18 julio 2012

Control de presión estática de conductos




Los edificios modernos típicamente tienen sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado para controlar la temperatura de interior, presión, tasa de ventilación, y otras variables de forma que hacen un uso eficiente de la energía.  Una forma de conservar estos sistemas es usar un diseño de volumen de aire variable (VAV). Los componentes clave de un sistema de volumen de aire variable son un ventilador de alimentación y las unidades terminales. El ventilador de alimentación es un accionador principal que causa movimiento en el aire. Una unidad terminal contiene un dispositivo de estrangulamiento que regula una cantidad de aire suministrada a un espacio en un edificio que se controla para regular la temperatura y ventilación en ese espacio. El ventilador de alimentación está típicamente en comunicación con una pluralidad de unidades terminales.
En un sistema de volumen de aire variable el caudal del aire acondicionado suministrado a un edificio se ajusta de forma que no se usa más aire que el necesario. El caudal variable se alcanza por medio del uso de controles en o cerca del ventilador de alimentación y por el uso de controles en las unidades terminales. Los controles de ventilación de la alimentación varían la velocidad del ventilador de alimentación para proporcionar modulación del caudal de aire eficiente. Los controles en las unidades terminales determinan cuanto aire fluye a través de cada terminal.

La estrategia de control más común para el ventilador de alimentación para el ventilador de los sistemas de volumen de aire variable es regular una presión estática en un conducto de alimentación en un punto aguas abajo del ventilador de alimentación antes que las unidades terminales, aunque la medida de presión estática puede ser hecha aguas debajo de uno o más de los conductos terminales. Una estrategia habitual es localizar el sensor de presión a dos tercios de la distancia del ventilador de alimentación respecto al fin del conducto. El caudal de aire varía de forma que la presión estática se mantiene en un punto de referencia que puede ser constante o reajustarse basándose en el caudal de aire.
Existen varias estrategias de control. Una de ellas se basa en mantener una presión estática constante en el conducto de alimentación. Otras estrategias para reajustar la presión estática basándose en la posición de la unidad terminal que está más abierta. Un objetivo de estas estrategias es mantener las trampillas de la unidad terminal casi abierta o completamente abiertas. Haciendo esto se reducen las pérdidas de estrangulamiento en condiciones de carga parcial.
Otra estrategia consiste en ajustar la presión estática basándonos en el caudal de aire.
Todas estas estrategias para determinar un punto de referencia requieren un método de ajustar el volumen de aire proporcionado por el ventilador de alimentación para mantener la presión estática del conducto en el punto de referencia deseado.
Típicamente un controlador usa un algoritmo de control proporcional-integral-derivativo (PID). Este algoritmo, que toma muchas formas, se basa en la diferencia entre el punto de referencia de presión estática y la presión estática del conducto actual usualmente referido como el Error.
Un algoritmo PID cambia el caudal de aire en lo necesario para minimizar el Error. Estos cambios periódicos se basan en este Error y cómo el Error está cambiando. El ventilador puede ser accionado por un variador de frecuencia variable. Cuando el dispositivo de modulación del caudal es un variador de frecuencia variable, el cambio de velocidad calculado es el mismo independientemente de la velocidad del ventilador independientemente de las condiciones. Las leyes de los ventiladores dictan que la presión estática del conducto varía con el cuadrado de la velocidad del ventilador. Un cambio de velocidad a bajas velocidades da como resultado un cambio mayor en la presión estática del conducto que el mismo cambio de velocidad a una velocidad más alta. Como resultado de ello, un bucle PID ajustado para proporcionar una buena respuesta a velocidades bajas será más perezoso a altas velocidades y un bucle PID ajustado para proporcionar una buena respuesta a altas velocidades puede ir peor a velocidades bajas.
Los parámetros PID deben ser ajustados para que el algoritmo proporcione una operación aceptable. Tal ajuste puede ser difícil con cualquier implementación de un bucle PID. El problema del ajuste se hace más difícil debido a las múltiples formas que los algoritmos PID pueden tomar. Por ejemplo, un bucle puede responder más rápidamente cuando el parámetro integral se incrementa en una implementación y puede responder más lentamente cuando el parámetro integral se incrementa en otra implementación.
En consecuencia, hay necesidad de un algoritmo que cambie la velocidad del variador más a altas velocidades para una serie de circunstancias de forma que el cambio de presión sea la misma a todas las velocidades para una serie de circunstancias. Adicionalmente, es necesario que un algoritmo no requiera ajuste de los parámetros de control de un variador de frecuencia variable para mantener una presión estática deseada.

Configuración del sistema

Los componentes físicos del sistema en el que se usa este método incluyen ventilador, conducto de alimentación, dos o más conductos terminales, dos o más unidades terminales, un sensor de presión estática, un controlador del ventilador de alimentación, y un variador de frecuencia variable. El sistema también contiene otros componentes tales como intercambiadores de calor, serpentines de refrigeración y filtros que se usan para otras funciones tales como calefacción, refrigeración y aire de limpieza. El ventilador de alimentación puede ser centrífugo o axial. El conducto del ventilador de alimentación es típicamente una estructura metálica de lámina alargada con una sección transversal rectangular usada para transportar aire. El sensor de presión estática se localiza aguas abajo del ventilador de alimentación. El controlador del ventilador de alimentación es un dispositivo electrónico con microprocesador y memoria. El controlador puede estar integrado con un variador de frecuencia variable comparando la salida del sensor de presión estática al setpoint de presión estática deseada.
Una señal desde el sensor de presión estática y un punto de referencia de presión estática son entradas al calculador de velocidad del ventilador de alimentación. El punto de referencia puede ser un valor fijo entrado manualmente en el controlador o puede ser automáticamente variado cuando cambian los requerimientos del caudal de aire. La salida del controlador del ventilador de alimentación es la entrada al variador de frecuencia variable.

Operación

En operación, la velocidad calculada a la que opera el ventilador de alimentación para cualquier condición dada viene determinada usando la relación de las leyes del ventilador no lineales entre presión y velocidad del ventilador. Así podemos obtener un control mejorado.
En la figura con la que abrimos este artículo vemos un diagrama esquemático de una porción del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
Para un ventilador particular a densidad constante, las leyes del ventilador relacionan la velocidad, N, con la presión, P, de la siguiente forma:

Para determinar la velocidad, N2 requerido para alcanzar la presión estática del conducto deseada, P2, la velocidad de corriente, N1, proporcionada a través de un variador de frecuencia variable se multiplica por una estimación de la raíz cuadrada del ratio del punto de referencia de presión estática del conducto, P2, dividida por la presión estática del conducto de corriente. La velocidad, N se cambia a una nueva velocidad calculada, N2 cuando la presión estática del conducto, P1 difiere del punto de referencia de presión estática del conducto, para más de una cantidad fija, y la velocidad del variador de frecuencia variable no cambia para el tiempo de muestreo de la corriente.
Las leyes del ventilador se aplican a situaciones de estado estacionario de forma que el tiempo de muestra de la corriente se ajusta cuando se hace cada cálculo del cambio de velocidad de forma que la presión estática del conducto está cerca de su valor de estado estacionario cuando se hace el siguiente cálculo. Una forma de llevar a cabo esto es multiplicar el cambio en la velocidad expresado como un porcentaje de la velocidad del variador de frecuencia variable máxima por el tiempo de aceleración/deceleración para el variador de frecuencia variable y luego añadir un periodo de tiempo adicional para permitir que el tiempo unitario se estabilice después del cambio de velocidad.
El valor absoluto del cambio de velocidad está limitado a un valor máximo así que el cambio de velocidad puede hacerse cuando la presión estática del conducto está relativamente lejos del punto de referencia deseado que resultaría en grandes cambios de velocidad y tiempos de muestreo calculados.
La velocidad también se pone a su valor máximo para proporcionar una velocidad del ventilador positiva cuando la velocidad del ventilador de corriente es cero.

Un método para ajustar la velocidad de un ventilador de alimentación para mantener la presión estática en un conducto de alimentación a un punto de referencia de presión deseado en un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado de volumen de aire variable consta de un ventilador de alimentación, un variador de frecuencia variable, un sensor de presión estático y un controlador acoplado al sensor de presión estática y el variador de frecuencia variable.
El método comprende variar la velocidad del ventilador de alimentación en proporción a la raíz cuadrada del ratio del punto de referencia de la presión estática del conducto deseado respecto a la corriente medida de la presión estática del conducto.

Bibliografía

·         Duct static pressure control. United States Patent Application Publication. US 2008/0139105 A1

Palabras clave

Variable-air-volume (VAV)
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