El ahorro energético, operativo y de instalación son algunas de las razones que expone el artículo para tener en cuenta el uso de esta clase de válvulas en los sistemas de aire acondicionado.
por Julio Londoño*
En la parte inicial de este artículo, el autor destaca las bondades que tienen las válvulas de presión independiente en los sistemas de aire acondicionado de agua helada tipo desacoplado o de volumen variable. En este segunda entrega, veremos aspectos como la presión diferencial de válvulas, los sistemas hidráulicos balanceados, entre otros.
La presión diferencial en el sistema se controla mediante el DPT y la velocidad de la bomba, si las válvulas cierran entonces la presión diferencial aumenta y el VFD controla la bomba a una velocidad menor para mantener el punto de ajuste de presión diferencial del sistema. Este control si bien es muy efectivo no es necesariamente muy eficiente, debido a que las válvulas están abriendo y cerrando continuamente, esto crea una dinámica en donde la bomba solo reacciona a cambios notorios en el sistema y no a cambios individuales en cada válvula. Esto es más crítico en edificios de gran altura con muchos equipos con válvulas pequeñas como hoteles y edificios de oficinas.
Normalmente la presión diferencial de una válvula oscila entre 5 y 30 psi, dependiendo de qué tan lejos esté de la bomba y qué tan bien balanceado esté el sistema. Las válvulas más cercanas a la bomba están sometidas a una mayor presión y son las más susceptibles al sobre flujo y al “hunting”. El incremento de flujo en las válvulas, creado por cambios de presión en el sistema, generan cambios de temperatura en la zona.
El controlador reacciona a estos cambios de temperatura y ajusta entonces el actuador para llevar la temperatura de zona a su punto de control. Estos movimientos en el actuador son causados por el sobre flujo y no por cambios de carga en la zona acondicionada, como debería ser.
Gráfico-3
Operación de una válvula de control dependiente de presión a cargas parciales.
En este ejemplo se mantuvo la presión diferencial y se varió el punto de ajuste de temperatura de aire en la descarga para simular operación a cargas parciales. El comportamiento de la válvula es bien claro, a cargas parciales el control fluctúa debido a que en este punto la válvula está sobredimensionada y operando bajo condiciones diferentes a las de diseño. (El estudio completo puede ser descargado de la siguiente página: http://www.piccv.com/pdf/IOWA_PICCV_Testing_Analysis.pdf ).
Estas fluctuaciones rápidas del control reducen la vida útil del actuador y de la válvula. Además cada vez que la válvula fluctúa por encima del flujo requerido se presenta un sobre flujo en el serpentín. Este sobre flujo representa un desperdicio de energía en sobre bombeo y además hace que no se tenga un buen intercambio de calor, haciendo que el agua salga aún fría del serpentín, esta es la mayor causa del síndrome de bajo Delta T. El síndrome de bajo Delta T es propio de sistemas que trabajan a cargas parciales.
Balanceo hidráulico
Tan importante como la selección de las válvulas es el balanceo hidráulico. El propósito principal de balancear un sistema es asegurarse que todos los serpentines tengan su flujo de diseño cuando la válvula de control esté completamente abierta. El procedimiento para hacer un balanceo en principio es muy simple. Existen varias técnicas para hacer balanceo hidráulico, la siguiente es una explicación básica para ilustrar el proceso. Para mayores detalles de técnicas de balanceo se pueden consultar organizaciones especializadas como NEEB (www.NEBB.org).
Primero, se identifica la válvula crítica, esta es aquella que primero se va a quedar sin agua, normalmente es la última del ramal, su válvula de balanceo debe estar completamente abierta. Segundo, se comandan desde el controlador central todas las válvulas de control al 100%, en este momento también todas las válvulas de balanceo deben estar abiertas. Tercero se mide el flujo en el serpentín de la válvula crítica y se incrementa la velocidad de la bomba hasta alcanzar su flujo nominal.
El otro paso se realiza con todas las demás válvulas de balanceo, en el siguiente serpentín aguas abajo del de la válvula crítica se mide el flujo y se cierra la válvula de balanceo hasta alcanzar su flujo nominal, midiendo simultáneamente el flujo en la válvula crítica para asegurarse que esta se mantenga bajo condiciones, para esto se debe reducir la velocidad de la bomba.
Gráfico-4
Sistema desacoplado balanceado
Sistema hidráulico balanceado, nótese que la válvula de balanceo de la última válvula de control está completamente abierta. Cuando todas las válvulas de control están abiertas no debe haber flujo en ninguna dirección en la línea de bypass
Para obtener los resultados esperados se deben hacer varias iteraciones de este proceso, una vez terminado y aun con todas las válvulas de control abiertas se registra el valor de presión diferencial medido por el DPT y este será el punto de ajuste de presión diferencial que controla la velocidad de la bomba. En este momento se debe balancear el flujo del circuito primario de tal manera que no se tenga flujo en ninguna dirección en la línea de bypass.
Desafortunadamente este proceso es temporal y el sistema tiende a desbalancearse con el tiempo. Además se corre el peligro que si por alguna razón una de las válvulas de balanceo se cierra el sistema pierde el balance y se debe repetir el proceso de nuevo. Es tan crítico este proceso para el ahorro de energía que incluso en algunos edificios se contrata una compañía independiente para que haga solo la verificación del balanceo. Esto es muy característico de los edificios que están buscando la certificación LEED. Uno de los pasos más importantes del retro-comisionamiento es re-balancear el sistema. En algunos edificios se han logrado ahorros en el consumo de energía de la planta de enfriamiento hasta del 40% solo con re-balancear el sistema.
Para sistemas de volumen variable es recomendable usar válvulas de balanceo automáticas, estas se ajustan de forma automática y absorben los cambios de presión en el sistema y garantizan siempre un flujo máximo en el serpentín. Si bien este tipo de válvulas de balanceo ofrecen una mejora considerable sobre las manuales. Estas solo limitan el flujo en el punto máximo y no corrigen las fluctuaciones de la válvula de control a cargas parciales. Por lo tanto estas no ayudan a corregir el síndrome de bajo Delta T
Válvulas Independientes de Presión
Hay otra alternativa para controlar los serpentines en sistemas que usan volumen de agua variable y es el uso de válvulas independientes de presión (Válvulas PI, por sus siglas en Inglés Pressure Independent).
Figura 1
Las válvulas independientes de presión fueron diseñadas específicamente para trabajar con sistemas de volumen variable y solucionar los problemas que las válvulas dependientes de presión presentan.
Debido a que la presión no las afecta, su selección se hace muy fácil pues no hay componente de presión diferencial, la selección se hace únicamente con los GPM requeridos. Así para nuestro ejemplo simplemente se selecciona una válvula PI de 100 GPM. Las válvulas son ordenadas de fábrica con los GPM requeridos.
Donde este tipo de válvulas realmente hacen la diferencia es controlando a cargas parciales. El siguiente es un gráfico que compara el desempeño de una válvula PI con una válvula de globo (Dependiente de la Presión).
Gráfico-5
Comportamiento de las válvulas PI a cargas parciales.
Debido a este comportamiento, al eliminar el sobre flujo en todo el rango de operación de la válvula el intercambio de calor en el serpentín es óptimo manteniendo así el Delta T. También se eliminan las fluctuaciones rápidas del actuador prolongando su vida útil y de la válvula.
Gracias a que las válvulas PI no son afectadas por la presión el sistema no requiere balanceo ni válvulas de balanceo. A los sistemas que usan válvulas PI también les llaman sistemas auto balanceados. El siguiente gráfico ilustra un sistema desacoplado con válvulas PI.
Gráfico-6
Sistema desacoplado auto balanceado usando válvulas independientes de presión.
Los sistemas que usan válvulas independientes de presión no requieren de válvulas de balanceo adicionales.
El procedimiento para obtener el punto de ajuste de control de velocidad de la bomba es más simple. Primero se comandan todas las válvulas PI al 100% usando el sistema de control. Se identifica la válvula crítica y se mide su caída de presión. Se acelera la velocidad de la bomba hasta obtener 5 psi a través de la válvula PI crítica y se registra el valor de presión diferencial medido por el DPT, este será entonces el punto de ajuste de control de la velocidad de la bomba. Luego se balancea el circuito primario para asegurar que no hay flujo en ninguna dirección en el bypass.
Si bien no se requiere un balanceo, la norma de comisionamiento pide que se haga una verificación de flujo en cada serpentín. Las válvulas PI normalmente requieren una presión diferencial mínima de 5 psi para operar, la verificación se reduce simplemente a asegurarse que cada válvula cumpla este requisito. Hay dos tipos de válvulas PI: Mecánicas y Electrónicas.
Una válvula PI mecánica tiene un regulador de presión diferencial incorporado en la válvula de control. El caudal que pasa a través de la válvula es controlado mediante el uso de un regulador de presión tipo resorte y diafragma que se mueve de acuerdo con el cambio de presión por arriba y por debajo de la misma. Todos los cambios de presión son absorbidos por el regulador de presión, lo cual permite mantener la misma presión diferencial a lo largo de la sección de la válvula de control; de esta manera proporciona un caudal constante.
Gráfico-7
Funcionamiento de una Válvula Independiente de Presión
Las válvulas independientes de presión electrónicas combinan un sensor de flujo con una válvula de control de dos vías. El actuador tiene un algoritmo que modula la válvula de control para mantener el flujo exacto según la señal de control del controlador de temperatura de zona. De tal manera que si hay un incremento en el flujo debido a un cambio en la presión, el actuador modula la válvula para mantener el flujo constante.
Debido a su naturaleza electrónica, la señal del flujo puede ser leída por el sistema de control para hacer rutinas avanzadas de control y ahorro de energía, tales como control óptimo de las bombas y reajuste del punto de presión diferencial del sistema con base en la válvula crítica.
Conclusión
Los sistemas de aire acondicionado están en constante evolución, y estos cambios están motivados por la necesidad de ahorrar energía y documentar la operación de los edificios. Las válvulas PI son el siguiente paso en la evolución de los sistemas de agua helada y agua caliente para aire acondicionado. Su mayor beneficio es la optimización en el uso de la energía en la planta de agua helada al eliminar el sobre flujo y mantener el Delta T. También ofrecen ahorros en la instalación y la operación.
*Julio Londoño es el Product Manager de Belimo ([email protected])
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