Instalaciones de bombeo a caudal variable y equilibrado hidráulico. José Vílchez IMI Hydronic Engineering Spain

Transcripción

1 Instalaciones de bombeo a caudal variable y equilibrado hidráulico José Vílchez IMI Hydronic Engineering Spain

2 Los componentes básicos de los sistemas de calefacción centralizados Calderas/Producción Bombas/ Distribución Radiadores con Válvulas termostaticas Por supuesto hay más componentes importantes: -Válvulas de corte y seguridad -Depósitos de expansión -Purgadores y separadores de aire y lodos. -Controles electrónicos de temperatura exterior/agua etc.

3 El corazón del sistema de calefacción, la bomba de circulación con control de velocidad Descarga Rodete Paleta (álabe) Eje del rodete El agua caliente es impulsada por el rodete que incrementa la presión dinámica La presión dinámica se convierte en diferencia de presión «entrada/salida. Aspiración Voluta La voluta, con una inconfundible forma de caracol, nos indica la dirección de salida del agua

4 Curvas de comportamiento de las bombas centrífugas Eficiencia Diámetro del Rodete Velocidad Consumo C bombeo H m q C0 altura( H ) caudal( q)

5 Costes por bombear agua Es el mayor coste de distribución de agua. Como reducirlo? Reducir H la «altura de la bomba» Reducir el rozamiento del agua en las tuberías realizar el ajuste óptimo de las bombas de velocidad variable C bombeo C 0 Ajustar el caudal de agua a lo que necesita la instalación H m q Frío 7-17%* Calefacción %* *de la energía total Usar las bombas en su área de mejor eficiencia Elegir bombas de la más moderna tecnología ( con variador, y con motor asíncrono) Seguir la directiva ErP 2009/125/CE ("Energy related Products")

6 Como seleccionar la bomba La bomba proporciona la presión. El caudal se establece de acuerdo a cómo se ha construido y como se regula el sistema de calefacción ( es decir como cambia la curva característica del sistema). Recuerde La bomba proporciona altura manom., no caudal!!!

7 Como seleccionar la bomba Cálculo de Bomba: implica conocer los caudal q por cada uno de los terminales y ramales, la pérdida de carga del trazado más desfavorable (calculada por tramos) y la pérdida de carga de los elementos singulares del terminal más desfavorecido. siendo q n caudal en cada terminal siendo p l pérdida de carga de cada tramo (función del caudal suma de los caudes a los que sirve) y p k pérdidas en cada elemento del circuito del terminal (función del caudal que lo atraviesa). La bomba se elije de acuerdo a como son las tuberías del edificio y el caudal de agua necesario para calentar adecuadamente cada habitación en el edificio El cálculo tiene implicito el concepto de equilibrado 7

8 Sin equilibrado hidráulico, los primeros circuitos están a sobrecaudal, creando subcaudales en otros. 17 C Subcaudal = demasiado frío sobrecaudal = demasiado calor 25 C Presión diferencial baja Alta presión diferencial La bomba o las válvulas de control «solas» no pueden resolver este problema. 8

9 Radiadores: Un sistema clásico de calefacción Un radiador es un tipo de emisor de calor. Su función es intercambiar calor del sistema de calefacción para cederlo al ambiente, y es un dispositivo sin partes móviles ni producción de calor. Forma parte de las instalaciones centralizadas de calefacción. Cede calor mediante dos fenómenos de transmisión: Radiación: Toman su nombre de este mecanismo de transmisión, mediante radiación electromagnética en el espectro infrarrojo. Cuanto mayor sea la superficie del radiador y mayor la diferencia de temperatura entre esta superficie y el usuario, mayor calor percibe este. No hace falta calentar mucho el aire entre ambos, la sensación de calor es agradable, si la temperatura del radiador es alta. Es el efecto buscado en radiadores antiguos Convección: Para no tener que elevar mucho la temperatura de la superficie ( ya que la caldera gastaría más energía) se incrementa el contacto del aire con el radiador. El aire se calienta al pasar a través del laberinto de superficies para intercambiar calor.. Un radiador tiene que tener una entrada de agua caliente con una llave de paso, manual o de acción automática, y una salida para agua enfriada con otra llave que sirve para el equilibrado hidráulico y para desmontar el radiador, que se llama detentor. Un radiador necesita mantenimiento: un purgado periódico, por el cual se elimina el aire que haya entrado en las tuberías ( impide circular bien el agua).

10 Qúe ocurre cuando hay desequlibrio hidráulico?. En los pisos bajos hay exceso de caudal: Radiadores muy calientes En los pisos altos, les falta caudal de agua: Radiadores muy frios T i = 55ºC Hay serios problemas de confort Todo el mundo paga más de lo que debe Hay ruidos en la instalación, cuando se cierran manualmente o automáticamente los radiadores de los pisos bajos. Hay que equilibrar, ajustando todas las válvulas usando incluso válvulas de estabilización de presión y variadores de velocidad.

11 Problemas de desequilibrio hidráulico: no se resuelven solo con la bomba Para evitar quejas Las bombas que se compran son: De mucho mayor tamaño se sube a la velocidad máxima de impulsión Mucho exceso de caudal Altas presiones Las instalaciones trabajan a sobrecaudal. Hay ruidos por el exceso de presión. Los costes de bombeo se duplican 11 En el 90% de las instalaciones, el caudal de la distribución es mayor que el 150% del caudal de diseño suficiente para el confort. Fuente: Investigación de Costic (Centro Francés para invesrigación y entrenamiento en HVAC), publicado en el CFP Journal April-May 2002.

12 Sistema de calefacción a dos tubos con Tuberías en retorno directo Alta presión diferencial Presión diferencial baja

13 Sistema de calefacción a dos tubos con Tuberías en retorno directo Las válvulas de equilibrado manual Añaden una resistencia al paso del agua ajustable de acuerdo al cálculo con posibilidad de medir el caudal en cada válvula Exceso de presión diferencial absorbido en cada válvula de equlibrado Presión diferencial baja

14 Instalaciones existentes: El equilibrado de instalaciones de radiadores con bomba a caudal constante En un edificio de viviendas con un sistema centralizado de calefacción, la temperatura de impulsión del agua se ajusta mediante un regulador centra actúa en función de las condiciones exteriores. No sobrepasar 30 kpa 14 Se equilibra con válvulas de equilibrado en los ramales. Si la altura manométrica de la bomba es excesiva y se instalan válvulas termostáticas, éstas funcionarán produciendo ruidos.

15 Distribución de presión: Bomba de velocidad constante Altura H [kpa] 250,00 H 0 > H d 200,00 150,00 H d 100,00 50,00 0, Caudal q [%] CostesBombeo C0 AlturaH Caudalq Eficiencia Se incrementa grandemente la presión diferencial en todos los circuitos cuando actúan los elementos de control

16 Instalaciones existentes: El equilibrado de instalaciones de radiadores con bomba a caudal constante Una solución, consiste en usar una válvula de descarga de acción proporcional BPV, instalada en cada vivienda. Esta BPV asociada a la válvula de equilibrado-1, permite obtener el caudal primario requerido. La consigna de la BPV se selecciona en función de las necesidades del circuito secundario. Cuando las válvulas termostáticas cierran, la presión diferencial entre A y B aumenta por encima de la consigna de la BPV. Abre proporcionalmente para mantener constante la presión diferencial entre A y B

17 Porqué se busca el Control Termostático en Radiadores?. La regulación de los sistemas de calefacción proporciona en cada momento la potencia adecuada a las necesidades de cada habitación. La potencia instalada es la potencia máxima requerida en el momento más frío de un año medio. A menor temperatura exterior, mayor potencia se requiere, de modo que la potencia necesaria no solo varía a lo largo de la temporada fría, sino también a lo largo del día. Por esta razón hay que regular la potencia de acuerdo con las necesidades. Por Normativa de confort y ahorro de energía, en viviendas individuales ( RITE y futura Directiva 27/2012 ) se puede usar un control de pared (termostato ) en la estancia principal. Mide la temperatura del aire y la compara con la de confort que elije el usuario y para la caldera cuando no es necesario calentar más o cierra la válvula de paso de agua de calefacción a la vivienda. En otras viviendas sólo se puede usar el control del caudal de agua que pasa por cada radiador. Se puede regular individualmente la temperatura que queremos en cada habitación, reduciendo el caudal Ahorraremos energía

18 El control de temperatura cambia el caudal a través de los radiadores Radiador a plena potencia Radiador a media potencia T i = 55ºC T i = 55ºC T s = 40ºC T r =40ºC T s = 32ºC T r =25ºC T amb =20ºC T amb =20ºC El radiador reduce su temperatura, ya que al reducir el caudal cambia la temperatura del agua y del aire, pero también aumenta el rendimiento de la caldera.

19 Usamos las bombas de velocidad variable en estos sistemas para reducir el consumo x 0.5 Costesde Bombeo C0 x 0.7 x 1.4 H Q x 0.5 Eficienciadela bomba Costesde Bombeo C0 = x 0.5 H Q Eficienciadela bomba Altura manométrica. Caudal Altura manométrica. Economía Caudal Un sistema de caudal variable reduce por sí sólo el consumo de bombeo Una bomba de caudal variable reduce aún más el consumo al mantener la altura de bomba constante al reducirse el caudal, o cambiarla, además de reducir el caudal.

20 El control de velocidad de una bomba de velocidad variable Objetivo: Incrementar el ahorro de enegía total a la vez que el sistema es 100% operacional qué modo de control se puede usar? Si se usa un control remoto, dónde ubicarlo? Dp sensor? Recuerde La bomba proporciona altura manom., no caudal!!! Dp sensor? Dp sensor? 20

21 Distribución de presión: Bomba de velocidad variable-altura Constante Altura H [kpa] 250,00 Dp sensor 200,00 H 0 = H d 150,00 H d 100,00 50,00 0, Caudal q [%] AlturaH Caudalq CostesBombeo C0 Eficiencia La presión diferencial se incrementa en los circuitos finales cuando cierran las válvulas de radiador de otros pisos

22 Qué ocurre cuando cierran válvulas de control en otros puntos de la instalación? Exceso de consumo y ruidos Aunque usemos variador de velocidad, la presión diferencial se incrementa radicalmente en los últimos circuitos. Sufren ruidos y pobre capacidad de control, al recibir más caudal del necesario 22 Un derroche de energía que no mejora el confort! En el año 2012, se publica la Directiva Europea de Eficiencia Energética 27/2012/UE. Cuando se transcriba, a partir de 1/1/2017: En edificios con sistema de calefacción central, será obligatorio instalar contadores individuales de calefacción, (contadores), o repartidores de costes de calefacción en radiadores. La Directiva dice que para que sea eficiente la contabilización es preciso que haya válvulas termostatizables (como establece el RITE) La medición individual de calefacción implicaría un ahorro de 224 por familia española media y la disminución de un total de 2,4 millones de toneladas de CO2 al año. (Estudio de la Universidad de Alcalá de Henares)

23 Distribución de presión: Bomba de velocidad variable-altura proporcional Altura H [kpa] 250,00 Dp sensor 200,00 150,00 H d 100,00 H 0 = ½ H d 50,00 0, Caudal q [%] AlturaH Caudalq CostesBombeo C0 Eficiencia La presión diferencial baja mucho en los primeros pisos si el valor de ajuste es inferior al mínimo para hacer llegar el agua a esos pisos

24 Distribución de presión: Bomba de velocidad variable-sensor remoto Altura H [kpa] 250,00 p p 200,00 150,00 H d Dp sensor 100,00 H 0 = H d - p p 50,00 0, Caudal q [%] AlturaH Caudalq CostesBombeo C0 Eficiencia La presión diferencial baja mucho en los primeros pisos si el valor de ajuste es inferior al mínimo para hacer llegar el agua a esos pisos

25 Hay que complementar el control de la bomba con un control de presión en las tuberías Independientemente de su posición y número de sensores de presión diferencial, el control de velocidad sólo puede hacer una cosa: actuar sobre el «corazón» de la instalación, la bomba. Al igual que el cuerpo, un sistema de caudal variable precisa de control local de la presión diferencial para hacer llegar el caudal de diseño en cada momento a todos los terminales. Se denominan: Válvulas de control de la presión diferencial, o + Estabilizadoras de presión diferencial -

26 Cómo trabajan? Válvula de medida Vm + H Medida de caudal Controlador Dp + - Estabilización De la presión diferencial - P En la instalación, una vez equilibrado el ramal, se regula el controlador para que suministre Dp: Se llega a la Dp requerida cuando leamos en Vm el caudal de proyecto

27 El equilibrado de instalaciones de radiadores Instalación a caudal variable Si la presión diferencial aplicada a las válvulas termostáticas supera los 30 kpa, existe el riesgo de que aparezcan ruidos en la instalación, especialmente en presencia de aire en el agua de circulación. Es mejor usar válvulas de estabilización de presión diferencial Contador de energía Repartidores de costes Ramal independiente por cada vivienda Instalación por columnas

28 Optimización del punto de consigna de la BVV con estabilizadores de Dp Método para hallar el punto de consigna óptimo de la bomba: 1. Ajustar la velocidad de la bomba al máximo (50Hz) 2. Equilibrar los ramales 3. Fijar la pl de cada STAP a su valor de preajuste (número de vueltas calculado con ordenador, o ajustar cada ramal/circuito a su caudal de diseño. 4. Ajustar la velocidad de la bomba para mantener el caudal total de diseño (± 5% ), medido en la válvula general. STAD, STAM o STAF Altura de la bomba? H q d?h?pl c STAP Caudal Sistema Gestión q dt STAD o STAF+ TALINK

29 Una nueva tecnología: Control de caudal en cada válvula de radiador Fijar el caudal en la puesta en marcha, para mantenerlo después automáticamente! Varios fabricantes poseen una nueva generación de válvulas termostáticas de radiador con control automático de caudal. Dentro de límites de presión inferiores a kpa, las válvulas de radiador dotadas de este sistema, mantienen constante el caudal nominal del radiador. Si el cabezal termostático manda cerrar, cierran rebajando poco a poco el caudal. Se pueden combinar con estabilizadoras de presión en instalaciones de mayor presión Fáciles de ajustar Sobre la propia válvula. Entorno a 160 l/h Temperatura y caudal correctos a todas horas

30 Optimización de la BVV con controlador de caudal en cada radiador Método para hallar el punto de consigna óptimo de la bomba: 1. Ajustar la velocidad de la bomba al máximo (50Hz) 2. Fijar el caudal en cada válvula de radiador a su valor de preajuste (número de vueltas calculado por ordenador, en la documentación). 3. Reducir la velocidad de la bomba para, manteniendo el caudal total de diseño (± 5%) medido en la válvula general, reduciendo todo lo posible la altura de bomba, determinando el valor mínimo de una rampa. Altura de la bomba Válvulas de radiador con limitadores de caudal Caudal Sistema Gestión

31 Instalaciones ejemplo Complejo Residencial Empalot (Toulouse, Francia) Complejo de 1300 viviendas (1960) en 12 edificios. Potencia calorífica : 6500 kw Acciones: 2007 Reemplazo de Caldera 2008 Reequilibrado, cálculo de la bomba- potencia y altura. Colocación de válvulas de estabilización de presión y uso de un método de equilibrado computerizado. Un ahorro de 12,3% Anual Escuela Municipal de Beckum, Alemania Escuela infantil-primaria. Potencia calorífica : 650 kw Acciones: 2012 Reemplazo de Caldera e instalación directa de 460 válvulas de control automático de caudal.. Un ahorro de 32% Anual Rehabilitación de un edificio de viviendas en Madrid Edificio residencial de viviendas de finales de los años 70. Potencia calorífica : 235 kw Acciones: 2014 Reforma de la instalación implementando 280 válvulas de control automático de caudal.. Un ahorro de 28% en los tres primeros meses de operación comparado con el año anterior No sólo se reducen los costes de bombeo, también el consumo general..

32 Conclusiones Confort a un coste equitativo. La Directiva 27/2012 recomienda el control termostático usando válvulas termostatizables a la vez que se individualiza la facturación, con contadores o repartidores de costes. Con bombas de velocidad variable, válvulas termostatizables, control de la presión diferencial, o en su caso válvulas con control automático de caudal, sólo se facturará por el caudal ajustado y variable de acuerdo a la demanda. El 80% de los edificios que existirán en 2050, ya existen en la actualidad; o se mantienen y reforman, o serán edificios ruinosos La renovación de instalaciones centralizadas de acuerdo a la Directiva y una distribución hidráulica idónea marcarán la diferencia, proporcionando unos costes equitativos reducirá costes para los usuarios, y también por supuesto emisiones.

33 Gracias por su atención

34 Anexo: Incrementar la altura de bomba para evitar subcaudales en todas las unidades terminales es casi imposible Altura Manométrica Bomba instalada Donde: Qr = Caudal real en exceso Hr = Altura manométrica real Hsob= H de sobrecaudal Qsob= Caudal de sobrecaudal Hb Bomba para arreglar la situación Ht Hr Dp camino crítico Dp Circuito referencia para su Qnom Costes de bombeo Curva del sistema no equilibrado C 0 Altura X Caudal Rendto. de la bomba, Qb Qr Qsob Caudal No hay Altura manométrica para llegar con su Qnom al circuito de referencia

35 Anexo:: El equilibrado de instalaciones de radiadores con una segunda bomba a caudal constante Otra solución, consiste en instalar en cada vivienda, un by-pass AB y una válvula de equilibrado-1. Esta absorbe la presión disponible H. Una bomba secundaria de altura óptima, alimenta la vivienda. En este caso, cuando las válvulas termostáticas cierran, el p aplicado sobre ellas es aceptable, evitándose los ruidos en la instalación. El caudal secundario máximo debe ser ligeramente inferior al del primario para evitar que se invierta el caudal en el bypass AB y se cree un punto de mezcla en A que reduzca la temperatura de impulsión del agua a la vivienda. Es muy importante la válvula de equilibrado-2 en secundario.

36 Anexo: Método de Equilibrado TA-Diagnostic Method Nuevo sistema de equilibrado y diagnóstico para un rápido análisis de los problemas de la red hidráulica Una sola persona, con un sólo TA SCOPE ( un sólo sensor Dp), puede diagnosticar y equilibrar un gran edificio En cada módulo, se precisan dos medidas en cada válvula y una medida en la válvula de compensación Automáticamente, se genera un mapa de la presión diferencial en todos los elementos y tuberías del circuito Se muestra automáticamente el ajuste de las válvulas para poder equilibrar el circuito Dos medidas en cada válvula y una en la válvula de compensación Mapa de Presión diferencial para el diágnostico 36