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‘Sistemas de ventilación que proporcionan un aumento del confort, consumiendo menos energía’, ¿ilusión o realidad?

Sistemas de VAV con ventiladores controlados según la demanda

Kurt Truninger, Product Manager (VAV) de Belimo Automation AG - Traducción y adaptación: Jorge Giménez, director Técnico de Belimo Ibérica de Servomotores, S.A.

02/03/2018
Este artículo explica las desventajas del control de la presión en conducto en sistemas de ventilación a caudal variable y muestra cómo puede ser reemplazado por sistemas vanguardistas controlados según la demanda, que cumplen con la EN 15232, Clase A. La clase A de eficiencia energética en la EN 15232 (Rendimiento energético de los edificios) representa la automatización y la gestión técnica de edificios de extremada eficiencia energética.

Ventilación Controlada según la Demanda (VCD) - beneficios

Mucho se ha escrito sobre los beneficios y las posibilidades de los sistemas de VCD. Esta tecnología mide las condiciones en la zona y calcula la cantidad de energía que realmente requiere. Para hacer esto, utiliza sensores y dispositivos de control para CO2, COV, temperatura, iluminación, etc. El caudal de aire requerido se suministra a la zona mediante precisos reguladores de caudal – una tecnología conocida como volumen de aire variable (VAV).

Si miramos el consumo medio de zonas típicas Fig. 1, podemos ver que la mayoría de ellas están funcionando a carga parcial. El punto de mayor eficiencia, la tasa máxima de intercambio de aire, solamente se necesita de forma ocasional.

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Fig. 1. La mayor parte del tiempo las unidades ambiente del sistema de VCD están trabajando a carga parcial

Control del ventilador

El control eficiente del ventilador es una parte vital de un sistema de VCD. Para regular la salida del ventilador, a los ventiladores controlados por variadores de frecuencia se les están uniendo cada vez más los ventiladores EC. Para adaptar la potencia disponible del ventilador al sistema de ventilación, el sistema de VCD debe evaluar los requerimientos de aquél y establecer un punto de consigna adecuado. Éste es el punto débil de los tradicionales sistemas de control de presión en el conducto Fig. 2 y el punto fuerte del sistema Fan Optimiser, basado en la posición de las compuertas Fig. 3.

Control de la presión en el conducto

El punto de consigna K para el control de la presión en el conducto Fig. 2 corresponde a la presión P1 en el conducto, que es la requerida para mover el máximo caudal de aire V1 a través de la red de conductos de aire. La presión real se mide en el conducto de aire, idealmente en el punto más desfavorable de la red de conductos.

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Fig. 2. Sistema de VAV controlado por presión en conducto: Lazo abierto de control

¿Dónde se encuentra el punto más desfavorable en un sistema de ventilación a caudal de aire variable? La respuesta es que se va desplazando por la red de conductos en función de la distribución de cargas del sistema en cada momento. Por ello, sólo es posible que el sensor de presión esté incorrectamente situado; habitualmente se instala justo a la salida del ventilador.

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Fig. 3. Sistema de VAV controlado por Fan Optimiser: Lazo cerrado de control.

La principal desventaja de este método es que el ventilador está controlado sobre la base de un lazo abierto. El caudal de aire V2 requerido en cada momento, no se utiliza para calcular el punto de consigna ya que no existe información disponible por parte de los controladores de caudal de aire. La presión en el conducto y las cajas de VAV son manejadas de forma independiente entre sí. Si el caudal de aire se reduce de V1 a V2, la presión en la red de conductos de aire aumenta conforme a la curva característica del ventilador. El sistema de control de la presión actúa entonces para bajar la presión hasta el punto K, el nivel de la máxima carga; el punto de consigna R, correcto y más reducido, resulta desconocido. Las cajas de VAV, que se encuentran aguas abajo, están obligadas a eliminar el exceso de presión P1-P2 cerrando más sus compuertas. En la práctica, en los sistemas de este tipo se encuentran algunas veces compuertas de VAV cuyo grado de apertura llega a ser de solamente el 10% – ver diagrama de compuertas Fig. 4.

El resultado: ruido excesivo y pérdidas de carga innecesariamente elevadas en la red de conductos de aire, provocando un consumo excesivo de energía de los ventiladores.

Otra desventaja del control por presión es que cada cambio en la utilización y cada reajuste de caudal requieren una corrección manual del parámetro punto de consigna de presión en el conducto, lo cual no suele realizarse en la práctica – con las consecuencias que conlleva.

Sistema de control del caudal del ventilador basado en la posición de las compuertas

En un sistema de control del ventilador basado en la posición de las compuertas Fig. 3 las posiciones de las compuertas de los controladores VAV-Compact son recogidas a través de un bus de campo (MP-Bus, Lonworks, Modbus, KNX, etc.) y utilizadas como base para el control eficiente del ventilador. La función Fan Optimiser evalúa las posiciones de las compuertas y lleva a los ventiladores al punto de consigna óptimo O en el que casi todas las compuertas están en el rango de funcionamiento óptimo Fig. 4.

Las compuertas cierran —baja la demanda / presión demasiado elevada, las compuertas abren— sube la demanda / presión demasiado baja: el ventilador sube o baja consecuentemente siguiendo a la curva característica del sistema de ventilación (punto de consigna optimizado O).

El resultado: menor ruido y reducción de las pérdidas de carga en la red de conductos, permitiendo una reducción considerable del consumo de energía del ventilador.

Diagrama de las compuertas

La eficiencia de ambos métodos puede verse en los siguientes diagramas de las compuertas Fig. 4.

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Fig. 4. Imágenes de las posiciones de las compuertas: Control por presión vs. control mediante Fan Optimiser.

En el sistema analizado, la menor presión P2 optimiza el sistema y ayuda a aumentar la vida útil de los actuadores mediante la reducción de su número de ciclos parciales.

Ventajas adicionales:

  • En este tipo de sistemas se encuentra automáticamente el punto de funcionamiento requerido en todo momento, sin necesidad del trabajo de equilibrado del sistema de control de presión en conducto, que requiere mucho tiempo.
  • Con esta tecnología, los sistemas no requieren ?p adicionales de reserva (como para compensación por contaminación de filtros, etc.).
  • Las configuraciones que cambian en el sistema debidas a un cambio de uso, etc., son detectadas automáticamente por el sistema y tenidas en cuenta en el funcionamiento.
  • Los sistemas infradimensionados funcionarán en tanto en cuanto el caudal ajustado requerido O sea menor que el caudal disponible. Éste no es generalmente el caso de los sistemas controlados por presión en el conducto.

Diseño del sistema

Estos sistemas basados en la posición de las compuertas Fig. 3 pueden diseñarse de dos maneras:

  • DDC / controladores programables: dispositivos maestros de bus con aplicación programada a medida
  • Hardware Fan Optimiser: dispositivo con función Fan Optimiser preconfigurada y lista para usar

En ambas variantes los controladores VAV-Compact se integran en el sistema de control a través de un bus de campo (MP-Bus, Lonworks, Modbus, KNX, etc.) y la función Fan Optimiser utiliza las posiciones de las compuertas para calcular el punto de consigna para la impulsión de aire.

Si el sistema se configura como un sistema de bus, o si el sistema de bus ya ha sido instalado, no hay esencialmente costes de hardware adicionales. El equipo de control de presión en el conducto y la laboriosa ubicación del sensor no son necesarios para las soluciones planeadas anteriormente.

Ahorros potenciales – Caso práctico

El caudal de aire y su transporte son factores determinantes para el consumo de energía de los ventiladores. Las reglas de proporcionalidad constituyen la base: La regla 2 describe la variación de la presión P1?P2: El aumento de la presión varía con el cuadrado del ratio de caudales de aire. La regla 3 describe la variación del caudal V1?V2: El consumo de potencia cambia con la tercera potencia del ratio de caudales de aire.

La Fig. 5 muestra el resultado de medidas comparativas en un edificio de oficinas. Un integrador de sistemas programó la función Fan Optimiser en un controlador DDC. Los controladores VAV-Compact instalados se conectaron al DDC a través de la interfaz MP-Bus Fig. 3. Además de la función Fan Optimiser, el sistema disponía también de un control de presión en conducto convencional, para tomar medidas comparativas. Era posible seleccionar cada función de control para comparar las dos estrategias bajo condiciones de funcionamiento idénticas:

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Fig. 5. Caso práctico en edificio de oficinas: Control de presión vs. Sistema Fan Optimiser.

La diferencia medida en el día elegido supuso un impresionante 64% de ahorro. Este resultado incumbe solamente a la hora específica y condiciones en el lugar y fecha en cuestión (ocupación, carga térmica, etc.). En el transcurso de un año, los ahorros podrían haber ascendido probablemente a entre un 20% y un 50%, dependiendo del sistema y de las condiciones de carga parcial (climatología, cargas internas, ocupación, etc.).

Si calculamos los ahorros durante un año, por ejemplo, en un hospital o bloque de viviendas con funcionamiento durante las 24 horas de los 365 días del año, está claro que la inversión se amortiza muy rápidamente. Esto es especialmente cierto en un sistema de bus planificado o existente que ya dispone de la infraestructura necesaria.

Campo de aplicación

  • Sistemas de ventilación a caudal variable de aire para hospitales, oficinas, hoteles, edificios administrativos o industriales, etc.
  • Sistemas a caudal variable de aire para ventilación controlada en apartamentos.

Conclusión

Los sistemas de VCD suponen una buena noticia para el suministro de energía de zonas controladas según su demanda. Para gestionar el sistema global de ventilación a caudal variable de forma eficiente, los ventiladores también necesitan estar totalmente integrados en el sistema de VCD.

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