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PICVs y VRFs: dos lados de la misma moneda

Un vistazo a las válvulas de presión de control independientes y a su aceptación como sinónimo de control de flujo variable

Stanley De Vries, Miha Kavcic y James Hoctor / Esquemas: cortesía de Danfoss

Hoy en día, el alza en los precios de la energía y el enfoque en la eficiencia energética, el diseño y las tecnologías de construcción ecológica afectan la viabilidad de los sistemas hidrónicos de flujo constante en el diseño de sistemas HVAC. Éstos no son sólo costosos de operar, sino que no hacen un buen uso de las tecnologías de ahorro de energía como unidades de frecuencia variable (VFDs), chillers y bombas de velocidad controlada.

Figura 1. Un sistema de flujo constante (arriba) y uno de flujo variable (abajo)

Existe una razón por la cual el estándar 90.1 de ASHRAE requiere un flujo variable para la mayoría de los sistemas y VFDs para 5 hp y más. De hecho, las válvulas de dos vías como parte de los sistemas de flujo variable han existido durante décadas. Sin embargo, esta tecnología no ha avanzado al mismo ritmo que otros componentes modernos. La mayoría de los diseños actuales todavía usan válvulas de dos vías y de balanceo que son casi las mismas utilizadas desde hace 80 años, excepto por una mejora relacionada con el control.

Incluso, esas válvulas eran adaptaciones de la tecnología existente utilizada para sistemas de tres vías (flujo constante). Una pregunta legítima sería si la innovación es realmente necesaria. “Si algo no se rompe, no lo arregles”, la mayoría de los ingenieros podrían decirlo. Ante esto, es fácil señalar los desafíos causados por el uso de válvulas de dos vías y de equilibrio.

Bajo ΔT

Uno de los parámetros más importantes cuando se trata de operar una instalación eficiente de energía es el ΔT en el sistema. Un ΔT bajo causará problemas con los enfriadores y reducirá la eficiencia de toda la instalación, desperdiciando energía. No se revela un gran secreto cuando se dice que la mayoría de las instalaciones no se ejecutan en su ΔT diseñado inmediatamente después de la puesta en servicio. ¿Cómo es esto posible?

Figura 2. Característica de la bobina

Una de las razones se puede ver en la figura 2. Esto representa un intercambiador de calor agua-aire típico, tal como se puede encontrar en unidades de fan & coil y de manejo de aire y, en este caso particular, en un serpentín de enfriamiento. Tan pronto como el flujo excede el cien por ciento ya no contribuye a enfriar el edificio. Duplicar el flujo aumentará la capacidad del serpentín en sólo 10 por ciento. El aumento de la velocidad a través del serpentín del agua da menos tiempo para transferir la energía térmica al aire y, por lo tanto, el ΔT sobre el serpentín se reduce drásticamente. Por lo tanto, si una válvula de control abierta permitiera más flujo para la que se diseñó, es decir, en caso de que falten válvulas de balanceo, obtendrá un ΔT reducido y casi ningún aumento en la transmisión de energía real a la habitación.

Existe la creencia de que el balanceo no es necesario, ya que las válvulas de control (ATC) siempre controlan el flujo por debajo del flujo nominal. El control PI tiene una influencia muy limitada en el balanceo. Para los principiantes, tan pronto como la temperatura sale de la banda P, como en el modo de inicio o cuando existe una demanda repentina de alta carga en una habitación, la válvula se abrirá por completo, como se puede ver en la figura 2. Si la presión disponible para esa válvula es más alta que la diseñada (carga del sistema <100 por ciento), se producirá un desbordamiento que causará una condición de ΔT baja.

Para muchos ingenieros se trata de problemas transitorios que sólo alteran temporalmente el equilibrio en el sistema. Sin embargo, debido a un mejor aislamiento y la construcción de inmuebles, las influencias externas sólo tienen un impacto menor en la carga térmica del edificio y son las personas y el equipo los que más lo alteran. Por lo tanto, los usuarios que se mueven en el edificio, así como los equipos eléctricos/electrónicos, provocan constantemente perturbaciones rápidas en la carga.

El problema pasa de ser transitorio a un estado permanente de incidentes. Incluso, si el control opera dentro de la banda P, todavía existe peligro. Para cargas más bajas se requieren flujos más bajos, para el 80 por ciento de la capacidad del serpentín sólo el 50 por ciento del flujo, y para el 30 por ciento, el 10. Es difícil controlar estos flujos usando válvulas de control normales, si se tienen problemas de autoridad o de rechazo. Cuando surgen estas condiciones de bajo flujo requerido, el control comenzará a activarse/desactivarse para que éste no sea demasiado, o no haya. Un flujo excesivo siempre significará un ΔT por debajo del nivel óptimo, por lo que las fallas de equilibrio y control son la causa principal de muchas fallas.

Problemas de presión diferencial

El agua sigue el camino de menor resistencia. Esto causa desequilibrios en el sistema donde las unidades terminales más cercanas a la bomba obtienen demasiada agua, mientras que las finales alcanzan muy poca cantidad. Este problema generalmente se resuelve con válvulas de balanceo manuales. Las válvulas de equilibrio se utilizan para aumentar la resistencia en el circuito, de modo que el agua fluye a otras partes del sistema.

A pesar de que una válvula de equilibrio es un dispositivo muy simple, asegurarse de que esté correctamente configurado es otra cuestión. Inclusive, si está bien, ¿qué se logra? Balance para el cien por ciento de la carga del sistema en la instalación, que es menos probable que ocurra. Entonces, ¿vale la pena instalarlos?

Cuando la instalación es sólo parcialmente cargada, que es más de 95 por ciento del tiempo, ocurre la limitación de la válvula de equilibrado y su incapacidad para reaccionar a los cambios en condiciones operativas. Esto debido a que las válvulas comenzarán a cerrarse, la dinámica en el sistema cambiará y las presiones diferenciales disponibles (ADP) aumentarán. El aumento de éstas significa mayores flujos. Las bombas con control de velocidad pueden proporcionar un alivio parcial para este problema, pero no es la panacea que generalmente se considera, como se observa en la figura 3.

Figura 3. Distribución de presión para diferentes caudales en el sistema

Los diagramas representan las caídas de presión en un sistema considerable donde todas las unidades terminales son iguales y necesitan el mismo flujo. La figura 3 representa las caídas de presión a pleno flujo (las válvulas de control están dimensionadas, según el método de caída de presión de la unidad terminal). La válvula de equilibrio más cercana a la bomba toma considerablemente más presión que la que se encuentra al final de la instalación. La línea verde representa dos tercios.

Cuando se reduce a 50 por ciento el flujo, el circuito a dos tercios de la presión de instalación todavía está bien, ya que la presión se mantiene constante en el punto de medición. Sin embargo, el ADP para los otros circuitos cambia.

Ahora, el circuito más cercano a la bomba tiene un flujo insuficiente, incluso con la válvula completamente abierta. Si la válvula en el circuito más alejado de la bomba está completamente abierta, como es probable que ocurra cuando el control está fuera de su banda P, tiene un desbordamiento. Cuando el sistema está en cargas muy bajas, o cerca de cero por ciento de flujo, como se aprecia en el lado derecho de la figura 3, el problema se intensifica con la ocurrencia de flujos excesivos. Si la instalación es complicada y con muchas conexiones, a veces es difícil determinar en qué lugar se deben montar los puntos del transmisor de presión (PT) de la bomba.

Basado en la figura 3, se puede hacer un juicio sobre en qué lado experimentar. Demasiado cerca de la bomba aumentará los desbordamientos y, por lo tanto, reducirá la eficiencia energética; ponerlos al final de la instalación (como lo sugiere la Norma 90.1) aumentará los desbordamientos y aumentará las quejas. Esto, a su vez, conducirá a ajustes más altos en la bomba, disminuyendo la eficiencia. Cualquiera de las dos posiciones presenta una situación de pérdida-pérdida.

Figura 4. Sólo las respuestas lineales conducirán a un control estable. Demasiado empinado significará inestabilidad, y demasiado plano significará una reacción demasiado lenta al aumentar la señal

Rendimiento del control

La precisión del control de temperatura tiene consecuencias de gran alcance para el bienestar de los ocupantes de los edificios, la cantidad de energía utilizada y los gastos de mantenimiento que necesita. Desafortunadamente, realizar un control preciso de la temperatura de una habitación no es tan fácil como montar un actuador en las válvulas de dos vías y conectarlo a un sistema de administración de edificios. El control PI puede mantener fácilmente un control de temperatura estable y preciso, si la respuesta del sistema es lineal (figura 4). El ajuste exhaustivo de los parámetros de control puede estabilizar el control, si la respuesta del sistema no es lineal, pero sólo en un determinado conjunto de condiciones. Sería posible estabilizar el cuarto inferior del gráfico naranja en la figura 4, aumentando la banda P y el tiempo de I para compensar las respuestas agresivas del sistema, pero luego sería una forma de reducir el flujo en todas las demás situaciones.

Figura 5. Características de la válvula de control

Autoridad

Para que la reacción sea lineal, hay que ajustar la válvula al serpentín. En el caso de los intercambiadores de calor agua-agua, el comportamiento del serpentín será casi lineal, por lo que se puede utilizar una respuesta lineal de una válvula. Si el serpentín es agua-aire, como la mayoría de los intercambiadores de los sistemas HVAC, el comportamiento no es lineal (figura 2). Así, pues, es necesario emplear una respuesta logarítmica de una válvula (de igual porcentaje). La válvula logarítmica tiene una característica que es contraria a la del serpentín, lo que debería conducir a una respuesta lineal del sistema (figura 5).

Figura 6. Cambio de ADP para la válvula de control

Para seleccionar una característica que complementará al intercambiador debe tenerse en cuenta que la válvula se determina a un ADP constante. Si observamos lo que sucede con el ADP de la válvula más cercana a la bomba, podemos ver que la presión aumenta sustancialmente (área naranja de la figura 6). Esto ocurre porque cuando se reduce el flujo, las caídas de presión en el resto de la instalación también lo hacen drásticamente. Luego, este aumento de la presión diferencial tiene un efecto en la característica de la válvula. El flujo en aberturas de válvulas más pequeñas será mayor que lo esperado porque el ADP es mayor.

Figura 7. Características de las válvulas a bajas autoridades

En la figura 7, se puede apreciar cómo se verían las características de las válvulas como resultado de estos ADP crecientes. La deformación de la característica de la válvula está incorporada en su autoridad, la cual define hasta qué punto la válvula de control puede imponer su característica en el circuito. En otras palabras: refiere a qué tan cerca se asemeja la característica instalada de la válvula a la característica teórica de la hoja de datos. Es relativamente fácil calcular la autoridad de la válvula utilizando la siguiente fórmula:

En general, la autoridad debe ser al menos 0.5 para garantizar un control adecuado. Aunque ésta se puede calcular mediante una fórmula simple, hacerlo en la realidad no es sencillo. Para empezar, la autoridad de todas las válvulas en la instalación será diferente y dependerá de la ubicación de los puntos PT para la bomba.

ADP

Calcular la autoridad de las válvulas predice lo qué ocurrirá con una sola en la instalación, donde la válvula no funciona sola, ya que es parte de un sistema en el que muchas otras intentan controlar las temperaturas simultáneamente. Tan pronto como una válvula se abra o se cierre, cambia el ADP para todas las demás y, para mayor complejidad, hay una bomba de velocidad controlada que cambia los ADP para la instalación en su totalidad. Por lo tanto, en la práctica, la característica de la válvula de control se vería más como en la figura 8. Debe entenderse que ésta es una instantánea. Debido a la dinámica en el sistema, el ADP nunca se mantendrá constante. Entonces, incluso si la válvula no se mueve, el ADP, y por lo tanto el flujo, cambiarán. En otras situaciones, la característica podría verse completamente diferente. Es claro que, con tal característica, un control estable es un sueño imposible, incluso, si se estuviera preparado para cambiar las constantes P e I de forma regular.

Desánimo

Los diseñadores a menudo están dispuestos a gastar más dinero en una válvula que tiene un mayor índice de reducción porque piensan que mejorará el control de la temperatura. La reducción dice algo sobre el flujo mínimo controlable de la válvula. Una reducción de 1:50 significa que puede controlar de manera confiable hasta dos por ciento del flujo máximo. Es un valor que sólo es relevante para las válvulas logarítmicas, ya que se necesitan para obtener resultados impredecibles en pequeñas aberturas. En válvulas lineales, la reducción es oficialmente igual a la tasa de fuga.

Si hay una autoridad baja, el ADP aumentará sustancialmente a medida que la válvula se esté cerrando. El flujo más pequeño que la válvula puede controlar de manera confiable será, por lo tanto, mucho más grande de lo esperado. Para calcular la reducción instalada, necesitamos multiplicar la relación de control teórica con la autoridad. En la figura 3, eso significaría: 1:50 x √7 / 55 = 1:18 (relación de control x √ presión diferencial nominal / presión diferencial máxima con válvula cerrada), por lo que el caudal real controlable mínimo está cerca de cinco por ciento.

Figura 8. Comportamiento valvular en la vida real

PICV

Los ejemplos anteriores permiten concluir que, si se controlan las presiones impredecibles y fluctuantes, no hay de que preocuparse por el equilibrio, la autoridad o los problemas de rechazo. La válvula de control independiente de la presión (PICV) hace exactamente eso, pues no está sujeta a las fluctuaciones de presión normales en el sistema.

La válvula consta de dos partes, un controlador de presión y una válvula de control. El controlador de presión mantiene una presión diferencial constante, lo cual limita automáticamente el flujo = Cv x √ADP, y tanto el Cv como el ADP ahora son valores constantes, lo que significa que el flujo también es constante. Al abrir y cerrar la válvula de control, cambia el Cv y, por lo tanto, puede modificarse el flujo de forma controlada y predecible.

Figura 9. Representación esquemática de un PICV

Ahora es fácil equilibrar la instalación. Debido a la forma en que se construyen las PICV, éstas funcionan como una válvula de equilibrio automática (se adapta a cualquier carga del sistema) y el flujo se puede configurar sin necesidad de medir. Esto elimina el complicado procedimiento de balanceo propenso a errores que requieren las válvulas de balanceo manual. La autoridad tampoco es relevante, ya que el controlador de presión diferencial dentro de las PICV hace que el ADP sea igual con la válvula abierta y cerrada; la fórmula siempre devolverá 1 como respuesta, lo que significa que la característica teórica de la válvula también será completamente predecible con todos los ADP. Esto trae otro beneficio: usar válvulas de control lineal que no tienen problemas de rechazo para todas las aplicaciones.

La tecnología PICV nos permite programar el comportamiento logarítmico en el actuador o en el BMS, lo que arrojará mejores resultados que tratar de lograr el mismo efecto con válvulas que presenten una característica logarítmica.

Bajo ΔT

Como se aprecia en la figura 2, la modulación adecuada puede aumentar la ΔT. Cuanto menor es la carga del sistema, mayor puede ser el ΔT. Esto crea enormes ventajas para los sistemas de eficiencia energética. Como resultado, los edificios con calificación de alta eficiencia energética de todo el mundo han utilizado PICV.

Costos

Si se compara con las válvulas de control manual y las de control convencional, las PICV son una solución muy competitiva. La inversión inicial en tecnología PICV podría ser ligeramente mayor, pero se recuperará rápidamente con los ahorros de la puesta en marcha y un menor consumo de energía. Además, las quejas como resultado de los controles de flujo inestable se pueden eliminar virtualmente, lo que reduce los costos operativos.

Conclusión

El PICV es un concepto que ha sido diseñado desde cero para los sistemas de flujo variable y los desafíos únicos que presentan estos sistemas. Es posible resolver los retos haciendo cálculos extensos, ingeniería muy precisa y ajuste de los parámetros de control que requieren mucho tiempo. Sin embargo, en el complejo proceso de construcción con muchas partes involucradas y decisiones tomadas fuera del alcance del control del ingeniero a cargo de las soluciones conceptuales, ¿podemos estar seguros de que nuestra ingeniería tan precisa se podrá implementar realmente?

Las válvulas independientes de la presión reducen la complejidad del diseño del sistema y pueden ayudar a minimizar el riesgo de controles inestables y problemas de ΔT bajos, lo que lleva a la simplicidad y robustez del diseño. El PICV ha demostrado ser una tecnología confiable en la última década, y su creciente aceptación en países de todo el mundo indica que es el futuro del control de flujo variable.

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Stanley de Vries

Gerente de Desarrollo de Negocios para mercados emergentes, equilibrio hidrónico y válvulas de control en Danfoss.

Miha Kavcic

Director de Productos Hidrónicos y control de válvulas en Danfoss. Pionero en el desarrollo de la tecnología PICV.

James F. “Jim” Hoctor

Gerente Nacional de Ventas, balanceo hidrónico y válvulas de control en Danfoss Norteamérica.

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