Equilibrado Hidráulico con controladores de presión diferencial

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Por qué y cuándo las instalaciones de HVAC de caudal variable necesitan control de presión diferencial.

EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES

DE PRESIÓN DIFERENCIAL

TA-Handbok 4 (ES) 03-05-20 15.11 Sida 1

“Hydronic balancing with differential pressure controllers” (Equilibrado hidráulico con controladores de presióndiferencial), cuarto manual de la serie de publicaciones sobre diseño y equilibrado hidráulicos de TA. El primer manualtrata de los bucles de control de equilibrado, el segundo explica los sistema de distribución de equilibrado y el tercerose ocupa de los sistemas de radiadores de equilibrado.

Esta publicación va destinada a un público internacional. Puesto que el uso del idioma y la terminología difiere encada país, puede encontrar que algunos términos y símbolos no son los que Vd. utiliza. Esperamos que esto no lecause demasiadas molestias.

Escrito por Robert Petitjean. Nuestro agradecimiento a los expertos en equilibrado hidráulico de TA: Bjarne Andreassen,Eric Bernadou, Jean-Christophe Carette, Bo G Eriksson y Peter Rees por su valiosa contribución.

Producción: Sandberg Trygg AB, Suecia.

— 3ª edición —

Copyright 2002 por Tour & Andersson AB, Ljung, Suecia. Reservados todos los derechos. Queda prohibida la repro-ducción de cualquier parte de este libro de cualquier forma o por cualquier medio sin el permiso por escrito de Tour& Andersson AB. Impreso en Suecia, mayo 2003.

Leeds City Office Park, Inglaterra


Contenido

1- Introducción ......................................................................................................................................... 5

2- Diferentes sistemas de distribución: ventajas e inconvenientes ........................................... 6

2.1 Caudal variable ............................................................................................................................ 6

2.2 Caudal constante ............................................................................................................................... 7

3- Razones para utilizar controladores de presión diferencial .................................................. 9

3.1 Comprobación del control proporcional preciso y estable ...................................................... 9

3.1.1 El bucle de control

3.1.1.1 Elementos de un bucle de control

3.1.1.2 Control proporcional

3.1.1.3 Característica de la válvula de control

3.1.1.4 Autoridad de la válvula de control

3.1.1.5 Dimensionado de una válvula de control de dos vías

3.1.2 Comportamiento de un sistema de distribución a caudal variable, ejemplo de instalación

3.1.2.1 Instalación en condiciones de diseño

3.1.2.2 ¿Qué ocurre cuando la válvula de control del terminal “A” se cierra?

3.1.2.3 Caudal medio total del 50% (80% de la carga de diseño)

3.1.2.4 Utilización de bombas de velocidad variable

3.1.2.5 Utilización de controladores locales de ∆p

3.1.2.6 Comparación de resultados y conclusiones

3.2 Reducción al mínimo el ruido de las válvulas de control ...................................................... 29

3.2.1 Algunos tipos de ruidos

3.2.2 ¿Qué se puede hacer?

3.3 Equilibrado, puesta en marcha y mantenimiento más sencillos........................................... 32

3.4 Ventajas del control de presión diferencial y resumen .......................................................... 34

4- Aplicaciones de la STAP ................................................................................................................ 38

4.1 Funcionamiento .......................................................................................................................... 38

4.2 Aire acondicionado ..................................................................................................................... 41

4.2.1 Una STAP en cada columna

4.2.2 Una STAP en cada ramal

4.2.3 Una STAP en cada válvula de control

EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

3


4.3 Calefacción por radiadores ...................................................................................................... 48

4.3.1 Válvulas de radiador preajustables

4.3.2 Válvulas de radiador no preajustables

4.4 STAP como controlador de caudal .......................................................................................... 52

5- Apéndices ............................................................................................................................................ 53

5.1 Preguntas y respuestas ............................................................................................................... 53

5.1.1 ¿Por qué equilibrar hidráulicamente?

5.1.2 ¿Cuáles son los costes del inconfort?

5.1.3 ¿Está equilibrada automáticamente una instalación bien diseñada?

5.1.4 ¿Es suficiente una bomba de velocidad variable para obtener los caudales de diseño correctos?

5.1.5 ¿Está equilibrada automáticamente la instalación si las válvulas de control de dos vías están

bien dimensionadas?

5.1.6 ¿Aumentan los dispositivos de equilibrado los costes de bombeo?

5.2 Caudal mínimo en un sistema de distribución a caudal variable ........................................ 57

5.3 Distintos métodos de control de una bomba de velocidad variable ..................................... 59

5.4 Costes de bombeo comparados con los costes del inconfort ................................................. 62


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5


1. IntroducciónEn teoría, las instalaciones de HVAC modernas pueden responder a las necesidades de climade interiores más exigentes con unos costes operativos bajos. En la práctica, sin embargo,ni siquiera los controladores más sofisticados cumplen las expectativas. En consecuencia,el confort es menor y los costes operativos son más altos de lo previsto.

Esto se debe con frecuencia a que el diseño mecánico de la instalación de HVAC infringeuna o varias de las tres condiciones siguientes:1. El caudal de diseño debe estar disponible para todos los terminales cuando sea necesario.2. La presión diferencial sobre las válvulas de control no debe mostrar grandes variaciones.3. Los caudales deben ser compatibles en todos las interfases del sistema.

La segunda condición concierne principalmente a los sistemas de distribución de caudalvariable. En muchos, la presión diferencial sobre las válvulas de control es variable. Loscircuitos también son interactivos hidráulicamente. La existencia de variaciones grandes enla presión diferencial puede ser la causa de un control modulante inestable. Puesto que loscircuitos son interactivos, las perturbaciones en una parte del edificio se propagarán a lasdemás.

Para permitir el control preciso y estable de los sistemas de caudal variable, a menudoes necesario estabilizar la presión diferencial. La mejor forma de hacerlo es mediante el usode válvulas de control de presión diferencial. Éstas mantienen las variaciones de presióndiferencial dentro de límites razonables y además hacen que los circuitos sean indepen-dientes unos de otros.

Las válvulas de control de presión diferencial tienen las ventajas siguientes:1. Permiten un control modulante preciso y estable.2. Reducen al mínimo el ruido producido por las válvulas de control

(todo/nada o modulante).3. Simplifican el equilibrado y la puesta en marcha.

En este manual se explica con más detalle por qué es importante utilizar control de presióndiferencial en las instalaciones de HVAC de caudal variable. Proporciona además métodospara equilibrar dichas instalaciones.


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2. Diferentes sistemas de distribuciónEn las instalaciones de HVAC, la distribución de agua se puede realizar mediante caudalconstante o variable. Cada tipo de distribución tiene ventajas y desventajas.

2.1 Caudal variable

En los sistemas de distribución a caudal variable, el control se consigue principalmentemediante válvulas de control de dos vías.

Ventajas

• Los costes de bombeo dependen del producto de la altura de bomba por el caudal de agua.Cuanto más reducen el caudal las válvulas de control, más energía se ahorra. Esto esespecialmente interesante en refrigeración, donde los costes de bombeo de distribución,con un caudal constante, representan entre el 6 y el 12% (sección 5.4) del consumo mediode energía de las enfriadoras.

• La instalación se puede diseñar con un factor de simultaneidad. Éste podría ser el motivoprincipal de la conversión de la distribución de caudal constante a variable, puesto quepermite una expansión de la instalación mediante el uso de las mismas tuberías.

• Dado que la plena carga es infrecuente, las tuberías se pueden diseñar con pérdidas decarga superiores, lo que reduce los costes de las inversiones.

• Los caudales de producción y distribución son compatibles, lo que asegura una tempera-tura del agua de impulsión constante en cualquier régimen de carga. Esto es importanteen las instalaciones de refrigeración esencialmente para la deshumidificación.

• La temperatura del agua de retorno se puede reducir al mínimo en calefacción y aumentaral máximo en refrigeración. Esto es importante en la calefacción de distrito, cuando seutilizan calderas de condensación.


Figura 2.01. Ejemplos de sistemas de distribución a caudal variable.

∆H

C

∆HCC


Inconvenientes

• Las presiones diferenciales sobre los circuitos son esencialmente variables. Esto afecta a laautoridad de la válvula de control y a la estabilidad de los bucles de control que funcionanen modo proporcional, o PI/PID.

• El dimensionado de una válvula de dos vías no es fácil, puesto que depende de la ∆Hdisponible para el circuito. Este valor por lo general se desconoce y es esencialmentevariable.

• Los circuitos son interactivos. Cuando se cierra una válvula de control, la presión dife-rencial sobre otros circuitos aumenta. Las válvulas de control correspondientes se debencerrar para compensar. Si uno o varios bucles son inestables, los problemas de control sepueden extender a todos.

• Con una carga normal del 50%, el caudal se reduce al 20% y las presiones diferencialesdisponibles en todos los circuitos aumentan considerablemente, con lo que se reduce deforma significativa la autoridad de las válvulas de control, con el consiguiente riesgo deinestabilidad.

• Es exigido un caudal mínimo para proteger la bomba, lo que hace necesarias solucionesespecíficas.

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2. DIFERENTES SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

2.2 Caudal constante

Figura 2.02. Ejemplos de distribución a caudal constante.

C

∆H BPV∆H

CC

∆H

BPVCC

∆H

C


8


Ventajas

• La altura de la bomba es constante, las pérdidas de carga en las tuberías de distribucióntambién lo son y los circuitos no resultan interactivos. En consecuencia, cada circuitorecibe una presión diferencial constante y las condiciones de funcionamiento se man-tienen en todas las cargas, lo que es beneficioso para los bucles de control.

• El dimensionado de las válvulas de control es fácil. Para una válvula de tres vías en uncircuito de derivación se basa en la misma pérdida de carga que para la unidad de terminal,en condición de diseño. Esta pérdida de carga suele ser bien conocida. La autoridad de laválvula de control es constante y, en algunos casos, puede estar cerca de 1.

• La temperatura del agua de impulsión es más uniforme para toda la instalación.

Inconvenientes

• Los costes de bombeo no disminuyen con la carga.• El diseño de todo el sistema de distribución debe tener en cuenta que todos los terminales

funcionan al máximo caudal constantemente. No es posible diseñar la instalación con unfactor de simultaneidad.

• La temperatura del agua de retorno no se reduce al mínimo en calefacción ni aumentaal máximo en refrigeración. Las compañías de calefacción/refrigeración de distrito noaprecian este hecho. En calefacción, una temperatura del agua de retorno más alta no esadecuada para las calderas de condensación, ni en sistemas de cogeneración.

• Cuando hay varias unidades de producción funcionando en secuencia, los caudales deproducción y distribución no son compatibles a cargas parciales. Esta diferencia generaun punto de mezcla y la temperatura del agua de impulsión no se puede mantener con-stante, lo que causa problemas en los sistemas de refrigeración.

La elección entre un sistema de distribución a caudal constante o variable depende deluso que se dé a la instalación y de la importancia asociada a las ventajas y desventajasespecíficas.


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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

3. Razones para utilizar controladoresde presión diferencial

3.1 Comprobación del control proporcional preciso y estable

3.1.1 EL BUCLE DE CONTROL

3.1.1.1- Elementos de un bucle de control

En las instalaciones de calefacción y aire acondicionado, los bucles de control modifican unatemperatura o un caudal con el fin de influir sobre el sistema en el que se quiere controlar unparámetro físico (por ejemplo, la temperatura).

El grado de efectividad del bucle de control depende de la combinación de seis ele-mentos interactivos que lo componen.

1. El sensor detecta la variable a controlar, como la temperatura ambiente o la temperaturadel agua de impulsión.

2. El controlador compara el valor medido con el de consigna. En función de la diferenciaentre estos dos valores, el controlador reacciona, dependiendo de su naturaleza, (porejemplo, todo-nada ó PID) y actúa sobre el motor de la válvula.

3. El motor se posiciona en un punto de acuerdo con las instrucciones recibidas del con-trolador

4. La válvula de dos o tres vías controla el caudal y, en consecuencia, la cantidad de energíaque se transmite al sistema para compensar las perturbaciones.

5. La unidad de terminal transmite esta energía al sistema controlado.6. El sistema controlado es la zona en la que está colocado el sensor.

El controlador es el cerebro del bucle de control. Para obtener una unión estable, el principiode control seleccionado debe adecuarse al diseño del sistema.

Figura 3.01. Los seis elementos del bucle de control interactúan entre sí.

∆x=U–x0–10v.

Valor de consigna U

ActuadorCarrera

0–100%

Señalk2 k3

ControladorCaudal

0–100%

Válvula TerminalEmisión

0–100%

Sensor

k4 k5xLocal

Perturbaciones

k1


10

Los controladores se dividen en dos clases: discontinuos y continuos (controladores modu-lantes). Los controladores de todo/nada pertenecen a la clase de los controladores dis-continuos. En calefacción, si hace demasiado calor, la válvula de control se cierra totalmentey cuando hace demasiado frío se abre completamente. Independientemente de si la válvulaestá abierta o cerrada, siempre se suministra excesivo o insuficiente calor y la válvula con-trolada no puede lograr un estado estable. Ésta oscila continuamente entre un valor máximoy un valor mínimo. Se puede lograr un mayor confort con un control modulante basado enel modo proporcional, lo que también reduce el consumo de energía.

3.1.1.2 Control proporcional

Un controlador proporcional abre o cierra la válvula de control en proporción a la diferenciaentre esta válvula y el valor de consigna. La válvula de control “busca” posiciones establesque corresponden a un equilibrio energético. De este modo, la temperatura del aire de impul-sión y la temperatura ambiente se estabilizan, lo que aumenta considerablemente el confort.

En la figura 3.02 se muestra un bucle de control de un nivel que utiliza un controladorproporcional. El nivel H normalmente se debe mantener constante actuando sobre el caudalde impulsión Y, que está diseñado para compensar las perturbaciones Z.

Cuando el nivel H disminuye, el flotador B desciende y abre proporcionalmente laválvula de control V. El sistema encuentra un estado de equilibrio cuando los caudales Yy Z son iguales.

Cuando Z = 0, el nivel de agua aumenta hasta llegar al nivel Ho, lo que hace que Y= 0.Cuando Z = máx, se logra un equilibrio estable con el flotador en Hm, lo que se consigue

cuando la válvula de control está totalmente abierta.

Esto, por lo tanto, da valores estables al nivel que se encuentra entre los límites Ho y Hm.La variación Ho – Hm del valor controlado, que determina el ajuste de la válvula, entre

la posición cerrada y la posición totalmente abierta, se denomina banda proporcional (PB).Las condiciones de nivel de equilibrio, dependiendo de la perturbación Z, siempre estánsituadas dentro de esta banda.


Y

B

V

Ho

Hm

Z

PB banda proporcional

H

Figura 3.02. Principio del control proporcional.


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Al mover el flotador hacia el punto de rotación del brazo de la palanca, la banda proporcionalse reduce. Con ello disminuye la variación de nivel necesaria para abrir totalmente la válvula.Sin embargo, entonces una pequeña diferencia de nivel conduce a una gran variación delcaudal Y y una reacción más fuerte que la perturbación. Esto crea una perturbación inversamayor. El bucle se vuelve inestable y funciona en todo/nada, con un rendimiento bajo.

El sistema que se muestra en la figura 3.02 es similar a un sistema de control de temperaturaambiente donde:Z = Pérdidas/ganancias de calor.Y = Emisión de la batería.H = Temperatura ambiente.

En este caso, la banda proporcional equivale a la variación de temperatura ambiente necesariapara mover la válvula de control desde la posición cerrada a la totalmente abierta.

En refrigeración, con un valor de consigna de 23°C y una banda proporcional de 4°C,la temperatura ambiente será de 25°C a plena carga y de 21°C sin carga.

Una banda proporcional de 4°C significa que la válvula se abre un 25% cuando la tem-peratura aumenta en 1°C. La ganancia k2 del controlador corresponde a este valor de 25%/°C.

Sin embargo, la potencia de entrada física real en la habitación es la potencia administradapor la unidad terminal. La ganancia efectiva entre la desviación de la temperatura ambientey la potencia emitida del terminal es:

k2 (controlador) × k3 (motor) × k4 (válvula) × k5 (terminal) = k. (véase la figura 3.01).

Si la ganancia “k” es demasiado alta, el bucle de control es inestable. Si la ganancia “k” esdemasiado baja, el control no es preciso.

Esta ganancia se debe seleccionar en el valor más alto posible sin provocar un controlinestable. Es importante mantener la ganancia “k” lo más constante posible para evitar unfuncionamiento inestable en algunas condiciones e imprecisión en otras.

La ganancia k4 (figura 3.01) define la relación entre el caudal y la carrera de la válvula.Depende de:1. La característica de la válvula2. El dimensionado de la válvula de control3. La presión diferencial (∆p) sobre la válvula de control

Como se muestra en la sección 3.1.1.3 siguiente, la falta de linealidad de la unidad terminal sepuede compensar por medio de una característica adecuada de la válvula de control, conel fin de mantener el producto de k4.k5 constante. No obstante, la ganancia k4 cambia conla presión diferencial sobre la válvula de control. Para eso no existe compensación y la únicasolución es estabilizar esta presión diferencial con un controlador local.



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3.1.1.3 Característica de la válvula de control

La relación obtenida entre el caudal de agua y la carrera de la válvula, a presión diferencialconstante, define la característica de una válvula de control. Estas dos magnitudes seexpresan como porcentaje de los valores máximos. Para una válvula con característicalineal, el caudal de agua varia en proporción lineal a la carrera de la válvula.

A cargas pequeñas y medianas, debido a la característica no lineal de las unidades ter-minales (figura 3.03a), una ligera apertura de la válvula de control puede aumentarnotablemente la emisión. Por lo tanto, existe el riesgo de que el bucle de control puedavolverse inestable con cargas bajas.

La característica de la válvula de control se selecciona para compensar la falta de linea-lidad de la unidad de terminal, de forma que la emisión de dicha unidad sea proporcional ala carrera de la válvula.

Si la potencia de una unidad terminal es del 50% de su valor nominal cuando se alimenta conun 20% de su caudal nominal, la válvula puede diseñarse de forma que permita solamenteun 20% del caudal cuando está abierta un 50%. Por tanto, se obtiene un 50% de emisiónde calor cuando la válvula está abierta un 50% (figura 3.03c). Ampliando este razonamientoa todos los caudales, podemos obtener una válvula con una característica que compensela no linealidad de la unidad de terminal controlada. Esta característica (figura 3.03b) sedenomina igual porcentaje modificado IPM (equal percentage modified, EQM).

Para que esta compensación sea efectiva, deben cumplirse dos condiciones:• La presión diferencial sobre la válvula de control debe ser constante.• El caudal de diseño se debe obtener cuando la válvula de control está totalmente abierta.

Una vez que se ha seleccionado una válvula de control y determinado su caudal de diseño,la presión diferencial sobre ella, cuando está totalmente abierta, se puede calcular y definircorrectamente.

Si esta presión diferencial no es constante, o si la válvula está sobredimensionada, lacaracterística de la válvula de control se distorsiona y el control proporcional puede verseafectado.


Figura 3.03. Selección de la característica de la válvula de control (centro) para compensar el termi-nal (izquierda) de forma que se produzca una relación lineal entre la emisión y la carrera (derecha).

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 10 20 30 40 50 60 70 90 10080

Caudal en %

Carrera en %

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 10 20 30 40 50 60 70 90 10080

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 10 20 30 40 50 60 70 90 10080

Emisión de calor en %

=+

Emisión de calor en %

Caudal en % Carrera en %

a b c

Emisión típica de una batería de frío Válvula de característica IPM Combinación de ambas características


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3.1.1.4 Autoridad de la válvula de control

Cuando se cierra la válvula de control, el caudal y la pérdida de carga se reducen en los ter-minales, tuberías y accesorios. Esto provoca una presión diferencial más alta sobre ella conlo que la característica de dicha válvula se distorsiona. Esta distorsión de la característica dela válvula de control se representa por su autoridad β, que se define como:

β = Autoridad de la válvula =∆pVc (Pérdida de carga en la válvula de control totalmente abierta y el caudal de diseño)

∆p válvula cerrada

El numerador es constante y depende únicamente de la elección de la válvula de controly del valor del caudal de diseño. El denominador corresponde a la ∆H disponible para elcircuito. Una válvula de equilibrado instalada en serie con la de control seleccionada, nocambia ninguno de estos dos factores y, en consecuencia, no influye en la autoridad de laválvula de control.

En una distribución de retorno directo (figura 3.04a), los circuitos remotos experimentanlos cambios de ∆H mayores. La peor autoridad de la válvula de control se obtiene cuando ladistribución funciona a caudales pequeños o, en otras palabras, cuando la válvula de controlestá sometida prácticamente a toda la altura de bomba.

Si una bomba de velocidad variable mantiene la presión diferencial constante cerca delúltimo circuito (figura 3.04b), el problema de la ∆H variable se refleje en el primero (másdetalles en la sección 5.3).

En la figura 3.04c se muestra la relación, por el cálculo, entre la potencia emitida y lacarrera de la válvula de control siendo (IPM), EQM. Esta válvula se ha seleccionado paraobtener, estando totalmente abierta, el caudal de diseño y con una autoridad de 0,25.Cuando la ∆H aplicada al circuito aumenta, la autoridad de la válvula de control disminuyey la característica de dicha válvula puede deformarse de tal manera genere una inestabilidaddel bucle de control.


Figura 3.04. Por diseño, autoridad de válvula de control = 0,25. Cuando la carga media de la instalación cambia, la presión diferencial ∆H sobre el

circuito cambia también y distorsiona la característica de la válvula de control.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Previs

to

Emisión %

Carrera de laválvula de control

Válvula de característica:IPM φ = 0.33 R = 25

∆H x 4

Cálculo

∆H x 10

a- Bomba de velocidad constante b- Bomba de velocidad variable c- Distorsión de la característica de la válvula

A'E'

E

A

F

B

F'B'Pequeñas cargas

∆p d

isp

oni

ble

po

r cá

lcul

o

Carga 100%

∆H

E

A

F

B

B'

Carga 100%

∆H

A'


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Como norma general, se dimensionan válvulas de control de dos vías totalmente abiertas ycon caudal de diseño para una pérdida de carga igual o superior al 25% de la ∆H máxima(generalmente la altura de la bomba) que se puede aplicar sobre la válvula de control. Parapoder seleccionar pérdidas de carga más altas en las válvulas de control, la ∆H de diseñodebe ser suficientemente alta. Esta condición no siempre se cumple, porque aumentará laaltura de bomba necesaria y, en consecuencia, los costes de bombeo.

Ejemplo: En la tabla siguiente, se examinan tres casos para la misma instalación. La alturade la bomba se selecciona para satisfacer la necesidad del circuito más desfavorable. En elprimer caso, la altura de la bomba es de 180 kPa y la autoridad mínima de la válvula decontrol es solamente de 45/180 = 0,25. Para obtener una autoridad de 0,5 (segundo caso),la ∆p tanto de la bomba como de la válvula de control se debe aumentar en 90 kPa. En estecaso, la pérdida de carga de diseño de la válvula de control será de 135 kPa, lo que requiereun diseño especial. El riesgo de ruido aumenta. Para el tercer caso, un controlador ∆p esta-biliza la ∆p sobre la válvula de control (figura 4.07). La autoridad de la válvula de controles superior a 0,7 y la altura de bomba necesaria se reduce al mínimo imprescindible.

¿Es esencial el control de la presión diferencial en todos los sistemas de caudal variable?El control de presión diferencial puede evitar frecuentes problemas de funcionamiento enlos sistemas de caudal variable. Posiblemente los dos más frecuentes son:

• Cuando una válvula de control (todo/nada o modulante) está sometida a una presióndiferencial demasiado alta, no se puede cerrar con riesgo además de generar ruido. Elcontrol de presión diferencial puede limitarla localmente a un nivel adecuado

• Cuando una válvula de control proporcional está sometida a grandes cambios de presióndiferencial, su autoridad puede reducirse tanto que el control de temperatura se vuelvainestable o impreciso. El control de presión diferencial garantiza que la autoridad de laválvula de control sea suficiente para un control estable y preciso.


Válvula de Controlador Unidad de Distribución Altura de Autoridad βcontrol ∆p terminal bomba

1 45 Ninguno 40 95 180 45/180 = 0.25

2 135 Ninguno 40 95 270 135/270 = 0.5

3 20 10 40 95 165 20/(1.4x20) = 0.71

kPa kPa kPa kPa kPa Véase la figura 4.02a


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Una forma de determinar si el control de presión diferencial es esencial para un controlde temperatura preciso y estable consiste en fijar la autoridad de la válvula de controlmínima aceptable (0,25, por ejemplo). Se calcula la autoridad de todas las válvulas decontrol y se adopta el control de presión diferencial, si muchas de las autoridades calcu-ladas son inferiores al nivel aceptable.

Otra forma mucho más sencilla consiste en comparar la presión diferencial de diseñoque debe estar disponible para el circuito más remoto, con la altura de bomba. Como norma,el control de presión diferencial es esencial en un sistema de distribución a caudal variable,si la relación C es inferior a 0,4:

C =∆p de diseño sobre el circuito más alejado

Altura de bomba de diseño

Ejemplo: Supongamos que, en condiciones de diseño, la altura de bomba en una instalaciónes de 100 kPa, la presión diferencial sobre el circuito más desfavorable es de 40 kPa y que25 kPa de esos 40 kPa se aplican sobre la válvula de control. Su autoridad por cálculo esentonces 25/40 = 0,625. La relación C es 40/100 = 0,4 y la pérdida de carga por cálculoen la tubería es de 100 – 40 = 60 kPa. A primera vista parece que la autoridad de la válvulaes suficiente.

Pero, para un caudal total medio del 20% en la instalación (50% de carga), la altura debomba aumenta hasta 130 kPa y la pérdida de carga en la tubería se reduce en un factor de25. Es decir a 60/25 = 2,4 kPa. La presión diferencial sobre el circuito más desfavorable esahora de 130 – 2,4 = 127,6 kPa (3,2 veces más alta que en condiciones de diseño). Lapresión diferencial sobre la válvula de control totalmente cerrada es de 127,6 kPa (5,1 vecesmás alta que el valor de diseño). La autoridad de la válvula de control cae a 25/127,6 = 0,2,un tercio de la autoridad en condiciones de diseño.

Por tanto, para una instalación con C=0,4, una autoridad de válvula de control correctaen condiciones de diseño (0,625) se reduce a 0,2 cuando el caudal medio es el 20% de estevalor. Por esto, se puede considerar que C=0,4 es el límite por debajo del cual los controla-dores de presión diferencial locales son esenciales para un control preciso y estable.

¿Cuáles serán las consecuencias de una autoridad insuficiente para la válvula de control?Para una carga media del 50%, que representa la situación más común, el caudal de aguase reduce desde el 100 al 20% (figura 3.03a). Las pérdidas de carga en las tuberías yaccesorios se vuelven insignificantes y las presiones diferenciales sobre los circuitosaumentan notablemente. La autoridad de las válvulas de control se reduce por debajo desu valor de diseño. Las válvulas de control se ven obligadas a funcionar con una pequeñaapetura, lo que hace que el control proporcional no exista.



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Para una autoridad de 0,1, la carga mínima controlable es aproximadamente del 32% (figura3.05 derecha). Por debajo de esta carga, la válvula de control funciona en modo todo/nada.Téngase en cuenta que en la mayoría de los países, las instalaciones de HVAC funcionanpor debajo de esta carga mínima durante más del 35% de los períodos de refrigeración ycalefacción.

Supongamos que la banda proporcional necesaria es igual a 1 para una autoridad de 1. Enla figura 3.05 anterior se muestra que esta banda proporcional aumenta cuando la autoridadde la válvula de control disminuye. Para una autoridad de 0,1, la banda proporcional relativase debe multiplicar por 3.

Si la banda proporcional necesaria es, por ejemplo, de 2°C con una autoridad de válvulade 1, sería de 6°C para una autoridad de 0,1. En este caso, la temperatura ambiente oscilaráen ± 3°C alrededor del valor de consigna.

Podemos pensar que la función integral de la mayoría de los controladores compensaráestas desviaciones mediante el reajuste lento del controlador proporcional. Sin embargo, unafunción integral sólo puede reducir dicha desviación a la mitad y pasados unos 30 minutos.

El ejemplo siguiente muestra por qué la función integral no siempre compensa las desvia-ciones.El sol puede abrasar la fachada de un edificio de 50 plantas con un máximo de 10.000 kW.Si se esconde detrás de una nube, la ganancia de calor puede disminuir rápidamente hasta1.000 kW para volver a aumentar a 10.000 kW tan pronto como la nube desaparece. La tem-peratura ambiente cambia radicalmente y la función integral no tiene tiempo suficiente paraintervenir. Al contrario, la función integral puede crear una sobremodulación para intentarcompensar la primera perturbación cuando se produce la contraria.

En consecuencia, es esencial garantizar una autoridad correcta para las válvulas deproporcionales. Esto evita que los controladores PID sofisticados funcionen en modotodo/nada.


Figura 3.05. Para conseguir un control estable, la banda proporcional relativa necesaria aumenta cuando la autoridad disminuye. Por debajo de una

carga mínima determinada, el control se vuelve inestable

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Ban

da

pro

po

rcio

nal r

elat

iva

Autoridad de la válvula

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Mín

ima

emis

ión

cont

rola

ble

%

Autoridad de la válvula


En un caudal variable, la estabilización de la presión diferencial sobre las válvulas de controlcon un controlador de presión diferencial automático asegura una autoridad correcta. Estopermite que el controlador de temperatura controle realmente en el modo de modulación.

Si no se adopta la banda proporcional necesaria, el bucle de control funcionará en modotodo/nada.En refrigeración, un control todo/nada no puede estabilizar la temperatura ambiente queoscila, por ejemplo, entre 21°C y 25°C. Obviamente esto resulta bastante incómodo.

¿Qué debe hacer el usuario para evitar un sobrecalentamiento temporal?Bajar la consigna del termostato de la habitación en 2°C, lo que aumenta el consumo

de energía en un 20 o 30% (véase la sección 5.4).

La consecuencia final de una autoridad de válvula baja es un confort interior costoso e incómodo

La autoridad de la válvula de control depende básicamente de su dimensionado. Por ello esimportante describir cómo debe dimensionarse.

3.1.1.5 Dimensionado de una válvula de control de dos vías

Una válvula de control crea una pérdida de carga en el circuito hidráulico para limitar elcaudal de agua al valor necesario. Esta pérdida de carga depende del caudal y del coefici-ente de la válvula Kv que representa indirectamente la sección de paso de la válvula.

Para un líquido con una densidad relativa de 1, la relación entre el caudal, Kv y Dp (en kPa)se muestra a continuación:

El dimensionado de la válvula de control implica la elección del Kvs de válvula másadecuado para la aplicación específica, de entre los Kvs (Kv máxima) comercializados.


17

Figura 3.06. Para compensar el sobrecalentamiento, el usuario baja la consigna del termostato de la habitación.

18

19

20

21

22

23

24

25

26

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo – Situación inicial

Tem

per

atur

a am

bie

nte

tº

18

19

20

21

22

23

24

25

26

0 10 20 30 40 50 60

El usuario rebaja la consigna

Tem

per

atur

a am

bie

nte

tº

Caudal de agua en l/h: q = 100 × Kv √∆p ∆p = (0.01 × q

) 2 Kv = 0.01 × q

Kv √∆p

Caudal de agua en l/s: q = Kv

× √∆p ∆p = (36 × q

) 2 Kv = 36 × q

36 Kv √∆p


La elección del Kv de la válvula de control Kv se basa en una pérdida de carga ∆pV, donde

∆pV = ∆H – ∆pC – 3 kPa

∆H = Presión diferencial sobre el circuito en condiciones de diseño∆pC = Pérdida de carga en la unidad terminal y accesorios para el caudal de diseño3 kPa = Pérdida de carga mínima para la válvula de equilibrado, que permite la medición

precisa del caudal

Basándose en una pérdida de carga de diseño teórica ∆pV, el valor Kv de la válvula decontrol se calcula por medio de las fórmulas anteriores. El valor Kv adoptado es el valorinmediato superior comercializado.

La autoridad de la válvula de control es una consecuencia de su dimensionado y corre-sponde a la relación ∆pVc/∆Hmáx. Este valor debe ser ≥ 0,25. Si no es éste el caso, hayque aumentar la altura de la bomba de forma que sea posible seleccionar una válvula conun valor Kv más pequeño, lo que posibilita esta condición; o es necesario instalar un con-trolador ∆p local (sección 4.2.3) para reducir localmente la ∆Hmáx para la misma ∆pVc.

Ejemplo: Presión diferencial ∆H = 55 kPa. Para un caudal de agua de cálculo de 500 l/h,la pérdida de carga en la unidad de terminal C es de 10 kPa (incluidas las pérdidas de cargaen las conexiones, tuberías y accesorios).


18

Figura 3.07. Válvula de control de dos vías.

q

STAD

∆H

C

V


¿Cuál es la pérdida de carga ∆pV necesaria en la válvula de control?∆pV = 55 – 10 = 45 kPa menos un mínimo de 3 kPa para la válvula de equilibrado. Estohace ∆pV = 42 kPa.

Este valor Kvs no existe en las gamas comerciales estándar. Los valores Kvs disponibles son:

0.1 – 0.16 – 0.25 – 0.4 – 0.6 – 1 – 1.6 – 2.5 – 4…

Se adopta el valor Kvs = 1 más próximo al requerido.

La pérdida de carga de diseño en la válvula de control para este Kvs es:

La autoridad de la válvula de control es de 25/55 = 0,45.Para obtener el caudal de diseño con la válvula de control totalmente abierta, de equili-

brado genera la diferencia 55 – 10 – 25 = 20 kPa. Esto no cambia la autoridad de la válvulade control.

La autoridad calculada anteriormente es la de diseño, que tiene en cuenta el factor desobredimensionamiento (Kvs = 1 en lugar de 0,77). No obstante, sin una estabilización localde la presión diferencial, esta autoridad puede disminuir enormemente debido a presionesdiferenciales más altas que se aplican efectivamente sobre el circuito cuando la instalaciónfunciona a cargas reducidas.

3.1.2 COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN A CAUDAL VARIABLE, EJEMPLO DE INSTALACIÓN

En un sistema de distribución a caudal variable, la presión diferencial sobre los circuitos esesencialmente variable. Para ver lo que esto significa en la práctica, examinaremos distintosaspectos de una instalación de refrigeración sencilla con 10 unidades terminales idénticas.

Comenzando por el funcionamiento de la instalación en condiciones de diseño y con unabomba de velocidad constante, estudiaremos la evolución de la autoridad de una de lasválvulas de control cuando la instalación funciona con cargas parciales. La instalación semejorará mediante el uso de una bomba de velocidad variable en la distribución o de con-troladores ∆p locales que estabilizan la presión diferencial sobre las válvulas de control. Lospasos son los siguientes:1- La instalación en condiciones de diseño2- ¿Qué ocurre cuando se cierra una válvula de control? 3- La instalación funciona con un caudal medio total del 50% (80% de carga de diseño)4- Utilización las bombas de velocidad variable5- Utilización los controladores ∆p locales6- Comparación de los resultados


19

En este ejemplo, Kvs = 0.01 × 500

= 0.77√42

q

icfc

500

icfccKv 1∆pVc = ( 0.01 × ) 2

= ( 0.01 × ) 2= 25 kPa


3.1.2.1 Instalación en condiciones de diseño

Dos enfriadoras con su propia bomba sirven a una instalación con dos columnas e idénticasunidades terminales. Un bypass MN impide cualquier interactividad entre las enfriadoras yla distribución. Una bomba de velocidad constante genera el caudal de agua de la distribución.Las válvulas de control de dos vías determinan el caudal de agua en las unidades terminalespara mantener las temperaturas ambiente constantes. El equilibrado hidráulico se obtienecon válvulas de equilibrado manual. Todos los demás componentes no se representan parasimplificar la ilustración.

Para el caudal de diseño, las válvulas de control comercializadas tienen, por ejemplo, unapérdida de carga de 13, 30, 70 o 160 kPa. Consideramos que el diseñador ha elegido válvulasde control con una pérdida de carga de diseño de 30 kPa para la columna más alejada, mientrasque la primera columna está equipada con válvulas de control que tienen una pérdida de cargade 70 kPa. Cuando todas estas cierran, la altura de bomba es 266 kPa.


20

Figura 3.08. Instalación de refrigeración funcionando en condiciones de diseño.

L

JJ

II

HH

GG

FF

113 kPa

108 kPa

103 kPa

98 kPa

93 kPa

200 kPa

43 kPa

K

EE

DD

CC

BB

AA

73 kPa

68 kPa

63 kPa

58 kPa

3 kPa

53 kPa

81 kPa161 kPa

70

3

20

19 kPa

8

20

13

20

18

20

23

20

30

3

8

20

13

20

18

20

23

20

20

30

30

30

30

70

70

70

70

qT

qA

RM

N

S


Las válvulas de equilibrado permiten el caudal de diseño en cada terminal, lo que evita:• Un exceso de caudal en ciertos circuitos, que provoca subcaudal en otros• Un exceso de caudal general qT, hace que el de distribución sea incompatible con el de

producción. Este exceso crearía un caudal de retorno en el bypass MN (figura 3.08)con un punto de mezcla en M y un aumento de la temperatura del agua de impulsión.En consecuencia, la potencia máxima instalada no se podrá transmitir. Este fenómenose examina con detalle en el manual 2.

La finalidad de las válvulas de equilibrado es obtener los caudales correctos en condicionesde diseño, garantizando que todas las válvulas de control puedan obtener, al menos, su caudalde diseño en todas las demás condiciones. Una válvula de equilibrado lleva incorporada unaválvula de corte con memoria mecánica de la posición de ajuste y es además, una herra-mienta de diagnóstico que permite la medición del caudal.

3.1.2.2 ¿Qué ocurre cuando la válvula de control del terminal “A” se cierra?


21

Figura 3.09. La válvula de control del terminal A se cierra.

L

JJ

II

HH

GG

FF

133 kPa

128 kPa

123kPa

118 kPa

113 kPa

212 kPa

43 kPa

K

EE

DD

CC

BB

AA

124 kPa

121 kPa

119 kPa

118 kPa

2 kPa

118 kPa

129 kPa181 kPa

90

3

20

15 kPa

8

20

13

20

18

20

23

20

118

0

8

20

13

20

18

20

23

20

0

90

86

83

81

90

90

90

90

qT

qA

RM

N

S


Cuando la válvula de control del terminal A se cierra, la presión diferencial sobre estecircuito A, aumenta de 53 a 118 kPa. Como la ∆p sobre la válvula de control totalmenteabierta para el caudal de diseño son 30 kPa, la autoridad de la válvula es 30/118 = 0,25 yno 30/53 = 0,57 (figura 3.08) como se podría esperar a primera vista. Las presiones dife-renciales sobre los demás terminales aumentan considerablemente, lo que indica una fuerteinteractividad entre las unidades terminales. Esta interactividad es importante en este ejemplo,puesto que cada circuito representa un 10% del caudal total.

Con una autoridad de 0,25, la relación entre la carrera de la válvula y la potencia emitida sedistorsiona. Para una válvula de característica lineal, correctamente dimensionada, y abiertaen 20% de su carrera máxima, la potencia emitida es ya el 63% del valor de diseño.


22

Figura 3.10. Cuando la válvula del circuito A se cierra (figura 3.09),la presión diferencial aplicada sobre este circuito aumenta de 53 a 118 kPa mientras

que el resto de la instalación permanece con caudal de diseño.

Caudal de circuito A0

20

40

60

80

100

120

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

∆p en circuito A + válvula de control A

∆p circuito = 23

∆p cálculo válvulade control = 30

T

S

V

U

0

Autoridad de la válvula = UV/ST = 30/118 = 0,25

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Carrera de la válvula

Emisión

Previs

to

Válvula lineal

Válvula IPM

Autoridad 0,25

0

1

2

4

3

6

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000


Válvula lineal

Válvula IPM

5

Autoridad 0,25

Ganancia

Figura 3.11. Potencia y ganancia respecto a carrera de la válvula en condición de diseño para el terminal A.


En la figura 3.11 izquierda se muestra la relación entre la potencia emitida y la carrera de laválvula. Para el circuito A, con una válvula lineal (figura 3.11 de la derecha), la gananciamáxima k4 × k5 = 6 (véase la sección 3.1.1.1). Para compensar esta situación de altaganancia, la banda proporcional del controlador debe multiplicarse por el mismo factor(6), lo que reduce enormemente la precisión en el control de temperatura ambiente.

La característica EQM es mucho mejor, pero una autoridad de 0,25 es el valor más bajoaceptable, puesto que la emisión ya es del 32% para una carrera del 20%. La situaciónempeorará cuando la instalación funcione con cargas medias y pequeñas. Entonces, las pre-siones diferenciales sobre las válvulas de control aumentan, reduciendo más su autoridad.

3.1.2.3 Caudal medio total del 50% (80% de la carga de diseño)

Cuando la instalación funciona con una carga que corresponde al 80% del valor de diseño,el caudal de agua total disminuye al 50% (figura 3.03a). La altura de la bomba aumentade 200 a 250 kPa y las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios disminuyen en un 75%.

Esta situación se representa en la figura 3.12.Las presiones diferenciales sobre las válvulas de control aumentan enormemente y su

autoridad disminuye. Esta situación se puede analizar para el circuito A en la figura 3.13.


23

Figura 3.12. Caudal total qT = 50% de diseño.

L

JJ

II

HH

GG

FF

228 kPa

227 kPa

225 kPa

224 kPa

223 kPa

250 kPa

11 kPa

K

EE

DD

CC

BB

AA

218 kPa

217 kPa

215 kPa

214 kPa

1 kPa

213 kPa

220 kPa240 kPa

1

5 kPa

2

3

5

6

5

1

2

3

5

6

207217

qT

qA

RM

N

S

217

217

217

217

5

5

5

5

207

207

207

207

5

5

5

5

5


Con una válvula de característica lineal, el 78% de la potencia máxima ya se obtiene parauna apertura de la válvula del 20% (figura 3.14A).

Con la característica EQM, el control del terminal A es mucho mejor, pero sigue siendodifícil, mientras que el terminal J es susceptible de ser controlado (figura 3.14 derecha).

Las válvulas de control se han seleccionado en los mejores valores posibles y aún así, siguesiendo difícil obtener un control estable de las unidades terminales sin un aumento conside-rable de la banda proporcional de los controladores. Esto no permite un rendimiento óptimo.Imaginemos lo que ocurriría si las válvulas de control no estuvieran bien dimensionadas.


24

Figura 3.13. Toda la instalación funciona uniformemente al 50% del caudal de diseño total.La válvula de control A se abre desde 0 hasta el caudal de diseño.

∆p circuito = 23

∆p diseño para laválvula de control = 30

Caudal del circuito qA en %0

20

40

60

80

100

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

160

180

200

220

240

260

∆p en la válvulade control A

T

S

V

U


0


Instalación en condiciones de diseño

Instalación al 50% del caudal total

229

213192

Figura 3.14. Potencia respecto a altura de la válvula para terminales A y J – qT = 50%.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000


Emisión

Previs

to

Válvula lineal

Válvula IPM

Autoridad 0,13

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000


Emisión

Previs

to

Autoridad

Válvula lineal

Válvula IPM

A J


Si todas las válvulas de control tienen una característica adecuada y una pérdida de carga dediseño al menos igual al 25% de la altura máxima de bomba, las condiciones de funciona-miento son correctas y la instalación se puede equilibrar en las condiciones de proyecto conválvulas de equilibrado. Puesto que la falta de caudal se evita para estas condiciones ocurriráa cargas parciales, porque la presión diferencial sólo puede aumentar cuando la carga dis-minuye. Si no se puede obtener una autoridad mínima de 0,25, la situación se puede mejorarcon bombas de velocidad variable.

En muchos países, la carga de refrigeración media es aproximadamente 50% del diseñocon un caudal de agua medio del 20%. En estos casos, las pérdidas de carga en tuberías yaccesorios son sólo el 1/25 de sus valores de cálculo y resultan insignificantes. Por tanto, loscircuitos se someten directamente a la altura de bomba total. Las válvulas de control tratande modular el caudal, en posiciones prácticamente cerradas.

3.1.2.4 Utilización de bombas de velocidad variable

Una bomba de velocidad variable sustituye a la bomba de velocidad constante de la figura3.08.


25

Figura 3.15. La bomba de velocidad variable funciona con una altura manométrica constante y qT = 50%.

L

JJ

II

HH

GG

FF

164 kPa

163 kPa

161 kPa

160 kPa

159 kPa

181 kPa

11 kPa

K

EE

DD

CC

BB

AA

154 kPa

153 kPa

151 kPa

150 kPa

1 kPa

149 kPa

156 kPa176 kPa

1

2

3

5

6

5

1

2

3

5

6

143153

qT

qA

RM

N

S

153

153

153

153

5

5

5

5

143

143

143

143

5

5

5

5

5


Cuando la instalación funciona con un caudal medio total del 50%, la altura de bomba per-manece inalterable. La pérdida de carga sobre la válvula de control A totalmente cerrada dis-minuye de 229 kPa (figura 3.13) a 161 kPa (figura 3.16), lo que aumenta su autoridad de0,13 a 0,19.

Otras técnicas para controlar la bomba de velocidad variable se examinan en el apéndice 5.3.


26

Figura 3.16. Evolución de ∆p sobre la válvula de control A cuando la instalación funciona con un caudal medio del 50%.

∆p circuito = 23

∆p diseño de válvulade control = 30

Caudal decircuito qA en %

0

20

40

60

80

100

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

160

180

∆p en la válvulade control A

T

S

V

U


0


Instalación en condición de diseño

Instalación al 50 % del caudal total

161

131149120


3.1.2.5 Utilización de controladores locales de ∆p

Como en los casos examinados previamente, la ∆p de diseño sobre las válvulas de controles de 70 kPa para la primera columna y de 30 kPa para la segunda. En la figura 3.17, estapresión diferencial se estabiliza con una válvula de control de presión diferencial automática,STAP. La consigna de cada STAP se selecciona para obtener el caudal de diseño por cadaválvula de control totalmente abierta. Esto significa que todas se dimensionan correctamentede forma automática.

Para simplificar la figura, sólo se han representado en su totalidad en los circuitos A y F.Con cargas medias y pequeñas, la ∆p sobre las válvulas de control aumenta ligeramente

debido a la banda proporcional propia de la STAP, pero la autoridad de la válvula de controlpermanece siempre alrededor de 0,7 en el peor de los casos.


27

Figura 3.17. Un controlador ∆p estabiliza la presión diferencial sobre cada válvula de control. qT = 50% del valor de diseño.

L

JJ

II

HH

GG

FF

189 kPaK

EE

DD

CC

BB

AA

164 kPa184 kPa

5

qT

R

S

5

5

5

5

5

5

5

5

5

178 kPa

161 kPa181 kPa

180 kPa 159 kPa

158 kPa

162 kPa181 kPa

92 80 1

94 80 1

96 79 1

97 78 1

99 78 1

112 40 1

116 37 1

119 36 1

121 35 1

123 34 1

163 kPa183 kPa

50% del valor de diseño


Ésta es, sin ninguna duda, la mejor solución técnica cuando las presiones diferenciales varíanconsiderablemente con la carga media. Con una autoridad tan buena y una válvula de controlde igual porcentaje se obtiene una relación prácticamente lineal entre la carrera de la válvulay la potencia emitida. Las bandas proporcionales se pueden ajustar en valores mínimos, loque garantiza un clima interior confortable al menor coste posible.

Se puede adoptar la misma pérdida de carga para cálculo en todas las válvulas de control(por ejemplo, 30 kPa o menos) sin cambiar esencialmente los resultados.

Con STAP en las válvulas de control y para control modulante en las unidades ter-minales, prácticamente no existe diferencia, desde el punto de vista del control, entre unabomba de velocidad constante y una bomba de velocidad variable. Sin embargo, las bombasde velocidad variable permiten reducir los costes de bombeo.

3.1.2.6 Comparación de resultados y conclusiones

Con una bomba de velocidad constante, la presión diferencial sobre la válvula de controlvaría enormemente. Desde 30 kPa (UV) en condición de diseño, hasta 229 kPa (ST) cuandoel caudal de agua medio de la instalación qT es igual al 50% del valor de diseño. Con unabomba de velocidad variable, esta presión diferencial varía entre 30 y 111 kPa. Desde sólo30 hasta 41 kPa con un controlador local de presión diferencial STAP.

En las instalaciones de HVAC, donde las pérdidas de carga en la distribución representanmás del 60% de la altura de la bomba, es necesario estabilizar las presiones diferencialeslocalmente con válvulas de control de presión diferencial automáticas.

Algunos usuarios afirman que no aprecian una mejora en el confort cuando utilizancontroladores proporcionales en comparación con los controladores todo/nada. Como se haexplicado en esta sección, esto se debe a que las válvulas de control proporcionales, some-tidas a grandes cambios de ∆p, sólo funcionan en modo todo/nada.


28

Figura 3.18. Evolución de la presión diferencial sobre la válvula de control A cuando la instalación funciona con un caudal de agua medio del 50%, que corresponde a una

carga media del 80%. βA, en la figura, representa la autoridad de la válvula de control A.

0

20

40

60

80

100

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

160

180

∆p en laválvula decontrol A

T

S

V

U

0


Instalación al 50% de diseño

161

131149

βA = 0.19

0

20

40

60

80

100

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

160

180

V

U

0


170

140

158 βA = 0.73

∆p circuito

U diseño

Caudal de circuito qA en %

0

20

40

60

80

100

140

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

160

180

200

220

240

260

∆p en laválvula decontrol A

T

S

V

U


0

βA = 0.13



229

213192


STAP

a- Con bomba de velocidad constante b- Con bomba de velocidad variable c- Con controlador local de ∆p, STAP



29

3.2 Reducción al mínimo del ruido en las válvulas de control

3.2.1. ALGUNOS TIPOS DE RUIDOS

Las válvulas que controlan los caudales de agua con frecuencia emiten ruido. Esto sucedecuando su pérdida de carga supera un valor crítico.

La pérdida de carga sobre las válvulas de dos vías utilizadas en los sistemas de calefac-ción/refrigeración de grandes instalaciones puede ser considerable. El control debería sersilencioso, puesto que dichas válvulas con frecuencia se instalan en lugares próximos azonas habitadas.

El ruido de las válvulas se puede clasificar de la siguiente forma:• Ruido mecánico• Ruido de caudal• Ruido de cavitación

El ruido mecánico se produce cuando las piezas de la válvula comienzan a vibrar debido alpaso de agua. La tendencia a las vibraciones de una válvula concreta depende del grado decorrección con el que estén guiados el asiento y el vástago dentro del cuerpo de la válvula.Dichas vibraciones pueden destruir rápidamente el asiento y causar fatiga en el vástago. Conuna presión diferencial constante, este ruido aumenta cuando la válvula abre, porque elasiento suele estar más holgado en esta posición (con la excepción de la apertura completade la válvula); pero también porque aumenta el caudal de agua. Con una apertura de válvulaconstante, el ruido aumenta al hacerlo la presión diferencial sobre ella.

El ruido de caudal es un silbido que aumenta con las turbulencias del agua a su pasopor la válvula. Obviamente aumenta con la velocidad, pero depende del fluido y de la presióndiferencial sobre la válvula de control. Si está bien diseñada, el nivel de ruido normal-mente es bajo. El ruido de caudal en las tuberías, codos, cavidades y cambios geométricosrepentinos no es insignificante. Con mucha frecuencia se atribuye a la válvula.

La existencia de aire en el agua es también una causa frecuente de ruido. Cuando lapresión estática disminuye como, por ejemplo, entre la toma y el asiento de la válvula,una parte del aire disuelto en el agua sale creando una emulsión especialmente ruidosa.Las microburbujas se quedan atascadas en las partículas metálicas, se unen y se elevan,siendo la causa de mediciones de caudal incorrectas en las unidades de medición.

El ruido de cavitación se produce para un líquido cuando la pérdida de carga sobre laválvula supera un valor crítico. Esto depende del líquido, de su temperatura, del diseñogeométrico de la válvula y de la presión estática local.


La presión total en un punto determinado del sistema corresponde a la presión constantemantenida por el tanque de expansión, la altura de bomba, la pérdida de carga en las tuberíasy accesorios y la diferencia de nivel entre el tanque de expansión y el punto considerado.Cuando el líquido pasa a través de la válvula, la velocidad del agua aumenta y, en con-secuencia, también lo hace la presión dinámica (que depende del cuadrado de la velocidad).La presión estática disminuye cuando la presión dinámica aumenta y el valor puede des-cender por debajo de la presión atmosférica. Si la velocidad del fluido es tan grande que lapresión estática disminuye al valor de la presión de vaporización, se formarán burbujas devapor y el líquido comenzará a hervir.

Una vez que el líquido ha pasado a través de la zona más estrecha de la toma y el asientode la válvula, la velocidad del caudal disminuye y la presión estática aumenta. Esta presiónsupera inmediatamente la presión de vaporización y las burbujas de vapor se condensan.

La condensación de las burbujas de vapor genera fuertes ondas de choque que puedenerosionar y dañar rápidamente la válvula. Además de reducir la vida útil de la válvula, lacavitación provoca unos niveles de ruido considerables. También puede causar un chirridoque en ocasiones llega a 120 dBA con ondas de presión superiores a 100 bar.

A la salida de la válvula de control, la presión estática, en teoría, debe recuperar elmismo valor que tenía en la entrada porque la velocidad del agua y, en consecuencia, lapresión dinámica son las mismas. Sin embargo, una parte de la energía se pierde debidoa la fricción en la válvula. La presión estática en la salida, por tanto, es más baja que enla entrada. La diferencia es la pérdida de carga en la válvula de control. La energía quecorresponde a la pérdida de carga se transforma en parte en ruido. La pérdida de carga esigual a la presión diferencial sobre la válvula de control.

Los factores comunes que reducen el riesgo de cavitación son:• Presión estática más alta• Presión diferencial baja sobre la válvula• Temperatura del líquido baja• Diseño de válvula adecuado


30

Figura 3.19. Cuando la presión estática alcanza el valor de la vaporización,el líquido comienza a hervir. Cuando la presión estática aumenta por encima de lapresión de vaporización, las burbujas de vapor se condensan y la válvula cavita.

Presión estática

Presión de vaporización

de cargaMayor velocidad,

menor presión estática

Cavitación

Caudal de agua

Pérdida



31

3.2.2. ¿QUÉ SE PUEDE HACER?Como se deduce de este breve repaso, es obvio que la presión diferencial se debe limitarpara evitar una velocidad del agua demasiado alta en las válvulas de control.

Para una válvula de control determinada, el riesgo de ruido aumenta también con elcaudal de agua. Por lo tanto, es esencial que este caudal se limite al valor de diseño medianteun equilibrado hidráulico adecuado.

Las válvulas de control tanto proporcionales como todo/nada, están diseñadas parauna presión diferencial determinada. No obstante, el ruido puede aparecer incluso conpresiones diferenciales inferiores debido a las condiciones de los fluidos y a los diseñosespecíficos de las válvulas. Esto es especialmente molesto cuando las válvulas de controlestán situadas cerca de los lugares habitados del edificio, que es el caso más frecuente.En las válvulas de radiador diseñadas para una ∆p máxima de 3 bar, por ejemplo, el ruidopuede aparecer cuando la ∆p alcanza 20 ó 30 kPa.

En condiciones de diseño, no hay problema si las presiones diferenciales son razonables.Pero la instalación funciona principalmente a cargas parciales. Con una carga media del 50%del valor de diseño, el caudal de agua en la distribución es de cerca del 20% del valor dediseño (figura 3.03a). Las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios son el 1/25 de lasque habría en condiciones de diseño y las presiones diferenciales sobre las válvulas de controlson mucho más altas.

En esta situación, el ruido en las válvulas de control puede aumentar considerablemente,en particular cuando hay aire en el agua. En el apéndice 5.3, se muestra que una bomba develocidad variable puede ayudar en alguna medida, pero no resuelve el problema en sutotalidad. Una solución práctica al problema del ruido consiste en utilizar válvulas de controlde presión diferencial para absorber el exceso de presión, además de purgar el sistema.

Puesto que el exceso de presión se transfiere a las válvulas de control de presión diferen-cial, podría parecer que simplemente hemos trasladado el problema del ruido de una válvulade control a otra. Sin embargo, éste no es el caso, por los siguientes motivos:1- El exceso de presión se reparte entre las dos válvulas. 2- La válvula de control de presión diferencial posee diseños característicos especiales para

reducir el ruido:• Asiento equilibrado.• Constantes de tiempo elevadas para impedir que el asiento vibre a frecuencias audibles.

Por estas razones, una válvula de control de presión diferencial reduce eficazmente el ruidogenerado por las válvulas de control de temperatura.


3.3 Equilibrado, puesta en marcha y mantenimiento más sencillos

Sin controladores de presión diferencial, los diferentes circuitos de los sistemas a caudalvariable son interactivos. Esto significa, por ejemplo, que las variaciones del caudal en unbucle de control provocarán presiones diferenciales variables en los demás circuitos. Losbucles de control de estos últimos tratarán entonces de compensar las oscilaciones de la pre-sión diferencial. La sensación será la de un control inestable. Los intentos de solventar estasituación cambiando los parámetros de control (banda proporcional, tiempos de integracióny derivación) no resuelven el problema. Para el técnico de control, la situación puede empeo-rar drásticamente hasta convertirse en una pesadilla.

Las válvulas de control de presión diferencial hacen que los circuitos sean indepen-dientes unos de otros.

Cuando los controladores de presión diferencial protegen los ramales de una instala-ción, ninguno resulta afectado por las perturbaciones originadas en otros ramales. De estamanera se simplifican el equilibrado y la puesta en servicio. En un gran edificio de aparta-mentos, por ejemplo, no todos los locales se venden o alquilan al mismo tiempo. Cuandotodas las unidades están protegidas por un controlador local de presión diferencial, nuevasunidades pueden entrar en servicio sin afectar a las que ya están en uso (figura 3.20).

Otra ventaja es la posibilidad de equilibrar una instalación diseñada con un factorsimultaneidad, dado que todas las unidades terminales nunca funcionarán al mismo tiempoa plena carga. Si dicha instalación está equipada con válvulas de equilibrado manual, senecesita un procedimiento especial y no es posible obtener caudales de diseño simultánea-mente en todas las unidades terminales. El equilibrado de una instalación con un factor desimultaneidad es sencillo cuando los controladores de presión diferencial hacen que loscircuitos sean independientes.


32

Figura 3.20. Cuando un nuevo circuito entra en servicio, los demás no se ven afectados.

qL1

Local 1 Local 3Local 2Circuito en espera

qLnqL3qL2

Local nCircuito en espera

TerminalTerminal



33

Resumiendo, hacer que los circuitos sean independientes unos de otros mediante el uso decontroladores de presión diferencial ofrece las siguientes ventajas:

1- No se necesitan otros dispositivos de equilibrado aguas arriba de las válvulas de controlde presión diferencial (figura 4.05).

2- Un bucle de control inestable no provocará perturbaciones en otros.3- Cada ramal puede equilibrarse independientemente. No es necesario volver a equilibrar

los circuitos existentes si una instalación se amplía.4- Es fácil equilibrar una instalación diseñada con un factor de simultaneidad.

Instalando válvulas de control de presión diferencial en tándem con válvulas de medición,siempre se pueden conocer los caudales de agua y las presiones diferenciales. Esto esesencial para poder efectuar diagnósticos.

En grandes sistemas de distribución para calefacción o refrigeración, una nueva instala-ción se puede poner en funcionamiento sin que ello afecte a las demás ya en servicio. Enalgunos casos, el controlador de presión diferencial está asociado a un limitador de caudal.Si el caudal de agua necesario en un edificio supera los niveles previstos, el limitador decaudal reaccionará para evitar este exceso. La presión diferencial disponible disminuirácreando problemas a sus ocupantes. Si el propietario equilibra la instalación cuidadosa-mente, estos problemas se evitan.

Figura 3.21. Se puede poner en servicio una nueva instalación completa sin que ello afecte al resto.

Instalaciónen espera

Instalaciónen servicio


3.4 Ventajas del control de presión diferencial y resumen


34

Síntomas que indi-can la necesidad del

control de la ∆p

Las válvulas de control modulantesfuncionan en modotodo/nada. Las temperaturas ambiente fluctúan enuno y otro sentido.

Las válvulas de control (todo/nada o modulación) de los terminales producen ruido.

Las válvulas de control no se puedencerrar.

Consecuencias habituales y costosas

Control de modula-ción impreciso. No sealcanza el objetivo deconfort.

La temperatura ambiente media esinferior en refrigera-ción y superior encalefacción. Loscostes energéticosaumentan un 10–15%por grado ºC enrefrigeración y un5–8% en calefacción.

La potencia requeridano está disponible.No se alcanza el objetivo de confort.

Inversión innecesaria.

Causas típicas, pero que a menudose pasan por alto

Presión diferencialvariable:Debido a la baja autoridad de la válvula de control, se distorsiona su característica.

Circuitos interactivos:Cuando se cierranalgunas válvulas decontrol, aumenta la∆p sobre otras válvu-las de control. Éstasreaccionan para compensar, y la temperatura ambientefluctúa.

Las presiones diferenciales sobre lasválvulas de controlson excesivas.

Las presiones diferenciales sobre lasválvulas de controlson excesivas.

Contramedidashabituales pero

incorrectas

Aumentar la bandaproporcional paraobtener un controlestable.

Bajar la cosigna delos termostatos de las habitaciones enrefrigeración (aumentoen calefacción) para contrarrestarlas desviaciones temporales de la temperatura ambiente.

Reducir la altura debomba.

Instalar motores demayor potencia paralas válvulas de control.



35

Solución correcta

• Estabilizar ∆p mediante controladoreslocales de presión diferencial.

Ventajas

• Presión diferencial estable.

• Los circuitos no soninteractivos.

• Pueden utilizarseválvulas de control más económicas.

• Menor presión diferencial sobrelas válvulas de control.

Beneficios

En funcionamiento:

• Control establey preciso.

• Las válvulas de control no generan ruidos.

• Mayor confort, menores costes energéticos.

En puesta en marcha:

• Procedimiento de equilibrado sencillo.

• Puesta en marcha sencilla, por fases.

• Equilibrado más sencillo una instalación diseñadacon un factor de simultaneidad.


RESUMEN DE ESTA SECCIÓN

Los controladores de presión diferencial realizan dos funciones principalmente:1- Estabilizan la presión diferencial sobre las válvulas de control.2- Hacen que los circuitos sean independientes unos de otros.

Estas dos ventajas funcionales se traducen en tres beneficios claros:1- El control de ∆p permite un control proporcional preciso y estable.2- El control de ∆p reduce al mínimo el ruido de las válvulas de control.3- El control de ∆p simplifica el equilibrado y la puesta en servicio.

Control proporcional estable y preciso

En instalaciones con un sistema de distribución a caudal variable y pérdidas de carga en lastuberías relativamente altas, las válvulas de control de presión diferencial son necesarias paraun control preciso y estable. Sin ellas, habría que aceptar:

a- un control inestable (todo/nada) a pesar de la inversión realizada en un control PIDcostosob- o la ampliación de la banda proporcional hasta obtener un control estable, pero impreciso

Si elige la alternativa “a”, el controlador no puede encontrar un nivel estable de la tempera-tura ambiente. En refrigeración, oscilará siempre entre, por ejemplo, 21°C y 25°C. ¿Qué debehacer el usuario? Debe reducir la consigna del termostato de la habitación, a menudo hastala consigna mínima o al menos 2°C por debajo del valor deseado. Con el tiempo, cuandotodos los usuarios hagan lo mismo y la temperatura media del edificio sea 2°C inferior alnivel previsto, el consumo de energía aumentará en un 20 ó 30%.

Si elige la alternativa “b”, el controlador puede encontrar un nivel estable para la tempera-tura ambiente cuando la carga sea superior a un nivel determinado. Pero esta temperaturapuede ser cualquiera entre, por ejemplo, 19°C y 25°C, en lugar de entre 21°C y 23°C,que con frecuencia es el nivel especificado. La función I de los controladores avanzadosintentará lograr la temperatura ambiente estable pero incorrecta al nivel adecuado, pero esotarda tiempo. Si el edificio está sometido a cambios de carga rápidos, la función I no tienetiempo suficiente para ajustar la temperatura ambiente antes de la próxima perturbación.La radiación solar aumentará la temperatura ambiente. Esto indicará al usuario que debebajar la consigna del termostato de la habitación. Pero tan pronto como la radiación solardesparezca, hará demasiado frío y deberá volver a cambiar la consigna al mismo tiempoque se quejará del inoperante sistema de aire acondicionado.

El control de presión diferencial con frecuencia es una necesidad para un control pro-porcional preciso y estable y puede evitar una disipación de energía entre el 15 y el 25%.


36


Reducción al mínimo del ruido de las válvulas de control

El ruido de las válvulas de control aumenta con la presión diferencial. Este ruido en lasunidades terminales puede llegar a ser especialmente molesto porque se emite muy cercade los ocupantes del edificio.

En condiciones de diseño, esto no suele ser un problema si las presiones diferencialesson razonables. En realidad, cuando la instalación funciona a, digamos, una media del 50%de la carga máxima, el caudal de agua es tan sólo el 20% del de diseño y las pérdidas decarga en las tuberías y accesorios son 25 veces menores. Por tanto, la presión diferencialaumenta enormemente sobre cada válvula de control, lo que puede producir ruido.

Una válvula de control de presión diferencial estabiliza dicha presión en un nivelcorrecto sobre los circuitos, lo que reduce al mínimo el ruido en todos los tipos de válvulasde control.

Simplifica el equilibrado y la puesta en servicio

Los controladores de presión diferencial hacen que los circuitos sean hidráulicamenteindependientes unos de otros. Este hecho es de una importancia fundamental para la puestaen servicio:

• No son necesarias válvulas de equilibrado aguas arriba de las válvulas de control depresión diferencial.

• El equilibrado hidráulico se simplifica porque los circuitos no son interactivos.• Se puede poner en servicio una nueva zona, sin alterar con ello las que ya están funcio-

nando.


37


4. Aplicaciones de la STAPPara permitir un control estable y preciso, la presión diferencial sobre las válvulas de controlproporcionales no debería variar en exceso. Esto se puede conseguir con una válvula de con-trol de presión diferencial automática, STAP, en un sistema de distribución a caudal variable.

La STAP de TA es una válvula automática de control proporcional. Puede estabilizar lapresión diferencial sobre una válvula de control, un ramal con diferentes unidades terminales,o bien una columna con varios ramales.

4.1 FUNCIONAMIENTO

El diseño de la STAP se basa en una combinación de membrana y resorte. El resorte tira delasiento doble equilibrado (2) para abrir la válvula. La presión diferencial AB se aplica sobrela membrana (3), lo que crea una fuerza contra el resorte. La presión A se comunica a laSTAP mediante un capilar conectado al drenaje (6) de la válvula de medición STAD/M(STAD o STAM). La presión B se comunica internamente al otro lado de la membrana paradiámetros pequeños y externamente para diámetros superiores a DN50.

La válvula de medición puede omitirse o sustituirse simplemente mediante un punto demedida en la tubería de impulsión (no es recomendable si el caudal de agua no se puedemedir con otro dispositivo).

Cuando la fuerza creada por la presión diferencial AB en la membrana es superior a la delresorte, la válvula comienza a cerrarse proporcionalmente, hasta que encuentra una nuevaposición de equilibrio. Esto crea una pérdida de carga complementaria en la STAP, que limitael aumento en la presión diferencial ∆pL (presión diferencial sobre el circuito secundario).


38

Figura 4.01. STAP estabiliza la presión diferencial secundaria ∆pL.

7

A

B

3

2

4a

4b

5


La tensión del resorte se modifica por medio de una llave Allen introducida a través delcentro del volante (7). De este modo es posible ajustar la presión diferencial (∆pL) a elvalor necesario. El volante (7) también se puede utilizar para cerrar la STAP y aislar elcircuito cuando sea necesario.

El caudal de agua se mide mediante la STAD/M. La ∆pL se puede medir entre (5) y (4b),(cuando 4b está equipado con un punto de medida opcional) o bien entre (5) y (8).

Puesto que la STAP es un controlador proporcional, la ∆pL no se mantiene absoluta-mente constante. Varía dependiendo de la banda proporcional de la STAP. La figura 4.02arepresenta la evolución de la ∆pL con el valor Kv de la STAP (el grado de apertura).

El valor Kv de la STAP varía de 0 a un valor máximo Kvs. Sin embargo, el rango de funciona-miento se sitúa entre un valor Kvmín y un valor Kvm para el cual la presión diferencialsecundaria adopta valores estables a ±20% alrededor de la consigna (SP). Para alcanzar unafunción estable, resulta adecuada una banda proporcional de 40% a 50%.

Supongamos que la presión diferencial primaria de diseño H es de 120 kPa y que lapresión diferencial secundaria ∆pL necesaria es de 30 kPa. Si H aumenta de 120 a 220 kPa,∆pL se incrementará de 30 a 33 kPa (+ 10%). La perturbación de 100 kPa se ha reducido a3 kPa en la parte secundaria. Sin el controlador de presión diferencial, el circuito experi-mentaría un aumento de la presión diferencial de 100 kPa. En este caso, la STAP ha reducidoel efecto de la perturbación en un factor de 33.

4. APLICACIONES DE LA STAP

39

Figura 4.02a. La presión diferencial secundaria depende del grado de apertura de la STAP.

KvsKvmKvm/2Min

SP

1.2 SP

0.8 SP

Kv

∆pc

∆pL

Kv STAP

Rango para funcionamiento del Kv

Figura 4.02b. Influencia de las perturbaciones en la ∆pL secundaria.

Por diseño: H = 120 kPa, ∆pL = 30 kPaCaudal constante

24

29

34

39

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

H en kPa

∆pL

en k

Pa


Para hallar la consigna correcta de la STAP, simplemente mida el caudal de agua con laválvula de medición (según las condiciones de diseño) y ajuste la consigna de la STAP hastaalcanzar el caudal de diseño. No es preciso calcular nada. Si este ajuste se realiza cuando lapresión primaria H fuese superior a su valor de diseño (figura 4.02b), la consigna que seobtendría sería algo menor que la necesaria. La diferencia generalmente es insignificante,pero se puede corregir cuando los caudales se miden para el informe de equilibrado.

La consigna, además, corresponde a un número determinado de vueltas del vástago deajuste. En las especificaciones técnicas se indica la relación entre la consigna y el númerode vueltas. Esta información es útil para preajustar con más rapidez la STAP en su consignanecesaria cuando no se ha instalado una válvula de medición, o cuando la presión diferencialH es menor que Hmín. Hmín es el valor mínimo de H. Para H<Hmín, no es posible conseguirel caudal de diseño.

Dimensionamiento de una STAP

Una STAP se dimensiona de modo que su valor Kv de diseño esté próximo a 0,8 × Kvm,pero sin superarlo.

Por ejemplo, supongamos que un circuito necesita una presión diferencial secundaria ∆pLde 30 kPa, mientras que la presión diferencial primaria es igual a 120 kPa. Para el caudal decálculo de 2.000 l/h, la pérdida de carga de diseño en la válvula de medición es de 4 kPa, porejemplo. La pérdida de carga que se crea en la STAP = 120 – 4 – 30 = 86 kPa. En estas con-diciones, el valor Kv de la STAP es igual a 0.01 × 2000/√86 = 2.16.

Una STAP con, por ejemplo, un valor Kvm igual a 3,1 será adecuada para esta aplicación.

Dimensionamiento de una STAD/M

Las válvulas de medición STAD y STAM se seleccionan para crear una pérdida de cargamínima de 3 kPa, totalmente abiertas para el caudal de diseño. Esta presión diferencial de3 kPa es necesaria para obtener una medida correcta del caudal de agua.


40


4.2 Aire acondicionado

4.2.1 UNA STAP EN CADA COLUMNA

En grandes instalaciones, la altura manométrica de la bomba puede ser excesiva o variardemasiado para las válvulas de control de los terminales. En ese caso, la presión diferencialse puede estabilizar en la parte inferior de cada columna, en un valor adecuado, con unaválvula de control de presión diferencial STAP.

Procedimiento de equilibrado figura 4.03

Para el procedimiento de equilibrado, cada columna es un módulo que puede considerarseindependiente de los demás. Antes de comenzar el equilibrado de una columna, su STAP sedebe poner en funcionamiento y estar totalmente abierta para asegurar al menos la obtenciónde los caudales de agua necesarios. Una forma sencilla de hacerlo es cerrar el drenaje dela STAD/M (STAM o STAD) en la impulsión y purgar la cámara de alojamiento de lamembrana por medio del pequeño tornillo de purga.

1- Los terminales se equilibran entre sí en cada ramal y, posteriormente, los ramales seequilibran entre sí, con el método de compensación, o el método de equilibrado de TA(véase el manual 2: “Equilibrado del sistema de distribución”). La STAD/M actúa comoválvula de compensación.

2- Una vez equilibrada una columna, la consigna de su STAP se ajusta para obtener elcaudal de diseño, medible con la válvula STAD/M situada en la parte inferior de estacolumna. El equilibrado de las columnas entre sí no es necesario, ya que esto se consiguede forma automática, por actuación de la STAP.


41

Figura 4.03. Una STAP de controlador ∆p estabiliza la presión diferencial en cada columna.

STAPSTAD/M


Nota 1: En calefacción y si todas las válvulas de control de una columna se cierran, tambiénse cerrará la STAP de control de presión diferencial. La presión estática en la tubería deretorno de esta columna disminuye entonces, a medida que se enfría el agua en un volumencerrado. La presión diferencial aumenta sobre las válvulas de control. En consecuencia, laválvula de control que se reabre en primer lugar generará ruido temporalmente. Un caudalmínimo proporcionado por una válvula de descarga BPV evita este problema.

Si la columna índice requiere una presión diferencial primaria relativamente alta, la alturade bomba debe satisfacer esta condición. Sin embargo, pudiera ocurrir que otras no necesitentanta altura de bomba. Esto aumenta los costes de bombeo para toda la instalación. Parareducir los, se puede instalar una bomba secundaria independiente para la columna índice.

Un bypass EF (figura 4.04a) impide cualquier interactividad entre las bombas primariay secundaria, pero implica un caudal constante primario. Si se prefiere un caudal variable,otra solución es estabilizar la presión diferencial por encima de la bomba secundaria, entreA y B, con un controlador de presión diferencial (figura 4.04b). La altura necesaria de labomba secundaria se reduce en el valor ∆pAB obtenido con el controlador ∆p.

Cuando haga falta (véase la sección 5.2), el caudal mínimo necesario para la bomba primariase puede obtener mediante una válvula de descarga proporcional BPV situada entre A y B,como en la figura 4.04c. Cuando el caudal se reduce, la presión diferencial entre A y Baumenta de acuerdo con la banda proporcional de la STAP. La consigna de la BPV se calculapara obtener el caudal mínimo necesario, cuando sea necesario. Otra posibilidad es aislarel circuito secundario y ajustar la consigna de la BPV para obtener el caudal mínimo quese puede medir con la válvula de medida.


42

Figura 4.04. Cómo resolver la interactividad entre las bombas primaria y secundaria

A BE F A B

a cb


4.2.2 UNA STAP EN CADA RAMAL

Si la presión diferencial se estabiliza en cada ramal, se suministra una presión diferencialadecuada a los terminales. Cada ramal se equilibra de forma independiente con respectoa los otros.

Esta solución es técnicamente mejor que una STAP para cada columna, porque la presióndiferencial adecuada puede variar de un ramal a otro. Además, los cambios en las presionesdiferenciales debidos a pérdidas de carga variables en las columnas se compensan de formaautomática.

Procedimiento de equilibrado figura 4.05Para el procedimiento de equilibrado, cada ramal es un módulo que se puede considerarindependiente de los demás. Antes de comenzar el equilibrado de un ramal, su STAP se debeponer en funcionamiento y estar totalmente abierta para asegurar la obtención de los caudalesde agua necesarios durante dicho procedimiento. Una forma sencilla de hacerlo es cerrar eldrenaje de la STAD/M (STAM o STAD) en la impulsión y purgar la cámara de alojamien-to de la membrana.1- Los terminales se equilibran entre sí en cada ramal por el método de compensación

o el método de equilibrado de TA (véase el manual 2: “Equilibrado del sistema dedistribución”). Cuando se utiliza el método de compensación, la STAD/M actúacomo válvula de compensación.

2- Cuando se equilibra un ramal, la consigna de su STAP se ajusta para obtener el caudalde diseño que se puede medir con la válvula STAD/M. No es necesario equilibrar losramales y las columnas entre sí.

En lo que respecta al caudal mínimo, la nota de la sección 4.2.1 para las columnas puedeextenderse a los ramales.


43

Figura 4.05. Una STAP de controlador ∆p estabiliza la presión diferencial en cada ramal.

STAP

STAD/M


Ejemplo: En la figura 4.06a, cada terminal C está equipado con una válvula de equilibrado(STAD) o una válvula de terminal (TBV). Éste es el caso general que se examina en lafigura 4.05.

En la figura 4.06b, cada terminal está equipado con una válvula de regulación (válvulaTrim o STK). Puesto que las válvulas de regulación no disponen de puntos de medida, nopermiten la medición de caudal en las unidades terminales, por lo que es preciso calcularlos preajustes de dichas válvulas.

Procedimiento de equilibrado figura 4.06a

1- Abra la STAP completamente.Las válvulas de control V están totalmente abiertas.

2- Equilibre los terminales del ramal de acuerdo con el método de equilibrado de TA, queno depende de la presión diferencial DH disponible. Las STAD/M actúan como válvulasde compensación.

3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal del diseño total qp a través dela STAD/M.


44

Figura 4.06. Una STAP estabiliza la presión diferencial sobre un conjunto de unidades de terminal.

qp

STAP

Trim

a- Válvula de equilibrado en cada terminal b- Detector en cada terminal

CC

qp

STAP

STAD/M

STADo

TBV

VV

C C

STAD/M

V V∆H∆H


Procedimiento de equilibrado figura 4.06bEn el siguiente procedimiento de equilibrado, las pérdidas de carga en la tubería de distri-bución aguas abajo de la STAP se consideran despreciables.

1- En cada circuito, la presión diferencial necesaria (∆p circuito) es la suma de las pérdidasde carga para el caudal de diseño. ∆p circuito = ∆p válvula de control + ∆p unidad determinal + ∆p accesorios + ∆p válvula de regulación completamente abierta. Identifiqueel circuito que necesita la presión diferencial más alta (∆pmáx. de circuito).

2- En cada circuito, calcule la pérdida de carga que se debe alcanzar en la válvula de regula-ción: ∆p válvula de regulación = ∆pmáx. de circuito – ∆p válvula de control – ∆p unidadde terminal – ∆p accesorios. Ajuste cada válvula de regulación para crear esta pérdidade carga a el caudal de diseño. Utilice un ábaco TA para hallar el ajuste correcto, o bienutilice el programa informático TA Select II.

3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal del diseño total qp en la STAD/M.

Ejemplo con unidades pequeñas en un ramal

La figura 4.06c es un ejemplo típico de un ramal con varias unidades controladas medianteválvulas TBV-C. La TBV-C combina cinco funciones en una válvula:

• Control (todo/nada, tres puntos o proporcional)• Preajuste gradual de 0 a Kvs, que oscila entre 0 y 10• Medida de la presión diferencial• Medida del caudal• Cierre

El ramal se protege mediante un controlador que mantiene estable la presión diferencialsobre los circuitos. Con ello se asegura un control proporcional preciso y estable. Puestoque la presión diferencial se mantiene al nivel necesario, también se limita el riesgo deruido de las válvulas de control.


45

Figura 4.06c. Las unidades terminales se controlan con válvulas de equilibrado y control TBV-C.

qp

STAP

STAD/M

TBV-C

CC

∆H


Procedimiento de equilibrado figura 4.06c

Igual que para la figura 4.06a.

Si los ejemplos anteriores se aplican a toda la instalación, no son necesarias las válvulas deequilibrado en los ramales y columnas, excepto para el diagnóstico de problemas y corte.

4.2.3 UNA STAP EN CADA VÁLVULA DE CONTROL

Dependiendo del diseño de la instalación, la presión diferencial disponible para un circuitopuede variar considerablemente con la carga. Para obtener y mantener las característicascorrectas de las válvulas de control y garantizar un control estable y preciso, la presióndiferencial sobre las válvulas de control se puede estabilizar con un controlador de presióndiferencial tal y como se muestra en la figura 4.07.

Notas1- El caudal se mide con una válvula de medición STAD/M (STAD o STAM), que es una

herramienta esencial para la resolución de problemas.2- Cuando no se necesita ninguna unidad de medición (no se recomienda), se puede

sustituir esta válvula por un punto o toma de presión. En ese caso, el ajuste de la STAPse calcula en función del Kvs de la válvula de control.

En el segundo caso, los valores aportados son los siguientes: el caudal de diseño q y valorKvs de la válvula de control, que se obtiene normalmente con una precisión del ±15%. Lapresión diferencial teórica que debe crear la STAP se puede calcular mediante la siguientefórmula:

La válvula de control V nunca resulta sobredimensionada, ya que el caudal de diseño siemprese obtiene con ella completamente abierta. Su autoridad se fija y se mantiene por encimade 0,7.

Como la ∆pL secundaria es prácticamente constante, toda la presión diferencial primariaadicional se obtiene en la STAP.


46

Figura 4.07. Un controlador ∆p estabiliza la presión diferencial sobre la válvula de control.

STAPVSTAD/M

∆pL

∆H

∆p = (0.01 × q

) 2 (kPa – l/h)Kvs

∆p = (36 × q

) 2 (kPa – l/s)Kvs



1- Abra completamente la válvula de control V.2- Preajuste la STAD/M para obtener al menos 3 kPa para el caudal de diseño.3- Ajuste la consigna de la STAP, de controlador de presión diferencial, para obtener el

caudal de diseño.

Puesto que los caudales son los correctos en cada terminal, no es necesario llevar a caboningún otro procedimiento de equilibrado. Si todas las válvulas de control están equipadascon una STAP, no se necesitan válvulas de equilibrado en los ramales ni en las columnas(figura 3.17), excepto para realizar diagnósticos.

Dimensionamiento de la válvula de controlEn este caso, el dimensionamiento de la válvula de control V no es difícil. Sin embargo, serecomienda adoptar una pérdida de carga de al menos 20 kPa en ella. Para una altura debomba de 250 kPa y sin STAP, la pérdida de carga de diseño en la válvula de control debeser como mínimo igual a 0,25 × 250 = 63 kPa. Con una STAP, este valor se puede reducir a20 kPa. Si la pérdida de carga de diseño en la STAP es igual a 10 kPa, la altura de bombase puede reducir en 33 kPa, lo que disminuye los costes de bombeo al menos un 13%.

Ejemplo con una válvula de control en inyecciónAlgunos sistemas de distribución funcionan con un caudal constante y temperatura deagua de impulsión variable. Por ejemplo, es necesario un caudal de agua constante en lasbaterías de precalentamiento para garantizar la protección contra la congelación. Paraconseguir un mejor control de la temperatura; un caudal constante en una unidad garantizaun régimen turbulento y, por consiguiente, un coeficiente de intercambio constante. Enestos casos, normalmente se utiliza una válvula de mezcla de tres vías para obtener unatemperatura de agua de impulsión variable.

Cuando el sistema de distribución está activo (la bomba primaria está instalada), no sepermite una válvula de mezcla de tres vías, ya que el caudal puede invertirse en su bypassdebido a la presión diferencial primaria. Cuando el caudal se invierte en el bypass de laválvula de tres vías, se anula la función de mezcla. En este caso, la mejor solución es instalaruna válvula de control de dos vías en inyección, tal y como se muestra en la figura 4.08a.


47

Figura 4.08. Una válvula de control de dos vías montada en inyección.

qb∆H

V

B

A

qb

∆H

V

B

A

C

D

qb

∆H

V

B

A

C

D

a b c


Si se producen grandes variaciones en la presión diferencial primaria ∆H, la autoridad de laválvula de control de dos vías disminuirá considerablemente y afectará a la estabilidad delbucle de control. En este caso, la mejor solución es estabilizar la presión diferencial ∆pCDsobre la válvula de control con un controlador de presión diferencial (figura 4.08b). Si senecesita un caudal mínimo para proteger la bomba primaria, se puede lograr instalando unaválvula de descarga proporcional (como la válvula BPV de TA) entre C y D. Esta soluciónes mejor que utilizar una válvula de equilibrado manual, ya que el caudal mínimo se generaúnicamente cuando es necesario. Esto reduce el caudal primario y, por consiguiente, loscostes de bombeo.

Algunos diseñadores especifican una válvula anti-retorno en la tubería AB para evitar elpaso del caudal de B a A. Existen dos razones principales:1. En una batería de precalentamiento expuesta a una temperatura de aire baja, la válvula

anti-retorno permite a la bomba primaria inyectar agua caliente en la batería si fallala bomba secundaria. Esto garantiza la protección contra la congelación.

2. En calefacción de distrito, si la válvula de control de dos vías está sobredimensionada osi el caudal secundario es variable, el caudal de agua en el bypass AB puede invertirse.De este modo se volverá a calentar el retorno. La válvula anti-retorno evita este caudalde retorno.

4.3 Calefacción por radiadores

En una instalación de calefacción moderna, las válvulas termostáticas están preajustadaspara obtener los caudales de agua necesarios en condiciones de diseño. Estos preajustes sóloson válidos si las presiones diferenciales en las que están basados se obtienen realmente paralas válvulas de los radiadores.

Cuando la instalación funciona con cargas medias pequeñas, las pérdidas de carga enlas tuberías disminuyen. Las presiones diferenciales sobre las válvulas termostáticas puedenaumentar entonces considerablemente. Si esta presión diferencial supera los 20–30 kPa,existe riesgo de ruido, sobre todo si existe aire en el agua. Por tanto, es esencial tambiénestabilizar la generación de presión diferencial sobre las válvulas termostáticas.

En esta sección se ofrecen soluciones para algunos problemas frecuentes de los sistemas deradiadores:• Cómo obtener la presión diferencial necesaria sobre las válvulas termostáticas.• Cómo comprobar que esta presión diferencial es estable en todas las cargas. • Qué hay que hacer cuando las válvulas termostáticas no se pueden preajustar.


48


4.3.1 VÁLVULAS DE RADIADOR PREAJUSTABLES

Para facilitar el trabajo del instalador, las válvulas termostáticas generalmente están pre-ajustadas bajo el supuesto de que la presión diferencial disponible ∆Ho = 10 kPa. Este valores un término medio entre dos necesidades:• No demasiado alto, para mantener una apertura de la válvula suficientemente grande

y así evitar obstrucciones y ruido.• No demasiado bajo, para que la influencia relativa de las pérdidas de carga en las tuberías

afecte a la correcta distribución de caudales.

Durante el procedimiento de equilibrado de toda la instalación, la válvula de equilibrado delramal se ajusta para obtener el caudal total correcto de dicho ramal. Esto justifica el preajustede las válvulas termostáticas y el valor de 10 kPa previsto se obtendrá en el centro del ramalcuando finalice el equilibrado.

En un sistema de distribución a caudal variable, las presiones diferenciales puedenaumentar considerablemente cuando la instalación funciona con cargas pequeñas. Lasválvulas termostáticas pueden volverse ruidosas, especialmente si hay aire en el agua.Entonces, es aconsejable instalar válvulas de control de presión diferencial (STAP), comoen la figura 4.10.

Una STAP estabiliza la presión diferencial para cada ramal o columna. El caudal qs semide en la STAD/M (válvula de equilibrado STAD o válvula de medición STAM).


49

Figura 4.09. Cada válvula de radiador está preajustada como si estuviera sometida a la misma presión diferencial de 10 kPa.

STAD

∆Ho∆Hp

Figura 4.10. Una STAP estabiliza la presión diferencial en la entrada del circuito.

STAPSTAD/M

∆Hmax

STAP

∆Hmin

STAD/M

∆Ho=10 kPa∆Hp



1- Abra completamente todas las válvulas termostáticas, por ejemplo, retirando las cabezastermostáticas

2- Preajuste las válvulas termostáticas para una presión diferencial constante de 10 kPa menosla pérdida de carga en la válvula de retorno. Utilice el resultado DH para determinar el valorKv que hay que preajustar: Kv = 0.01× q/√DH, con q en l/h and DH en kPa.

3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal de diseño total qs medido en laSTAD/M. La presión diferencial prevista de 10 kPa se aplica entonces en el centro delcircuito.

Nota: En realidad, el primer radiador tendrá un exceso de caudal y el último estará a subcaudal.Esto es aceptable si la longitud de la tubería entre la STAP y el último radiador no supera L= 2200/R (L en m), donde R es la pérdida de carga media en las tuberías (en Pa/m). Estafórmula está basada en una desviación de caudal máxima del 10%. Para R = 150 Pa/m, Lmáx = 15 metros.

Localización de la válvula de zona todo/nada y el contador de energía.

En ciertos casos, se instala una válvula de control de presión diferencial para cada apartamento.La temperatura del agua de impulsión se ajusta con un controlador central de acuerdo conlas condiciones exteriores. Con frecuencia se coloca un termostato en una habitación dereferencia donde las válvulas de radiador no son automáticas. El termostato de la habitacióncontrola una válvula todo/nada V, como se muestra en la figura 4.11.

La válvula de control todo/nada y los contadores de energía se sitúan preferiblemente en laparte del circuito donde no se controla la presión diferencial. Con ello se evita que la presiónvariable afecte a la presión diferencial sobre los radiadores. Sin embargo, la válvula todo/naday el contador de energía se pueden colocar aguas abajo de la STAP si la consigna necesaria dela STAP no supera el valor máximo para el que las válvulas termostáticas generan ruidos.

4.3.2 VÁLVULAS DE RADIADOR NO PREAJUSTABLES

En algunas instalaciones existentes, las válvulas de radiador no se pueden preajustar. Los con-troladores de presión diferencial pueden limitar la presión diferencial en cada circuito. Pero sinrestricciones de caudal en las válvulas de radiador, el caudal puede ser varias veces más alto enuno o varios radiadores y demasiado bajo en otros, a pesar del control de presión diferencial.


50

Figura 4.11. Una STAP controla la ∆p de cada vivienda.

∆H

STAP

∆HoV

STAD/M

Contadorde energía


La mejor forma de resolver este problema es, por supuesto, instalar válvulas de radiadorpreajustables y equilibrarlas de acuerdo con la sección 4.3.1.

Otra solución es utilizar la válvula de equilibrado STAD como válvula de medición yconectar la tubería de señal desde la válvula de control de presión diferencial hasta el puntode medida de la válvula de equilibrado inmediato a la reducción, figura 4.12. La válvula deequilibrado se incluye entonces en el circuito controlado. Compare las figuras 4.10 y 4.12para ver cómo se conecta la tubería de señal y dónde se monta la válvula de equilibrado. Elcaudal qs se mide en la STAD.

La consigna de la STAP se selecciona en 20 kPa. La válvula de equilibrado se ajusta paraobtener el caudal de diseño total cuando todas las válvulas termostáticas están completa-mente abiertas.

Durante el arranque, estando las válvulas termostáticas totalmente abiertas, el caudaltotal es correcto puesto que se ha ajustado a su valor de diseño con la STAD. Cuando lasválvulas termostáticas se cierran, la presión diferencial disponible se limita automática-mente a la consigna de la STAP (20 kPa) más el valor de su banda proporcional.

Esta combinación mantiene el caudal total y la limitación de ∆p en valores aceptables.Con este método, la distribución correcta del caudal total entre los radiadores sólo se consiguesi todos son idénticos y están próximos entre sí. Si no es éste el caso, mejorará no obstantede forma significativa el rendimiento de una instalación con válvulas de radiador no pre-ajustables.


51

Figura 4.12. La pérdida de carga en la válvula de equilibrado se incluye en la ∆p total controlada por la STAP.

STAPSTAD

STAP

STAD

∆Hp


4.4 STAP como controlador de caudal

En algunas aplicaciones, los controladores de caudal automáticos son útiles. Por ejemplo,para mantener constante el caudal primario de una válvula de derivación de tres vías, o paradar servicio a varios circuitos de refrigeración con fines industriales. Para estas aplicacionespueden utilizarse controladores de caudal específicos.

Una STAP también puede solucionar el problema de la medición y el ajuste del caudal.Esta solución se muestra en la figura 4.13.

La selección de la consigna debe ser lo más próxima posible al valor mínimo de su rango,por ejemplo 10 kPa.

El caudal de agua se mide con la válvula de medición STAD, cuyo ajuste se seleccionapara obtener el caudal de diseño requerido. En este ejemplo, la pérdida de carga en la STADcorresponde a la consigna de ésta; es decir, 10 kPa. Si el caudal de agua tiene tendenciaa aumentar, se incrementará la pérdida de carga en la STAD. Esta presión diferencial secomunica a la STAP, que cerrará lo suficiente para restablecer el caudal en el valor de diseño.De acuerdo con la banda proporcional de la STAP, el caudal de agua no se mantiene abso-lutamente constante. Por ejemplo, si la presión diferencial sobre la STAD-STAF definidaaumenta de 100 a 200 kPa, el caudal aumenta un 7%.


52

Figura 4.13. STAP como controlador de caudal.

STAD STAP


5. APÉNDICES

53

5. Apéndices5.1- Preguntas y respuestas

5.1.1 ¿POR QUÉ EQUILIBRAR HIDRÁULICAMENTE?

Muchos administradores de inmuebles se gastan fortunas en solucionar quejas acerca del climainterior. Esto puede suceder incluso en edificios nuevos en los que se utiliza la tecnología decontrol más reciente. Estos problemas son múltiples:

• Algunas habitaciones nunca alcanzan las temperaturas deseadas, especialmente despuésde cambios de carga grandes.

• La temperatura de las habitaciones oscila, sobre todo a cargas bajas y medias aunque losterminales tengan controladores sofisticados.

• Aunque la potencia nominal de las unidades de producción pueda ser suficiente, la dediseño no se puede transmitir, especialmente durante el arranque después de una paradanocturna o de fin de semana.

Estos problemas ocurren en muchos casos debido a que caudales incorrectos impiden a loscontroladores realizar su trabajo. Los controladores sólo pueden controlar de forma eficaz silos caudales de diseño prevalecen en la instalación cuando son demandados. La única formade obtenerlos es mediante el equilibrado de la instalación. Esto debe hacerse por tres motivos:

1. Las unidades de producción se deben equilibrar, obteniendo así el caudal nominal en todaslas calderas o enfriadoras. Además, en la mayoría de los casos, el caudal en cada unidad sedebe mantener constante. Las fluctuaciones reducen la eficacia de la producción, acortanla duración de las unidades de producción y dificultan aún más el control efectivo.

2. El sistema de distribución se debe equilibrar para garantizar que todos los terminalespuedan recibir el caudal de diseño, con independencia de la carga total de la instalación.

3. Los bucles de control se deben equilibrar para lograr las condiciones de funcionamientoadecuadas para las válvulas de control y para hacer que los caudales primario y secundariosean compatibles.

Cuando la instalación está equilibrada, se puede utilizar un controlador u optimizador central,ya que todos los locales se comportarán y estarán en condiciones de reaccionar homogéne-amente a los cambios. Además, cuando la temperatura media de la habitación se desvía delvalor de diseño, debido a la ausencia del equilibrado, el resultado suele ser una incomodi-dad costosa.

Durante el procedimiento de equilibrado, la mayoría de los problemas hidráulicos sedetectan y se pueden corregir antes de poner en funcionamiento la instalación. Los dispo-sitivos de equilibrado hidráulico, que pueden medir presiones diferenciales y caudales deagua, sirven de herramientas para la resolución de problemas durante toda la vida de lainstalación.



54

El uso de válvulas de control de presión diferencial para el equilibrado tiene las ventajasañadidas de estabilización local de la presión diferencial y prevención de problemas de inter-actividad. Estas dos ventajas funcionales se traducen en tres beneficios claros: controlproporcional preciso y estable, ausencia de ruido mínimo en las válvulas de control yequilibrado y puesta en servicio simplificados.

5.1.2 ¿CUÁLES SON LOS COSTES DEL INCONFORT?

Durante el invierno, con tiempo frío, hace demasiado calor cerca de la caldera y demasiadofrío en los pisos superiores. Los usuarios del edificio aumentan la temperatura de impulsión.Entonces, los ocupantes de los pisos superiores dejan de quejarse y los próximos a la calderatienen que abrir las ventanas. Durante el tiempo cálido se aplica la misma situación. Hacedemasiado frío cerca de las bombas y demasiado calor en los demás sitios.

Un grado de más o de menos en una sola habitación, raramente supone una diferenciapara el confort personal o para los costes energéticos. Pero cuando la temperatura media deledificio no es la adecuada, se convierte en un problema costoso. Un grado por encima de20°C aumenta los costes de calefacción como mínimo entre un 5 y un 8%. Un grado pordebajo de 23°C aumenta los costes de refrigeración entre un 10 y un 16%..

5.1.3 ¿ESTÁ EQUILIBRADA AUTOMÁTICAMENTE UNA INSTALACIÓN BIEN DISEÑADA?

Hay quien piensa que es suficiente con indicar los caudales de diseño en los planos paraobtenerlos en las tuberías. Pero para obtener los caudales deseados, es necesario medirlos yajustarlos. Éste es el motivo por el que el equilibrado hidráulico es tan importante.

¿Es posible obtener la distribución de caudal correcta mediante el dimensionamientocuidadoso de la instalación? En teoría, la respuesta es sí. Pero en la práctica, esto es sólo unsueño.

Las unidades de producción, tuberías, bombas y terminales están diseñados para cubrirlas máximas necesidades (a menos que la instalación esté calculada con un factor de simul-taneidad). Si un eslabón de la cadena no está bien dimensionado, los demás no funcionaránde forma óptima. En consecuencia, no se obtendrá el clima interior deseado y ello afectaráal confort.

Se podría pensar que el diseño de la instalación con algunos factores de seguridadcostosos evitaría la mayoría de los problemas. Sin embargo, incluso si algunos de los pro-blemas se resuelven de esa forma, se crearían otros, especialmente en el lado del control.No se puede evitar cierto grado de sobredimensionamiento, porque los dispositivos se tienenque seleccionar de entre la gama comercial existente. Éstos generalmente no se adecuan alos cálculos realizados. Más aún, en la fase de diseño las características de algunos elementosse desconocen puesto que el contratista los selecciona posteriormente. En ese momento seránecesario realizar algunas correcciones teniendo en cuenta también la instalación real, que,con frecuencia difiere en cierta medida del diseño inicial.


5. APÉNDICES

55

5.1.4 ¿ES SUFICIENTE UNA BOMBA DE VELOCIDAD VARIABLE PARA OBTENER LOS CAUDALES DE DISEÑO CORRECTOS?

Consideremos dos unidades terminales idénticas con un caudal de diseño de 1 l/s. Una recibe2 l/s mientras que la segunda recibe solamente 0,5 l/s. El caudal total es de 2,5 l/s en lugar de2 l/s. La altura de bomba se reduce para obtener el caudal de diseño total correcto de 2 l/s.Una vez hecho esto, los caudales de agua en los terminales son de 1,6 l/s y 0,4 l/s respecti-vamente. La instalación está desequilibrada puesto que las unidades terminales no recibensu caudal de diseño

Este sencillo ejemplo muestra que la utilización de una bomba de velocidad variablepor sí misma no resuelve los problemas de equilibrado hidráulico, porque los caudalescambiarán proporcionalmente cuando se modifique la altura de bomba. El intento de evitarlos excesos de caudal de esta forma simplemente hará que los subcaudales insuficientessean más ostensibles.

5.1.5 ¿ESTÁ EQUILIBRADA AUTOMÁTICAMENTE LA INSTALACIÓN SI LASVÁLVULAS DE CONTROLDE DOS VÍAS ESTÁN BIEN DIMENSIONADAS?

A primera vista no parece haber motivo para el equilibrado de un sistema con válvulas decontrol de dos vías en los terminales, puesto que las válvulas de control están diseñadas paramodular el caudal al necesario. Por lo tanto, el equilibrado hidráulico debe ser automático.Sin embargo, incluso después de cuidadosos cálculos, se descubre que las válvulas de controlcon el exacto Kvs calculado no están disponibles en el mercado. En consecuencia, la mayoríade las válvulas de control están sobredimensionadas.

La apertura total de las válvulas de control no se puede evitar en muchas situacionescomo, por ejemplo, durante el arranque, cuando se producen perturbaciones, cuando la tem-peratura de impulsión es demasiado baja en calefacción o demasiado alta en refrigeración,cuando algunos termostatos están ajustados en el valor mínimo o máximo, o cuando algunasbaterías están subdimensionadas. En estos casos, y cuando los dispositivos de equilibradono están instalados, existirán excesos de caudal en algunos circuitos. Esto provocará caudalesinsuficientes en otros circuitos.

La instalación está diseñada para suministrar la potencia máxima calculada.Una instalación de HVAC está diseñada para una carga máxima específica. Si la instalaciónno puede administrar su plena potencia en todos los circuitos porque no está equilibrada, lainversión total en la instalación nunca se traducirá en beneficios. Si esta capacidad máximanunca es necesaria, la instalación no está bien diseñada.

Las válvulas de control se abren totalmente cuando se necesita la máxima potencia. Porlo general están sobredimensionadas y no pueden contribuir al equilibrado. Por lo tanto, elequilibrado hidráulico es esencial y normalmente representa menos del dos por ciento de lainversión total de la instalación de HVAC.



56

El equilibrado hidráulico, llevado a cabo en condiciones de diseño, garantiza que cadaterminal pueda recibir el caudal que necesita en todas las condiciones. Con cargas parciales,cuando se cierran algunas válvulas de control, las presiones diferenciales disponibles en loscircuitos sólo pueden aumentar. Si se evitan los caudales insuficientes en condiciones dediseño, éstos no se producirán en otras condiciones.

En conclusión, el equilibrado hidráulico permite la consecución de los caudales necesa-rios. La potencia máxima instalada se puede transmitir, lo que justifica la inversión total enla instalación.

Arranque matinalTodas las mañanas, después de una parada nocturna, es necesaria la potencia total pararecuperar los niveles de confort tan pronto como sea posible. Una instalación bien equili-brada lo consigue rápidamente. Si una instalación de refrigeración arranca 30 minutosantes de lo que se requiere normalmente, aumenta el consumo de energía en un 6% diario.A menudo esto representa más que todos los costes de bombeo de distribución. Imagineel coste adicional si la instalación tiene que arrancar 2 horas antes.

Figura 5.01. Una instalación de calefacción/refrigeración desequilibrada tiene que arrancar más temprano, lo que aumenta el consumo de energía.

Calefacción

Refrigeración

0

Instante de ocupaciónTemperaturasambiente

Tiempo en horas-1

Instalación equilibrada

Instante de ocupación

Temperaturasambiente

Tiempo en horas0-4 -2

Instalación desequilibrada

Tiempo de arranque extra

Circuitos favorecidos

Circuitos no favorecidos

Instante de ocupaciónTemperaturasambiente

Tiempo en horas0-2 -1

Tiempo de arranque extra

Instalación desequilibrada

Instante de ocupación

Tiempo en horas0-2

Instalación equilibrada

Temperaturasambiente


5. APÉNDICES

57

Durante el arranque de la mañana después de cada parada nocturna la mayoría de lasválvulas de control se abren completamente en los sistema a caudal variable. Si la instala-ción no está equilibrada se producirán excesos de caudal. Esto da como resultado pérdidasde carga impredecibles en algunas redes de tuberías, dejando sin caudal terminales de laszonas menos favorecidas del sistema. Los circuitos desfavorecidos no recibirán un caudaladecuado hasta que los espacios favorecidos alcancen la consigna del termostato (si estasconsignas se han ajustado en valores razonables), lo que permite a sus válvulas de controlcomenzar a reducir el caudal. Además, los caudales de agua de distribución y producciónno son compatibles y no es posible obtener la temperatura del agua de impulsión de diseño.Ello aumenta el tiempo que todos los circuitos, incluidos los circuitos favorecidos, necesitanpara llegar a las temperaturas ambiente deseadas. El arranque, por tanto, es difícil y tardamás tiempo de lo previsto. Resulta costoso en términos de consumo de energía. Un arranqueno uniforme hace que la gestión por parte de un controlador central, así como cualquierforma de optimización, sean prácticamente imposibles.

En un sistema de distribución a caudal constante, la falta y el exceso de caudales seproducen durante el arranque y después de éste, lo que agrava todavía más el problema.

5.1.6 ¿AUMENTAN LOS DISPOSITIVOS DE EQUILIBRADO LOS COSTES DE BOMBEO?

Si las válvulas de equilibrado están bien ajustadas, disminuyen las presiones locales excesivasdebidas a la falta de homogeneidad de la instalación y aseguran los caudales de diseño enestas condiciones. Si las válvulas de equilibrado están totalmente abiertas, las de control secierran forzosamente para compensar. La energía de rozamiento no se puede ahorrar de esaforma, simplemente se transfiere desde las válvulas de equilibrado a las válvulas de control.Es bastante obvio que las válvulas de equilibrado no crean pérdidas de carga innecesarias.Por el contrario, impiden el exceso de caudal y reducen los costes de bombeo.

5.2 Caudal mínimo en un sistema de distribución a caudal variable

En un sistema de caudal variable con válvulas de control proporcionales, el caudal de aguadisminuye al 20% del valor de diseño, cuando la carga está cerca del 50% este valor, situaciónque es bastante habitual. La bomba no puede funcionar por debajo de un caudal determinado;este valor mínimo depende de su diseño.

Para proteger la bomba, se puede instalar una válvula de descarga justo después de labomba, como en la figura 5.02. Pero ésta no es la mejor posición.



58

En este caso, la válvula de descarga debe ajustarse de forma que se abra cuando el caudaltotal disminuya por debajo del 20% del valor de diseño, por ejemplo. La presión corres-pondiente está situada en el punto A de la característica de la bomba.

Si la válvula de descarga se ajusta en un valor ligeramente más alto que A, nunca abrirá.Si se ajusta en un valor ligeramente más bajo que A, se abrirá cuando el caudal total enla instalación sea insuficiente. Sólo es posible encontrar una consigna correcta cuando lapendiente de la curva de la bomba es muy pronunciada. El ajuste se puede corregir despuésde un tiempo determinado puesto que las bombas antiguas no tienen las mismas carac-terísticas que las nuevas.

Si la válvula de descarga está situada lejos de la bomba, la presión diferencial varíarápidamente con el caudal, puesto que dicha presión depende también de las pérdidas decarga variables en las tuberías y accesorios. La consigna de la válvula de descarga es, enconsecuencia, más fácil de ajustar (curva ∆p MN).

Algunos diseñadores colocan una válvula de descarga de presión (BPV) en el extremode cada columna (o cada ramal) para obtener un caudal mínimo cuando la mayoría de lasválvulas de control están cerradas. Otro método consiste en equipar varias unidades termi-nales con una válvula de tres vías en vez de una válvula de control de dos vías.

La obtención de este caudal mínimo tiene varias ventajas:

1. El caudal de agua en la bomba no disminuye por debajo del valor mínimo.2. Cuando el caudal de agua es demasiado bajo, las pérdidas/ganancias de calor crean una

∆T más alta y los circuitos que permanecen en funcionamiento no pueden proporcionarsu plena potencia si fuese necesario, puesto que la temperatura del agua de impulsión esdemasiado baja en calefacción, o demasiado alta en refrigeración. Un caudal mínimo enel circuito más alejado reduce este efecto.

Figura 5.02. La válvula de descarga está situada próxima a la bomba (XY) o en un circuito remoto (MN).

APresión

Caudal

Y

X

0 100

∆p MN

∆p XY B


3. En calefacción, si todas las válvulas de control de una columna se cierran, también secerrará la válvula de control de presión diferencial STAP. La presión estática disminuiráen esta columna cuando el agua se enfríe en un volumen cerrado. La presión diferencialsobre las válvulas de control aumenta mucho. En consecuencia, la válvula de control quese vuelve a abrir en primer lugar emitirá mucho ruido temporalmente. Una válvula dedescarga BPV puede crear un caudal mínimo para evitar este problema.

5.3 Distintos métodos de control de una bomba de velocidad variable

Con una bomba de velocidad constante, la altura manométrica de la bomba aumentacuando el caudal total disminuye.

Con una bomba de velocidad constante y una distribución en retorno directo (figura 5.03a),el cálculo de la válvula de control, próxima a la bomba, se basa en la presión diferencialdisponible por diseño (AB) en el circuito. Cuando toda la instalación funciona a cargasmedias o pequeñas, la altura de la bomba aumenta y las pérdidas de carga en las tuberíasdisminuyen. En consecuencia, la presión diferencial disponible para el circuito aumenta de(AB) a (A'B'). Este aumento no afecta considerablemente a la autoridad de la válvula decontrol. La situación es bastante distinta para el último terminal, que experimenta un grancambio de presión diferencial de (EF de diseño) a (E'F'), lo que disminuye enormemente laautoridad de su válvula de control, con el consiguiente riesgo de inestabilidad.

Una distribución en retorno inverso (figura 5.03b) no resuelve el problema, puesto quetodas las unidades terminales se verán sometidas a los mismos grandes cambios de presióndiferencial.

5. APÉNDICES

59

Figura 5.03. Bomba de velocidad constante en una distribución de retorno directo e inverso.

A'E'

E

A

F

B

F'B'Cargas

reducidas

∆p d

isp

oni

ble

po

r cá

lcul

o

Carga 100%

A

B

E

F

A'

B'

E'

F'

a- Bomba de velocidad constante y retorno directo

b- Bomba de velocidad constante y retorno invertido


Con una bomba de velocidad variable, ¿es posible reducir la altura de bomba cuando elcaudal total disminuye?

No es lógico aumentar la presión diferencial cuando las válvulas de control intentan reducirel caudal. Con una bomba de velocidad variable se puede obtener una altura de bombaconstante. Avanzando en esta dirección, la altura de la bomba se puede reducir cuando elcaudal total disminuye. Sin embargo, el caudal total se puede reducir al 50% porque todoslos terminales necesitan un 50% del caudal de diseño, o porque el 50% de los terminalesfuncionan en condiciones de diseño mientras que todos los demás están apagados. En elprimer caso, se puede reducir la altura de la bomba. En el segundo caso, la altura de la bombanormalmente no necesita cambios, puesto que algunas unidades pueden necesitar el caudalde diseño. Por tanto, la forma de controlar la bomba de velocidad variable es importante.

Mantener la presión diferencial constante cerca del último terminal.

Algunos diseñadores conceden una importancia decisiva a los costes de bombeo, hasta elpunto de que el diseño de la instalación parece estar determinado principalmente por estaconsideración, sin tener en cuenta el efecto que estas elecciones tienen sobre el confort. Escierto que los costes de bombeo se pueden estimar con bastante precisión, lo cual es unincentivo importante a la hora de tenerlos en cuenta. En un sistema de distribución a caudalconstante equilibrado, los costes de bombeo reales, como porcentaje del consumo estacionalde la unidad de producción, se aproximan al 2% en calefacción y entre el 6 y el 12% enrefrigeración. Estos valores se reducen en un sistema de distribución de caudal variable.

En la figura 5.04a se muestra lo que ocurre en una instalación con 100 baterías idénticas.En condiciones de diseño: ∆pCD = 87 kPa y ∆pEF = 25 kPa. Para el terminal EF, la pérdidade carga de diseño en su válvula de control es de 12,5 kPa (autoridad de 0,5). Para el primerterminal, la mejor opción disponible es 70 kPa (autoridad 70/87 = 0,8).


60

Figura 5.04. La ∆p constante se mantiene próxima a la última unidad de terminal ¿Qué ocurre si todos los terminales funcionan con una carga del 50%,

mientras que el terminal 1 debe funcionar a plena carga?

C

∆pC

∆pV

∆pBV

∆p

DM

N E

F

a- Instalación

Previs

ta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Carrera de la válvula del circuito 1

Em

isió

n

b- ∆pV diseño = 30 o 70 kPaEquilibrado en condición de diseño con válvulas de equilibrado

70

30

B

A

1 100


Si todas las unidades terminales funcionan con una carga del 50%, y solamente con el ter-minal 1 a máxima demanda, la presión diferencial ∆pCD se reduce de 87 al 27 kPa. El caudalde diseño no se puede obtener en la unidad 1 (figura 5.03b). Se reduce a:

Si este caso se considera excepcional y una reducción del 22% de la potencia emitida por elcircuito 1 es aceptable, entonces este diseño es correcto.

Imaginemos ahora que esta situación no es aceptable, que es el caso más frecuente.Para tratar de solucionar el problema, la pérdida de carga de diseño de la válvula de

control 1 se ajusta en un valor igual a 12,5 kPa y la válvula de equilibrado se elimina. Ahorael circuito puede obtener su caudal de diseño únicamente con 27 kPa disponibles. Sinembargo, durante el arranque la válvula de control se abre completamente con una ∆p dis-ponible de 87 kPa en el circuito. En este caso, el caudal de agua en el circuito 1 llegará al187% de su valor de diseño. La bomba funciona a la máxima velocidad y no puede mante-ner los 25 kPa previstos cerca del último terminal, que experimenta una grave falta de caudal.Los excesos de caudal crean faltas de caudal en otras partes de la instalación, lo que da lugara quejas de los ocupantes del edificio.

Además, un exceso de caudal total invertirá el caudal en el bypass MN, creando un puntode mezcla en M y un aumento de la temperatura del agua de impulsión en refrigeración.Esto hace que el arranque por las mañanas sea bastante complicado.Una solución para este circuito es mantener una ∆p constante de 12,5 kPa sobre la válvulade control con un controlador ∆p local. En este caso, el caudal está siempre limitado alvalor de diseño y la autoridad de la válvula de control y permanece próximo a 0,7 (véasela figura 4.07).

Control de ∆p en el centro de la instalación

En la figura 5.04a, la presión diferencial también se puede mantener constante en el centrode la instalación (AB en lugar de EF). En el ejemplo anterior, la consigna sería de 56 kPa.Cuando la carga media está próxima a cero, el caudal máximo que se puede obtener en elprimer terminal sería del 80%, lo que reduce la potencia emitida máxima en un 6%. Para elúltimo terminal, la autoridad de la válvula de control se reducirá de 0,5 a 0,22. Esta situaciónpuede ser aceptable, pero el ahorro de energía de bombeo es menor en comparación con elcontrol de la ∆p cerca del último terminal.

5. APÉNDICES

61

100 × 27 = 56 % y la emisión al 78%√87


Gestión de la bomba de velocidad variable mediante el uso de varios sensores/controladores

Una bomba de velocidad variable permite la reducción de la altura de la bomba con cargaspequeñas, lo que reduce los costes de bombeo. Con cargas parciales, si el sensor ∆p estábien situado, la autoridad de las válvulas de control se puede mejorar notablemente, garan-tizando un control de la temperatura ambiente más adecuado.

La cuestión es: ¿dónde se debe instalar el sensor de presión diferencial?Consideremos la instalación que se representa en la figura 3.08En este caso, el control de la bomba de velocidad variable se puede optimizar mediante

el uso de dos sensores/controladores, el más demandante de los cuales controla la bomba develocidad variable.

El primer sensor/controlador ajustado en 113 kPa controla la entrada del circuito J,mientras que el segundo ajustado en 73 kPa controla la entrada del circuito E (figura 08).

Cuando la instalación funciona con un caudal del 50%, se obtiene una altura de bombade 130 kPa en lugar de los 250 kPa que se obtienen con una bomba de velocidad constante(figura 3.12)

Esta solución permite una reducción importante de los costes de bombeo sin dejar sincaudal a algunos circuitos en determinadas condiciones. Las autoridades de las válvulas decontrol se mejoran también con cargas pequeñas y parciales.

5.4. Costes de bombeo comparados con los costes del inconfort

Utilizando valores típicos, para una distribución de caudal constante bien equilibrada, sepueden calcular estos costes de bombeo relativos, como % del consumo estacional de lasunidades de producción, por medio de la fórmula siguiente:

H: altura de la bomba en metros C.A. ∆Tc: ∆T de diseño en °C Sc: carga estacional/carga de diseño media.En refrigeración: Para ∆Tc = 6, Sc = 0,8 y H = 20 m. C.A., Cpr = 6%. Si Sc = 0,4, Cpr = 12%.En calefacción: Para ∆Tc = 20, Sc = 0,4 y H = 10 m. C.A., Cpr = 1,8%.

En un sistema de distribución a caudal constante equilibrado , los costes de bombeo reales,como porcentaje del consumo estacional de la unidad de producción, se aproximan al 2%en calefacción y al 6 a 12% en refrigeración. Estos valores se reducen en un sistema dedistribución a caudal variable.


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Cpr = 1,42 ×Η

% conSc× ∆Tc


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De forma equivalente, el coste de energía adicional, debido a una desviación constante dela temperatura ambiente, es:

En refrigeración: 1°C de temperatura inferior entre 10 y 16%.En calefacción: 1°C de temperatura superior entre 6 y 10%.

En la mayoría de los casos, 1°C de desviación en la temperatura ambiente cuesta másque todos los costes de bombeo de distribución. En conclusión, cualquier acción destinadaa reducir el consumo de bombeo debe realizarse de forma que no afecte negativamente alfuncionamiento de los bucles de control de las unidades terminales.

El aumento de ∆Tc puede reducir los costes de bombeo relativos. En calefacción, porejemplo, algunas instalaciones se calculan para una ∆Tc = 10°C, mientras que en algunospaíses una ∆Tc = 30°C es bastante común.

El control proporcional también permite la reducción de los costes de bombeo. Conun control todo/nada, una carga del 50% se obtiene aproximadamente con un caudal del50%, mientras que con un control proporcional estable la misma carga se obtiene con sóloun 20% del caudal. (Figura 3.03a).

Con una bomba de velocidad variable, hay quien afirma que el ahorro de energía tienerelación con el (caudal)3. Esta opinión es demasiado optimista. La energía de bombeo depen-de del producto H × q (altura de bomba × caudal). La ∆p (= H) de la instalación dependede R × q2 (resistencia de la instalación × el cuadrado del caudal), pero R no es constante.Por el contrario, aumenta para reducir el caudal y, por último, H no es proporcional a q2.

A continuación se da una estimación más acertada de la energía de bombeo con bombasde velocidad variable:

5. APÉNDICES

W = 50 × (2 – a) × λ × (a + C + λ2 – Cλ2) × ηd

ηCon W = Bombeo coste de % del proyecto

λ = Fracción de caudal η = Rendimiento eléctrico × rendimiento bomba

ηd = η en condiciones de cálculo

a = 0 cuando al mantener constante ∆p cerca del último terminal

a = 1 al mantener constante ∆p en el centro de la instalación

Ejemplo: λ = 0.5 (50% caudal), C = 0.2, η = 0.6 × 0.67 = 0.4

ηd = 0.84 × 0.8 = 0.67. Para = 0, W = 33%. Para = 1, W = 57%.

C =∆p diseño para el circuito más “alejado”

Altura de bomba de cálculo


M-0

15 E

S20

03.0

5

Certification of RegistrationNumber 2125 and 2125 M

Certified by SP

QUA

LITYAND ENVIRONMENT SYSTE

M

TOUR & ANDERSSON AB

Tour & Andersson S.A. Complejo Europa Empresarial, C/Playa de Liencres, 2. ES-28230 Las Rozas-MADRID.

Tel +34 91 640 12 95. Fax +34 91 640 14 45 www.tourandersson.com


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Equilibrado Hidráulico con controladores de presión diferencial