Este es un repaso que cuenta cómo ha avanzado la tecnología en sistemas de bombeo hacia soluciones que incentivan el ahorro de energía y la eficiencia operativa del proyecto.
por Alfredo Sotolongo*
¡La energía más económica de producir es la que se ahorra!
Entre los progresos más trascendentales de nuestra industria se encuentra la evolución de la tecnología de bombeo de agua tanto fría como condensación, lo cual ha logrado sistemas con óptimo rendimiento. Considero que es importante mencionar la historia del desarrollo de dichos sistemas.
Por supuesto, no me voy a remontar a la época del muy conocido matemático e inventor Arquímedes. Quién alrededor de los años 200, antes de Cristo, desarrolló el tornillo de Arquímedes, que es un tornillo dentro de un tubo inclinado el cual, al rotar, transporta agua desde un nivel más bajo hasta un nivel más alto, como aparece en la Figura 1. Este concepto se usa aún hoy en día en sistemas de regadíos y sobretodo en Holanda, para drenar los campos inundados.
Figura 1. Tornillo de Arquímedes.
De 1950 a 1990
La energía eléctrica en los años 50, debido a su bajo costo, no era un factor determinante. Un sistema típico de aire acondicionado utilizando agua fría se controlaba con válvulas de 3 vías instaladas en los serpentines de las unidades de aire. Estas modulaban el agua permitiendo que pasara por el serpentín solamente la cantidad de agua necesaria para compensar la carga térmica de cada unidad.
Las bombas de agua operaban a velocidad constante manejando el 100% del caudal necesario a máxima carga. Esto causaba que el agua regresara al enfriador (chiller) a temperaturas muy cerca de la temperatura de salida, lo cual resultaba en una operación ineficiente ya que al ser el volumen constante no se ahorraba energía cuando se encontraba el sistema a cargas parciales.
En muchas instalaciones las bombas eran seleccionadas para capacidades mayores a las necesarias, práctica que ha seguido a través de los años. Esto contribuye al desperdicio de energía ya que para balancear el sistema le aumentan la caída de presión para reducir el caudal adicional en el cual se basó el diseño original.
De 1990 a 2000
En los años 90, con el aumento del costo de la energía, fue necesario poder ajustar el caudal de agua y adaptarlo a la carga térmica en cada momento de la operación del sistema. Se empezaron a ver los variadores de frecuencia VFD instalados en las paredes para modular los motores de las bombas y llevarlos a mover el caudal de agua mínimo necesario. Localizar el variador de frecuencia cerca del motor de la bomba era muy importante ya que los VFD afectaban el aislamiento térmico del embobinado de los motores.
Este aumento del costo de la energía obligó a los ingenieros consultores a diseñar sistemas de aire acondicionado que minimizaran el desperdicio de energía. Se introducen las válvulas de 2 vías, que cuando bajaba la carga térmica el termostato cerraba proporcionalmente la válvula reduciendo el caudal hacia el serpentín de la unidad y aumentaba el diferencial de presión. Utilizando variadores de frecuencia que recibían señales de sensores de diferencial de presión, cuando el diferencial aumentaba por el efecto de cerrar las válvulas, estos reducían las revoluciones por minuto (RPM) del motor, el caudal de agua y por ende, el consumo eléctrico del motor.
En realidad, este arreglo no satisfacía la norma de ASHRAE 90.1, que requiere que se reduzca 70% de la potencia del motor cuando se reduce 50% la carga térmica. Sin embargo, ya se empezaba a detectar un ahorro considerable al adaptar proporcionalmente el caudal del agua a la carga térmica y no bombear el caudal constante a 100%.
Principio de los 2000
Para cumplir con la norma de ASHRAE 90.1 la empresa Armstrong Fluid Technology desarrolla el concepto “Design Envelope”. En el mismo, el variador de frecuencia montado en el motor de la bomba y sin necesitar sensores de diferencial de presión logra reducir el 70% de la potencia del motor cuando la carga térmica baja al 50%. A través de un algoritmo programado en el VFD, donde se incluye el comportamiento de la bomba, este compara el consumo eléctrico y las revoluciones del motor a cada instante con lo que corresponde al verdadero comportamiento de la bomba, ajustando el motor para optimizar su operación.
Finales del 2017
Con la introducción del nuevo desarrollo, “Design Envelope Tango”, utilizando motores ECM y sus algoritmos para bombas con motores hasta 10HP, Armstrong ha logrado eficiencias aún mejores que las que requiere ASHRAE 90.1 en el rango de reducciones de 80% y hasta más en muchos casos, para bombas relativamente pequeñas.
¿Qué nos depara el futuro?
Con los avances tecnológicos que ya existen y los que se están desarrollando, podemos ver que la tendencia es minimizar aún más el consumo de energía, pero a la misma vez, simplificar los sistemas de bombeo de agua y reducir su costo inicial.
De necesitar más información de cualquiera de los temas tratados en esta columna, favor de comunicarse conmigo al correo: [email protected]
* Presidente de Protec, Inc., está certificado como ingeniero profesional en Puerto Rico y en el estado de la Florida; tiene más de 40 años de experiencia en la aplicación y venta de sistemas y equipos para la conservación de energía. Es miembro de ASME (American Society of Mechanical Engineers), AEE (Association of Energy Engineers), ASHRAE y fue presidente del capítulo Miami de dicha asociación.
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