Control del Volumen de Aire Variable

 

Las características que deberán cumplir estos controles se circunscriben a las siguientes:

• Bajos costos iniciales de equipamiento e instalación.
• Sencillez y bajos costos de mantenimiento.
• Gran sencillez en la operación.

Los sistemas disponibles

Los proveedores de controles han entendido estas premisas y han puesto a disposición del mercado sistemas de control de VAV que se basan en lo siguiente:

a) Panel transistorizado central para el manejo de las distintas áreas.

Este equipo consta de algunos circuitos basados en transistores (no contiene microprocesadores) y cuya función es la de disponer de un timer programable para el encendido automático del equipo central de climatización (frío y calor) y un circuito electrónico que recibirá las señales de las distintas salas de la residencia. Desde ese panel el usuario podrá programar los horarios de ocupación de cada sala por separado.

El equipo determina automáticamente las necesidades de refrigeración o calefacción de la residencia por medio de un termostato ubicado en el aire exterior.

b) Cajas terminales de VAV en las salas, conteniendo solamente una persiana o clapeta motorizada con un motor ON/OFF cada una (mínimo una por sala). La posición mínima de cada persiana se fija manualmente durante la instalación inicial.

c) Termostato simple o programable, de ambiente, para frío / calor, con salidas ON/OFF, y cuyos contactos llevan la señal al panel central programable para indicar la situación de la sala.

d) Dos termostatos de conducto que miden y controlan la temperatura de inyección del equipo central en modo frío o calor. Esos termostatos serán ON/OFF multietapa cuando el sistema de frío sea de expansión directa y la calefacción sea eléctrica pero serán modulantes en el caso de que se trate de sistemas por agua fría o calefacción por calderas.

Funcionamiento en verano:

A la hora preprogramada el panel central activa al equipo de refrigeración central cuando la temperatura de la sala se sobrepasa la banda programada, el termostato correspondiente cierra sus contactos y el panel central envía una señal de apertura a la persiana correspondiente, con lo cual abre totalmente inyectando aire fresco a la sala.

Cuando la temperatura de la sala está dentro de la banda de setpoint el panel hace cerrar la persiana a una posición mínima para renovación de aire. Cuando se alcanza el horario de desocupación el panel desactiva al equipo central y lleva todas las persianas a su posición mínima.

Funcionamiento en invierno:

Se realiza todo el funcionamiento descripto anteriormente pero se activa la caldera o las resistencias eléctricas para calefaccionar. El panel invierte todos los lazos automáticamente para trabajar en modo inverso a la refrigeración.

Por la sencillez de su funcionamiento, estos equipos no presentan ninguna capacidad de programación para optimización de consumos u otra sofisticación de los equipos desarrollados para edificios comerciales.

Por último, de acuerdo a las características de su equipamiento se puede catalogar a estos sistemas como sistemas de ducto único, dependientes de la presión.

Los sistemas de VAV en pequeños edificios comerciales (Commercial Zoning)

Estos sistemas de control de VAV se han desarrollado como respuesta a las necesidades de edificios comerciales pequeños y medianos, con un máximo de 12 zonas independientes por piso.

La particularidad que presentan estos equipos es que el control de las zonas del piso está controlado por un único panel microprocesador, que recibe la medición analógica de un sensor de temperatura por cada zona y, además recibe las señales de los sensores de temperatura de aire exterior y de inyección.

La estrategia del control es muy similar a la de los sistemas VAV de control distribuido pero la desventaja en este caso es que , por ser un único controlador zonal, cada sensor y cada persiana de caja terminal deben ser cableados individualmente hasta el mismo , con el consiguiente costo adicional por cableados y canalizaciones.

El funcionamiento de estos paneles de control se basa en un algoritmo bastante sofisticado que usa las mediciones analógicas que recibe de todos los sensores de ambiente para tomar la decisión de activar refrigeración o calefacción central.

El programador define zonas con diferentes prioridades (una oficina gerencial tendrá más importancia en la decisión que una sala de fotocopias) y, en función de un promedio ponderado de todas las mediciones toma la decisión. A partir de ese momento todos los lazos quedan determinados (control directo para refrigeración o inverso para calefacción) y se inicia el ciclo de control.

En primera instancia el sistema basa su control en mantener un valor prefijado de temperatura de inyección, la cual se controla por medio de un equipo de expansión directa o por serpentinas de refrigeración. La calefacción puede ser por modulación de serpentina de agua caliente, resistencias eléctricas o bomba de calor.

Por otro lado cada zona estará alimentada por una caja terminal con una persiana modulante por señal 0-10 VDC o actuador flotante.

A los pocos minutos de iniciarse el control las persianas modulantes se abren a diferentes posiciones de acuerdo a la temperatura que requerirá cada zona pero, cuando alguna zona con poca carga térmica satisfaga su setpoint individual, la persiana correspondiente tenderá a cerrar para evitar que se escape la temperatura de la banda asignada, con lo cual se restringirá mucho la renovación del aire de esa sala. Para evitar que esto ocurra con alguna sala de alta prioridad, el panel de control analizará la posición de las persianas de más alta prioridad y ajustará el setpoint de temperatura de inyección para forzar una apertura de las persianas que estaban más cerradas. Con esto todas las demás persianas también se reacomodarán pero siempre hacia una apertura mayor, con lo cual se asegura la renovación de aire. A su vez las zonas con alta carga térmica tendrán asegurada su renovación de aire porque sus persianas siempre estarán muy abiertas para refrigerar el área y mantener el punto de ajuste.

Estos paneles de control pueden manejar sistemas economizadores gracias a un comparador de entalpías auxiliar pero no presentan programa de comparación de entalpías propio.

Debido a que estos paneles atenderán la automatización de pequeños edificios se los ha dotado de algunos pocos programas de optimización del consumo:

• Arranque óptimo (llamado “adaptative recovery”).
• Purga nocturna. (night purge).
• Funcionamiento en horarios nocturnos ( night - setback)
• Comando de bypass con pulsador local y ajuste de set point desde los sensores.

Estos equipos no permiten ningún control de humedad y, dado que son paneles con programación “pre-enlatada”, no existe la posibilidad de anexar esa función.

En cuanto al control de zonas periféricas, permiten el manejo de resistencias recalentadoras eléctricas individuales pero estas también deben ser comandadas desde el panel de piso, usando relés intermediarios para manejar los contactores correspondientes.

El control de la presión estática de ducto solo se puede resolver en estos casos por medio de la modulación de una persiana de bypass que estará manejada por un lazo PI, alimentado por la medición de un único sensor de presión ubicado en el conducto.

Por último, y para el caso de que el usuario desee manejar a los paneles desde un puesto de monitoreo central, se los puede enlazar por medio de una red RS485 a una PC de monitoreo, formando sistemas que pueden soportar 100 controladores.

Los software de supervisión son elementales pero ofrecen las prestaciones principales:

• Comunicación “on-line”con los controladores.
• Gráficos en color de las instalaciones.
• Reportes de alarmas.
• Registro histórico de mediciones (máximo 1000 muestras/ controlador).
• Comandos de bypass y cambio de set point desde la PC.
• Enlace vía modem telefónico a un centro remoto de supervisión.

El control del VAV en edificios medianos y grandes.

En este párrafo describiremos a los sistemas que conocemos en general como sistemas VAV.

Habíamos visto las diferentes clasificaciones según la cantidad de ductos y, se puede asegurar que el 85% de los sistemas de VAV en edificios medianos y grandes son de ducto simple. Además, por consideraciones de ahorro de energía y facilidad en el diseño acústico se puede decir que la tendencia es el usar los sistemas de baja presión, aún cuando esto implique el uso de ductos más grandes. Hoy una presión estática de ducto estará en el orden de 1- 2 pulgadas de c.a. y este parámetro será medido con uno o varios transmisores de presión ubicados en determinados puntos de los ductos de inyección (tocaremos ese punto más adelante).

Es más fácil el análisis de los sistemas VAV si los simplificamos, considerándolos por ahora simplemente como aplicaciones para refrigeración. En la medida que la temperatura de la zona considerada aumenta, el controlador de VAV dará indicación al actuador de la persiana de inyección para que la misma module la apertura desde una posición mínima hasta el 100%. El caudal de aire requerido para atender cada área es función del tamaño de la caja, de la temperatura del aire que hay disponible en el ducto, de la presión estática del ducto y de la carga térmica que se genera en el ambiente.

Las persianas de control suelen ser clapetas que pueden girar 45, 60, ó 90° y que son movidas por actuadores motorizados que suelen ser manejados por un control flotante.

Sin embargo existen en el mercado fabricantes de cajas VAV que presentan sistemas mucho más complejos y sofisticados de modulación del caudal, usando en lugar de una clapeta un sistema de cono truncado que se desliza longitudinalmente dentro de otro sector cónico de la caja, con lo cual se obtiene un comportamiento más silencioso y menos turbulento. Sin embargo esto trae como desventaja que esa caja no podrá ser manejada por un controlador de otra marca ya que no presenta el eje rotativo de los modelos tradicionales.

Si la boca de la caja es pequeña para el caudal que deberá inyectar, el funcionamiento será ruidoso debido a la velocidad de salida del aire y, si por el contrario es demasiado grande el control de la temperatura será dificultoso ya que, pequeños cambios de la posición de la persiana generarán grandes cambios de caudal de aire. De ambas situaciones, suelen darse las segundas ya que se suele contemplar reserva de potencia para ampliaciones futuras de carga térmica. En general las especificaciones de los caudales de las cajas se indican a una presión estática de 1 pulgada de c.a.

La medición de caudal de aire.

El elemento más usual para este caso en particular es un sensor basado en el principio del tubo Pitot, ubicado en la boca de inyección, de forma en cruz , en anillo de forma cuadrada o cruzado diametralmente, fabricado en plástico, aluminio o cobre de ¼ de pulgada de diámetro.

La medición de caudal de aire.

El elemento más usual para este caso en particular es un sensor basado en el principio del tubo Pitot, ubicado en la boca de inyección, de forma en cruz , en anillo de forma cuadrada o cruzado diametralmente, fabricado en plástico, aluminio o cobre de ¼ de pulgada de diámetro.

Funcionalmente estos sensores consisten de dos tubos de muestreo que presentan doble juego de perforaciones ubicadas de manera simétrica con una cara enfrentando al chorro de aire que se inyecta y que será la toma de alta presión y la contra-cara que será la toma de baja presión.

Se usan varias perforaciones para obtener una medición promediada del flujo, dentro del radio comprendido por las mismas ya que la distribución de la velocidad del aire en el conducto es una función no lineal. Esto es muy común en instalaciones de VAV, debidas generalmente a codos, curvas, cambios en la sección y otros generados de turbulencias que no respetan la distancia mínima recomendada de tres diámetros.

Dado el tamaño pequeño de las bocas de las cajas VAV, el error cometido por no muestrear más puntos es muy aceptable para la función que está cumpliendo. De los tres sistemas presentados, generalmente se obtienen mejores resultados con los sensores en cruz o en anillo ya que los agujeros de toma están mejor distribuidos en el ducto. La ventaja del sensor en anillo, en cambio, es la sencillez de su montaje y anclaje al conducto.

La medición de la presión estática en los ductos.

El sistema de VAV se basa en una premisa de presión estática estable aún cuando las cajas puedan individualmente manejar su persiana midiendo el flujo de aire por medio de sus sensores.

Una presión insuficiente puede generar una falta de flujo de aire en las cajas más lejanas a los ventiladores y, por otro lado, una sobrepresión puede generar gastos innecesarios de energía, ruidos en los ductos debidos a velocidades excesivas del aire y, en los casos de sistemas de alta presión pueden generar deformaciones en los ductos.

En un sistema VAV ideal existe un único ducto recto que alimenta a una cantidad de cajas, con derivaciones cortas. Ver Fig. - caso A.

En principio la posición debería ser la más desfavorable, y esta parecería ser la que está al lado de la caja más alejada. Sin embargo está comprobado que esta posición no es adecuada ya que las variaciones de apertura de la persiana de esta caja afectan demasiado a la lectura y no son representativas de la presión del resto del ducto, por lo cual se opta por ubicar al sensor en una posición alejada del extremo, en una posición que tome tres o cuatro cajas de ese lado de la medición.

En la mayoría de los sistemas reales de VAV los ductos adoptan recorridos diversos, en función de las necesidades de transporte de aire, y a su vez buscando el camino más económico. Esto hace que la distribución adopte configuraciones que pueden ser muy desfavorables desde el punto de vista del control de la presión estática, al punto tal de que no se pueda adoptar un criterio a priori y se requiera de un análisis numérico por parte del proyectista del sistema de HVAC. Esto no requiere demasiado trabajo ya que el proyectista deberá calcular la presión estática en todos los puntos de los ductos para dos ó tres casos:

(1) todas las cajas abiertas,

(2) todas las cajas periféricas abiertas; y

(3) todas las cajas periféricas cerradas.

Vemos en el ejemplo de la Fig.- caso B una distribución en la cual se abre un segundo ramal, con lo cual el sensor debería contemplar las variaciones de presión también en ese sector. En este caso se puede adoptar una solución de compromiso y fijar la posición del sensor en una distancia igual al 75% del recorrido del ramal más largo o más cargado de cajas.

Por último, en los casos en los que los ductos se desdoblan en dos ramales equivalentes no queda más remedio que ubicar dos sensores y generar un promedio ponderado que represente la influencia porcentual de los mismos en el sistema total. Ver Fig.- caso C.

Como regla general se deberá dar prioridad del control a aquel sensor que se ubique en el ramal que presente una caída de presión estática mayor, con respecto a su valor nominal al abrir todas las cajas al 100%.

Las instalaciones en los sistemas VAV.

Se observa en la figura que las instalaciones de VAV requieren de una determinada cantidad de canalizaciones, motivada por los cableados que se requieren:

• Cableado de bus de datos. (3 x 0,75mm2 mallado).
• Cableado de anillo de alimentación de 24 VCA para los controladores. (2 x 4 mm2).
• Cableado de alimentación de potencia para las cajas (de acuerdo a las potencias a manejar).
• Cableado desde sensor de temperatura en ambiente hasta la caja.
• Cableado desde sensor de ocupación hasta controlador de la caja.
• Cableado de contacto de ventana hasta la caja.
• Cableado desde controlador hasta contactores de ventilador y resistencia eléctrica (cableado en fábrica).

Las estrategias de control en las cajas VAV.

Analizaremos ahora las diferentes estrategias de control, en función de las numerosas variedades de cajas VAV que se pueden encontrar en el mercado, y lo haremos en un orden por complejidad de los elementos involucrados:

1) Sistema independiente de la presión, con realimentación de la persiana y 3 etapas de calefacción con resistencias eléctricas.

a) El programa decide cuales zonas usarán calefacción y cuales refrigeración.

b) En modo refrigeración el sensor envía la medición y el lazo P+I genera la salida flotante para abrir la persiana desde posición mínima a 100%.

c) El controlador recibe la señal de la posición real de la persiana y, si coincide con la salida programada, dentro de un error de posicionamiento de ± 2%, en ese momento detiene los pulsos de apertura.

d) Al descender la temperatura del ambiente por debajo del set point de calefacción, la persiana se mantiene en su posición mínima hasta llegar al límite inferior de la banda base, momento en el cual comenzará a abrir, siguiendo la banda proporcional y habilitando a la primera etapa de calefacción.

e) Al caer aún más la temperatura, el controlador abrirá la persiana aún más, y cuando se verifique la posición deseada por medio de la realimentación, se habilitará la segunda etapa de calefacción y, a continuación se hace lo propio con la tercera. Ver Fig.

5) Sistema independiente de la presión, con realimentación de la persiana y recalentado por serpentina de agua caliente.

Puntos (a) hasta (c) Igual que en el caso anterior.

d) Al descender la temperatura del ambiente por debajo del setpoint de calefacción , la persiana se mantiene en su posición mínima hasta llegar al límite inferior de la banda base y , a partir de allí, comienza a abrir la válvula de la serpentina de recalefacción desde 0% a 100% , a la vez que comienza a abrir la persiana desde su posición mínima hasta un primer máximo, luego se mantiene el caudal en una banda muerta y luego se lo modula desde allí hasta un 100%. Ver Fig.

Sistemas de VAV de ducto doble:

Estos sistemas basan su capacidad de calefacción en el uso de un segundo ducto por el cual se inyectará aire caliente para calefaccionar. Estos sistemas también usan los programas mencionados en los de ducto único:

Modo ocupado / desocupado / standby / cierre / Autocero / ocupación temporaria / boost / fail restart / warmup y cooldown.

Los lazos de control P+I comparan la temperatura del ambiente contra los setpoints y decide cual será el setpoint que se usará durante el funcionamiento y también selecciona la estrategia de reseteo de los actuadores de inyección. Luego en base a estos algoritmos fija los valores de setpoint mencionados, y con eso usará los lazos para la salida la señal de 0-100% a los actuadores correspondientes, pero cada uno en un ducto por separado.

Controles de caudal independientes, con reseteo cruzado. Ver Fig.

En las zonas netas de calefacción y de refrigeración cada ducto mantiene respectivamente su posición de flujo mínimo pero, cuando la temperatura cae dentro de la banda intermedia, el set point del control de flujo del ducto de refrigeración es reseteado en función de la situación del flujo del ducto de calefacción y viceversa. Esto mejora las transiciones de caudales en el momento que los sistemas conmutan de refrigeración a calefacción y viceversa.

Por: Ing. Alfredo Prochnik.

Fuente: Asociación Argentina del Frío