Circuitos hidráulicos en instalaciones HVAC

En el siguiente artículo, enmarcado en el Máster Internacional en Climatización (HVAC) con Eficiencia Energética, vamos a analizar conceptos relacionados con los circuitos hidráulicos en instalaciones HVAC, así como las bombas empleadas comúnmente en instalaciones de calefacción y refrigeración. 

Estas últimas trabajan muchas horas al año, y en muchos casos funcionan a velocidad de giro constante y de forma independiente a la demanda de energía de la instalación. Por ello, si adoptamos medidas para que las bombas de los circuitos funcionen a caudal variable, estaremos contribuyendo de forma directa al ahorro energético.

 En efecto, el ahorro energético en los circuitos hidráulicos cerrados dependerá del funcionamiento de la bomba, de las válvulas de control y de las válvulas de equilibrado. Centrándonos en el funcionamiento de las bombas (conocidas comúnmente como bombas circuladoras o bombas de circulación), en los circuitos hidráulicos de climatización se puede reducir considerablemente el consumo de energía de bombeo si la instalación HVAC funciona a caudal variable.  

En un edificio con climatización (HVAC), las demandas de calefacción y/o refrigeración se encuentran en un estado de cambio continuo. Esto depende de varios factores, como pueden ser los cambios climatológicos exteriores (cambios de estación anuales) o las condiciones interiores de los espacios climatizados (temperatura, carga interna, etc.). Las instalaciones se diseñan para funcionar a plena carga, sin embargo, las instalaciones funcionan la mayor parte del tiempo a cargas parciales. Por tanto, resulta interesante analizar el comportamiento de las bombas a medida que se disminuye la demanda de energía de la instalación o a medida que parcializan su funcionamiento los equipos generadores.  Las posibilidades del funcionamiento de las instalaciones HVAC a caudal variable son las siguientes:

• Velocidad de la bomba constante
• Velocidad variable con Δp = constante
• Velocidad variable con Δp = variable
• Velocidad variable controlada por carga

En esta exposición nos vamos a centrar en analizar la segunda y tercera opción, velocidad variable con Δp = constante y con Δp = variable. En la fase de diseño se pueden usar diferentes estrategias para reducir las pérdidas de presión, estableciéndose criterios de buenas prácticas que limiten las pérdidas de presión (pérdidas de presión en tuberías menores de 20 mmca / m, uso válvulas de paso recto de pérdida de presión casi nula, etc.). Cuando se trata de ahorrar energía en los circuitos hidráulicos, la primera optimización del consumo energético del bombeo debe empezar en su diseño a carga nominal (independientemente del uso de bombas a velocidad variable o constante). Posteriormente, se tratará de reducir su consumo energético, reduciendo la circulación de caudal a cargas parciales de la instalación. El problema en muchas instalaciones HVAC no es que la pérdida de presión del circuito hidráulico sea elevada, sino que se ha instalado una bomba mayor de lo necesario. El sobredimensionado de las bombas es una práctica habitual y el problema radica en que las instalaciones HVAC no están muchas veces preparadas para que en la puesta en marcha o en las operaciones de mantenimiento se realicen los ajustes necesarios. Se hace imprescindible la instalación de caudalímetros que indiquen el caudal circulante con cierta precisión, que bien pudiera ser del 5% - 10%, pero que permitirían el ajuste del caudal por parte del mantenedor. El ajuste del caudal puede realizarse mediante 3 técnicas:

• Estrangulamiento del caudal por válvula en serie. El consumo energético de la bomba disminuirá muy poco. Las válvulas de regulación en la impulsión de las bombas es algo a eliminar de las instalaciones.
• Cambio de la bomba, del rodete de la bomba o recorte del rodete. Se trata del sistema de regulación más eficiente en el caso de circuitos que vayan a funcionar a caudal constante. El ajuste del caudal se realizará con una disminución importante del consumo de energía.
• Variación de la velocidad de giro. Se trata de un método simple y económico al menos en bombas de menos de 2 kW. Se consigue un ajuste sencillo del caudal que además puede ser reversible. En circuitos a caudal constante, se asumirían unas pérdidas en el variador de frecuencia que en principio no deberían existir.

Aunque no nos vamos a detener a explicar de forma detallada el principio de funcionamiento de las bombas a velocidad variable, podríamos afirmar que cuando en una bomba solo cambia la velocidad del giro (mismo diámetro de bomba) se cumple la siguiente condición: 

Aplicando la anterior expresión de equivalencias, se pueden tomar puntos de funcionamiento de una bomba y determinar sus puntos homólogos a otras velocidades de giro. Por ejemplo, suponemos que tenemos una bomba en la que conocemos el caudal nominal y la altura que debe vencer. Esos datos son los siguientes:

• Caudal nominal = 17,2 m3/h
• Altura = 12,5 m.c.a.

Para las condiciones de caudal nominal y altura anteriores, si se instala un variador de frecuencia a la bomba de forma que cambia su frecuencia de 50 a 45 Hz, el punto homólogo a este será: 

En la siguiente imagen observamos cómo varían los diferentes parámetros que representan las curvas características de una bomba trabajando a diferentes frecuencias:

• Curvas características de una bomba a diferentes frecuencias (esquina superior izquierda)
• El rendimiento de dos puntos homólogos es igual a distintas velocidades de giro (o frecuencias), solo cambia el caudal (esquina superior derecha)
• Curva de potencia en el eje de la bomba a diferentes frecuencias (esquina inferior izquierda).
• Curva de potencia eléctrica consumida de la bomba a distintas frecuencias (esquina inferior derecha).

Para el caso de bombas a velocidad variable, funcionando a presión diferencial constante (Δp = constante), el sistema se ajusta de tal modo que la bomba varía su velocidad de giro para mantener constante la altura proporcionada (constante la presión). La bomba está dotada de un sensor de presión diferencial y el variador de frecuencia está programado para mantener esta constante.

Durante la puesta en marcha de la instalación HVAC, el técnico puede configurar la altura de trabajo de la bomba al valor que se considere más apropiado.

En un circuito a caudal variable, en primer lugar se ajustará la bomba para la situación de caudal nominal (máximo). En este punto se le indica al sistema de regulación que mantenga constante la altura proporcionada. Al reducirse el caudal de agua demandado por el sistema (al cerrarse válvulas de regulación del sistema: radiadores, fancoils, baterías de frío y/o calor, etc.), la bomba mantendrá la altura equivalente con la reducción del caudal de suministro, obteniendo las siguientes ventajas:

• El caudal disminuye significativamente, reduciéndose la velocidad en las tuberías y los posibles problemas de ruido por exceso de caudal.
• La energía consumida disminuye significativamente en los sistemas donde la demanda es muy variable (elevado número de horas del sistema funcionando en este modo de demanda variable).

Para el caso de bombas a velocidad variable, funcionando a presión diferencial variable (Δp = variable), se trata de una modificación del sistema anterior. En circuitos de recirculación, la resistencia hidráulica del circuito aumenta a medida que cierran las válvulas de control de dos vías de los elementos terminales (radiadores, fancoils, baterías de UTAs, etc.). Para mitigar este efecto, a medida que se vayan cerrando las válvulas de control, el caudal suministrado por la bomba disminuirá significativamente en proporción de los cierres, rebajando la resistencia del circuito de un modo variable.

En este modo, una vez puesta en marcha la bomba y ajustada la altura suministrada, la regulación del régimen de giro de la misma se realiza de forma automática.

En cualquier caso, con  alguno de los modos anteriores, siempre se logrará un ahorro energético importante si lo comparamos con sistemas de bombas de circulación de velocidad fija o constante:

En conclusión, la presión aumenta a medida que disminuye el flujo, además se requiere una válvula de derivación de presión diferencial para reducir la presión parcial. En definitiva, el consumo energético de la bomba en el modo de funcionamiento a velocidad fija es mayor que cuando la bomba trabaja a velocidad variable.