Sistema HVAC de circuito cerrado típico

Las bombas centrifugas instaladas en los sistemas HVAC operan en aplicaciones de carga variable, acorde a los requerimientos de flujo y basadas en la carga de calentamiento/enfriamiento de un edificio. Esta práctica contribuye a que la mayoría de los sistemas funcionen con bombas sobredimensionadas, lo que los lleva a ser ineficientes. No obstante, el diseño adecuado del sistema es un elemento fundamental para minimizar los costos de consumo de energía y del ciclo de vida

Víctor Zambrano / Fotografías: cortesía de Xylem

Los costos de energía y mantenimiento representan aproximadamente el 75 por ciento del precio total de la vida de una bomba centrifuga. Con un énfasis creciente en la reducción del consumo de energía, impulsado por regulaciones gubernamentales y empresas que buscan eficiencias operacionales y financieras, los diseñadores de sistemas HVAC están investigando soluciones que maximicen las eficiencias y reduzcan los costos.

Para hacer frente a esta demanda y a la evolución de la industria, existe un nuevo criterio de selección llamado Valor de Eficiencia de Carga Parcial (PLEV) que consiste en un cálculo que representa la eficiencia de la bomba a flujos parciales y puede ser usado para medir el funcionamiento real de la bomba dentro de un sistema hidrónico.

Las bombas centrifugas instaladas en los sistemas HVAC típicamente operan en aplicaciones de carga variable que observan una fluctuación de los requerimientos de flujo, basado en la carga de calentamiento/enfriamiento de un edificio, en cualquier momento. La práctica de la industria en general es hacer selecciones de bombas basadas en la carga de diseño del sistema o la capacidad máxima del mismo. Con este enfoque, la eficiencia del sistema de bombeo es medida al cien por ciento de la capacidad, a pesar que el sistema sólo opera en ese punto uno por ciento del tiempo. La realidad actual de operación de los edificios evidencia que las mediciones y dimensionamientos tradicionales no reflejan con precisión dónde operan las bombas la mayoría del tiempo.

Esta práctica es un factor que contribuye a que la mayoría de los sistemas funcionen el día de hoy con bombas sobredimensionadas, lo que los lleva a ser ineficientes. Una bomba es considerada sobredimensionada cuando no opera dentro del +/- 20 por ciento del Punto de Mejor Eficiencia (BEP).

Efectos de sobredimensionamiento
Hay una serie de razones del porqué los diseñadores de sistemas sobredimensionan las bombas, incluyendo los márgenes de seguridad adicionales a los que se incorporan en el diseño de los fabricantes. Este sobredimensionamiento es común, sin embargo, a menudo innecesario, ya que esta práctica aumenta los costos de operación y mantenimiento del sistema. Por ejemplo, el sobredimensionar el flujo cinco por ciento, incrementa la demanda de energía en más de 15 por ciento. Un incremento del flujo en 10 por ciento aumenta el consumo de energía hasta en 30 por ciento.

El Instituto de Hidráulica ha definido el Rango de Operación Preferido (POR) como un rango de flujos en ambos lados del BEP, en el que la eficiencia hidráulica no es degradada. Por su parte, el POR se extiende del 70 al 120 por ciento del BEP, generalmente.

Cuando una bomba opera fuera de su rango de eficiencia incrementa la probabilidad de cavitación —una condición ruidosa y dañina causada por la formación y colapso de burbujas de vapor en el impulsor de la bomba— y sobrecarga del motor de la bomba. El daño mecánico a largo plazo puede resultar cuando ocurre cualquiera de las siguientes condiciones:

  • Aumento excesivo de la temperatura
  • Incremento de vibración y ruido
  • Carga Neta de Succión Positiva (NPSH) insuficiente y de recirculación
  • Reducción en la vida útil de los baleros
  • Reducción en la vida útil del sello mecánico
  • Fatiga del eje
  • Inversión de empuje

Prácticas como el estrangulamiento de la bomba o recorte de impulsor combaten los efectos del sobredimensionamiento en cierta medida, pero no siempre son las soluciones más eficientes. Si una bomba está tan sobredimensionada que el flujo debe de ser estrangulado más del 50 por ciento, la mejor práctica será remplazarla por una de tamaño apropiado.

El diseño adecuado del sistema es un elemento fundamental para minimizar los costos del ciclo de vida y reducir el consumo de energía. Estudios han mostrado que entre 30 y 50 por ciento de la energía consumida en los sistemas de bombeo podría ser ahorrado a través de cambios en el sistema o equipo de control. Esto se lograría al adaptar el equipo de forma más precisa a las demandas reales del sistema, de tal manera que las bombas consumirán menos energía y requerirán menos mantenimiento, reduciendo costos y extendiendo la vida útil del equipo.

Un nuevo punto de referencia
La fórmula PLEV crea un estándar moderno para la industria al proporcionar la especificación más precisa de una bomba centrifuga a flujos parciales, al tiempo que ayuda a eliminar el sobredimensionamiento asociado a menudo con el diseño del sistema.

El PLEV se deriva del cálculo exitoso del rendimiento del Valor de Carga Parcial Integrado (IPLV) desarrollado por el Instituto de Refrigeración, Calentamiento y Aire Acondicionado (AHRI) en AHRI 550/590-1998. La fórmula probada describe la eficiencia del equipo mientras se opera a diferentes capacidades de un sistema enfriador, y es crucial en el soporte del uso de energía y los costos de operación a través del tiempo de vida del sistema.

La ecuación PLEV  es como sigue:

Donde, A, B, C y D son los valores de eficiencia de la bomba a cien por ciento, 75 por ciento, 50 por ciento y 25 por ciento del flujo y el correspondiente valor de carga en la curva de control.

Basados en la ecuación de la figura 1, durante cualquier año dado, la bomba operará al cien por ciento del flujo (punto de operación) sólo uno por ciento del año; 75 por ciento del flujo, 42 por ciento del año; 50 por ciento del flujo, 45 por ciento del año y 25 por ciento del flujo, 12 por ciento del año.

El subíndice denota operación a velocidad variable con la carga de control, calculada dentro de un circuito crítico del sistema. La guía de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción Refrigeración y Aire Acondicionado ASHRAE 90.1-2013, requiere que la pérdida de carga total en el sistema, sea calculada considerando también la carga fija de la zona crítica. Ese valor de carga es el que debería utilizarse, ya que representa un cálculo más preciso, el cual se reflejará en el análisis de costos.

La mayoría de los sistemas de calentamiento y enfriamiento son circuitos cerrados y requieren un diferencial constante de carga en todo momento. El diferencial constante es necesario para el control del sistema y para asegurar que el diferencial necesario de carga a través de cualquier sub circuito sea mantenido durante la operación (figura 2).

El PLEV puede ser utilizado para comparar con precisión las bombas de diferentes fabricantes e identificar la eficiencia operativa total. Al considerar el 30 por ciento de la Carga Dinámica Total (TDH), o la carga de control mínima calculada dentro las hojas técnicas de las bombas, dentro del proceso de especificación, asegurarán una comparación equitativa entre fabricantes.

Figura 2: Sistema HVAC de circuito cerrado típico. El diferencial de carga constante debe ser mantenido en todo momento

PLEV y BEP
El PLEV proporciona a los diseñadores de sistemas más oportunidades de seleccionar bombas a la derecha del BEP, siempre y cuando la pérdida de carga del sistema sea calculada con precisión. Las selecciones de bomba a la derecha del BEP pueden tener un PLEV mayor que otras selecciones porque el perfil de carga es fuertemente ponderado en las horas de operación a 75 por ciento y 50 por ciento de la operación. Estos puntos de perfil de carga representan el 87 por ciento de las horas de operación.

Sí las pérdidas de carga del sistema han sido estimadas y una selección es hecha a la derecha del BEP, existe un riesgo de que la bomba opere afuera del rango de operación aceptable. En el peor escenario, la bomba puede operar fuera de la curva. Las directrices de ASHRAE prefieren selecciones de bombas entre 85 y 105 por ciento del BEP.

En la selección de una bomba para un sistema abierto el PLEV podría no ser un criterio clave debido a la Carga Neta de Succión Positiva requerida (NPSHr). La selección a la derecha del BEP generalmente incrementa el NPSHr.

El PLEV puede ser considerado como un factor en la selección de dos bombas en paralelo, pero los usuarios deben evaluar cuidadosamente el requerimiento para un punto de intersección entre la curva de una sola bomba y la curva del sistema. El riesgo de seleccionar una bomba con un PLEV mayor o la derecha del BEP incrementará la probabilidad de que la curva de la bomba sola no tenga un punto de intersección. En general, el seleccionar bombas a la izquierda del BEP en sistemas de bombas en paralelo múltiples sigue siendo una práctica recomendada para minimizar los costos operativos en conjunto.

Otros criterios de selección
Para sistemas HVAC de circuito cerrado es una práctica de diseño común usar selecciones de bombas a 1800 RPM, ya que ofrecen una serie de ventajas, como el incremento de masa para absorber harmónicas del sistema que podrían llevar a vibraciones no deseadas, y mayores eficiencias a la izquierda del BEP. Las selecciones de bombas a velocidades mayores (3600 RPM) también ofrecen beneficios importantes, como motores y bombas de tamaños más pequeños que producen un menor costo inicial, menos requerimiento de espacio en el cuarto de máquinas, diámetros de tubería más pequeños y eficiencias de PLEV mayores.

Eficiencia
La aplicación del PLEV como un criterio de selección de bomba es fundamental para los diseñadores, ya que deben elegir la que operen en las más altas eficiencias a través del segmento más grande de la curva de la bomba. Los nuevos diseños de bombas incorporan la tecnología de vanguardia de la dinámica de fluidos computacional para incrementar la eficiencia. Los rangos se conocen como Islas de Eficiencia, es decir, un rango en la curva de rendimiento, donde la bomba opera tan amplia y profundamente como sea posible dentro del POR. Esos perfiles de eficiencia permiten a los usuarios mantener significativamente los niveles más altos de eficiencia sobre un rango mucho más amplio de condiciones de operación, conduciendo a un menor consumo de energía y costo en el ciclo de vida, e incrementando la confiabilidad de la bomba y el rendimiento general del sistema.

El criterio de selección PLEV y el software de selección especializado brindan herramientas para satisfacer y exceder los requerimientos de eficiencia; por lo tanto, cuando se combinan bombas altamente eficientes con el criterio de selección PLEV, los diseñadores de sistemas pueden maximizar el rendimiento operacional al tiempo que realizan ahorros de energía y costos, así como beneficios ambientales. Estos estrictos estándares de eficiencia de bombas estimulan a los diseñadores de sistemas a buscar maneras más inteligentes al especificar bombas.

Sobre el autor

Víctor Zambrano
Es ingeniero químico por la Universidad Autónoma Metropolitana. Cuenta con 20 años de experiencia en Xylem en el área de Aplicaciones y Ventas, además de proporcionar entrenamiento en las aplicaciones de Bell & Gossett. Colaboró en la traducción, revisión y adaptación del artículo “Bell & Cossett introduces new hydronic pump selection criteria to maximize system efficiency” de Mark Handzel, vicepresidente de Asuntos Regulatorios de Productos y Director de Edificios Comerciales HVAC de Bell & Gossett, una marca de Xylem.