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Síndrome de Bajo Delta T: enemigo silencioso (II)

Continuamos con la segunda parte de este interesante artículo que hace referencia sobre el correcto seguimiento al comportamiento del Delta T en los sistemas de aire acondicionado que usan agua helada.

por Julio Londoño*

La implementación de válvulas independientes de presión es un paso adelante en tecnología comparado con el uso  del conjunto -válvula de control por posición + válvula de balanceo automático- y es la solución más adecuada para sistemas de flujo variable. 

El beneficio más grande de las válvulas independientes de presión es que simultáneamente ofrecen control y balanceo. Así para una posición dada de la válvula el flujo siempre será el mismo sin importar las variaciones de presión en el sistema. Por esta razón también son llamadas válvulas de control por flujo. Además de eliminar el sobreflujo causado por variaciones de presión también eliminan las válvulas de balanceo y el proceso muy dispendioso y poco efectivo de balancear un sistema. 

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Desde el punto de vista de control éstas válvulas facilitan el control de la bomba y la configuración del punto de ajuste de presión diferencial del sistema. Este punto de ajuste se configura durante el arranque de la bomba. A continuación se describe el procedimiento para encontrarlo: 

Con todas las válvulas abiertas lentamente se incrementa la velocidad de la bomba hasta que la válvula crítica alcanza el flujo requerido, en ese momento se mide la presión diferencial y ese es el punto de ajuste del sistema. 

Sin embargo, el problema viene a cargas parciales cuando las válvulas por control de posición cercanas a la bomba oscilan, estas hacen que la presión diferencial del sistema también oscile, forzando a la bomba a perseguir una presión diferencial que no corresponde a la carga real. Esto hace que sea difícil encontrar el punto de ajuste de presión diferencial óptimo. Debido a que las válvulas independientes de presión eliminan estas oscilaciones el punto de ajuste de presión diferencial obtenido es muy preciso. Esto además permite que se pueda instalar el sensor de presión diferencial en cualquier lugar del sistema y no necesariamente a través del equipo crítico. 

Al hacer el arranque de la bomba y para configurar el punto de ajuste de presión diferencial del sistema; simplemente se debe asegurar que la última válvula tenga la presión diferencial mínima requerida por el fabricante. 

Al usar válvulas independientes de presión se eliminan todos los factores de sobreflujo que generan el síndrome de bajo Delta T en el serpentín. Es seguro decir que para sistemas con un dimensionamiento preciso de los serpentines y en condiciones óptimas de limpieza los sistemas de aire acondicionado con válvulas independientes de presión van a trabajar  con niveles de eficiencia y Delta T muy cercanos a los de diseño. 

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Pero como mencionamos anteriormente hay otro factor que genera bajo Delta T y es cuando se presentan problemas con el intercambio de calor directamente en las superficies del serpentín. La primera razón es obviamente suciedad y deterioro de los serpentines, no hay mejor solución para esto que un buen mantenimiento. Sin embargo hay otro factor que afecta el intercambio que es inherente a los equipos; éste es el sobredimensionamiento de los serpentines en las manejadoras. Los serpentines de enfriamiento son sobredimensionados por naturaleza, este realmente no es un problema de diseño sino más bien una limitante en la fabricación y en la disponibilidad de los equipos. 

Los serpentines están fabricados para unas capacidades dadas, y cuando el diseño requiere un valor que está entre dos capacidades se selecciona el serpentín que esté por encima, es muy rara la vez que un diseño coincida exactamente con las capacidades disponibles en el catálogo. Este sobredimensionamiento no es tan crítico cuando los sistemas son dedicados y trabajan  a cargas altas, pero puede ser un gran problema cuando se trabajan a cargas parciales bajas; tan solo una hilera de más en el serpentín hace que se requiera más agua y que no se alcance el Delta T mínimo. 

Este fenómeno se presenta frecuentemente en centros de cómputo, donde existe la tendencia a haber equipos sobredimensionados trabajando a cargas parciales y es más crítico aun cuando se trabaja simultáneamente con el equipo de reserva usando menos de la mitad de la capacidad disponible de cada manejadora. 

Otra causa que afecta el intercambio de calor es cuando al serpentín se le suministra agua a una temperatura mayor que la de diseño, éste es un problema en sistemas con un mal aislamiento o cuando se hacen secuencias de control que suben el punto de ajuste del agua helada de la planta de enfriamiento. El mismo fenómeno se presenta cuando el aire que pasa por el serpentín tiene variaciones de temperatura muy amplias, esto es típico de manejadoras de 100% aire exterior o cuando se habilita un damper economizador.

Válvulas inteligentes, la solución

La solución completa al problema del síndrome de bajo Delta T es el uso de válvulas inteligentes. Estas son válvulas independientes de presión que además disponen de dos sensores de temperatura de agua y un medidor de flujo conectados al actuador. El actuador tiene un procesador interno que le permite ejecutar cálculos y secuencias de control avanzadas además de almacenar información. Los sensores de temperatura están instalados en la entrada y la salida del serpentín, esto no solo permite calcular el Delta T, además con la información de temperatura y flujo el actuador calcula la potencia disponible y la energía consumida por el equipo. Este medidor de energía es muy útil para los operadores, pues con esta información pueden programar rutinas de mantenimiento además de poder hacer facturación directa del consumo de sus inquilinos. Pero desde el punto de vista de control, los beneficios que estas válvulas ofrecen van mucho más allá. 

Los problemas de sobreflujo causados por la presión son solucionados usando el componente independiente de presión. Los problemas de intercambio de calor son solucionados usando la información de flujo y Delta T. Estas válvulas inteligentes disponen de un algoritmo de control que monitorea las temperaturas del serpentín y optimiza directamente el uso del agua, estas controlan el flujo y previenen que el Delta T del serpentín pase por debajo de un punto mínimo configurado (normalmente este punto de ajuste mínimo es el Delta T de diseño). Al prevenir que la temperatura del agua no caiga por debajo de un punto mínimo se obtiene un máximo intercambio de calor y además se asegura que la planta de enfriamiento no reciba agua de retorno por debajo de su Delta T de diseño. 

En la siguiente gráfica podemos ver la cantidad de agua usada, la capacidad de enfriamiento y el comportamiento del Delta T para tres tipos de válvulas. Las válvulas inteligentes usan menos de la mitad del agua que las válvulas convencionales; para producir exactamente la misma cantidad de enfriamiento.

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Las válvulas inteligentes tienen funciones adicionales que las convierten en un adelanto notorio en la tecnología de control, con el cálculo de potencia éstas pueden controlar la respuesta del serpentín directamente usando esta variable. De esta manera se puede hacer una correlación lineal entre la señal de control y la capacidad de enfriamiento efectiva del serpentín. Si el controlador de la manejadora o termostato envía una señal de 6 voltios, esto no significa que el algoritmo de control de temperatura requiere la mitad del flujo, lo que realmente significa es que requiere la mitad de la capacidad de enfriamiento del equipo. En este caso, dichas válvulas modulan el flujo para entregar exactamente la mitad de la capacidad de enfriamiento disponible en el serpentín. Esto hace que la válvula además de ser independiente de presión también sea independiente de la característica del serpentín, de la característica de la válvula y de la temperatura del agua. 

¿Por qué de la temperatura del agua? 

Si el agua sube un par de grados por encima de su valor de diseño, se pierde potencia, entonces este cambio es calculado por la válvula e inmediatamente ajusta el flujo para llevar de nuevo al serpentín a su valor requerido de enfriamiento o potencia sin que el control de la manejadora note este cambio. Esta función es muy útil cuando se requiere control de temperatura o humedad muy precisas como en salas de cómputo, control de procesos, salas de cirugía, laboratorios farmacéuticos, etc.

Poder controlar el serpentín directamente con su potencia abre las puertas para secuencias de control avanzadas como límite de demanda, distribución de capacidad o control de la bomba por flujo. 

Cuando se hace control del límite de demanda, el objetivo es limitar el consumo energético del edificio a un nivel dado durante las horas de consumo pico, normalmente para evitar penalizaciones por la empresa de energía. En sistemas de agua helada, las secuencias de control que limitan la demanda no son fáciles de implementar sin afectar el confort o paradójicamente aumentar el consumo. Una estrategia muy popular es subir el punto de ajuste de agua helada de los enfriadores durante las horas pico para ahorrar energía, pero esta estrategia penaliza fuertemente el consumo de la bomba de distribución y puede afectar el confort. Al poder controlar el serpentín directamente con su potencia se puede limitar su nivel máximo de consumo durante las horas pico y como consecuencia se limita el consumo total del sistema de agua helada. 

Para hacer distribución de capacidad el objetivo es limitar la capacidad de enfriamiento de zonas menos críticas, liberándola para otras con mayor demanda; bien sea en horas de consumo pico o cuando se tiene un sistema diseñado con alta diversidad. Desde el Sistema Central de Control se puede configurar un límite de consumo en las válvulas inteligentes de las zonas menos críticas. Esta estrategia de control puede ser la solución cuando se tienen sistemas con una capacidad instalada menor a la demanda del edificio, o cuando se tienen edificios con alta diversidad pues le da flexibilidad al diseñador de dimensionar el sistema de aire acondicionado de acuerdo a las cargas individuales por zonas y no con base en la carga total, como típicamente se hace.

Control de la velocidad de la bomba por flujo requerido: como vimos antes, la bomba de distribución se controla con base en la señal de un transductor de presión diferencial; este método es conocido como control por presión. Debido a que las válvulas inteligentes comunican el flujo; la bomba se puede controlar directamente con esta información. Usando la curva característica de la bomba, su velocidad se modula para entregar el volumen de agua requerido y el transductor de presión pasa a ser un elemento de soporte.

Conclusiones

El síndrome de bajo Delta T es un enemigo silencioso, por eso es importante que los operadores de edificios monitoreen las tendencias de comportamiento del Delta T de su planta de enfriamiento, ya que esta práctica les ayudará a evitar sobrecostos en la operación. 

Por otro lado, es muy importante que el edificio se arranque cumpliendo con los parámetros de consumo de diseño, para que así, los costos extras no sean llevados al presupuesto normal de operación. Al monitorear el Delta T, no solo en la planta sino también en las unidades manejadoras de aire, el operador podrá identificar de manera más efectiva en dónde se generan estos desperdicios; esto le permitirá entender mejor las tecnologías disponibles que pueden ayudar a corregir el problema y concentrar mejor los recursos en proyectos de ahorro energético que le entregue los mayores beneficios, agregando estabilidad en el sistema y sin demeritar el confort de los ocupantes del edificio.

* Durante el desarrollo de este artículo, Julio Londoño trabajaba para Belimo Air Controls, ahora lo hace para Carier. Para obtener más información sobre las tecnologías mencionadas, pueden escribir a [email protected]

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