La clave para la efectividad y la eficiencia de los sistemas HVAC es controlar adecuadamente los flujos a lo largo del sistema entero para garantizar el confort de todos los ocupantes del edificio. Todo esto se logra con un adecuado balanceo
Por Sergio Ramírez
Muchos gerentes de Operaciones estarán de acuerdo en que los síntomas que evidencian problemas de climatización en el interior de sus edificios suelen llegar en la forma de quejas de parte de los usuarios: los espacios están demasiado fríos en invierno, demasiado calientes en verano, o alguna combinación de ambos extremos a lo largo del año.
Para responder a estas variaciones de temperatura, los ocupantes de los edificios recurren al uso de calentadores de espacios, abren las ventanas o ajustan la configuración de sus termostatos. Ajustes adicionales al sistema HVAC pueden incluir bombas más grandes, el redimensionamiento de componentes y ajustes en el flujo de las líneas de suministro principales, en los ramales y en los circuitos, independientemente de los impactos que esto pueda tener sobre el sistema completo.
Este tipo de “arreglos” para mitigar las zonas frías y calientes en un edificio por lo regular no son eficaces y, además de costosos, no suelen corregir la situación. Por ejemplo, reconfigurar la hora de arranque del sistema HVAC de un sitio de trabajo de las 7:30 am a las 5:30 am implica que el sistema opere durante dos horas adicionales al día. Esto significa un 25 por ciento de incremento en el consumo de energía, lo cual elimina los ahorros energéticos que los retrocesos nocturnos fueron diseñados para lograr.
Como resultado de dichas acciones, los propietarios de edificios notan costos de energía y operación más elevados, desgaste adicional en bombas y componentes HVAC y reducción de la autoridad de las válvulas de control a lo largo del sistema. Los diseñadores de sistemas se ven desafiados a defender su diseño, la dimensión de la tubería, los parámetros de operación y lo adecuado de los controles cuando el problema es simplemente que el sistema está desbalanceado.
Los problemas de temperatura y clima interiores no suelen ser causados por malos funcionamientos de los controles o errores de dimensionamiento. Con más frecuencia son atribuibles a tasas de flujo incorrectas debido a un balanceo inapropiado de la unidad terminal. Los ingenieros HVAC suelen diseñar los sistemas con capacidad de más para respaldo de los edificios, por lo que la habilidad de brindar el enfriamiento necesario está presente. El verdadero problema es lograr que la energía llegue a la unidad terminal o a la unidad manejadora de aire (UMA). Por tanto, la clave para la efectividad y la eficiencia de los sistemas HVAC es controlar adecuadamente los flujos a lo largo del sistema entero, desde las unidades de producción y entrega, hasta las unidades terminales, para garantizar el confort de todos los ocupantes del edificio.
Balanceo, por confort y control
Los sistemas HVAC están diseñados con válvulas de balanceo para mantener las condiciones de flujo, de modo que las válvulas de control operen adecuadamente. La operación adecuada de las válvulas de control brinda el flujo correcto al serpentín para la transferencia de calor, lo que resulta en la salida correcta de energía (BTU) hacia el espacio del edificio.
Importancia de una PIBCV. Si bien un sistema puede balancearse manualmente, sólo se logra el balance a caudal pleno, y una vez que cualquier válvula del sistema cambia de posición, modifica la presión del sistema y provoca que se desbalancee, reduciendo la eficiencia
El flujo en un sistema HVAC es dinámico y siempre cambia durante un periodo típico de 24 horas. Debido a la ganancia de calor por la radiación solar y a los cambios en las tasas de ocupación del edificio, la demanda de enfriamiento varía, no sólo a lo largo del día y la noche, sino en los distintos sectores del edificio. Un sistema HVAC eficiente y eficaz debe brindar la salida de energía cuando se requiera y donde se requiera. Sin las mediciones adecuadas, los sistemas sufren una distribución desigual del calor, ofrecen una pésima eficiencia energética y su puesta en servicio resulta muy complicada. Es por ello que el balanceo hidrónico adecuado es la clave para lograr que un sistema HVAC opere de manera correcta y al menor costo.
El correcto balanceo del circuito es esencial para asegurar que los sistemas de agua helada entreguen los flujos correctos a todas las unidades terminales del circuito, según se especifica en el flujo de diseño. En un sistema desbalanceado, sectores de un edificio experimentarán condiciones de bajo flujo o sobreflujo que impactan en la autoridad de las válvulas de control y, por tanto, en el clima interior del edificio. Por ejemplo, las áreas localizadas con mayor cercanía a la fuente de producción de energía y entrega pueden recibir flujos excesivos, lo que resultará en enfriamiento en exceso. De igual modo, las áreas remotas (las más lejanas de las fuentes) pueden experimentar niveles de enfriamiento inadecuados, debido a tasas de flujo insuficientes.
En términos meramente económicos, cada grado Fahrenheit de reducción en la configuración del termostato representa 8 % adicional en los costos de enfriamiento de un edificio. Un circuito HVAC típico incorpora válvulas de balanceo para cada serpentín de las unidades terminales o UMA. Para balancear un serpentín con una válvula de balanceo manual, un técnico necesita conectar un manómetro de presión diferencial o un dispositivo portátil para balanceo de circuitos a los dos puertos de medición o prueba de la válvula, determinar la tasa de flujo que debe pasar a través de la válvula de balanceo y ajustar la perilla o volante de la válvula para obtener la tasa de flujo requerido en el sistema. Pero incluso después de que un sistema se balancea manualmente, sólo se logra el balance en posición de caudal pleno. Una vez que cualquier válvula del sistema cambia de posición, modifica la presión del sistema y provoca que éste se desbalancee, reduciendo la eficiencia. Esto provocará problemas de confort en los ocupantes del espacio, y también puede provocar el síndrome de bajo delta T.
El delta T es la diferencia de temperatura en el agua entre los dos lados del serpentín. Si el flujo de agua a través del serpentín es muy elevado, no extraerá el calor del espacio de manera eficiente. En modo enfriamiento, la temperatura del agua de retorno será más fría que lo estipulado en el diseño debido a que el agua no pasó suficiente tiempo en el serpentín para tener una adecuada transferencia de calor.
Muchos sistemas HVAC modernos cuenta con bombas de flujo variable para ahorrar energía. Los sistemas de velocidad variable utilizan menos energía que los sistemas de flujo constante cuando el motor de la bomba opera a velocidades menores. En teoría, los sistemas de flujo variable con válvulas de control convencionales deberían mejorar el delta T en el serpentín. No obstante, conforme la presión cambia, el flujo a través de la válvula aumenta o se reduce. Conforme la presión diferencial (delta P) aumenta, el flujo tiene que incrementarse si el área abierta se mantiene igual. El único momento en el que se desea cambiar el flujo en el serpentín es cuando los requerimientos de la carga se modifican; entonces, el actuador deberá responder cambiando el área abierta de la válvula.
Esquema 1. Representación de operación de una PIBCV
Estos cambios en el flujo sin un cambio en la posición del actuador suele resultar en un flujo excesivo, especialmente cuando se solicitan tasas de flujo elevadas en el serpentín. Esto provocará un bajo delta T. Las válvulas de control con rango reducido hacen que controlar el flujo sea incluso más difícil en estos sistemas. Cuando el delta T del serpentín es menor que el de diseño indica que existe una transferencia de calor ineficiente y que el agua helada que se ha enviado al serpentín permanece fría cuando retorna al chiller. Esto puede ser provocado por serpentines sucios, pero con mayor regularidad es causado por un flujo demasiado alto, que a su vez es causado por las fluctuaciones en la presión del sistema.
El aumento en el flujo provoca enfriamiento insuficiente en el espacio ocupado y provoca que la bomba trabaje duro innecesariamente, y que los chillers se escalen en respuesta al flujo, no a la carga. Podría incluso provocar que el chiller se congele. Si es posible controlar el flujo hacia el serpentín haciéndolo más lento, se puede incrementar el delta T, al tiempo que se ahorra energía de la bomba.
El bajo delta T también requiere equipamiento adicional para enfriar el agua debido a que la tasa de flujo es muy elevada. La tasa de flujo está directamente relacionada con el delta T y la transferencia de calor en el equipo. El delta T = BTUH / (500 gpm), por lo que si la tasa de flujo puede reducirse, el delta T aumentará y se necesitará menos equipo para enfriar el agua. Si la tasa de flujo se reduce a la mitad el delta T se duplica. Esto puede derivar en ahorros en el gasto de capital, dado que evita la compra de chillers o bombas adicionales.
Las válvulas en un sistema ineficiente como éste cambian de posición con frecuencia para compensar las fluctuaciones de temperatura causadas por los cambios de flujo. Esto incrementa el desgaste en los actuadores de la válvula, lo que podría provocar fallas prematuras.
PIBCV: temperatura estable y mayor eficiencia
Por fortuna, actualmente existen válvulas de control y balanceo independientes de la presión (PIBCV, por sus siglas en inglés), las cuales son capaces de equilibrar el sistema de manera automática para garantizar el confort térmico en el interior de los espacios climatizados. Al incorporar un actuador, las PIBCV funcionan como válvulas de control limitadoras de caudal que equilibran automáticamente el sistema y ofrecen el mejor confort interior y la mejor eficiencia energética posibles. Además, la puesta en servicio del sistema resulta mucho más sencilla, puesto que todas las válvulas únicamente deben ajustarse según el caudal de diseño antes de instalar los actuadores.
Las PIBCV integran funciones de control y balanceo dinámicas en un único producto. Debido a que es tanto una válvula de control como una válvula de balanceo automática, la instalación es más sencilla. Además, elimina la necesidad de balancear y rebalancear el sistema y brinda ahorros en los costos de instalación
Las PIBCV están disponibles en una amplia variedad de configuraciones de aumento de flujo para cubrir diversas aplicaciones. Para elegir la válvula correcta para una aplicación determinada sus tasas de flujo deben coincidir con la tasa de flujo de diseño del serpentín. Lo más recomendable es elegir la válvula más pequeña que sea capaz de entregar la tasa de flujo de diseño, pero también se sugiere optar por la válvula siguiente en tamaño siempre que sea necesario.
Como con cualquier instalación, lo mejor es utilizar válvulas de aislamiento para facilitar el mantenimiento. Las PIBCV cuentan con pequeños canales en el cuerpo de la válvula hacia cada lado del diafragma, por lo que es importante contar con agua de buena calidad. Los filtros instalados antes de cada válvula son eficaces en la remoción de contaminantes relativamente grandes. Estos filtros también protegerán a los serpentines y al equipo del sistema. No obstante, no son capaces de remover partículas muy pequeñas. Por ello, es importante asegurarse de la calidad del agua mediante tratamiento continuo y filtración con un filtro bypass. Además, si la velocidad de la bomba se controla mediante un sensor remoto de presión diferencial, los mayores ahorros se lograrán colocando el sensor en la PIBCV que se encuentra más alejada de la bomba. De esta manera, la bomba opera sólo lo suficiente para dar soporte a la válvula y al serpentín más remotos del sistema.
Las PIBCV integran funciones de control y balanceo dinámicas en un único producto. Responden a los cambios en la presión para mantener el flujo deseado. La parte de la válvula que regula la presión diferencial incorpora un diafragma de hule que se mueve con la diferencia de presión y un resorte. Dicho diafragma está expuesto, por un lado, a la presión de entrada y, por el otro, a la presión de salida. Conforme se mueve el diafragma, opera una válvula que mantiene constante la caída de presión a través de la válvula de bola sin importar los cambios en la presión del sistema. Luego, la sección de la válvula de bola se modula para mantener el setpoint del espacio, por lo que el flujo varía de acuerdo con la demanda, no según los cambios en la presión del sistema. Asimismo, debido a que es tanto una válvula de control como una válvula de balanceo automática en un solo producto, la instalación es más sencilla. No hay necesidad de comprar e instalar una válvula de balanceo y una válvula de control independiente. Esto, además de eliminar la necesidad de balancear y rebalancear el sistema, brinda ahorros en los costos de instalación.
Las PIBCV reducen la inversión inicial con un costo menor, equipo de menor capacidad y tamaño de tubería más pequeño. También eliminan la necesidad de invertir en costosa y compleja tubería de retorno inverso. Además, reducen drásticamente el trabajo de prueba, ajuste y balanceo. Esto es de especial importancia en proyectos que se desarrollan en fases donde el sistema entero debe balancearse nuevamente conforme se completa una nueva fase del proyecto.
Además de brindar confort a los ocupantes y eficientes costos operativos y energéticos, el balanceo eficaz del circuito puede ayudar a solucionar las causas de una climatización inadecuada. Al final, todos ganan. Al lograr el balance correcto a lo largo del sistema, las bombas, los chillers y otros componentes operan a la carga más baja posible, por lo que los ocupantes gozan de un ambiente cómodo, mientras que los propietarios de los edificios se benefician al haber un menor desgaste, mayor tiempo de vida útil del equipo y ahorros energéticos y en los costos de mantenimiento.
