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Válvulas de control aliadas de la eficiencia energética

El uso de válvulas de control independientes de la presión redunda en grandes ahorros de energía y de costos para propietarios y administradores de edificios. Sigue leyendo para saber cómo se logra esto.

El uso de válvulas de control independientes de la presión redunda en grandes ahorros de energía y de costos para propietarios y administradores de edificios. Sigue leyendo para saber cómo se logra esto

Jorge Sosa Martínez / Fotos: cortesía de Haften

Los problemas de eficiencia energética en edificios suelen proceder de los sistemas HVAC, principalmente. Algunos de los problemas más comunes tienen que ver con la falta de confort en las instalaciones, el start up o arranque de los equipos, niveles bajos de Delta T (DT) o el sobredimensionamiento. Esto sin mencionar el impacto de la correcta selección de equipos y la aplicación de un buen balanceo hidrónico.

Las válvulas de control son otro factor importante que suele ser desatendido. Éstas ocupan una parte muy importante en el sistema HVAC y son las que regulan el paso de agua hacia los serpentines para poder lograr las temperaturas adecuadas de confort. Los problemas que pueden presentar tienen su raíz en los softwares de modelado de la instalación HVAC que asumen ciertas condiciones del sistema tales como una presión constante o una autoridad perfecta, si bien esto nunca es así.

Existen diferentes tipos de válvulas. Las más tradicionales son:

1.  Válvulas de balanceo estático.

Se utilizaron durante muchos años, aún hoy en día se encuentran en instalaciones muy antiguas. No obstante, la mejor alternativa es actualizar estos sistemas. En esta instalación una válvula restringe el paso de agua hacia la válvula de control o el serpentín. Normalmente se utiliza un manómetro que se conecta a los puertos para medir la diferencial de presión que genera la válvula y, sobre ciertas gráficas, cruza el diferencial de presión contra galones por minuto (GPMs).

Desventajas. Sólo se pueden ajustar a un punto, normalmente al 100 % del sistema, por lo que no funcionan con los sistemas dinámicos que operan a cargas parciales.

2. Válvulas limitadoras de flujo.

Funcionan en cierto rango de presión diferencial de un ramal o sistema, y pueden garantizar un flujo máximo. Mientras se mantengan en un rango determinado, el flujo va a ser constante; es como tener varios set points para diferentes rangos de presión.

Desventajas. Están configuradas o seteadas para dar determinados GPMs como máximo. No funcionan con cargas parciales, por lo tanto, no hay forma precisa de controlar cuánto flujo está pasando por el serpentín.

Figura 1. Funcionamiento de las válvulas de control dependientes de la presión.

VÁLVULAS DE CONTROL DEPENDIENTES DE LA PRESIÓN

La mayoría de las instalaciones en México tienen este tipo de válvulas y normalmente van junto con válvulas de balanceo estático o de balanceo dinámico. Para entender mejor su funcionamiento es necesario revisar lo que sucede entre la válvula y la transferencia de calor de energía (Figura 1).

Cuando una válvula de control dependiente de la presión recibe una señal de 10 volts abre al 100 % y entonces se tiene un 100 % de enfriamiento. En cambio, si se necesita enfriar a un 50 %, el ingeniero de control debe mandar 6 volts para que la apertura de la válvula permita un 20 % de flujo, aproximadamente, y en conjunto con la curva del serpentín se logre un enfriamiento del 50 %. Esa es la manera como se complementan la curva de igual porcentaje de la válvula y la curva del serpentín, dando como resultado la curva lineal de salida. La línea roja representa la curva de respuesta de un serpentín convencional. Esto significa que los serpentines tienen una transferencia de calor rápida, por lo que las válvulas de control deben de tener una curva como la naranja, es decir, opuesta a la del serpentín, para que al tener estas dos curvas unidas la resultante sea una curva lineal igual a la señal de control.

COEFICIENTE DE FLUJO Y AUTORIDAD DE LAS VÁLVULAS

La curva de color naranja que se muestra en la Figura 1 es conocida como curva de igual porcentaje y es la que se busca que tengan todas las válvulas que se usan en los sistemas HVAC. Sin embargo, las válvulas dependientes de la presión suelen tener muchas variaciones en esta curva, por lo que para determinarla es necesario hacer primero los cálculos del coeficiente de flujo (CV) y de la autoridad de la válvula mediante sus respectivas ecuaciones (Figura 2).

Figura 2. CV y Autoridad de la válvula.

El CV es igual a los GPMs, por la raíz cuadrada de la gravedad específica del fluido, dividido entre la raíz cuadrada de la caída de presión de diseño. Cuando se tiene este valor entonces se revisan las tablas del fabricante para poder obtener la válvula que se acerque más al CV comercial.

La autoridad es igual a la caída de presión que genera la válvula de control, entre la suma de las caídas de presión de la misma y de todo el ramal. La autoridad de la válvula distorsiona la curva de flujo de igual porcentaje. Entre más pequeña sea la autoridad la curva se deforma y se va a niveles altos. Por eso no conviene tener una autoridad que ronde el 0.1, lo ideal es tener una autoridad entre el 0.4 y el 0.5 (Figura 3).

Figura 3. Si se tiene una buena autoridad, la curva en la vida real suele ser como la línea verde o la blanca.

Si la autoridad es muy baja, por ejemplo, de 0.17, la curva de igual porcentaje no será opuesta a la curva del serpentín y la resultante no será lineal, sino que será totalmente de apertura o de transferencia rápida. Esto en la vida real dará como resultado que, a la mínima apertura de la válvula, la transferencia de calor sea muy rápida y el enfriamiento se dará casi al 100 % de su capacidad, lo que provocará una sensación de demasiado enfriamiento, seguido de un cese total del mismo (Figura 4).

Figura 4. Ejemplo de una válvula con mala autoridad.

A menudo esto se debe al sobredimensionamiento de la válvula, lo que genera que no se llegue al confort. Asimismo, produce una zona de desperdicio, pues, por más que se abra la válvula, la capacidad de enfriamiento ya fue alcanzada. Luego, el rango de apertura sólo será agua, bombeo y energía desperdiciada.

VÁLVULAS DE CONTROL INDEPENDIENTES DE LA PRESIÓN

Debido a su tecnología, estas válvulas permiten solucionar los problemas más comunes en los sistemas HVAC. Estos equipos son de control automático y proveen el nivel de flujo deseado sin depender de las variaciones de presión en el sistema. Su diseño garantiza el flujo específico para cada grado de apertura, por lo que el serpentín siempre opera a la capacidad deseada.

Algunos de sus beneficios son:

No importa la distancia del equipo o del ramal respecto a la bomba, de cualquier manera, se entregarán GPMs exactos.

Estas válvulas garantizan una autoridad del 100 % y, por lo tanto, una curva de igual porcentaje perfecta.

Se elimina el hunting (apertura y cierre constante del actuador).

Previenen sobreflujos, pues sólo se consume el flujo necesario por cada equipo, lo que mejora el Delta T en el serpentín.

Generan un menor costo de bombeo y de consumo de agua.

No se necesita rebalancear el sistema, aunque se añadan o quiten equipos.

Figura 5. Bajo Delta T.

BAJO DELTA T Y LA LEY DE AFINIDAD DE LAS BOMBAS

Otro factor importante para garantizar el ahorro energético es el nivel del DT, pues entre mayor sea éste, mayor será la eficiencia del sistema. Aproximadamente, el 50 % de los edificios padecen el “Síndrome del bajo DT”, fenómeno que  sucede cuando el agua no se usa eficientemente, ya sea porque la velocidad de flujo en el chiller es muy rápida o porque no se da una transferencia de calor correcta.

Asimismo, se debe atender la Ley de Afinidad de las Bombas. Ésta nos enseña que el flujo, la velocidad de la bomba y el consumo de energía están relacionados matemáticamente, por lo que incluso una pequeña reducción en el caudal del flujo reducirá de manera importante la potencia de la bomba y, por lo tanto, también los consumos energéticos (Figura 6).

Figura 6. Ley de Afinidad de las Bombas.

CONSUMO GPM MÁS EFICIENTE

En conclusión, es posible decir que las válvulas de control independientes de la presión son una parte fundamental para lograr un mayor ahorro energético, ya que garantizan el flujo necesario para cada grado de apertura y dan una autoridad del 100 %, lo que balancea automáticamente el sistema hidráulico. Aunado con el control del bajo Delta T, las oportunidades de ahorro se maximizan (Figura 7).

Figura 7. Consumo GPM.

La reducción de los GPMs disminuye también el costo de energía en el bombeo (Ley de Afinidad de las Bombas). Al mismo tiempo, al disminuir el flujo se reducen las revoluciones por minuto de la bomba y, por ende, el consumo energético. Al prevenir el bajo DT el sistema se vuelve más eficiente, pues se utiliza sólo el flujo necesario en las unidades terminales. Luego, la transferencia de calor en cada serpentín es más eficiente.

Sin duda, el uso de válvulas independientes de la presión representa una inversión más elevada que, no obstante, se paga rápidamente, algo que deben tomar en cuenta los propietarios y administradores de edificios.

 

Jorge Sosa Martínez

Ingeniero en Control y Automatización por la ESIME Zacatenco del IPN, con más de 17 años de experiencia en la industria HVAC. Actualmente, se desempeña como gerente de Aplicaciones HVAC-BAS en Haften. Asimismo, es vicepresidente de Automatización en el IMEI BOMA México.

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