Cómo conseguir la óptima eficiencia de una instalación hidráulica de climatización

El recuerdo de la crisis energética de 1973, dejó huella en usuarios, profesionales y legisladores en toda Europa. Por ello, la UE no ceja en su empeño de conseguir la reducción de consumo y emisiones debido a combustibles fósiles, implementando normativas, con horizonte en 2020. La crisis, ahora económica y que en un futuro no muy lejano será de nuevo energética, va a ser un reto para las instalaciones de climatización de edificios, que representan el 40% del consumo en el planeta¹. A su vez, este consumo energético ligado a la climatización depende del correcto diseño, ajuste inicial y mantenimiento de sus circuitos hidráulicos.

Las pautas fundamentales de diseño y equilibrado hidráulico, puesta en marcha, mantenimiento y control de las instalaciones, se encuentran en nuestro vigente RITE². Al igual que las normas europeas, nuestro Reglamento incorpora el ahorro como objetivo fundamental, detallando en las IT requisitos en los circuitos hidráulicos: medición de caudales de agua para el equilibrado, control modulante de los emisores, etc.

Pero, ¿qué beneficios de ahorro energético se obtienen con la aplicación del Reglamento?

1. Uso idóneo de la potencia térmica o frigorífica instalada, equilibrando la instalación.
2. Aprovechar el potencial de ahorro del control modulante de capacidad según demanda
3. Reducción del consumo de bombeo con un control eficaz de los variadores de velocidad³.

Hoy día, el uso de controles de velocidad de las bombas más eficientes y fiables, y la instalación de válvulas de equilibrado y control con estabilización de presión diferencial habrían de favorecer que se cumpliesen esos puntos, pero al parecer no se consigue explotar el potencial de ahorro. Sigue habiendo, además, una tendencia a no abandonar el control todo-nada en terminales (a pesar de la IT) y en muchos casos no se ajusta la velocidad de giro de las bombas a las condiciones de proyecto o se trabaja con valores de 35-40% como caudal mínimo, límite que los fabricantes han reducido hace tiempo.

1. Una de las consecuencias de una instalación desequilibrada es la imposibilidad de transmitir la potencia instalada. La curva %emisión-%caudal de un terminal muestra la explicación teórica. Las unidades terminales favorecidas con un exceso de caudal poseen una % de sobremisión menor que el porcentaje de sobrecaudal. Un 200% de caudal sólo incrementa la emisión en un 15%-20%. Por el contrario, las unidades en subcaudal emiten muy por debajo del valor deseado. En un caso típico, se pudo pasar de un caudal de 889 m³/h, a sólo 773 m³/h (-13%) y de una altura de bomba de 335 kPa a sólo 270 kPa (-20%), un ahorro de 17.200 €/ año, por la menor potencia de bombeo requerida. En otro ejemplo, el equilibrado de una instalación residencial tuvo un doble impacto favorable. Se sustituyeron calderas de fuel por calderas de condensación, pero no se conseguían los ahorros previstos y el número de avisos a los técnicos era elevado. Las quejas de los vecinos por falta de calefacción, aconsejaron otro enfoque. Al equilibrar se consiguió el ahorro esperado y redujo el número de intervenciones de los técnicos, para tranquilidad de los propietarios.

2. Para instalaciones de refrigeración o calefacción con capacidad total mayor a 70 kW, el Reglamento exige el control modulante del caudal de agua de acuerdo a la carga térmica. ¿Qué se podrá conseguir con ello?:

• Debido al uso de una curva de respuesta isoporcentual en válvulas de control, el caudal se reduce a carga parcial y también el consumo de bombeo, hasta un 60% respecto al régimen de caudal constante.

• El aumento del salto térmico aumenta la eficiencia de producción, tanto en calderas de condensación como de enfriadoras, al elevar la temperatura de evaporación. Pero vemos en la gráfica de la derecha, que se reduce la temperatura de retorno a las enfriadoras, si se usan controles todo-nada.

Figura 3: Efecto de la temperatura de retorno en el EER de una enfriadora.

La figura 3 muestra la reducción del EER si baja la temperatura de retorno, que puede llegar a un -15%.

Es decir, usar válvulas de control independientes de la presión con un control todo nada sólo por su facilidad de uso para el equilibrado, supone no aprovechar el ahorro por el incremento de salto térmico.

Para poder usar adecuadamente el potencial de ahorro de un control modulante, la válvula de control independiente de la presión debe tener una curva característica isoporcentual independientemente de su valor de ajuste. No sirve cambiar la característica del actuador para usar una válvula de característica lineal.

El recorrido de la válvula lineal se vuelve muy corto, muy cerca de su recorrido mínimo controlable (aparte de que será propensa a obstruirse). Los cambios de apertura se vuelven bruscos, con periodos alternados de sobreemisión-baja emisión, causando impacto en el confort térmico y en el consumo.

3. El consumo de bombeo se reduce con el uso de variadores de velocidad en circuitos de caudal variable.

Figura 5: Caudal variable con estabilización de presión en ramales y válvulas de control independientes de la presión.

Para aprovechar adecuadamente la acción del variador, se requiere que exista estabilización de presión diferencial sobre las válvulas de control en el ramal elegido, para tener una autoridad mínima de 0,25 a baja demanda, o el uso en cada terminal de una válvula de control con estabilización de presión diferencial.

Dado que se está extendiendo el uso de la segunda solución, de rápido cálculo y sencilla implementación, deberíamos encontrarnos cada vez más instalaciones trabajando en su óptimo punto de operación. Sin embargo, la propia sencillez de ajuste de este último tipo de válvulas puede hacer que se deje de lado una tarea fundamental, conseguir el punto de trabajo óptimo de la instalación, determinado en proyecto. Efectivamente, si ajustáramos cada válvula de control independiente de la presión a su valor de diseño con el grupo de bombeo a velocidad fija (50Hz), se obtiene el sumatorio de los caudales máximos de todos los terminales, climatizadores, etc., pero en las válvulas más desfavorecidas se absorbe una presión diferencial mayor que la mínima necesaria para su operación (ver figura 6 izquierda).

Rebajar esa presión para optimizar la altura de consigna para la condición nominal las válvulas hace necesario medir el caudal en algún punto de referencia (válvula índice del circuito más desfavorecido) o bien, medir el caudal total de instalación, bien en la válvula principal de instalación o en el caudalímetro de ese grupo de bombeo. Ha de monitorizarse el caudal en esos puntos de referencia, mientras se controla manualmente la velocidad de giro de la bomba, hasta obtener el resultado de la figura 6 (izda). Pero el punto de trabajo hallado no incluye la simultaneidad deproyecto y el consumo es mayor. ¿Cómo aplicar Fs?

Usando estabilización por ramal, la optimización con factor de simultaneidad se hace dentro del proceso de comissioning: cerrar/abrir algunas válvulas de equilibrado y ajustar presión diferencial en cada ramal lleva sólo unos minutos y no requiere coordinación general ya que la acción es local, paso a paso.

No ocurre lo mismo si sólo se usan válvulas de control independientes de la presión diferencial. El cierre de válvulas desde el sistema de gestión centralizada del edificio se plantea como solución sobre el papel, pero requiere valiosas horas de programación, dedicadas a resolver otros problemas de conexión, software, etc. Realizarlo manualmente supone tener un disciplinado commissioning, que coordine este proceso en global.

Hay un procedimiento simplificado: reproducir un Kv inferior, pero sin el largo proceso de cerrar válvulas. Se rebaja la presión diferencial por debajo de la dP min de activación de las válvulas de control, para que se reduzca el caudal de acuerdo a Dp sobre ellas. Se remeda de esta forma la reducción de caudal, causada por la modulación de las válvulas de control. La reducción de presión diferencial por debajo del umbral de activación, se consigue de forma rápida, cerrando la válvula principal de equilibrado VE-0, hasta el caudal nominal. La Dp medida nos permite obtener la consigna de altura manométrica optimizada para Qdiseño.

Figura 6: Válvulas de control independientes de la presión diferencial. Punto de trabajo para suma de caudales Sq (Figura 6 izquierda) y optimización con Factor de simultaneidad (figura 6 derecha).

Esta es la solución de menor altura manométrica. Entre ambas es posible ajustar la altura dejando un pequeño margen de seguridad para hacer más rápido el arranque, algo aconsejable ya que recordemos que sólo se desactivan las válvulas de las unidades más alejadas. En nuestra opinión, siempre debe estudiarse un arranque con prioridad a los sectores más importantes, no superando nunca el caudal de diseño.

Hay un nivel técnico general destacable en las instalaciones españolas, pero hay una opinión general en el sector respecto a que se debe avanzar en ahorro, vida útil, sostenibilidad. En las IT del Reglamento están los requisitos técnicos básicos para la mejora: equilibrado hidráulico, capacidad de control modulante…etc., requisitos que se pueden cumplir con la implementación de válvulas de control y equilibrado, y correctos procedimientos de medida, puesta en marcha y regulación. Se puede conseguir.

¹ El 40% del consumo mundial se produce en edificios de todo tipo, y el 50% de este consumo corresponde a calefacción, climatización y ventilación, según la Comisión Europea, EPBD,6, pp1 y el Departamento de Energía de E.E.U.U. “Buildings Energy Data Book”.

²Las IT 1.2.4.2.7; IT 1.2.4.3.; IT 1.3.4.4.5 a12 e IT 2.3.3, obligan a equilibrar y medir los caudales de ramales y unidades terminales, ajustando sus valores de diseño, regulando las válvulas de presión diferencial, para proporcionar adecuada autoridad a las válvulas de control modulante de las unidades terminales (proyectos de más de 70 kW). El informe de equilibrado se incluirá en el Libro del Edificio. IT 1.2.4.3.2 Condiciones TMH-C1 en instalaciones domésticas con válvulas de radiador termostáticas.

³ Estudios como el de Costic (Centro Francés HVAC), en 2002, muestran que en el 90% de las instalaciones, el caudal de distribución es mayor que el 150% del caudal de diseño. El excesivo consumo de bombeo resultante, más del 200%, hace inefectivos los variadores de frecuencia. Otros estudios muestran que el consumo de bombeo en oficinas, escuelas y hospitales se puede cifrar en 1.5 kWh/m²/año comparado con el consumo de 100 kWh/m²/año de una instalación de climatización “tipo” (clase B Norma Europea), según el informe «Rendimiento de bombas y ventiladores en edificios» de Caroline Markusson, Chälmers University, Mayo de 2009.