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sábado, 24 de septiembre de 2011

AHORRO ENERGETICO EN LA DISTRIBUCION HIDRAULICA. EQUILIBRADO DE LA RED HIDRAULICA

Los últimos avances en tecnología de equipos y sistemas tienen un importante impacto en el incremento del ahorro energético y la consecuente reducción de los costes de explotación de las instalaciones de climatización. Es importante tener en cuenta no sólo la eficiencia de los equipos de producción de frío y calor, sino también la eficacia con que se distribuye la energía por todos los receptores de la instalación, desde la central de producción hasta la última unidad terminal usando el agua cómo fluido portante.

Los caudales de agua destinados a este cometido deben ser los correctos, sin sobrecaudales y sin subcaudales. En esto consiste la primera condición para un correcto equilibrado hidráulico: conseguir que lleguen a todos los elementos consumidores los caudales de diseño.

Los reglamentos técnicos, cómo el RITE, Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación español, establecen la necesidad de equilibrado de las instalaciones hidráulicas, único medio para conseguir que circulen los caudales de diseño por todos y cada uno de los terminales y se aumente la eficiencia de la instalación hidráulica al máximo.

Una instalación a caudal constante o variable de agua, consume más energía cuando no está equilibrada. El desequilibrio provoca un exceso de caudal en las unidades más cercanas a la bomba de circulación, mientras que las más lejanas o más desfavorecidas por su propia pérdida de presión, reciben poco o incluso nulo caudal, según la fórmula básica: 

donde Q es el caudal, es la variación de presión y Kv es el coeficiente característico total del circuito hidráulico o de una sola válvula o elemento, dependiendo del nivel de análisis. 
Como recordatorio, el coeficiente Kv es inversamente proporcional a la resistencia al paso del fluido por un elemento. A mayor resistencia, menor Kv y viceversa.
Además, el desequilibrio de la instalación hidráulica provoca la ineficiencia de la propia instalación energética. En caso de una instalación de climatización, la regulación de temperaturas, caudales de aire, etc, se antoja casi imposible. 

El efecto neto es un incremento del caudal de agua total en la instalación, aunque, como se puede demostrar, falta el caudal necesario en muchas unidades terminales, ya que hay un exceso de presión en las más próximas y una escasa presión diferencial en las últimas.

El impacto en el consumo es todavía mayor para solventar el problema de las unidades terminales que no reciben su caudal de diseño por estar en zonas desfavorecidas. En lugar de proceder al equilibrado, como sería lo lógico, se tiende a aumentar el caudal de la bomba secundaria, lo que provoca un mayor consumo de energía primaria y no siempre el resultado esperado de mejora.

Conviene recordar que el consumo de la bomba Cb es proporcional al caudal q y a  la altura manométrica 

 

El sobrecaudal en el circuito secundario provocado por el desequilibrio hidráulico agrava los problemas de incompatibilidad entre los caudales de producción y distribución y en segundo lugar, los usuarios de zonas desfavorecidas tienden a establecer puntos de consigna en sus reguladores de temperatura más elevados en invierno y más bajos en modo verano, provocando aumentos en el consumo de entre un 7%-12% en calor y un 15 -18% en modo frío por cada grado de temperatura de diferencia.

El equilibrado de la instalación consiste en añadir pérdidas de presión calculadas en los circuitos más favorecidos (iguales a las diferencias en longitud más las diferencias entre los diversos elementos) para conseguir los caudales de diseño en todas y cada una de las unidades terminales. 
Como es lógico, esto debe realizarse con las mínimas pérdidas de carga posibles en las válvulas de equilibrado, es decir, 3 kPa para la válvula de equilibrado del circuito más desfavorable (para poder medir con buena precisión) y la diferencia respecto a la más desfavorable en el resto de válvulas. La instalación también podría estar equilibrada creando, por ejemplo, 23 kPa en la válvula del circuito más desfavorecido, pero la altura de la bomba aumentaría en 20 kPa, con el correspondiente aumento en el consumo:
 

El equilibrado permite optimizar la puesta en marcha del edificio. Si la insta-lación está desequilibrada, el tiempo de puesta en marcha se alarga innecesariamente, creando la necesidad de arrancar con gran anticipación el sistema para evitar que cuando los usuarios ocupen sus puestos, no se den las necesarias condiciones de confort. 

La puesta en funcionamiento después de cada parada programada es un tema a considerar seriamente. Si existe desequilibrio en un sistema de caudal constante, habrá zonas en las que nunca se satisfarán las condiciones de confort, por muy temprano que se arranque la instalación. Si esto ocurre en un sistema de caudal variable, dado que la mayoría de las válvulas de control están totalmente abiertas, se generarán sobrecaudales que crearán una caída excesiva de la presión en algunos sectores de la tubería, con subcaudales en los sectores menos favorecidos del sistema. Los circuitos menos favorecidos no reciben el caudal adecuado hasta que los circuitos favorecidos alcanzan el valor prefijado del termostato (siempre y cuando los valores prefijados hayan sido bien elegidos), permitiendo que sus válvulas de control comiencen a regular. Por esta razón, la puesta en funcionamiento es un proceso dificultoso que lleva más tiempo del esperado. 
Es costoso en términos de consumo de energía. Una puesta en funcionamiento no uniforme impide en la práctica la gestión de un controlador central y cualquier tipo de optimización. 

DISTRIBUCION A CAUDAL CONSTANTE FRENTE AL CAUDAL VARIABLE. VARIADORES DE VELOCIDAD
La disminución del precio de los sistemas de variación de frecuencia / velocidad de motores eléctricos ha popularizado su uso en todos los campos, incluyendo el sector de la climatización. La idea cosiste en adecuar la velocidad de giro de la bomba a la demanda energética.
El ahorro que se consigue mediante el uso de bombas de velocidad variable en la distribución del agua se centra en los siguientes aspectos:

1. Evitar sistemas de bombeo sobredimensionados.

En el cálculo de las bombas de distribución resulta relativamente fácil conocer el caudal que deben bombear, ya que será la suma de los caudales de las unidades terminales a las que abastecen (multiplicado por un factor de simultaneidad, si es posible su utilización). Por el contrario, la altura manométrica que deben proporcionar es más difícil de calcular, ya que existen muchos elementos difíciles de evaluar (pérdidas de carga de las unidades terminales, codos, “T”, conexiones, etc). Es, por tanto, frecuente y comprensible que la altura manométrica de estas bombas esté sobredimensionada en valores que pueden estar fácilmente en el 20%-30% del valor teórico calculado. Además, los fabricantes de bombas sólo pueden ofrecer una gama escal-nada en la que no es fácil encontrar exactamente la bomba calculada, por lo que no existe otro remedio que elegir una bomba mayor. Por ambos motivos, es frecuente encontrarse con bombas cuyas alturas manométricas para sus caudales de diseño están sobredimensionadas en un 40%-50%. Cuando se utilizan bombas de velocidad constante, el exceso de altura manométrica se destruye mediante la pérdida de carga adicional en una válvula de equilibrado. No debemos olvidar que el consumo de una bomba es proporcional a su caudal y a su altura manométrica. Mediante el uso de bombas de velocidad variable es posible reducir la frecuencia de la bomba para que proporcione exactamente la altura manométrica real necesaria, reabriendo la válvula sin desperdicio alguno de energía.

En las instalaciones a caudal constante de agua, el caudal de distribución es siempre el mismo (suma de caudales de las unidades terminales), ya que el uso de válvulas de 3 vías hace que el agua que no deba pasar por las baterías, circule por el by-pass, y su caudal se mantenga constante independien-temente de las cargas de las zonas a climatizar. En instalaciones a caudal variable, las válvulas de 2 vías impiden el paso total o parcial del agua a las baterías, por lo cual el caudal se reduce cuando lo hacen las cargas de las zonas a climatizar. 
Por tanto, el consumo de bombeo disminuye al disminuir el caudal que proporciona la bomba. Cuando un ingeniero consultor adopta un sistema de distribución de agua para una instalación de aire acondicionado o calefacción, que sea a caudal variable o constante lo decide tras evaluar y analizar las ventajas e inconvenientes de una distribución frente a otra.

A continuación, se definen ambos conceptos:

Distribución de agua fría o caliente a caudal constante.
 
Se considera caudal constante en una instalación cuando, cualquiera que sea la carga térmica, el caudal de agua permanece constante. Se consigue usando válvulas de control en los elementos terminales que cuenten con una derivación (by-pass) cuando no sea necesario que circule agua por el terminal que no registra demanda térmica. A este tipo de válvulas de control se las denomina válvulas de tres vías. Algunas consecuencias de esta definición son las siguientes:

o El caudal es constante y la diferencia de presión (presión diferencial) creada por la bomba de circulación en cualquier punto de la instalación no varía con el tiempo.

o El caudal en el bucle (circuito) de producción es siempre menor que en el bucle de consumo. Esto conlleva que tanto las temperaturas de impulsión como de retorno de agua sean variables en el tiempo en cualquier punto de la instalación.

 

Distribución de agua fría o caliente a caudal variable. 

Se considera caudal variable en una instalación cuando el caudal a través de las unidades terminales y a través de los ramales de distribución es variable en función de la carga térmica. Se consigue simplemente usando válvulas de control que corten o modulen el paso de agua, sin vía de by-pass, denominadas válvulas de dos vías. Así mismo: 

o El caudal es variable y la diferencia de presión creada por la bomba de circulación varía en todos los puntos, incrementándose cuando baja el caudal.

o El caudal en el bucle (circuito) de producción puede optimizarse para ser igual (no importa que sea mayor) que en el bucle de consumo. Esto conlleva que la temperatura de impulsión y de retorno de agua sean constantes en el tiempo. 

 

Comparado con un sistema de distribución a caudal constante, el caudal variable presenta las siguientes ventajas: 

1. La compatibilidad de caudales descrita anteriormente. 

2. La temperatura de impulsión del agua constante, mínima en frío y máxima en calor, al adaptarse de una forma más uniforme los caudales de producción y consumo.
3. Como ventaja más valorada, el sistema de distribución a caudal variable de agua permite ahorrar energía de bombeo frente al de caudal constante. De una parte, por bombear solamente el caudal de agua que demanda la instalación y, de otra, porque éste sistema permite que la bomba nunca resulte sobredimensionada.

4. Cuando la instalación está calculada teniendo en cuenta un factor de simultaneidad de uso, permite reducir tanto la potencia instalada en el sistema de producción como la de las bombas secundarias, además de los diámetros de las tuberías de distribución (en caudal constante, el factor de simultaneidad solamente es aplicable a la potencia instalada en la producción).

5. Como se ha visto, puede llegarse a las condiciones de confort más rápidamente si, como requisito indispensable, la instalación está equilibrada.

Los condicionantes para un correcto diseño de una instalación de caudal
variable son los siguientes:

- Caudal mínimo de las bombas.
- Temperatura del agua en la red de distribución.
- Ubicación adecuada del sensor de presión diferencial.
- Variaciones de la presión diferencial.




Arturo Martín
CEO
Global Green Ingenieros S.L.
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