Calefacción

Deficiencias y efectos colaterales en el control de serpentines

Los controladores y componentes de un sistema Direct Digital Control forman parte del método de monitoreo y control de los sistemas de gestión en el ramo de la automatización de edificios e instalaciones de diferentes industrias en la especialidad de la climatización. La resolución en los controladores, capacidad de procesamiento y análisis de información recabada es cada vez mayor en los sistemas de automatización

Víctor Orozco

Las quejas frecuentes de los usuarios por ruido, confort, calidad del aire, deficiencias energéticas y problemas de operación en los predios con sistemas de automatización, conducen a pensar en la necesidad de reexaminar los fundamentos y procesos básicos durante la planeación, implementación y comisionamiento de los sistemas de control del aire acondicionado.

Dentro de las diferentes aplicaciones y secuencias de operaciones en la automatización de edificios es necesario revisar algunos puntos claves en los sistemas de distribución de agua helada (o caliente, dependiendo de la aplicación) que pertenecen al sistema hidrónico. El desempeño de los elementos de restricción de flujo a los serpentines generalmente es visto como un accesorio que no debe generar problemas en el sistema en general o en el valor agregado.

Estos elementos de restricción y balanceo para los sistemas hidrónicos a nivel de los equipos de distribución de aire (manejadoras, fan and coils, radiadores, etc.), pueden ser representados como válvulas de balanceo o reguladoras de flujo, acompañadas de una válvula automática de control de temperatura.

El mercado y aplicaciones, debido a costos energéticos y diferentes certificaciones en la industria HVAC, han evolucionado en su mayoría a sistemas de distribución de agua helada de volumen variable (Ejemplo: sistemas de bombeo primario o secundario de volumen variable). En consecuencia, la selección de válvulas de control junto con otros accesorios, ha cambiado a válvulas independientes de  presión, las cuales tienen la capacidad de entregar un caudal y presión constante a la carga, a pesar que exista un bombeo variable y a la diversidad de operación de las válvulas en las instalaciones. Aunque éstas son de presión independiente y ayudan a tener autoridad perfecta (capacidad de la válvula de mantener una curva equiporcentual), y una mejor controlabilidad, siguen siendo parte de una secuencia de control, es decir que continúan operando en base a una señal enviada desde un controlador DDC o un termostato para cumplir con una secuencia de control dentro de un esquema predefinido.

Puesto que las válvulas de control están generalmente montadas dentro de cuartos mecánicos y de que su señal de retroalimentación de posición no es tomada en cuenta, éstas dan como resultados lazos de control abiertos, sin conocer la posición actual de la válvula.

En aplicaciones para control de flujos pequeños o actuación ON- OFF es posible que no sea necesario conocer en qué estado se encuentra la válvula (la temperatura indicará si se cumple el punto de ajuste deseado). En válvulas de control proporcionales esta señal puede ser crítica para mantener un  lazo de control estable y así evitar oscilaciones que puedan dañar los actuadores y provocar que la válvula proporcional se comporte como una válvula ON-OFF.

Como se ha mencionado anteriormente, la resolución en los controladores ha mejorado con el tiempo. Por otro lado, las capacidades y convergencia de los sistemas de gestión con sistemas informáticos ofrecen estrategias que pueden ayudar a reducir costos operativos, si éstos son utilizados de acuerdo a un plan o estrategia de operaciones.

Actualmente, se cuenta con la tecnología para diseñar e implementar sistemas hidrónicos de alta eficiencia. La selección de válvulas ha dejado de ser un arte o ciencia gracias a la tecnología de presión independiente, donde sólo se necesita conocer el caudal máximo que manejan los serpentines (tecnología recomendada y diseñada para sistemas de bombeo variable). Cualquiera pensaría que debido a las bondades tecnológicas, el tema de un buen balanceo en un sistema hidrónico debería ser ya un asunto resuelto.

La situación, en realidad, es que una gran mayoría de edificios, donde se han utilizado las últimas tecnologías, llegando incluso ha obtener algún tipo de certificación, están presentando diferentes situaciones, como llamadas de usuarios para quejarse de la temperatura y calidad del aire, o sistemas operando por debajo de las condiciones de diseño. Una de las variables de mayor relevancia desde hace algunos años es el Delta T. Operar con un Diferencial de Temperatura por debajo de las condiciones de diseño genera gastos energéticos derivados de bombeo de agua adicional que no es necesario.

El fenómeno Delta T puede ser provocado por varios factores. Se ha podido identificar que un control deficiente o la ausencia de un plan de comisionamiento, en lo que respecta a la sintonización o ajuste en los lazos  de control de las válvulas, afecta el desempeño general del sistema. Lo anterior produce flujos excesivos que impactan el Delta T. Los lazos de control tienen que ser probados y comisionados, incluso si se cuentan con válvulas independientes de la presión. El tipo de control se selecciona de acuerdo al tipo de actuación de las válvulas. Se recomienda un control proporcional para aplicaciones con actuadores ON-OFF.

Para válvulas de control proporcional o modulantes es recomendable un control integral proporcional, a fin de evitar las oscilaciones producidas en base a la respuesta y lectura de la variable de proceso. Una selección y cálculo de parámetros proporcionales e integrales es recomendable en base a la aplicación.

Todas estas recomendaciones son parte de un plan de comisionamiento que puede ser sugerido por los consultores o desarrollado por contratistas de controles como parte de las buenas prácticas de negocio.

El diseño, implementación y entrega de proyectos de control debe contar con documentación estándar para su correcta validación y auditoría. Un cierre de proyecto exitoso también va acompañado de un entrenamiento y traspaso de información reflejado en manuales de mantenimiento y operación.

Retomando el tema de las válvulas de control, es importante conocer las diferentes tecnologías existentes en el mercado, y qué tipo de respuesta pueden entregar bajo diferentes condiciones de carga.

Actualmente podemos encontrar válvulas inteligentes que pueden ser configuradas en diferentes modos para poder determinar qué estrategia es la más conviene para satisfacer tanto las secuencias de operación como de rendimiento de los serpentines.

Estas válvulas de tercera generación son un complemento ideal para estrategias de optimización de las centrales de agua helada. Dichas estrategias suelen considerar una lógica de control avanzada para hacer un secuenciamiento de bombas y enfriadoras en base a diferentes variables que se miden para determinar cuántos equipos tienen que operar y en cuánto tiempo. Con esto se pueden rotar las unidades para que tengan un desgaste equitativo. La optimización de las centrales de agua helada se enfoca en los equipos que son parte de la generación y bombeo. En la parte de las unidades de distribución de aire sólo se hacen recomendaciones genéricas para utilizar válvulas de control de posición.

Con base en los resultados de diferentes proyectos existentes, se ha constatado que cuando se consideran válvulas convencionales de control, en conjunto con válvulas de balanceo, es prácticamente imposible balancear el sistema hidrónico. Esto debido a que la optimización en la central de agua helada, en la mayor parte de los casos, requiere de la instalación de variadores de frecuencia en las bombas, para convertir los sistemas en bombeo de volumen variable.

Adicionalmente,  se instalan variadores de frecuencia en la parte del circuito de condensados cuando es requerido. Las válvulas inteligentes de tercera generación al ser combinadas con secuencias avanzadas de control en la central de agua helada dan como resultado mejoras en la eficiencia del diseño de los equipos.

Estas válvulas contienen no sólo una válvula caracterizada de control de esfera, sino que también se les han agregado un par de sensores de temperatura y otro de caudal ultrasónico, además de un servidor de red incorporado en el actuador de la válvula.

Los modos de operación pueden ser combinados por un algoritmo de control interno llamado administrador de delta T. Incorporado en el actuador de la válvula, este algoritmo tiene la capacidad de entrar en operación cuando el diferencial de temperatura de agua helada (monitoreado por un sensor en el suministro y otro en el retorno) está por debajo de un punto de ajuste predeterminado o de diseño para poder garantizar ese diferencial delta T a nivel serpentín. Al controlar y monitorear el Delta T a nivel serpentín, es posible alcanzar el diferencial de temperatura de agua helada a nivel sistema cumpliendo las condiciones de diseño.

Dichas válvulas también ofrecen la medición de energía consumida y potencia generada por el serpentín. Estas informaciones son compartidas al sistema de gestión a través de estándares de comunicación como BACNet, que es un protocolo no propietario para poder comunicar diferentes marcas y equipos dentro de un sistema de automatización. Al tener comunicación vía BACNet, la válvula puede ser operada a través del sistema de gestión y así ahorrar cableados convencionales para enviar señales de control.

Alcanzar resultados satisfactorios utilizando las diferentes tecnologías en los sistemas hidrónicos de volumen variable es factible cuando hay un diseño que se ha trabajado involucrando diferentes disciplinas. Esto conlleva un trabajo en conjunto con los dueños, consultores, contratistas mecánicos, eléctricos y de control para un desarrollo de secuencias eficientes y fáciles de operar, permitiendo inclusive transiciones en los equipos de mantenimiento. La participación de operadores durante el cierre de proyecto facilita el entendimiento y aprendizaje de los sistemas hidrónicos. La utilización y medición continúa de diferentes variables y equipos por medio del sistema de gestión, por otro lado, nos ayuda a contar con información valiosa, la cual permite la elaboración de reportes, rutinas de mantenimiento, análisis de datos y rendimiento de equipos, incluyendo la generación de alarmas y eventos que se presentan durante la operación del día a día.

Válvulas Inteligentes
Al combinar válvulas inteligentes de tercera generación a nivel de control es posible evaluar el comportamiento de las válvulas en diferentes modos como son: modo de posición (el actuador obedece la señal de control en base a una salida proporcional y ajusta su posición en relación a esta señal), modo independiente de presión (la válvula modula en base a la señal proporcional del controlador, pero también mide el flujo por medio del sensor del caudal para poder modular y entregar el caudal máximo requerido por el serpentín)
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Víctor Orozco
Egresado de la Universidad Anáhuac, estudió Ingenieniería Mecánica y Eléctrica. Se especializa en sistemas electrónicos y es maestro en administración de negocios por la Universidad DeVry en Florida, EEUU. Cuenta con veinte años de experiencia en gestión de proyectos, planeación estratégica de cuentas y liderazgo en la compañía Fortune 500 controls.

Su experiencia en el ramo de sistemas de automatización, seguridad y detección de incendios para edificios, lo ha llevado a laborar en Belimo Air Controls, Inc., como consultor regional de aplicaciones.

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