¿Cómo mejorar la eficiencia, estabilidad y seguridad de los sistemas HVACR?
Los sistemas HVACR desempeñan un papel vital en el mantenimiento de un ambiente confortable en el interior de los edificios, como oficinas, fábricas, hospitales, centros de datos y muchos otros tipos de instalaciones residenciales, comerciales e industriales. Estos sistemas utilizan una cantidad considerable de energía, a menudo hasta el 50% del consumo total de energía de un edificio.
La mayoría de los equipos HVACR en un edificio utilizan bombas (agua refrigerada, agua del condensador, agua caliente) o ventiladores (suministro, retorno, escape, torres de refrigeración) para su funcionamiento. Son operados por motores eléctricos diseñados generalmente para funcionar a una velocidad constante. Sin embargo, el uso de un convertidor de frecuencia, también llamado variador de frecuencia o variador de velocidad, permite que el motor funcione a la velocidad exacta para impulsar el ventilador o la bomba con una eficiencia óptima.
La importancia de poder controlar la velocidad del motor es que tiene una relación cúbica con la energía consumida por un ventilador o una bomba. Eso significa que reducir la velocidad del motor y, en consecuencia, el flujo de agua o aire en un 20% puede resultar en una reducción del 50% en el consumo de energía. Por lo tanto, el uso de variadores de frecuencia en aplicaciones HVACR ofrece un potencial de ahorro de energía muy significativo.
CASO DE ÉXITO: HOTEL INTERCONTINENTAL
Como ejemplo reciente de la diferencia que pueden hacer los variadores, el hotel Intercontinental de Madrid está cumpliendo sus objetivos medioambientales tras equipar sus sistemas HVACR con convertidores de ABB y motores de alta eficiencia.
El consumo de energía se ha reducido en 445.000 kwh al año, suficiente para hervir dos millones de teteras de agua.
En sí, el hotel madrileño es un importante éxito del programa de sostenibilidad Green Engage de IHG (Intercontinental Hotels Group). Situado en el Paseo de la Castellana, este establecimiento de cinco estrellas lleva sus 65 años de historia siendo un referente en el sector hotelero español. Al año recibe a unos 100.000 huéspedes, entre los que se incluyen presidentes, miembros de la realeza, celebridades y grandes empresarios.
Un detallado estudio sobre energía reveló que el consumo energético del hotel era elevado, especialmente en los ocho grupos de bombas que dan servicio a sus sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado y al suministro de agua caliente para las habitaciones, cocinas y otras instalaciones. Basándose en estos resultados, se equiparon los sistemas de bombeo con 13 convertidores de frecuencia de ABB para aplicaciones HVACR y 16 motores eléctricos, con clasificación de eficiencia energética IE3, y se integraron en los sistemas de gestión de edificios. Esta mejora proporciona al sistema, en su conjunto, una mayor estabilidad y eficiencia energética, ya que ahora las velocidades del motor están ajustadas y se adaptan a la demanda precisa de energía de cada momento.
La solución de ABB permite un ahorro de energía del 40% aproximadamente, lo que ayuda a IHG no solo
Una forma de lidiar con los armónicos es sobredimensionar partes de la infraestructura eléctrica dentro de un edificio
a cumplir, sino a superar sus objetivos de Green Engage. Esto equivale en un año a 445.000 kilovatios hora (kwh), lo que reduce la factura anual de energía del hotel en 37.000 euros y permite amortizar la inversión en menos de dos años. Además, el impacto ecológico del hotel se ha reducido en 253 toneladas de dióxido de carbono (CO2) al año.
FUNCIONAMIENTO ESTABLE
Es importante tener en cuenta que, si bien ofrecen muchas ventajas, los variadores de frecuencia pueden causar un fenómeno conocido como armónicos de la línea eléctrica: una distorsión de la forma de onda de la tensión y la corriente (figura 1). Este es un aspecto en común con muchos otros tipos de equipos electrónicos, como los ventiladores de motor conmutado electrónicamente (ECM), sistemas de iluminación, sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y las fuentes de alimentación monofásicas. Los altos niveles de distorsión armónica en una instalación pueden crear varios problemas como los siguientes: sobrecalentamiento que puede causar fallos prematuros y una reducción de la vida útil de los motores, transformadores, cables, disyuntores y fusibles, disparos molestos de los interruptores automáticos y fusibles debido al calor acumulado y la carga de armónicos; funcionamiento inestable de los generadores de reserva y de dispositivos electrónicos sensibles; luces parpadeantes.
Los armónicos tienen un impacto económico durante todas las fases de la vida útil de un edificio. Primero, está el coste inicial de o bien sobredimensionar equipos para gestionar los armónicos, o invertir en la mitigación de armónicos en primer lugar. En segundo lugar, están los costes adicionales diarios debido a la ineficiencia del sistema. Finalmente, están los costes debido a los fallos prematuros de los equipos.
Una forma de lidiar con los armónicos es simplemente sobredimensionar partes de la infraestructura eléctrica dentro de un edificio. Los transformadores y el tamaño del cable pueden ampliarse para gestionar el contenido armónico acumulado y el calor. Los generadores de reserva también deben ser sobredimensionados en sistemas con una carga de armónicos significativa. La alternativa a pagar por equipos de gran tamaño es invertir en productos que crean menos
El uso de variadores de frecuencia en aplicaciones HVACR ofrece un potencial de ahorro de energía muy significativo
armónicos. Por ejemplo, los variadores de menor coste pueden generar un 67% (o más) de corriente que un variador de coste moderado que incluya una reactancia en la línea de entrada. Sin embargo, la solución óptima se logra con los convertidores de armónicos ultra bajos (ULH) de nueva generación que están diseñados con sistemas integrados que reducen los armónicos actuales para cumplir con los límites recomendados en las normas IEEE519 y G5/4, manteniéndolos por debajo del 3% en cualquier condición de carga. Una ventaja adicional de los convertidores ULH es que son fáciles de instalar, ya que son un equipo compacto con terminales de entrada de línea y terminales de salida de motor. También permiten ahorrar espacio en comparación con otras soluciones.
MODO DE ANULACIÓN PARA MAYOR SEGURIDAD
Además del aumento de la eficiencia energética y el bajo impacto en los niveles de armónicos de los edificios, los variadores modernos pueden hacer una importante contribución para hacer que los edificios sean más seguros para los ocupantes en caso de que ocurra un incendio. Esto se debe a su capacidad para operar en modo de anulación, también conocido como modo antiincendios.
El modo de anulación se activa mediante un comando especial desde la estación de control de los bomberos. Permite que el variador haga funcionar un motor a una velocidad regulable, predefinida o controlada por PID en cualquier sentido para ayudar al sistema de control de humos del edificio durante la evacuación, por ejemplo, para mantener las rutas de evacuación libres de humo, y también para combatir incendios. Esto aumenta la seguridad de las personas en el edificio y minimiza los daños por incendio y los costos de restauración.
Una estrategia de control de humos depende de numerosos factores, como el número de pisos y la construcción del edificio. Pero generalmente implica presurización en combinación con compartimentación con varias zonas de control de humos (figura 2). Cuando se declara un incendio en una zona de control de humos, todas las zonas adyacentes están presurizadas para limitar el movimiento del humo a las zonas adyacentes y no afectadas. En consecuencia, el modo de anulación puede garantizar que, en situaciones complejas de humos y flujo de aire en edificios grandes, los ventiladores funcionen de la manera requerida por el control de incendios. Puede ser una herramienta muy útil en cualquier estrategia de control de humos para extraer el humo, mientras proporciona aire fresco a las personas durante la evacuación del edificio. La funcionalidad de anulación no se puede añadir a un convertidor que no tenga este modo integrado de fábrica. Es posible que el sistema de gestión del edificio (BMS) se programe para restablecer los fallos que surgirán durante un incendio. Pero solo un convertidor con una función de anulación incorporada puede configurarse para funcionar casi hasta la destrucción para mantener las rutas de evacuación libres de humo durante el mayor tiempo posible.
El uso de un convertidor de frecuencia permite que el motor funcione a la velocidad exacta para impulsar el ventilador o la bomba con una eficiencia óptima
FIGURA 1: 01. Forma de onda sinusoidal pura sin armónicos.
Convertidor de frecuencia ACH580 ULH con sistemas integrados que reducen los armónicos.
02. Forma de onda de la intensidad con armónicos.
INTEGRACIÓN PARA UN FUNCIONAMIENTO FIABLE DEL SISTEMA
A medida que los proyectos de construcción se vuelven cada vez más grandes y complejos, sus sistemas HVACR deben integrar una amplia gama de dispositivos, a menudo de diferentes proveedores. Es vital que todos estos dispositivos puedan comunicarse entre sí, por lo que la integración, la conectividad y la comunicación sin interrupciones son fundamentales para brindar un sistema fiable y rentable que proporcione comodidad y seguridad a los ocupantes de los edificios. Por lo tanto, es esencial que los convertidores de frecuencia sean compatibles con Bacnet, que es el protocolo de comunicación más utilizado en las aplicaciones HVACR en la actualidad. Los convertidores HVACR modernos ofrecen beneficios que van más allá de la eficiencia energética mejorada e incluyen control digital y comunicaciones, bajos armónicos y funciones de seguridad. Pueden ayudar a garantizar un clima interior confortable, saludable y seguro, incluso en las condiciones más exigentes. •
Zonas de control de humos en un edificio.