Ahorro conseguido con el control automático de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado

Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representan una parte muy importante de los costes de operación de los edificios. Si aseguramos que estos sistemas trabajen con máxima eficiencia habremos conseguido importantes ahorros. La clave para identificar las oportunidades de eficiencia energética en sistemas HVAC es comprender el perfil de operación del sistema que se refiere al calentamiento y enfriamiento. La mayoría de los sistemas HVAC, particularmente a los que tienen cinco años de antigüedad, emplean unidades de tratamiento de aire de volumen constante (AHU) que usan controles on/off simples. En estos espacios, las unidades de tratamiento de aire se posicionan en diferentes zonas. El sistema de automatización del edificio controla la temperatura en estas zonas vía sensores y apaga o enciende el ventilador según se necesite. Con un diseño de aire de volumen constante, el sistema HVAV opera con el ventilador suministrando aire al espacio acondicionado con un caudal diseñado para acomodar el calentamiento del espacio y los requerimientos de enfriamiento en cargas de diseño del 100 %. Esto no tiene en consideración que la mayoría de los edificios típicamente operan a plena carga menos del 5 % del tiempo. Si el suministro de aire es constante, el uso de energía queda también constante independientemente de la carga en el sistema de calefacción y aire acondicionado. El uso de trampillas para ajustar la salida del caudal de aire en una habitación apropiada no ahorra energía ya que el ventilador sigue funcionando a plena potencia, independientemente de la posición de la trampilla. Ya que los ventiladores están operando 18 o más horas al día en muchas aplicaciones, los requerimientos de energía del ventilador son un componente principal en los costes energéticos. .

Transformar de constante a variable .

Si bien la mayoría de los edificios usan controles simples para gestionar los sistemas HVAC, muchos edificios pueden tomar la ventaja de nuevos controles capaces de obtener ahorros suplementarios. Un medio eficaz de ahorro es el uso de sistemas de volumen de aire variable (VAV). Los sistemas de volumen de aire variable están diseñados para regular el volumen de aire repartido a zonas individuales en proporción a la carga de frío y calor actual de la zona. En los últimos años, mejoras significativas han hecho que la tecnología de ahorro energético permita a los propietarios de edificios existentes convertir sistemas HVAC de volumen constante en VAV sin cambios en los sistemas de control mecánico o en el sistema de control de automatización del edificio. Estos retrofit packages o paquetes de reacondicionamiento ofrecen dos ventajas principales. Primero, las temperaturas del espacio pueden controlarse dentro de límites aceptables ante ganancias internas y externas altamente variables causadas por factores como el clima o la exposición al sol. En segundo lugar – y más importante – el consumo energético se reduce. Los sistemas VAV regulan el caudal de aire en espacios acondicionados basándose en los requerimientos de enfriamiento y calentamiento. Cuando cae la carga de calor y frío, el sistema del ventilador decrece la cantidad de aire que se está suministrando. Ya que la cantidad de energía requerida por el sistema de ventilación es proporcional al caudal de aire, la mayoría de los edificios emplean la mayoría de las horas de operación en cargas cuyo rango va del 40 al 70 % de su capacidad de carga total, los sistemas VAV pueden reducir significativamente los requerimientos de energía. Como norma general, el consumo de energía en cargas centrífugas, tales como ventiladores en una aplicación HVAC, varían con el cubo de la velocidad del motor del ventilador. Por ejemplo, si la velocidad del motor de un ventilador puede disminuir un 20 %, la energía usada para impulsar el motor se reduce aproximadamente un 50 %. En aplicaciones que implican el uso de cargas centrífugas, las transmisiones de frecuencia variable pueden conseguir un ahorro energético significativo cuando el sistema de HVAC requiere menos de un 100 % de uso.

. Paquetes de ahorro energético .

Convertir un sistema de HVAC de caudal constante a un sistema VAV puede ser una tarea compleja. Sin embargo, hoy en día estas acciones son fáciles por la disponibilidad de paquetes de ahorro de energía. Se trata de soluciones integradas diseñadas para obtener más energía como una fracción del coste cuando se comparan con la conversión de retrofit de hardware tradicional. Los diseñadores pueden instalar fácilmente estos equipos como parte de una unidad auto-contenida, el paquete de ahorro energético incluye sensores de temperatura y dióxido de carbono, un microcontrolador, una transmisión de velocidad variable de alto rendimiento y una interface de operador de pantalla táctil. Para muchas operaciones, esto significa que la actualización del paquete puede pagarse a sí misma en un intervalo relativamente corto de tiempo, a menudo en menos de un año. Estas transmisiones pueden ajustar las velocidades del ventilador en respuesta a las necesidades de calentamiento o enfriamiento, y limitar la demanda eléctrica de pico. En los equipos que manejan volúmenes de aire constantes, la velocidad del ventilador se controla con un contactor, resultando que el ventilador puede estar en ON o en OFF. El sistema de automatización del edificio proporciona el circuito de contacto que energiza un contactor y arranca el ventilador. En la mayoría de los sistemas, el ventilador queda en ON la mayoría del tiempo y consume un 100 % de la corriente eléctrica disponible y la energía necesaria para rotar el ventilador a velocidad nominal, incluso si sólo se requieren pocos cambios en la temperatura del aire. Con una solución de actualización VAV, los sensores de dióxido de carbono y temperatura son cableados directamente al microcontrolador. Basándose en la retroalimentación de los sensores, el microcontrolador dice la transmisión cuando va a acelerarse, a disminuir la velocidad, encender o apagar un ventilador. Esto elimina la necesidad de reprogramar o hacer cualquier cambio en los sistemas de automatización del edificio existentes, ayudando a simplificar el proceso de conversión y minimizando los costes de energía. Estas soluciones de ahorro energético distribuyen el calentamiento o enfriamiento en la misma proporción que el diseño del sistema original, pero usando menos energía en el ventilador. Usando sensores conectados al controlador, el sistema ajustará la velocidad del ventilador de alimentación, el ventilador de retorno o ambos. Esto permite que el sistema minimice el uso de energía y velocidad para reflejar la cantidad actual de caudal de aire requerido para el cambio de temperatura deseado. Cuando se requiere una mínima cantidad e aire acondicionado, el sistema minimiza la velocidad del ventilador y uso de energía. A la inversa, cuando se necesita una gran cantidad de calor o aire acondicionado, el sistema incrementa la velocidad del ventilador para acomodar la necesidad de transferencia de calor o frío. Como con un control de temperatura, el diseño de HVAC proporciona suficiente aire para abordar el peor escenario posible, asumiendo la ocupación completa en una zona en todo el tiempo. Usando sensores para medir el dióxido de carbono en el retorno de aire, el paquete de ahorro energético ajusta el caudal de aire del exterior para acomodarse al número estimado de ocupantes. Reduciendo la toma de aire exterior se consigue menos frío, calor, deshumidificación y velocidad del ventilador de salida. Se ahorra energía de varias formas. .

Cálculo del payback .

Algunos de los últimos paquetes de retrofit proporcionan datos cuantitativos que hacen más fácil para los usuarios calcular el ahorro de energía aproximado y determinar el payback potencial, esto ocurre por ejemplo con el FanMaster™ Energy Saving Package, de Rockwell ofrece un calculador de ahorro. .

Ejemplo y estimación del ahorro .

En una aplicación de un fabricante de alimentos, el ahorro potencial se calculó sobre un periodo de 382 horas, o 16 días. El sistema calculó un ahorro energético total de $311,45 durante el periodo. Esto incluye un ahorro estimado de $73,46 asociado a la demanda de dióxido de carbono de ventilación. Durante el periodo de operación, la reducción de velocidad del ventilador fue del 35, 45, 55 y 100 %, extraplada a un 58,5 %. Esta reducción de velocidad es igual a un ahorro potencial de más de $7.000 basándose en $0,05/kwh. Añadido al payback potencial está el hecho de que el fabricante puede alcanzar estos ahorros sin incurrir en el coste de tener que modificar los controles existentes o el sistema mecánico. El periodo payback de una actualización VAV puede ser de 12 meses o menos. El periodo depende en gran medida del tipo y tamaño del sistema, y del tiempo en el que el motor está operando a velocidad nominal y del caudal requerido para calentar o enfriar el edificio. La vida útil de estos equipos de XVCA en edificios comerciales es típicamente de 15 a 20 años, así que un payback de 1-2 años puede suponer un ahorro sustancial. .

Bibliografía: Leveraging the Power of Intelligent Motor Control to Maximize HVAC System Efficiency. Rockwell Software. Palabras clave: Variable air volumen (VAV)