Bombeo distribuido: quitar el pie del freno

Cuando se analiza el uso de energía de los edificios comerciales, la refrigeración de espacios es uno de los mayores consumidores de electricidad. La refrigeración central se utiliza en edificios grandes donde una planta de agua helada puede consumir entre el 20% y el 30% de la energía eléctrica total de un edificio. Se requieren bombas para distribuir el agua enfriada a las unidades de tratamiento de aire del edificio.

Actualmente, el diseño de agua enfriada más común es un sistema de flujo primario variable (VPF). En la Imagen 1 se muestra un ejemplo simplificado de este diseño. El agua se bombea a través de los enfriadores, se distribuye a las unidades de tratamiento de aire del edificio y luego se devuelve a las bombas. Con este diseño, la altura de la bomba debe ser suficiente para superar las pérdidas por fricción a través de los enfriadores, las tuberías, los serpentines de manejo de aire y las válvulas de control y equilibrio. El método de control más común para las bombas de velocidad variable es el control de presión mediante un transmisor de presión diferencial ubicado estratégicamente en el sistema de tuberías. Cuando se mantiene una presión diferencial constante, se suministra presión adecuada y flujo suficiente a cada unidad de tratamiento de aire. Cuando la demanda de flujo de agua enfriada de los manejadores de aire es menor que el requisito de flujo mínimo del enfriador, se debe abrir una válvula de derivación para brindar protección a los enfriadores.

Antes de que los diseños VPF se hicieran más frecuentes, los sistemas primarios/secundarios eran el estándar para los sistemas de agua enfriada y todavía son una consideración de diseño en la actualidad. En la Imagen 2 se muestra un ejemplo simplificado de un sistema primario constante/secundario variable. Este tipo de diseño requiere dos juegos de bombas. Las bombas primarias suministran agua a través del circuito de refrigeración principal. Estas bombas solo necesitan proporcionar suficiente altura para superar las pérdidas de tuberías, accesorios y válvulas junto con las pérdidas de presión a través de los enfriadores. Las bombas secundarias distribuyen agua a las unidades de tratamiento de aire, donde el cabezal de la bomba debe superar las pérdidas por fricción a través de las tuberías, los serpentines del tratamiento de aire y las válvulas de control y equilibrio. Al igual que el sistema VPF, se instala un transmisor de presión diferencial en una ubicación estratégica para mantener una presión suficiente, asegurando un flujo adecuado para cada unidad de tratamiento de aire (UTA).

Tanto el sistema VPF como el primario/secundario implican el uso de válvulas de control y equilibrio para garantizar un flujo adecuado a cada unidad de tratamiento de aire. La imagen 3 muestra una disposición típica de tuberías de serpentín para una unidad de tratamiento de aire. Se mantiene una temperatura constante del aire de salida (LAT) mediante el uso de una válvula de control modulante. Un aumento en la temperatura del aire de retorno y/o del aire exterior provocará un aumento en la temperatura del aire de salida, lo que requerirá un flujo de enfriamiento adicional, en cuyo caso la válvula de control modulará a una posición más abierta. De manera similar, una disminución en el aire de retorno y/o aire exterior resultará en una disminución en la temperatura del aire de salida y la válvula de control modulará a una posición más cerrada.

Para garantizar un flujo adecuado al serpentín, la bomba debe proporcionar suficiente altura para superar las pérdidas de presión a través del serpentín y las válvulas de control y equilibrio. Debe existir una caída de presión a través de una válvula de control para que se produzca flujo. Si la caída de presión a través de la válvula cuando está completamente abierta no es un porcentaje suficientemente grande de la pérdida total de carga del sistema, habrá pocos cambios en el flujo de fluido hasta que la válvula realmente se cierre. Las válvulas de control deben seleccionarse para alinearse con el rendimiento del serpentín de enfriamiento si se desea un buen control. Una regla general común para garantizar un buen control es seleccionar válvulas de modo que, con el flujo de diseño, la válvula de control absorba entre el 25% y el 50% de la caída de presión total del sistema. Las válvulas de control de tamaño insuficiente pueden dar como resultado una buena autoridad/buen control de la válvula, pero es posible que no puedan proporcionar suficiente flujo durante las demandas máximas, mientras que las válvulas de control de gran tamaño pueden resultar en un control deficiente.

Una forma de evitar problemas con las válvulas de control y equilibrio es eliminarlos. La imagen 4 muestra cómo la válvula de control y equilibrio se puede reemplazar con una bomba inteligente con controles integrados. Con este diseño, el mismo sensor de temperatura que estaba conectado a la válvula de control ahora se puede conectar directamente a la bomba. La bomba inteligente de velocidad variable puede ajustar su velocidad de rotación para mantener el punto de ajuste de la temperatura del aire de salida. Literalmente realiza la misma función que la válvula de control pero a una presión de funcionamiento mucho menor. La válvula de retención evita cualquier reflujo hacia el lado de suministro si la AHU no está en uso. Una analogía con la diferencia entre los dos es que las válvulas de control y equilibrio representan los frenos de un automóvil y la bomba representa el pedal del acelerador (acelerador). En lugar de aplicar tanto el acelerador como los frenos, la bomba inteligente simplemente aplica la cantidad de gasolina necesaria para mantener la velocidad o el punto de ajuste en este caso.

La Imagen 5 muestra un ejemplo de un sistema de bombeo distribuido. El sistema es similar a un sistema primario/secundario aparte de tener el sistema de bombeo secundario centralizado. En este caso, el flujo del desacoplador lo manejan las bombas inteligentes (distribuidas). Las bombas distribuidas están dimensionadas para superar la fricción desde el lado de suministro del desacoplador a la AHU, así como el lado de retorno del desacoplador. Las bombas primarias sólo necesitan superar la fricción a través del circuito de tubería primaria y el enfriador. El control de las bombas primarias se basa en la temperatura. Hay cuatro sensores de temperatura, dos a cada lado del desacoplador. El control de la bomba primaria debe configurarse de manera que no haya flujo a través del desacoplador cuando haya suficiente carga de enfriamiento. Si el delta-T en el lado de carga (T4-T3) es el mismo que el delta-T en el lado del enfriador (T2-T1), no habrá flujo en el desacoplador. Esto significa que el flujo de agua enfriada coincide con el flujo requerido para manejar la carga. Básicamente, los controles están configurados para mantener un delta-T cero entre el suministro y el retorno en ambos lados del desacoplador. En este caso, el sistema estará en perfecto equilibrio sin exceso de flujo hacia los enfriadores. Esto da como resultado un rendimiento óptimo del enfriador y se evitan condiciones de delta-T baja. El uso de bombas distribuidas puede ahorrar energía en la enfriadora, lo que puede ser mayor que el ahorro de energía de la bomba. El control también debe tener un modo de control de protección del enfriador para períodos de bajo flujo. Esto se puede lograr monitoreando la presión diferencial del enfriador o usando un sensor de flujo. Cuando se alcanza el flujo mínimo del enfriador, las bombas primarias mantendrán la velocidad requerida para proteger el enfriador hasta que aumente la demanda de agua enfriada.

El uso de bombas distribuidas inteligentes de esta manera tiene varias ventajas.

El sistema es autoequilibrado, por lo que no hay necesidad de válvulas de equilibrado ni de control de ningún tipo. Esto reduce el tiempo y los gastos durante el proceso de prueba y equilibrio.

Chiller delta-T mejorado, ya que las bombas inteligentes se adaptan con precisión a la carga, por lo que no se puede producir un bombeo excesivo. Además, muchas bombas inteligentes tienen una función de limitación de flujo.

La potencia de la bomba conectada es menor ya que cada bomba está dimensionada para bobinas individuales y no hay válvula de control o equilibrio. Una válvula de control más equilibrio normalmente tendrá una caída de presión de entre 5 y 10 libras por pulgada cuadrada (psi).

La energía de la bomba será menor ya que no es necesario mantener una presión diferencial mínima del sistema. La eficiencia de la bomba será casi constante ya que la bomba distribuida seguirá una curva de sistema de solo fricción sin altura fija. El ahorro de energía de la bomba puede ser del 50 % al 80 % con respecto a un sistema convencional.

El flujo se puede controlar instantáneamente con la bomba distribuida, por lo que el control es preciso y tampoco hay miedo de sobrepresurizar las válvulas de control, lo que reduce su controlabilidad.

Costo de instalación menor que un sistema primario/secundario debido a la eliminación de válvulas de control y menor potencia de la bomba (puede ser ligeramente más costoso que un sistema VPF).

Con los avances recientes en la tecnología de bombas y la confiabilidad del VFD, existen pocas desventajas del bombeo distribuido, pero vale la pena enumerar algunas.

Todas las bobinas deben tener una bomba. Para aplicaciones críticas donde se requiere redundancia, es posible que se requiera una disposición de bomba dúplex o un diseño de distribución alternativo.

Rango de tamaño de bomba inteligente: las bombas circuladoras pequeñas de menos de 5 a 10 galones por minuto (gpm) rara vez tienen controles a bordo equipados para captar una señal de temperatura del aire y mantener la temperatura del aire de salida. Sin embargo, las válvulas de control rara vez se usan en rangos de flujo inferiores a 10 gpm y, en esos casos, se usan fan coils con válvulas de encendido/apagado simples, en cuyo caso se puede usar una bomba inteligente controlada por presión diferencial para proporcionar flujo a un grupo de fan coils. .

El concepto de bombeo distribuido no es nuevo. Se ha discutido durante al menos 15 años. Hace diez o quince años, esta solución se consideraba prohibitiva en función de los costos de los componentes individuales de bombas, motores, variadores y sensores, junto con la mano de obra de instalación y puesta en servicio. Hoy en día, las bombas pueden equiparse con controles integrados, sensores de presión y temperatura y una fácil conectividad con los sistemas de gestión de edificios. Las bombas en línea con motores de imán permanente/conmutación electrónica y diseños de rotor húmedo ofrecen una eficiencia superior y un funcionamiento sin mantenimiento que a menudo tienen el mismo costo de instalación que las soluciones modernas de válvulas de equilibrio y control integradas.

Steven T. Taylor, Optimización del diseño y control de plantas de agua helada, Parte 1: Selección del sistema de distribución de agua helada, ASHRAE Journal, julio de 2011

Sam KH Lam, Chris Tham, Sunil Saseedharan, Liong Yin Churn, Adrian Wang, Sistema hidrónico de agua fría de bombeo distribuido para sistemas de aire acondicionado, julio de 2017

Manual de ASHRAE Edición IP 2016, Sistemas y equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado

Reece Robinson es especialista en formación y contenido técnico en Servicios de construcción comercial de Grundfos. Puede contactarlo en [email protected]. Para obtener más información, visite www.grundfos.com.