Miércoles, 27 Octubre 2021 10:24

¿Desea ahorro de energía y confort en su instalación de climatización hidrónica?

PRO30 Articulo3 Foto 0Desde 1987, el RITE, Reglamento de Instalaciones Técnicas de los Edificios viene marcando líneas maestras de como diseñar, ejecutar y dar servicio a las instalaciones de climatización con el fin de garantizar condiciones de confort con el mejor rendimiento energético posible

 

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> Siga las directrices del RITE

A lo largo de las décadas desde su primera redacción, se han introducido cambios para la necesaria armonización con las Directivas Europeas1, pero los objetivos anteriores son si cabe aún más claros en el Reglamento de 2021, al que se une el contenido del RD 736 sobre instalaciones de calefacción en viviendas. 

En el caso de las instalaciones que utilizan el agua como fluido de transporte de energía entre producción y unidades emisoras terminales, es decir, las instalaciones hidrónicas, los objetivos son la necesidad de distribuir el caudal adecuado a cada terminal, hacerlo en el momento adecuado y con el menor coste de bombeo. El Reglamento destaca en sus IT, que son el equilibrado, la medida y el control del caudal los medios para conseguir instalaciones eficientes.

l presente artículo no pretende recitar esas IT, sino, contando con la experiencia del grupo empresarial para el que trabaja este autor, cuáles han sido los resultados de ahorro de energía al aplicar esas medidas preconizadas en el RITE, con casos de estudio de libre acceso en web. 

El equilibrado en redes de tuberías

El Reglamento declara claramente, que el sistema de bombeo y de distribución ha de suministrar los caudales de diseño2

Para ello, específicamente se menciona que ha de haber una válvula de equilibrado en cada unidad terminal, y que el Libro del Edificio muestre los ajustes y el método de equilibrado usado.

Hay instalaciones que llevan en servicio bastantes años, y tienen componentes en buen estado, pero necesitan con urgencia reajustes debido a ampliaciones, cambios de necesidades…etc.; en esos casos se usarán técnicas de equilibrado manual. Recordemos que el Reglamento requiere que se conozcan los caudales de circuitos, ramales y terminales. 

Un modelo matemático de la instalación, con los caudales de diseño en cada terminal, correctamente estimadas las pérdidas de carga de codos, bifurcaciones y otros elementos que impactan en el flujo, amén del trazado, el tipo y diámetro de las tuberías empleadas, nos permitiría estimar los ajustes necesarios, pero factores como el envejecimiento de tuberías y terminales hace necesario emplearse “a fondo” en obra con los instrumentos de medida. 

Debido al impacto que el consumo de bombeo tiene en el consumo anual (en refrigeración, desde 7-17%, o en calefacción, entre 0.5-1.5%), equilibrar la instalación reduce la factura de consumo y de servicio anuales5

El ejemplo de unos grandes laboratorios es relevante. El análisis de caudal en las instalaciones de refrigeración arrojó unos valores locales hasta un 200% por encima del caudal previsto, mientras otras zonas tenían alarmas por falta de refrigeración.

 

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Reequilibrando entera la instalación, se pudo pasar de un caudal total de 889 m³/h, a sólo 773 m³/h (-13%) y de una altura de bomba de 335 kPa a sólo 270 kPa (-20%), un ahorro de 17.200 €/año, por el menor consumo de bombeo. 

El control de presión diferencial

El Reglamento considera íntimamente relacionados los elementos de control de caudal para adaptarse a la demanda térmica y los dispositivos de equilibrado. Las modificaciones a los apartados 1 y 5 de la IT 1.2.4.3.1, así lo muestran. 

La adaptación a la demanda y el correcto control debe estar ligado al control de la presión diferencial sobre las válvulas de control. 

 

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1 Directivas (UE) 2018/844 la 2018/2001 y 2018/2002  del Parlamento Europeo y del Consejo.

2 IT 1.2.4.2.5 -7 (redes) e IT 1.3.4.2.12 (terminales), detallándose los elementos necesarios en IT2.3.3. 

3 Un estudio de Costic en 2002 (Centro Francés HVAC), muestra que en el 90% de las ocasiones, el caudal de distribución es un 150% mayor que el caudal de diseño. El control de velocidad en la bomba no consigue reducir  el consumo de bombeo.

4 Según el informe «Rendimiento de bombas y ven-tiladores en edificios » Caroline Markusson, Chälmers University of Technology, May 2009.

5 Caso publicado en CFP Journal (Revista  francesa de Climatización), nr 171, Sep. 2004. 

En algunos casos, la renovación puede consistir simplemente en adaptar la instalación al Reglamento mediante la implementación de válvulas de control de la presión diferencial. Recuerde el lector que con una pareja de válvulas de equilibrado6 y estabilización de presión en una vertical o planta puede resolverse, con esta sola acción, la reforma de un edificio que cuente con elementos de control antiguos, en razonable estado.

Con una potencia instalada de 6,5 MW, un complejo de 1300 apartamentos ubicado en Touluse, tuvo que abordar en 2007 el cambio a calderas de condensación, pero el ahorro de energía distó de los resultados esperados; el primer año no se pudo rebajar la factura y llovieron las quejas. Durante 2008, se recalculó e implementó el reequilibrado, instalando válvulas de estabilización de presión. Con medidas y reequilibrado en obra se consiguió un ahorro anual de un 12,3%. 

 

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Modo de control óptimo según el RITE

Las disposiciones obligatorias contenidas en la IT1.2.4.3 no son nuevas : desde 1997, en el RITE se incluyen sin matices los límites de aplicación del control todo- nada y de los controles modulantes para ajustarse a la demanda, como un medio de incrementar el rendimiento de las instalaciones de caudal variable.

Resuelto el equilibrado y estabilización en condiciones nominales y aunque se usen PIBCV , hay varias razones para controlar la instalación acorde a la demanda real: 

1. Mejorar el confort de los usuarios.

2. Reducción del consumo de bombeo.

3. Impacto del control “todo-nada” en la compatibilidad de caudales y en el ∆T.

 

6 IT 2.3.3. obligatoriedad de conocer el caudal en unidades terminales y también en ramales.

¿Porque mejora el confort al utilizar el control modulante vs todo-nada? 

En síntesis, el control modulante es capaz de situar el obturador de las válvulas de control en posiciones intermedias.

Como muestra la siguiente gráfica, el control todo-nada cambia entre posiciones de cierre y apertura de una válvula de control. 

Cuando se exceda la consigna de temperatura ambiente, el controlador cerrará la válvula. Pero para evitar ciclos constantes “on-off”, se usa una banda diferencial alrededor del punto de ajuste.

 

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En el RITE y en los Comentarios, se muestran los valores aconsejables de esa banda, para conseguir un bajo porcentaje %PPD de personas insatisfechas . 

Dado que se alternan periodos de sobreenfriamiento o sobrecalentamiento, el intercambio térmico favorece que además de cambiar el salto térmico respecto al ideal de diseño, se hagan incómodas las temperaturas de salida de aire de los terminales, al reducirse la diferencia logarítmica media entre fluidos, y por tanto aparecen esos dos efectos: el riesgo de “cold draft” o “corrientes” calientes que causan disconfort y el aumento del consumo de bombeo. 

El negativo impacto del control todo-nada en el consumo de bombeo

En un control modulante, al ajustarse los caudales de cada terminal a la demanda, el sistema se comporta como un único terminal “virtual”, con la capacidad frigorífica o calorífica y caudales totales, y con un perfil de variación idéntico a la gráfica de variación de un terminal, de ahí el potencial de ahorro en el consumo de bombeo. Cualquier demanda térmica es satisfecha con un caudal muy bajo, compatible con el intercambio térmico fijado por las condiciones de confort. 

7 Desde 1997, la IT 1.2.4.3.del RITE dice: las válvulas de control, han de ser de tipo modulante en unidades terminales (para proyectos de más de 70 kW). Un recuerdo para los redactores de ”Comentarios al RITE”, maestros de técnicos. Lacónicamente en la página 85: ”El apartado 1.2.4.3.1 no necesita aclaraciones”.

8 Las válvulas de control han evolucionado para integrar las funciones de medida, ajuste y control del caudal y estabilización de la presión diferencial (PIBCV en en inglés: B de balance-equilibrado).

9 ±2K(invierno), ±1,5K(verano) vs valores consigna para no llegar al 10% de PPD. Comentarios  pág.17. 

10 La UNE-EN ISO7730, citada en Comentarios, describe la influencia en los PPD%  de valores de velocidades y temperaturas de aire inadecuadas.

 

 

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No es lo mismo en instalaciones dotadas de válvulas de control “todo-nada”. Ello se debe a que caudal y demanda tienen una relación que tampoco es lineal. 

 

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Con un 50% de demanda, tendría que haber en teoría un 50% de terminales “todo-nada” abiertos (con sus caudales de proyecto si son válvulas de control independientes de la presión). 

Pero debido a la citada banda de control, hay más unidades abiertas: 

> 50% demanda=70% caudal total <

El consumo de bombeo anual al usar control todo-nada será por tanto mayor: siempre habrá más caudal en cualquier condición de demanda, compárese gráfica superior, frente a la siguiente gráfica. 

 

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Impacto del control “todo-nada” en la compatibilidad de caudales

Otro impacto negativo lo causará la incompatibilidad de caudales de agua de producción y distribución. Estudiemos el caso de un 50% de demanda. Por simplificar, supongamos que el factor de simultaneidad entre potencia instalada en generación y Ptotal de consumidores es igual a la unidad. 

 

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Al trabajar el secundario con terminales “todo-nada”, se ha visto en el apartado anterior, que el caudal de secundario a demanda parcial del 50% es del 70-75% del total. 

Por el bypass de desacople hidráulico circulará el 25-30% del caudal total, y en el punto de mezcla “A”, la temperatura de impulsión ts, se vuelve mayor que la de proyecto (es intermedia entre tg y tr) reduciéndose la capacidad de deshumectación en terminales y UTAS. 

Disminuir el punto de consigna de salida de agua de las enfriadoras, compensaría esta incompatibilidad, pero por su impacto en el consumo, sólo está permitido en el RITE con adecuada justificación11

11 La temperatura de salida de centrales frigoríficas será constante, salvo que se justifique ITE 1.2.4.3.1.

La documentación consultada sobre el rendimiento de enfriadoras, cifra como media en un 4%, el incremento de consumo, por cada 1ºC de reducción de la temperatura de salida de agua enfriada, algo que desaconseja esta posibilidad. 

La disminución de la potencia al cambiar la temperatura de impulsión, causa que los usuarios desajusten la instalación: reduzcan la temperatura de consigna (o la aumenten en calefacción), para intentar recuperar las condiciones de confort, prolongando el tiempo de operación al parar a un valor aún más bajo/alto. Una variación de consigna de ±1ºC (calor-frío) puede llegar a costar entre un 12-18% anual más12.

El caso de implantación de estabilizadoras de presión en las instalaciones de la Ciudad Administrativa de Minas Gerais (Brasil), con un ahorro de 21% respecto al caso base, muestra como al reducirse el caudal en el circuito secundario, se puede aumentar la temperatura de impulsión de las enfriadoras (desde 5,5ºC hasta 7ºC), con mayor rendimiento, y mejora del confort, evitando casos de “cold draft”.

El síndrome de bajo ∆T

La razón principal para adaptar el caudal de agua en los terminales a la demanda térmica es evitar la baja temperatura de retorno a unidades enfriadoras o alta temperatura de retorno a calderas que limita el efecto de condensación, considerados ambos como riesgos de degradación de la eficiencia energética. 

Veamos cómo cuantificar el impacto. El aumento del salto térmico aumenta la eficiencia de producción de las enfriadoras. 

La figura 11, muestra la reducción del EER si baja la temperatura de retorno, y que puede llegar a -15%13

 

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También ocurre en las calderas de condensación, donde para conseguir ese efecto, la temperatura del agua de retorno necesita mantenerse por debajo del punto de rocío del vapor de los gases de combustión y por tanto, hay que procurar que el ∆T se incremente. 

12 IMI Hydronic Engineering; Energy Facts 12-13

13 IMI Hydronic Engineering; Energy Facts Nº2. 

El exceso de caudal afectaba negativamente este salto térmico, en el caso analizado del complejo Empalot, un impacto negativo del 15% al no producirse efecto de condensación14

Obsérvese la degradación del salto térmico cuando se usa control todo-nada: 

 

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Aunque al usar las válvulas de control independientes de la presión se limita el caudal máximo de cada terminal al abrir la válvula de control, y la temperatura de retorno mejora con respecto a las válvulas convencionales, el efecto de sobrecaudal al sobreenfriar antes de alcanzar el punto límite inferior de la banda muerta, no permite que esta temperatura pueda subir en distintos regímenes de operación.

En cambio, el uso de control modulante permite obtener el máximo rendimiento de las unidades de producción, tanto por la ausencia de mezcla (el caudal de distribución siempre es mucho menor que el de producción y la circulación en el bypass retorna a su sentido óptimo) como por la adecuada temperatura de retorno a las unidades de producción. 

El uso de control modulante sobre las válvulas de control corrige todos estos problemas. Se puede estimar que la reducción del consumo de una instalación de refrigeración puede llegar hasta un 20% -22% respecto al control todo-nada. Tal fue el ahorro alcanzado en los rascacielos Federation Tower de Moscú, con más de 4.000 válvulas de control modulante, independientes de la presión diferencial y característica isoporcentual. 

Estas válvulas de control isoporcentuales aseguran mejor controlabilidad a bajos caudales (la situación más frecuente en instalaciones de caudal de agua variable). Proporcionan mayor apertura para el mismo caudal que una válvula lineal, con mejor resolución de control y mayor fiabilidad ante la presencia de lodos. 

Pero el ahorro por el control modulante no es exclusivo de grandes edificios. Las válvulas termostáticas de radiador bajo la EN215, detalladas en el RITE15 permiten modular el caudal de agua de calefacción de acuerdo a la demanda. 

14 IMI Hydronic Engineering; Energy Facts Nº4.

15 IT 1.2.4.3.1 nuevo apartado 11.

Las válvulas manuales del RD 736, no proporcionan en nuestra opinión, ahorro de energía significativo, y las válvulas de simple reglaje desaprovechan la capacidad de control de los cabezales termostáticos modernos, que cumplen la norma EN215. Con coste muy razonable, las válvulas de doble reglaje con cabezal termostático tienen una precisión de 1K. Con menor coste, los usuarios tienen control de temperatura similar a un termostato electrónico, pero sin cableado. Los ejemplos de la Escuela Municipal de Beckum, Alemania (650 kW, con un 32% de ahorro de calefacción anual) y de un edificio de viviendas de Madrid (con caldera de 250 kW y un 28% de ahorro) dotadas respectivamente de 460 y de 280 válvulas termostatizables de control automático de caudal, ilustran los que se puede conseguir tanto en edificios públicos como residenciales.

El control de velocidad de ventilador para ajustar potencia a demanda

Otro avance en climatización ha consistido en la implementación de motores con variadores de velocidad, para adaptar la potencia entregada a la demanda. Deben tenerse en cuenta, eso sí, el efecto de la menor temperatura16 y menor alcance del dardo de aire por la menor presión disponible para conductos y difusores. 

Se podría deducir que, dado que se controla el “lado aire” de forma modulante, se podría limitar el control del “lado agua” a un mero control todo-nada (El Reglamento no dice “qué fluido controlar”). 

Sin embargo, en el “lado agua”, aparece la degradación del salto térmico. La documentación consultada, muestra este efecto con distintas velocidades de aire.

Con caudal de agua y temperatura de entrada a batería constantes (7ºC), como se observa en la siguiente gráfica, que no hay correlación lineal potencia-velocidad del aire. 

 

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16 UNE-EN ISO7730: cómo evitar los temidos ”cold-drafts” o estratificación incontrolada.

Dado que los sistemas de climatización-calefacción trabajan la mayor parte del tiempo a carga parcial, por debajo del 50-60% de potencia, el ahorro de consumo de ventiladores sería importante pero, por el contrario, el bajo salto térmico penaliza tanto el rendimiento de la producción, como el consumo de bombeo, como se ha visto en el control todo-nada.

Conclusión

EL RITE mira hacia al futuro al contemplar que para 2025, las instalaciones por encima de 290 kW cuenten con sistema de control centralizado . Podremos manejar la instalación desde un sistema centralizado (BMS en siglas inglesas) o desde un simple termostato local, pero el mejor control central del edificio no es capaz de mantener, por si sólo, las condiciones de confort, si no cuenta con adecuadas válvulas de control adaptables a la cambiante demanda de los edificios.

Se ha intentado en el artículo cuantificar con ejemplos (internacionales y locales) como diferentes elementos de equilibrado y control propugnados en las diferentes IT permiten optimizar el consumo de energía de las instalaciones. El motivo ha sido es mostrar que nuestro Reglamento no es una excepción en Europa, que aboga por buenas prácticas que dan sus frutos si se siguen adecuadamente.

El RITE hace un fuerte hincapié en el control termostático como apoyo a la individualización de contabilización de consumos propugnada en el Real Decreto 736. Se consigue que el usuario esté confortable, consuma menos y pague solamente de acuerdo a sus necesidades.

Querríamos acabar recalcando que las válvulas de control independientes de la presión diferencial son una potente herramienta para conseguir instalaciones de caudal variable más fáciles instalar y de equilibrar, al precisar sólo el montaje de una sola válvula que engloba las funciones de estabilización de presión, equilibrado ,medida, y control que el Reglamento especifica (ver notas al pie). Su contribución al ahorro de energía y confort, es máxima cundo se usan con los preceptivos controles modulantes.

Por último, hemos de dar las gracias a todos los equipos de técnicos que han intervenido en las diferentes versiones del RITE; su dedicación sitúa nuestra Normativa Técnica a nivel de prestigio mundial. 

17 Recordemos la IT1.2.4.3.5: La centralización del control será obligatoria en instalaciones de más de 290 kW dentro sólo cuatro años (2025).

18 IT 1.2.4.3.1 Necesidad de estabilización de presión diferencial.

19 IT1.3.4.2.12 Valvulería de unidades terminales.

20 IT1.3.4.5 Elementos de medida.

 

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