparación con la fuga de la AIIR correspondiente a través del plafón. Esto se debe a que el aire se desplaza hacia el baño como y la antesala (Tabla 3) desde la sala del paciente a través del pleno. Al igual que en la AIIR, los flujos necesarios para mantener la presurización también se reducen con el plafón más estrecho (en 15 cfm). La Figura 6 muestra los flujos a través de la PER para los tipos de placas de plafón de Categoría 1 y 3C como ejemplo.

En la serie de salas adyacentes con suministro de aire por conducto y retorno sin conducto, no hay presurización. Sin embargo, debido al retorno sin conducto, existe la posibilidad de que el aire pase por alto las rejillas de retorno (y los filtros, si corresponde) y se filtre a través del plafón hacia el pleno compartido. Los resultados muestran que el flujo de fuga del plafón disminuye con las placas de plafón más estrechas (Tabla 4). La Figura 7 muestra los flujos a través de la PER para los tipos de placas de plafón de Categoría 1 y 3C como ejemplo. En este caso, la motivación para la instalación de un plafón más estrecho podría implicar el aseguramiento de que el aire pase a través de la rejilla del plafón. Para la Categoría 1, aproximadamente el 68% del flujo pasó por la rejilla, mientras que para la Categoría 3C, pasó aproximadamente el 95% del flujo.

La instalación de placas de plafón más ajustadas para la AIIR y la PER debería reducir el riesgo de que se produzcan fugas parásitas a través del nivel del plafón. En el presente estudio, en el caso de las placas típicas (Categoría 1), el aire pasó de una sala a otra a través de las placas de plafón mediante el pleno y volvió a la zona ocupada a través de dichas placas de plafón. Esta vía de fuga se redujo en gran medida con placas de fuga baja (Categoría 3). La reducción de esta fuga parásita ayudará a mantener los espacios divididos separados desde una perspectiva de control de flujo y reducirá el riesgo de que ingresen contaminantes al espacio por encima del plafón y, luego, vuelvan a la zona ocupada. Esto es cada vez más preocupante debido a la propagación de enfermedades infecciosas en espacios como el virus que causa la COVID-19.

También se espera que la hermeticidad de las placas del plafón afecte las tasas de flujo netas necesarias para lograr las diferencias de presión objetivo entre una sala con requisitos especiales de presurización y los espacios adyacentes. Se espera que la instalación de placas de plafón más estrechas reduzca los requisitos de flujo neto y, por lo tanto, haga que la presurización sea más eficiente en términos de consumo energético. Para los escenarios de las AIIR y PER estudiados, se ahorraron alrededor de 10-15 cfm de aire utilizando placas de plafón más estrechas. Estos valores representan una parte del porcentaje del flujo total de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Se espera que la instalación de placas de plafón más estrechas para las salas adyacentes que comparten un retorno sin conducto reduzca la fuga de aire hacia el pleno de escape a través de dichas placas de plafón, lo que significa que una mayor parte del aire de escape pasará por las rejillas de ventilación de retorno. Así, se mejora el control del flujo dentro de las salas, lo que facilita la supervisión y el mantenimiento de la calidad del aire que entra y sale de una sala. Esto puede ser útil en varias situaciones, incluidos los casos en los que el aire que sale de una sala debe limpiarse antes de ingresar al pleno.

En general, el uso de placas de plafón con calce más ajustado con juntas (o sellos) confiables y aplicadas de fábrica les brinda al diseñador y al administrador del edificio más control, y permite que los espacios funcionen con mayor facilidad de acuerdo con su finalidad. También existe el beneficio adicional de utilizar menos energía y sistemas de calefacción, ventilacion y aire acondicionado potencialmente más pequeños para cumplir el mismo objetivo.

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