La implementación de esta clase de válvulas incentivan el ahorro de energía en los sistemas de aire acondicionado de volumen variable. por Julio Londoño*
Los sistemas de aire acondicionado de agua helada tipo desacoplado o de volumen variable que usan válvulas de dos vías se han convertido en la norma hoy en día. La razón es que estos ofrecen un ahorro bien significativo al ser comparados con los sistemas de volumen constante que usan válvulas de tres vías. El ahorro se obtiene gracias a que la velocidad de la bomba de distribución de agua, o bomba del circuito secundario, se reduce para mantener el suministro de agua helada solo a los equipos que lo requieren, de esta manera se operan las bombas y los enfriadores de acuerdo a los requerimientos de carga del edificio y no al 100% como en el caso de los sistemas de volumen constante. Al reducir la velocidad de la bomba se obtiene un ahorro energético bastante grande gracias a las leyes de afinidad de estas. Según la ley de afinidad, el consumo de energía cambia a razón del cubo de la velocidad. Esto significa que un cambio del 10% en la velocidad representa un cambio del 33% del consumo de energía. El uso de los variadores de frecuencia (VFD por sus siglas en inglés: Variable Frecuency Drive) se ha convertido en estándar en los sistemas de HVAC, especialmente en la distribución de agua. Hoy en día estos equipos son de bajo costo y de alta confiabilidad con un radio Costo/Beneficio bastante alto. Otra área en donde se ahorra es en la planta de enfriamiento. Al variar el flujo de agua el control de la planta de enfriamiento agrega o sustrae enfriadores para igualar la capacidad de enfriamiento a la carga real del edificio. Gráfico 1 - Esquema típico de un sistema hidráulico desacoplado, también llamado de volumen variable.
En un sistema hidráulico desacoplado la producción de agua helada está desacoplada de la distribución mediante un bypass. En el circuito primario se usan bombas de volumen constante. El agua en el circuito secundario es de flujo variable y la velocidad de la bomba se controla con un sensor de presión diferencial (DPT por sus siglas en Inglés Differential Pressure Transducer). En los serpentines de enfriamiento se usan válvulas de control de dos vías con válvulas de balanceo. Si bien los beneficios, desde el punto de vista de ahorro energético de un sistema desacoplado son bastante grandes; estos sistemas también ofrecen retos nuevos para el diseñador y para el operador del edificio. Muchos análisis se han hecho de las plantas de agua helada, especialmente a raíz del impulso de los edificios verdes y de la certificación LEED que requieren que el desempeño de los edificios sea medido y comparado con los valores de consumo de energía modelados durante el diseño. Factores de desempeño
Se ha encontrado que muchos no se desempeñan de acuerdo a los parámetros de cálculo y los ahorros obtenidos no son los esperados. Hay muchos factores que influencian este bajo desempeño, en este articulo discutiremos algunos de ellos, especialmente los relacionados con el control del agua helada en el edificio. Cuando se tiene un sistema de automatización en el edificio que maneja la planta de agua helada, el objetivo principal es mantener control y ahorrar energía. El algoritmo de control de la planta de enfriamiento debe mantener el punto de ajuste de agua helada y además operar la menor cantidad de enfriadores posible dejándolos trabajar en los rangos altos de operación. Se busca que los enfriadores trabajen en sus rangos altos de capacidad debido a que la mayoría de equipos de enfriamiento, especialmente los de tipo tornillo y centrifugo, tienen su rango de mayor eficiencia cuando operan en cargas altas. Operar menos enfriadores tiene un beneficio adicional pues se operan menos bombas a la vez. Por eso es más eficiente, desde el punto de vista de la planta de enfriamiento, tener un enfriador trabajando al 90% de su capacidad que dos trabajando al 45%.
El algoritmo de control debe agregar y sustraer enfriadores de acuerdo a las condiciones de carga del edificio. A medida que las válvulas de control van abriendo debido al incremento de carga, entonces se incrementa el flujo en el circuito secundario, excediendo así el flujo máximo del evaporador y forzando agua por el bypass. Cuando se tiene en el bypass flujo suficiente para agregar otro enfriador entonces este se agrega a la secuencia para compensar el sobre flujo. Además, al tener sobre flujo en la línea de bypass se pierde control sobre el punto de ajuste de agua helada, pues el agua que retorna caliente se mezcla con la fría generada en el circuito primario. Gráfico 2 - Sobre flujo en el circuito secundario 
El siguiente enfriador se agrega a la secuencia solo cuando el sobre flujo en el bypass es igual o mayor al flujo nominal del enfriador que se va a agregar. Un enfriador solo se sustrae de la secuencia si al retirarlo el flujo restante no excede la capacidad máxima total de los enfriadores que quedan habilitados, observando siempre que la temperatura de agua helada esté en el punto de ajuste. Para tomar la decisión de adicionar o sustraer un enfriador de la secuencia; el algoritmo de control de la planta de agua helada puede usar sensores de flujo y dirección de agua en el bypass o sensores de temperatura, uno en el retorno en el circuito primario y otro en el suministro en el circuito secundario. Pero puede ocurrir que a pesar de tener todos los enfriadores habilitados aun se tenga sobre flujo en el bypass. Esto hace que no se alcance el punto de ajuste del agua, entonces los enfriadores no son retirados de la secuencia. En este momento el control de la planta de enfriamiento agrega enfriadores a la secuencia, no para satisfacer las necesidades de enfriamiento del edificio, sino para mantener las necesidades de bombeo del sistema. Este sobre flujo se origina en los serpentines de las manejadoras de aire y además del sobrecosto en bombeo adicional también tiene como consecuencia que afecta el intercambio de calor, de tal manera que la temperatura del agua regresa fría a la planta. Esto hace que los enfriadores activos operen a cargas parciales para alcanzar el punto de ajuste de agua helada. Un síntoma claro de bajo desempeño de la planta de agua helada es cuando se tienen varios enfriadores trabajando simultáneamente a muy baja carga. Cuando realmente la necesidad de enfriamiento del edificio puede ser satisfecha usando una cantidad menor de enfriadores trabajando a cargas altas. Síndrome de Bajo Delta T de Agua
Si el Delta T es bajo entonces se debe incrementar el flujo para mantener la carga de la planta de enfriamiento, esto hace que la eficiencia total de la planta de enfriamiento baje considerablemente. A este fenómeno se le llama Síndrome de Bajo Delta T de Agua. Se presentan entonces dos tipos de desperdicio, el primero es al utilizar más energía en la bomba debido al gasto por sobre flujo. El segundo ocurre al no utilizar la capacidad nominal de los enfriadores debido a un bajo Delta T, este es el más grande de los dos. Existen muchos documentos que explican y ofrecen soluciones al problema del Síndrome de Bajo Delta T, y además hay muchos factores pueden contribuir, pero cuando se tiene una buena instalación con un sistema bien diseñado y dimensionado y aun así se presenta este problema; la causa más probable está en las válvulas de control y en el balanceo del sistema. Pues un balanceo inadecuado y/o las válvulas de control operando de manera ineficiente generan un sobre flujo tal en el sistema suficiente para hacer que la planta opere lejos del punto óptimo incurriendo en costos altísimos de operación. En las siguientes secciones veremos qué factores generan el sobre flujo y cómo este afecta la transferencia de calor, también veremos qué opciones tenemos para evitar este fenómeno. Es bien generalizado el uso de válvulas dependientes de presión, como las tipo Globo o las de bola con disco caracterizado. Estas son llamadas dependientes de la presión pues el flujo a través de ellas, para una posición dada de la válvula, depende directamente de su presión diferencial. A mayor presión mayor flujo y viceversa. El control depende de que tan fino pueda la válvula controlar el flujo. Un control fino ocurre cuando el controlador de temperatura en zona varía la posición de la válvula para reaccionar a un cambio de carga y este movimiento corresponde exactamente al cambio requerido de flujo para regresar la temperatura en zona a su punto de ajuste. Una válvula de control va a tener un control fino cuando está operando bajo las condiciones de diseño para las que fue seleccionada. Así mismo una válvula sobredimensionada, al más mínimo movimiento del actuador, va a dejar pasar más agua de la requerida sobre enfriando así la zona, cuando esto ocurre el controlador reacciona de manera opuesta para contrarrestar el sobre enfriamiento. Este comportamiento es típico de las válvulas sobredimensionadas. El sobredimensionamiento en las válvulas de control hace que el controlador fluctúe constantemente (Hunting) y tenga dificultad para mantener el punto de ajuste de temperatura. Gracias a esto la selección de las válvulas de control es crítica para el buen funcionamiento de la planta de agua helada. El principio de selección de la válvula de control recomienda que esta sea el elemento con mayor caída en el ramal, así se asegura un buen control. La selección se hace asumiendo una caída de presión dada, normalmente se asume una caída de presión de 4 psi. Esto es un legado que hoy se aplica incorrectamente. Originalmente los serpentines se diseñaban con una caída de presión de 4 psi, y el principio para la selección de la válvula indicaba que esta debería tener al menos la misma caída de presión del serpentín, entonces se asumía que el serpentín tendría la mayor caída de presión del ramal. Hoy en día los serpentines tienen caídas mucho menores, pero las válvulas de control se siguen seleccionando con el mismo criterio. Además se debe adicionar una válvula de balanceo pues las válvulas mas cercanas a la bomba están sujetas a una presión mayor. Las válvulas de balanceo aseguran que no se suministre más flujo del requerido, normalmente son las válvulas de balanceo las que tienen la mayor caída de presión en el ramal. Lo ideal seria seleccionar la válvula de control haciendo un análisis de caída de presión en cada ramal después de hacer el balanceo, pero esto en la práctica es imposible. Para la selección se usa la ecuación de coeficiente de flujo de la válvula o Cv:
1 Cv = 1 galón de agua a 60 DegF pasando a través de una válvula completamente abierta con una caída de presión de 1 psi. Pongamos un ejemplo, si tenemos un serpentín de 100 GPM, y asumiendo una caída de 4 psi, entonces, según la ecuación, necesitamos una válvula con un Cv de 50. El flujo de diseño solo se puede obtener cuando la válvula está completamente abierta y se tiene una caída de presión de 4 psi a través de ella. Este es el criterio con que normalmente se seleccionan todas las válvulas de control. Pero las condiciones de operación regularmente están muy lejos de las condiciones de diseño. Normalmente se trabaja a cargas parciales y con presiones variables. Supongamos en un día frío en donde el controlador requiere solo el 20% de la capacidad de enfriamiento. Para nuestro ejemplo esto corresponde a 20 GPM, al hacer el cálculo de Cv, asumiendo que la presión no cambia entonces el Cv requerido es de 10, entonces la válvula seleccionada (Cv =50) se convierte en sobredimensionada y el control se hace muy pobre a cargas parciales. Nota: en la segunda parte de este artículo veremos el tema de presión diferencial de válvulas, sistemas hidráulicos balanceados, entre otros. * Julio Londoño es el Product Manager de Belimo ([email protected])
