Los sistemas HVAC vienen en varias configuraciones que difieren significativamente entre sí. Por ejemplo, un sistema de aire acondicionado basado en unidades de techo es drásticamente diferente a una instalación de refrigeración. Sin embargo, las instalaciones HVAC tienen un denominador común: utilizan motores eléctricos sujetos a cargas variables. Ya sea que estos motores se utilicen para accionar compresores, bombas de agua o ventiladores, existe una gran oportunidad de ahorrar energía optimizando el funcionamiento a carga parcial.
En general, hacer funcionar un motor a velocidad parcial es más eficiente energéticamente que hacerlo de forma intermitente a velocidad máxima.
- El funcionamiento intermitente proporciona sólo ahorros lineales. Por ejemplo, un ventilador de torre de refrigeración con un ciclo de trabajo del 80 % consume un 20 % menos de energía que un ventilador idéntico funcionando a tiempo completo.
- Reducir la velocidad del motor proporciona ahorros cúbicos. . Por otro lado, reducir la velocidad de un ventilador al 80% reduce el consumo de energía en casi un 50%. El flujo de aire promedio es el mismo que el de un ventilador funcionando a máxima potencia el 80% del tiempo, pero el ahorro aumenta significativamente gracias al control de velocidad.
El control de velocidad se puede lograr con variadores de frecuencia (VFD) y tienen una amplia gama de aplicaciones en sistemas HVAC debido a la naturaleza cíclica de las cargas. Es importante tener en cuenta que los VFD también se conocen como variadores de velocidad (VSD), variadores de frecuencia ajustable (AFD) o variadores de velocidad ajustable (ASD).
Los motores de potencia fraccionaria en sistemas HVAC de pequeña escala también pueden lograr ahorros significativos con el control de velocidad. La principal diferencia aquí es que los motores con conmutación electrónica (ECM) son más económicos que los VFD en estas aplicaciones.
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Cómo funciona el inversor de frecuencia variable
Como se explica en los libros de texto de ingeniería eléctrica, la velocidad de un motor eléctrico está definida por la frecuencia de la fuente de alimentación y su construcción interna. Por ejemplo, un motor que funciona a 1800 RPM con una fuente de alimentación de 60 Hz en los EE. UU. funcionaría a 1500 RPM en el Reino Unido, donde la frecuencia es de 50 Hz. Por lo tanto, si un motor es adecuado para un funcionamiento de frecuencia reducida, su velocidad puede reducirse. durante condiciones de carga parcial para lograr ahorros de energía. Los VFD están conectados entre la fuente de alimentación y el motor, ajustando el voltaje y la frecuencia como medio de control de velocidad.
En aplicaciones donde sólo se dispone de alimentación monofásica, los VFD se pueden utilizar para integrar motores trifásicos y al mismo tiempo conseguir los beneficios de la eficiencia energética: existen modelos capaces de producir una tensión trifásica a partir de una entrada monofásica. , mientras ajusta la magnitud y la frecuencia para controlar la velocidad del motor.
Además de mejorar la eficiencia energética, los VFD permiten un arranque suave de los motores aumentando gradualmente el voltaje y la frecuencia, en lugar de aplicar directamente el voltaje total a 60 Hz. Los motores eléctricos consumen de cinco a ocho veces su corriente nominal cuando se arrancan directamente, y la caída de voltaje resultante. la corriente de irrupción puede dañar equipos sensibles.
La principal limitación de los VFD es que producen un fenómeno llamado distorsión armónica, donde se inducen corrientes de alta frecuencia en circuitos derivados. Sin embargo, esto se puede controlar con un filtro de armónicos debidamente especificado; Este dispositivo absorbe las distorsiones de corriente en el punto de consumo, evitando su propagación por toda la instalación.
Aplicaciones VFD en sistemas HVAC
En la mayoría de los casos, los VFD se implementan en sistemas HVAC para controlar la velocidad de ventiladores, bombas o compresores.
Ventiladores de torre de enfriamiento
El objetivo principal de una torre de refrigeración es eliminar el calor de un circuito de agua, que puede utilizarse para la refrigeración de procesos o para una planta de refrigeración. Las torres de enfriamiento utilizan ventiladores para establecer el flujo de aire, mejorando la eliminación del calor por convección. Son ventiladores de descarga abierta, donde no existen ductos que creen resistencia al flujo de aire; por lo tanto, la oportunidad de ahorrar mediante el control de velocidad es significativa.
Cuando se implementa un VFD en un ventilador de torre de enfriamiento, la velocidad generalmente se controla en función de la temperatura del agua. En lugar de encender y apagar el ventilador, se puede operar a velocidad reducida para que el agua que regresa al enfriador o al proceso se mantenga a una temperatura constante; como se explicó anteriormente, la operación a velocidad reducida es mucho más eficiente que la operación intermitente a máxima velocidad. velocidad. velocidad.
Unidades de tratamiento de aire empaquetadas y unidades de techo
A diferencia de los ventiladores de las torres de refrigeración, los que se utilizan en las AHU y las RTU empaquetadas soplan aire en un sistema de conductos, lo que ofrece una mayor resistencia y requiere establecer una presión estática y un flujo de aire específicos. Estos conductos pueden tener varias salidas con cajas de volumen de aire variable (VAV), donde se controla el caudal de aire de forma individual para cada zona a través de un registro.
Sin un VFD, el ventilador de la AHU o RTU funciona a máxima velocidad y cada caja VAV se sintoniza individualmente. Sin embargo, este es un enfoque ineficiente: si ninguna de las cajas VAV está completamente abierta, se desperdicia energía en forma de presión adicional. Por otro lado, si el soplador está equipado con un VFD, es posible una interesante estrategia de ahorro de energía:
- La velocidad del ventilador se puede reducir gradualmente mientras las cajas VAV se abren gradualmente para mantener un flujo de aire y una temperatura constantes.
- La temperatura de las distintas zonas no se ve afectada, pero se reduce la presión, ahorrando energía.
- La reducción de velocidad continúa hasta que una de las cajas VAV alcanza la posición completamente abierta. En este punto no es posible reducir más la velocidad sin afectar la temperatura interior.
Esta estrategia de control también ofrece un beneficio de comodidad: la caída de presión reducida se traduce en menos ruido, lo que hace que los ambientes interiores sean más cómodos.
Control de velocidad para bombas de agua.
Los circuitos de agua son un elemento clave de muchas instalaciones de HVAC, incluidas aquellas que utilizan enfriadores, calderas y bombas de calor de fuente de agua. Debido a que las cargas de HVAC son variables, a menudo es necesario ajustar el flujo de agua dependiendo de la carga total del sistema. Hay tres formas principales de lograrlo:
- Válvula de estrangulación : se instala una válvula de estrangulación en línea con el flujo y, como su nombre lo indica, regula el flujo cerrándose parcialmente. Este método de control es sencillo, pero la pérdida de presión resultante representa un considerable desperdicio de energía.
- Válvula de recirculación : con este enfoque, se instala una válvula en un circuito de recirculación paralelo, que se abre gradualmente para desviar parte del flujo de agua, reduciendo el flujo en el circuito principal. Sin embargo, en este caso también se produce una importante pérdida de energía, ya que el agua recirculada representa potencia de bombeo.
- Control de velocidad de la bomba : el enfoque más eficiente desde el punto de vista energético es instalar un VFD en el motor de la bomba. Si se requiere un flujo de agua reducido, simplemente reduzca la velocidad de la bomba en consecuencia. Sin pérdidas de presión ni de recirculación, los ahorros conseguidos son significativos. Esta configuración también utiliza una válvula de estrangulamiento por conveniencia, pero generalmente se mantiene en la posición completamente abierta mientras el VFD regula el flujo.
Enfriadoras con compresores de velocidad variable
En los sistemas de aire acondicionado con agua helada, la enfriadora es, con diferencia, el equipo con mayor consumo energético. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente instalar el modelo de enfriadora más eficiente posible.
Las enfriadoras energéticamente eficientes tienen compresores rotativos helicoidales, capaces de ajustar su velocidad con un VFD en función de las necesidades de refrigeración. Algunos modelos pueden contar con múltiples compresores individuales para una mayor flexibilidad y una mayor eficiencia de carga parcial.
Cuando un enfriador es altamente eficiente, la estrategia de control generalmente se basa en maximizar su capacidad en lugar de operarlo al punto de ajuste más bajo posible. Los ahorros obtenidos reduciendo la carga en sistemas complementarios suelen ser mucho mayores que el consumo extra en la enfriadora. Hay excepciones, por supuesto, y sólo el seguimiento y el control pueden proporcionar la respuesta correcta el 100% de las veces.
Integrando todo el sistema HVAC
Equipar todos los motores de un sistema HVAC con VFD es un primer paso hacia la eficiencia energética, pero los mejores resultados sólo se pueden lograr con un sistema de control central, capaz de evaluar las condiciones del edificio y ajustar los puntos de ajuste de HVAC en tiempo real.
La interacción entre una enfriadora y una torre de enfriamiento es un gran ejemplo de cómo la ingeniería de control y los VFD se pueden aplicar a las instalaciones HVAC:
- Reducir la velocidad del ventilador de la torre de enfriamiento aumenta la carga de enfriamiento en el enfriador.
- También se aplica lo contrario: reducir la potencia de enfriamiento en el enfriador puede requerir que la torre de enfriamiento rechace más calor.
Si el enfriador tiene una alta eficiencia, la mejor opción en la mayoría de los escenarios es reducir la carga de la torre de enfriamiento. Sin embargo, sólo un sistema de control puede equilibrar el funcionamiento de ambos componentes en tiempo real. Idealmente, el sistema de control debería poder determinar el punto de ajuste para cada VFD individual de modo que el consumo de energía se minimice a nivel total del sistema.
Por supuesto, el rendimiento de un sistema HVAC comienza en la etapa de diseño. Para obtener mejores resultados, asegúrese de trabajar con profesionales calificados y con licencia. Instalar un sistema HVAC eficiente y automatizado desde cero es mucho más económico que actualizar una instalación existente.
