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Diseño de sistemas HVAC para combatir las pandemias

Por Fred L. Marr, PE, LEED AP y James P. Gleba, PE, LEED AP, WSP, anteriormente Leach Wallace Associates, Columbia, Maryland
Febrero 2022

“Los sistemas HVAC están diseñados de manera más efectiva para satisfacer la necesidad de COVID-19”

Han pasado casi dos años desde el inicio del COVID-19 y, en ese tiempo, una increíble cantidad de conocimiento se ha desarrollado sobre el coronavirus. Desde la producción de vacunas hasta la protección personal, a la propagación de la enfermedad, la sociedad ha aprendido a lidiar con este virus. El desarrollo de la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado y las soluciones de acondicionamiento de aire podrían compararse con el desarrollo de vacunas. Así como las empresas farmacéuticas utilizaron tecnologías existentes y relativamente nuevas para desarrollar vacunas. La industria HVAC ha utilizado una estrategia similar para luchar contra COVID-19 como los “filtros de aire de partículas de alta eficiencia y la irradiación de luz ultravioleta germicida”. En la lucha contra el COVID-19, la industria HVAC ha empleado muchas estrategias diferentes y tecnologías, algunas más seguras o más efectivas o más prácticas que otras.

Aumento de la ventilación para combatir el COVID-19

Basado en el concepto de dilución, la introducción de ventilación o aire exterior en los sistemas HVAC que dan servicio a los edificios no son un nuevo concepto. El Código Mecánico Internacional, Norma ASHRAE 62.1 y otros códigos establecen requisitos para la ventilación adecuada de los edificios según la ocupación y la función. Pero el COVID-19 nos enseñó que incluso esos códigos mínimos o los estándares pueden no ser adecuados para la protección de los ocupantes del edificio según el tipo de sistema HVAC utilizado o la viralidad de un patógeno específico como un nuevo coronavirus. Casi todos los sistemas HVAC requieren aire forzado para lograr el objetivo de enfriar y ventilar los espacios a los que sirven, y el aire exterior es un componente crítico de ese objetivo. Garantizar el suministro adecuado de ese aire de ventilación o incluso el aumento potencial de la cantidad de ventilación se vuelven más importantes que nunca con el COVID-19. Para diseños de sistemas HVAC actuales y futuros, brindando la oportunidad de aumentar la ventilación podría ser el medio para ganar la batalla contra la próxima pandemia con una filosofía de diluir el virus con grandes cantidades de aire exterior. Existen desventajas obvias de esto, que incluyen un aumento de uso de energía para calentar o enfriar el aumento del aire libre. Las tecnologías existentes para la recuperación de calor pueden minimizar e incluso reducir la cantidad de energía utilizada para acondicionar el componente de aire de ventilación.

Distribución y caudal de aire en sistemas HVAC

La distribución de aire acondicionado en cualquier construcción juega un papel importante en el mantenimiento de la buena calidad del aire interior y en el caso del control de patógenos, esta distribución es crítica. Tomando lecciones de algunos de los espacios más críticos diseñado por ingenieros, las filosofías de distribución de aire tomadas de los hospitales pueden proporcionar lecciones importantes. En los hospitales, el flujo de aire va de áreas limpias a menos limpias es fundamental para controlar las infecciones. En el caso de los quirófanos, el aire filtrado y acondicionado normalmente se introduce a través de dispositivos de flujo de aire laminar al nivel del techo. Como el aire fluye hacia abajo y sobre el cirujano, las enfermeras y el paciente, este aire es dirigido a las esquinas opuestas del quirófano y recogido en las rejillas de retorno cerca al suelo y devuelto a la unidad de tratamiento de aire en la UTA (unidad de tratamiento de aire), cierta porción del aire es expulsado del edificio, el aire fresco es introducido, el aire mezclado se acondiciona y luego es filtrado a través de filtros MERV 14 (mínimo) para ser reintroducido en el quirófano. Para otros espacios menos críticos, el aire todavía se distribuye al nivel del techo, pero luego devuelto desde el nivel del techo (ver Figura 1).

Figura 1

Desde una perspectiva de diseño, entender la distribución y el flujo de aire en cualquier espacio es un aspecto importante del diseño. ingenieros de diseño debe preguntarse constantemente cómo distribuir el aire a espacios específicos y determinar la mejor manera de introducir y devolver el aire de esos espacios. Tomar una lección del diseño de sistemas HVAC para espacios críticos, viendo el flujo de aire de limpio a menos limpio pueden ser una forma efectiva de limitar el potencial de transmisión de patógenos. El funcionamiento del sistema AHU (manejadora de aire) como se hace referencia al anterior es casi idéntico en las aplicaciones que sirven a muchas ocupaciones diferentes en el entorno construido. Para aplicaciones de atención médica, las diferencias se pueden encontrar en los tipos y niveles de filtración. Y la capacidad del sistema para acondicionar y mover grandes cantidades de aire.

Desde la perspectiva de la filtración, espacios dedicados a la atención, tratamiento y diagnóstico del paciente hospitalizado debe ser atendido por dos bancos de filtros, el primero con una clasificación mínima de filtro MERV 7, ubicado aguas arriba de cualquier serpentín de calentamiento o enfriamiento de tal manera que todos se mezclen, se trata el aire. El segundo banco de filtros, aguas abajo de todos los serpentines de enfriamiento de aire húmedo y el ventilador de suministro, debe ser MERV 14 o mejor. Este segundo banco de filtros garantiza que se distribuya el aire más limpio a los espacios de atención de pacientes hospitalizados. Las clasificaciones del filtro son la clave para proporcionar aire limpio y acondicionado. Los filtros MERV 7 tienen éxito en detener más del 90% de las partículas que son más grandes que 3.0 micras de diámetro. Estos filtros normalmente capturan esporas de moho, polvo y polen.

Los filtros MERV 14 atrapan más del 98 % de todas partículas mayores de 0.3 micras de diámetro y captura bacterias, núcleos de gotitas y la mayoría del humo del tabaco. Muchas UTA que atienden espacios críticos en los hospitales están equipados con conjuntos de marcos de filtros que aceptará archivadores MERV 15 o superiores, también conocidos como filtros HEPA. Los filtros MERV 15 retienen una cantidad mayor que 99% de todas las partículas de 0.3 micras de tamaño o más. Como parte de su respuesta a la pandemia de COVID-19, ASHRAE brindó orientación técnica para estándares de filtración y desinfección asociados con gotitas respiratorias y núcleos de gotitas. En su respuesta COVID-19, ASHRAE declaró: «La investigación ha demostrado que el tamaño de partícula del SARS-CoV-2 el virus es de alrededor de 0.1 μm (micron). Sin embargo, el virus no viaja por el aire por sí mismo. Ya que es generado por humanos, el virus queda atrapado en gotitas respiratorias y núcleos de gotitas (gotitas respiratorias secas) que son predominantemente de 1.0 μm de tamaño y más grande.”

Gotitas respiratorias y núcleos de gotitas 1.0 μm en tamaño y más grandes normalmente no viajan grandes distancias y por peso caen al aire en distancias cortas y son atrapados más fácilmente por los medios filtrantes. Al comprender la naturaleza de la transmisión de un patógeno específico, en este caso Sars-CoV-2, la capacidad de instalar y/o usar filtros MERV 14 o mejores, puede ser una forma efectiva para los diseñadores de sistemas HVAC para capturar y potencialmente controlar eso y futuros patógenos. Sin embargo, el aumento de la eficiencia del filtro mecánico conduce a un aumento de la caída de presión, lo que puede conducir a una disminución en el flujo de aire y más uso de energía por parte del conjunto del ventilador para superar el aumento de la resistencia del filtro.

Se debe tener una cuidadosa consideración en el diseño de futuros sistemas preparados para pandemias, pero como mínimo, el uso del filtro de clasificación MERV más alto puede proporcionar resultados en el control de patógenos en los sistemas HVAC dependiendo de los parámetros de aire y presurización dentro de edificios específicos.

Agregar iluminación UVGI a los sistemas HVAC

Los dispositivos UVGI se han aplicado en el pasado dentro de las UTA para controlar el crecimiento de moho y bacterias. Por lo general, una serie de luces UVGI brillan luz UV-C continuamente en los serpentines de enfriamiento para irradiar y desinfectar la superficie del serpentín con el tiempo, y tiene a ser utilizado para controlar el crecimiento de moho, pero no para desinfectar el aire. Esta tecnología también se ha utilizado para conductos de irradiación y medios filtrantes. Una consideración de diseño importante con la iluminación UVGI es la intensidad de la fuente de luz UVGI y la duración de la exposición de un patógeno a esa fuente como una tasa de mortalidad puede verse muy afectada por esos factores. El documento de posición de ASHRAE sobre filtración y la limpieza del aire indica: “La experiencia sugiere que el control de una corriente de aire en movimiento no proporciona tasas de matanza favorables debido a la corta permanencia de tiempo (del aire en el rango de la luz ultravioleta)”.

ASHRAE recomienda además que los dispositivos UVGI deben combinarse con la filtración mecánica de calificación MERV más alta como práctica de uso del sistema UVGI, debe ser cuidadosamente considerado y diseñado para proporcionar la máxima eficacia. La velocidad de la corriente de aire a través del filtro o del serpentín de enfriamiento debe entenderse completamente como se necesita proporcionar una mayor intensidad de UVGI para ser eficaz contra un patógeno como el COVID-19. Cuando se combina con un conjunto de filtro MERV, el filtro los medios filtrantes también deben ser seguros para la exposición a la luz UV-C.
En la misma línea de pensamiento de UVGI en UTA, los dispositivos UVGI de la habitación en la parte superior crean una zona de irradiación con luz UV-C (200 a 280 nanómetros) en áreas con techos altos. Una aplicación como esta puede desinfectar el aire de la habitación a medida que circula por la habitación por el sistema HVAC. Esta aplicación puede ser un suplemento para desactivar y destruir el COVID-19 si aumentar la ventilación de la habitación no es una opción.

La luz UV-C es dañina para los tejidos humanos y cualquier sistema UVGI debe instalarse en el lugar adecuado altura y en estricta conformidad con las recomendaciones de los fabricantes. Operaciones de pandemia otro factor importante en el diseño del sistema HVAC para combatir futuras pandemias es la idea de que el sistema HVAC debe ser flexible en su funcionamiento.

El uso de estrategias de volumen de aire variable permite que el sistema HVAC reaccione a la demanda de cargas de calefacción o refrigeración, índices de ventilación u ocupación. Un sistema VAV también proporciona flexibilidad para la mitigación de la pandemia, ya que puede ajustar con rapidez y precisión a las condiciones cambiantes. Este puede ser extremadamente beneficioso cuando las influencias externas exigen que el sistema HVAC reaccione de manera diferente. Además del uso de sistemas VAV, existen varios enfoques de diseño que se pueden implementar para uso futuro o activación para combatir una pandemia como el COVID-19.

Enfoques como el que integra un sistema de escape dedicado o uno donde automáticas secuencias de control de temperatura permiten que el sistema HVAC pueda operar temporalmente en un 100% al aire libre el modo aire podría ser esencial para controlar la próxima pandemia. Cuestiones de diseño tales como cómo integrar un ventilador de escape dedicado en el sistema HVAC o cómo proporcionar refrigeración y calefacción adecuadas la capacidad para un modo de aire exterior al 100 % debe ser considerado, pero no debe ser un obstáculo para la implementación estrategias similares.

Desde el punto de vista de las operaciones, desarrollar estrategias que aíslan partes de un edificio o crean áreas donde el aumento de la ventilación o escapes pueden mantener las tasas que son beneficiosas en la lucha contra una futura pandemia (ver Figura 2).

Designing HVAC systems to combat

Figura 2

Retro-puesta en marcha, pruebas y equilibrado, recalibración HVAC

Típicamente, en edificios comerciales el principal propósito del equilibrio HVAC es proporcionar una adecuada distribución del aire para evitar quejas de confort de los ocupantes por temperatura, ruido o corrientes de aire. Verificación de tasas de ventilación y presurización del espacio en estos edificios, aunque requerido por los códigos de construcción, generalmente no se consideraban críticos para ocupantes del edificio y personal de las instalaciones. La documentación y la verificación rutinaria de las tasas de ventilación y presurización fue generalmente para atención médica, laboratorio y otros tipos especiales de edificios o programas con requisitos reglamentarios o de la industria para dicha documentación. Más recientemente, el espacio crítico periódico los servicios de prueba para ocupaciones de atención médica han ser requerido para la acreditación de esos establecimientos de atención. Al considerar la importancia de la operación del sistema HVAC en la mitigación de una pandemia, estrategia, prueba del sistema HVAC, balanceo y puesta en marcha adquiere mayor importancia para todos tipos de edificios.

Diseño y operación de sistemas HVAC para la mitigación de una pandemia a menudo requerirá cambios en ventilación, relaciones de presurización del espacio y/o o métodos de filtración en forma temporal o de “oleada” base o modificaciones a los sistemas existentes que operar en forma permanente. En cualquier caso, una vez el sistema HVAC está instalado o modificaciones a los sistemas existentes completados, equilibrio del sistema y la puesta en servicio son necesarios para verificar que las mayores tasas de ventilación y presurizaciones del espacio se han logrado y que las estrategias de control para mantener los sistemas en funcionamiento funcionen correctamente. La instalación de medios de filtración adicionales o equipo también afectará la operación de los equipos existentes HVAC y prueba posterior a la instalación y se requiere equilibrio para confirmar que el flujo de aire del sistema, capacidades no se han visto afectadas por el sistema de filtración Una prueba completa y detallada. Y el informe de balance de aire que proporciona una tabla de resumen e indica el intercambio de aire real medido en la habitación, tasas (medidas en cambios de aire por hora) y presurización. Las relaciones son esenciales para construir propietarios y operadores para demostrar las medidas para proteger a los ocupantes durante una pandemia. Los sistemas y equipos HVAC son dinámicos y están cambiando constantemente según las solicitudes del ocupante y basadas en condiciones ambientales interiores y exteriores. condiciones, por lo que después de que los sistemas son inicialmente construido y probado, pruebas de seguimiento de rutina es necesario para verificar que los sistemas continúan operarando según lo previsto para la mitigación de la pandemia.

Muchas instalaciones críticas como hospitales y laboratorios están obligados a realizar pruebas anuales de los sistemas para verificar el funcionamiento, las tasas de ventilación y presurizaciones espaciales. Esta misma estrategia también debe ser aplicadas a los sistemas HVAC diseñados para operar para la mitigación de la pandemia como confirmación de que las estrategias de mitigación de los sistemas HVAC permanecen en operación.