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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