DIFUSORES VAV RICKARD

Control Inteligente de la difusión

INFORMACIÓN TÉCNICA Y DISEÑO DEL SISTEMA

Introdución al concepto de VAV de baja

presión Eficiencia energética y coste del VAV de

baja presión Aplicaciones típicas Beneficios del sistema

INTRODUCIÓN AL CONCEPTO DE GEOMETRIA VARIABLE EN VAV DE

BAJA PRESIÓN:

INTENCIÓN DE ESTA PRESENTACIÓN: Crear una mejor comprensión del sistema Dar unas directrices para diseñar un

sistema efectivo de difusión de VAV de baja presión.

Discutir en profundidad sobre la necesidad de un sistema de VAV; la presentación tratará tambien del diseño de conductos, control del sistema y puesta en marcha del mismo

SISTEMAS DE DOBLE CONDUCTO INDEPENDIENTES DE LA PRESIÓN:

HACE 35 AÑOS LOS SISTEMAS DE DOBLE CONDUCTO FUNCIONABAN BIEN, PERO ESTABAN GENERALMENTE SOBREDIMENSIONADOS, ERAN ENERGETICAMENTE “INEFICIENTES” Y “CAROS” DE INSTALAR

HOY LA DEMANDA ES DE SISTEMAS DE COSTE AJUSTADO Y EFICIENTES ENERGÉTICAMENTE QUE OFREZCAN UN CONFORT OPTIMO A LOS USUARIOS

DE AHÍ LA PREFERÉNCIA POR LOS SISTEMAS DE VOLUMEN VARIABLE FILTRO BATERIA

UTA

T TERMOSTATO

AIRE DE RETORNO

TERMOSTATO T

FILTRO BATERIA

UTA

T

DIFUSORES DE CONOS FIJOS

TERMOSTATO

2II

CAJA VAV

SISTEMA INDEPENDIENTE DE LA PRESIÓN:

CAJA VAV

AIRE DE RETORNO

T TERMOSTATO

DIFUSORES DE CONOS FIJOS

GENERALMENTE SE USAN DOS SISTEMAS PRIMERO:

EL USADO MÁS COMUNMENTE EN LOS EEUU, CON CAJAS DE VAV INDEPENDIENTES DE LA PRESIÓN.

VENTILADOR CON VARIADOR DE FRECUÉNCIA

S

CONTROL DEL VOLUMEN “AGUAS ARRIBA” DEL DIFUSOR – INCONVENIENTES

Este es el montaje típico de un sistema VAV independiente de la presión La caja VAV controla el caudal “aguas arriba” de un difusor de conos fijos

La difusión es perfecta al 100% del caudal pero empeora con la reducción del mismo

A caudales menores al 50% la tendéncia es la caida del aire frio y la estratificación del caliente

Ausencia de inducción del ambiente en el flujo de impulsión a bajos caudales

Aumento del consumo de poténcia y ruido asociado a las altas velocidades de paso

La flexibilidad del sistema se compromete y el coste es alto para menos de 5 difusores por caja

B A

A caudales reducidos

SISTEMA DEPENDIENTE DE LA PRESIÓN

FILTRO BATERIA

UTA

T

TERMOSTATOS

500 Pa

DIFUSORES DE GEOMETRIA VARIABLE

AIRE DE RETORNO

T T

SEGUNDO:

• EL SISTEMA VAV MÁS COMUNMENTE USADO EN OTRAS PARTES DEL MUNDO - DIFUSORES DE VAV DE GEOMETRIA VARIABLE DEPENDIENTES DE LA PRESIÓN.

VENTILADOR CON VARIADOR DE FRECUÉNCIA

S

Control del caudal en el difusor

Esta es una solución típica en un sistema VAV dependiente de la presión El caudal de aire se controla mediante la geometria del difusor manteniendo la

velocidad de salida y garantizando una buena inducción

Sin embargo la pérdida de presión estática por la fricción en el cond. Flexible entre A y B se ve afectada por los principios de la ley cuadrática

Esto deriva en un incremento de la presión estática en B Se generan velocidades de salida más elevadas Manteniendo la relación inducción/aire nuevo Sin “caida” del aire frio ni estratificación del caliente

B

AMBIENTE INDUCCION

Apertura de salida variada en el difusor Presión constante en el conducto en A

A

Difusor VAV de geometria variable en Máxima posición:

El caudal está al máximo cuando el disco de control está en esta posición y el perfil geométrico del difusor es tal que asegura un buen efecto Coanda.

AIRE AMBIENTE INDUCIDO

AIRE DE IMPULSIÓN AIRE DE IMPULSIÓN

DISCO DE CONTROL

Difusor VAV en la posición mínima

El caudal se ha reducido al mínimo, la presión en el conducto está controlada a un nivel constante y gracias al perfil de geometria variable, el efecto Coanda se mantiene.

AIRE AMBIENTE INDUCIDO

DISCO DE CONTROL

AIRE DE IMPULSIÓN AIRE DE IMPULSIÓN

COMPARACIONES DE LOS DOS TIPOS DE SISTEMAS:

Ambos sitemas usan básicamente las mismas UTAs En ambos casos la intención es crear un sistema eficiente capaz de

generar un ambiente confortable y sin corrientes de aire que molesten a los ocupantes

Esto requiere energia para producir una buena inducción/reentrada del aire ambiente en el flujo de aire primario

El VAV Independiente de la Presión que usa difusores de conos fijos tiene ventajas e inconvenientes: – Velocidades en conducto relativamente altas para conductos

pequeños – Ahorro de costes usando cajas VAV con un gran número de

difusores usadas en grandes espacios de oficinas – Este sistema es tolerante con el pobre diseño de conductos e

instalación ya que no depende de un gran control de la presión estática. Las cajas VAV compensan las grandes variaciones en la presión del conducto.

COMPARACIONES DE LOS DOS TIPOS DE SISTEMAS:

Ventajas e inconvenientes del sistema dependiente de la presión con difusores de geometria variable:

– Eficiencia energética y nivel sonoro – componentes del diseño del sistema de baja presión estática

– Muy flexible – El control individual o por grupos son posibles en CUALQUIER momento de la vida del edificio

– Dado que la presión estática en conducto es siempre constante, los difusores VAV y CAV se pueden instalar en una misma tirada de conducto

– Sin riesgo de “caida” del aire frio o estratificación – Economicamente barata si se controlan menos de 5 difusores por

termostato y especialmente si se requiere un control individual de las salas

– Mayor tirada de conductos y mayor atención al diseño pero por contra se ahorran m² de chapa y son de menor espesor

– El sistema es más caro cuando se trata de grandes áreas de oficinas

COMPUERTA

RAMAL

R S

S

S

SENSOR DE PRESIÓN ESTÁTICA

UN SISTEMA TÍPICO DE COMPUERTAS CON SENSOR DE PRESIÓN ESTÁTICA

MÁS COMPLEJAS Y LARGAS REDES DE CONDUCTOS DE DISTRIBUCIÓN

0.60’’’ 0.80’’’

0.40II

0.48”

0.4”I

0.48”

0.4” 0.20II 0.20II

0.24II 0.24II

0.20”I 0.20’’

B A

Distribución del aire (Cálculos para los difusores VAV de geometría variable)

No hay mágia ni se necesita ser ingeniero espacial para ver porqué el

sistema no estratifica el aire caliente ni deja caer el frio. El siguiente cálculo demuestra claramente porqué:

– Presión del aire en el conductode impulsión tarada a: 50 Pa – Pérdida de carga por fricción en el flexible al 100% 12.5 Pa – Por tanto, estática en el cuello del difusor; (50 – 12.5) = 37.5 Pa – Al 30% de caudal, la velocidad en el flexible se reduce tambien en 30%

como el control se hace en el difusor; (30/100) 2 x 12.5 = 1.13 Pa – Resultando una presión disponible en el difusor; (50 – 1.13) = 48.87 Pa – Como el caudal se reduce,solo la masa de aire se reduce, pero se

mantiene la velocidad de salida y, de hecho,se incrementa algo por la recuperación de Presión Estática mostrada en el cálculo anterior.

Comparación de energia de salida La energia de salida cae con la reducción del volumen de aire expulsado por

una apertura fija. En el caso de una apertura de geometria variable, la reducción del área de

salida, resulta en un aumento de la velocidad de salida que limita la reducción de la energia de expulsión

Calculos: Energia cinética: E = ½ x M x V 2 (donde M = Masa y V = Velocidad) AT 100% : E = ½ x 1 x 1 x 1 = 0.50 (100%) AT 33% : E = ½ x 0,33 x 0,33 x 0,33 = 0.018 (3,6 %) (FIJO) E = ½ x 0,33 x 1,1 x 1,1 = 0.20 (40%) (VARIABLE).

FLOW RATE

FIXED APERTURE

VARIABLE GEOMETRY

100%

75%

50%

33%

100%

42%

12%

3,6%

100%

76%

54%

40%

COMPARATIVE ENERGY

Diseño de conductos:

Para un sistema de VAV de geometría variable de baja presión efectivoy bien diseñado se debe tener cuidado con el proyecto de conductos.

Dos principios básicos de diseño de conductos se consideran:

– Igual fricción – Para velocidades de conducto por debajo de 5 m/s y sistemas simples

– Recuperación estática – Para velocidades de conducto por encima de 5m/s y sistemas más complejos

Existen diversos métodos de control de presión comunes a los sistemas

de cajas de VAV y VAV de geometria variable: – Control con compuertas de Bypass simple, o – Variadores de frecuéncia sofisticados, compuertas de iris o

compuertas de regulación.

LOS PRINCIPIOS DE RECUPERACIÓN ESTÁTICA CON DISEÑO DE CONDUCTOS:

A B PS = 50Pa

PV = 20Pa

PT = 70Pa

PS = 55Pa

PV = 15Pa

PT = 70Pa

PS = 60Pa

PV = 10Pa

PT = 70Pa

Compuertas dobles de Bypass

Un diseño de conductos eficiente combinado con un ventilador de velocidad variable mantienen la presión en conducto en aproximadamente 60Pa.

Con un ventialdor de velocidad fija en la unidad, y un pobre diseño de conductos, la presión en estos se puede controlar usando dobles compuertas de bypass o si se selecciona bien, una compuerta de bypass

La doble compuerta debe permitir el paso de suficiente caudal para mantener la presión requerida en los conductos

La compuerta de bypass debe eliminar el exceso de presión hacia el retorno de la unidad de ventilación

Esquema de una instalación típica con compuerta de bypass y sensor de presión:

SENSOR DE PRESIÓN

CONTROLADOR DE PRESIÓN

CABLE DEL SENSOR

Más sobre dobles compuertas y Bypass simple

SENSOR DE PRESIÓN ESTÁTICA MONTADO A MITAD O 2 TERCERAS PARTES ENTRE LA COMPUERTA Y EL FINAL DEL CONDUCTO

COMPUERTA DE BYPASS

Generalmente usado en sistemas pequeños

No eficiente energéticamente

Bajo coste

Se puede ajustar a sistemas existentes

COMPUERTA

Características de las compuertas de transfer

Las compuertas de RICKARD son las únicas que tienen una relación lineal entre el caudal y la apertura del actuador

Esta característica permite un control más preciso de la presión en conducto Previene sobrecompensaciones de pequeñas variaciones de presión del

sistema

100%

75%

50%

25%

0 25% 50% 75% 100%

VOLUMEN DE AIRE

APERTURA DEL ACTUADOR

COMPUERTA DE LAMAS OPUESTAS 100%

75%

50%

25%

0 25% 50% 75% 100%

VOLUMEN DE AIRE

APERTURA DEL ACTUADOR

COMPUERTA DE LAMA AERODINÁMICA

REQUISITOS DE PRESIÓN ESTÁTICA PARA EL VENTILADOR DE UN SISTEMA SIMPLE:

150Pa

75Pa 60Pa 70PaI 60Pa 70PaI 60Pa

C B

A

AIRE DE RETORNO 100Pa

Conductos de retorno/filtros/registros, etc: 100 Pa

Accesorios de la UTA: 400 Pa

Fricción del conducto (A-B): 40 Pa

Presión del sistema (Cond. Flexible y difusor): 60 Pa

Total: 600 Pa

S

CONTROL DE PRESIÓN DE LA COMP. BYPASS

SELECCIÓN DE VENTILADORES PARA SISTEMAS DE VAV DE GEOMETRIA VARIABLE MÁS COMPLEJOS

Conductos de retorno/filtros/registros, etc: 135 Pa

Accesorios de la UTA : 400 Pa

Fricción del conducto(A-B): 200 Pa

Compuerta de control de presión (PCD-E): 40 Pa

Presión del sistema (Cond. Flexible y difusor):60 Pa

Total: 835 Pa

Puesta en marcha de un sistemade VAV de geometria variable:

UTA

A C E

B D F H

G I

J

S

Puesta en marcha de un Sistema Simple:

PASO 1: Colocar todos los difusores en posición totalmente abierta PASO 2: Seleccione el difusor que requiere la presión más alta para

satisfacer su volumen de diseño (probablemente el difusor de la sala con mayor carga de frio) Mida el caudal de aire de este difusor con una campana correctamente dimensionada.

PASO 3: Ajustar la presión estática en el conducto hasta que se alcance el caudal deseado en este difusor.

PASO 4: Podemos suponer que seguramente todos los difusores anteriores a este tendran, como mínimo, el mismo caudal y unas tomas al azar lo confirmaran. De todas maneras, si se desea, el técnico solo necesita hacer un muestreo para confirmar que estos difusores con menor presión que la unidad inicial, expulsan el mismo caudal.

En funcionamiento, el sistema es auto-equilibrante por el hecho que cada difusor se ajusta a las necesidades de la habitación.

Puesta en marcha de un sistema complejo de VAV de geometria variable:

COMPUERTA

RAMAL C

R S

S

S

SENSOR DE PRESIÓN ESTÁTICA

SISTEMA TIPICO DE FUNCIONAMIENTO CON COMPUERTAS DE CONTROL DE PRESION

200Pa 250Pa

150Pa

170Pa

150Pa

170Pa

150Pa 60Pa 60Pa

55Pa 60Pa

50Pa 50Pa RAMAL B

RAMAL A

Puesta en marcha de un sistema complejo: PASO 1: Seleccione el ramal “indice” – Lógicamente el más alejado de la

UTA o el que requiera la mayor presión estática. Este conducto es el que tiene más opciones de quedarse sin aire si el ventilador no impulsa el suficiente y en este ejemplo, es el conducto C.

PASO 2: La compuerta que regula este ramal se debe poner totalmente abierta.

PASO 3: Abrir totalmente los difusores de este ramal. PASO 4: Seleccionar el difusor con mayor necesidad de presión para

cumplir con el caudal de diseño. PASO 5: Ajustar la presión en el conducto principal hasta que el difusor

seleccionado consiga el caudal requerido. PASO 6: Ahora, sin ajustar nada en el conducto, ajustar el presostato del

ramal en el valor tomado en las mediciones anteriores. PASO 7: Para el resto de ramales proceder como para un sistema simple,

ajustando elcontrolador de presión estática de la compuerta más relevante de cada ramal.

NOTA: Si por alguna razón se necesita incrementar la presión estática de la rama principal, no preocuparse, los presostatos ya ajustados se reajustaran solos.

Puesta en marcha (Recomendaciones comp. de regulación manual)

Es altamente recomendable que NO se instalen compuertas de regulación manual.

Si existen, el tecnico tendrá tentación de aumentar sin necesidad la presión estática de los conductos y cerrando la compuerta manual, regular el caudal del difusor.

. NO!

Puesta en marcha (Recomendaciones comp. de regulación manual)

Pongamos por ejemplo que la presión estática del ramal esta tarada a 100Pa cuando lo necesario serian 50Pa : – En el ejemplo anterior, para conseguir el 100% de caudal, la presión

estática en el cuello del difusor se calculó en 40Pa. – La pérdida en el conducto flexible al 100%, como antes, es de 10Pa. – La pérdida por fricción a traves de la compuerta de regulación debe ser de

50Pa para satisfacer el caudal del 100%. – A un 30% del caudal, la perdida por fricción en el flexible y la compuerta

de regulación se puede calcular; (50+10)*(30/100) 2 = 5.4 Pa. Esto nos da una presión estática en el cuello del difusor de; 100-5.4 = 94.6 Pa

– Con una presión estática tan elevada aún al caudal mínimo, tenemos un sobreenfriamiento de la sala tratada

– Este ejemplo demuestra también que la inclusión de compuertas manuales, anula la autocompensación de los sistemas VAV dependientes de la presión y es un gasto total y muy elevado.

Eficiencia (Ahorros en la instalación inicial)

La comparación se ha hecho entre 2 edificios históricos con una unidad de tratamiento de aire de 9438 l/s.

Suposiciones: – 25 cajas de VAV o difusores VAV master – 17 de las cajas VAV sin baterias de agua caliente para las zonas exteriores – 8 de las cajas VAV sin calefactores para las zonas interiores – 100 difusores de impulsión

Coste estimado de la instalación: – Cajas VAV con ventilador $ 71,400 – Cajas VAV standard $ 61,050 – Difusores VAV con bateria $ 53,970 – Difusores VAV controlados electrónicamente $ 59,870.

Comparación de eficiencia energética:

Suposiciones para cajas VAV: – Una caja VAV para cada 1,000 m² – Caudal de aire 566 l/s – Número de difusores por caja VAV 5 units – Caudal máximo por difusor 113 l/s – Número de cajas VAV con ventilador 78 units – kW de motor por caja VAV motorizada 0.186 kW – Eficiencia de las cajas VAV con motor (ASHRAE 2001 F29.7) 54 % – Presión estática de entrada a las cajas VAV con motor 125 Pa – Número de cajas VAV de simple conducto 42 units – Presión estática de entrada a las cajas VAV de simple cond. 190 Pa – Eficiencia estática del ventilador principal 75 % – Eficiencia del motor del ventilador principal 90 % – Tensión de entrada del servo del VAV 2.0 Watts.

Comparación de eficiencia energética:

Suposiciones para los difusores VAV:

– Caudal por difusor 113 l/s – Tensión del difusor 2.0 Watts – Presión estática en conducto del difusor de imp. 30 Pa

Comparación de la eficiéncia energética: Poténcias necesarias (Cajas VAV motorizadas y standar):

– Cajas VAV motorizadas: Poténcia para las cajas VAV motorizadas con motor (78x0.186/0.54) 26.87 kW Poténcia del ventilador principal (con la presión estática necesaria) 8.15 kW

– Cajas VAV standard: Poténcia del ventilador principal (con la presión estática necesaria) 6.69 kW

– Poténcia para los servos de las cajas VAV 0.134 kW – POTÉNCIA TOTAL DEL VENTILADOR PRINCIPAL 41.84 kW – Carga de frio total debida a la poténcia de ventiladores y servos 41.84 kW – Poténcia adicional del motor de la enfriadora para cubrir la carga de frio 8.37 kW

POTÉNCIA TOTAL ADICIONAL (Ventiladores + Chillers) 50.21 kW

Comparación de la eficiéncia energética:

Poténcias necesarias (Difusores VAV de geometria variable):

– Difusores VAV de geometria variable :

Poténcia del ventilador principal (Pres. Estática de impulsión) 3.02 kW Poténcia par los servos de los difusores VAV 1.20 kW

– POTÉNCIA TOTAL 4.22 kW

– Carga de frio total debida a la poténcia de ventiladores y servos 4.22 kW – Pot. adicional del motor de la enfriadora para cubrir la carga de frio 0.84 kW

POTÉNCIA TOTAL ADICIONAL (Ventiladores + Chillers) 5.06 kW

Comparación de la eficiéncia energética: (Cajas VAV vs Difusores VAV)

AHORROS EN POTÉNCIA TOTAL:

(50.21 - 5.06) = 45.15 kW

AHORRO TOTAL EN CARGA DE FRIO:

(41.84 – 4.22) = 37.62 kW.

Coste en eficiéncia:

La recuperación estática en el diseño de conductos se añade a la eficiéncia

energética:

– Los sistemas VAV de baja presión que usan la recuperación estática en el diseño de conductos son todavia más eficientes energeticamente.

– Los sistemas de alta presión son tolerantes con las deficiéncias de diseño de conductos, pero necesitan presión adicional para esconder estas deficiéncias y incrementan los costes operativos

Trabajos de mantenimiento:

– Los trabajos de mantenimiento en un sistema de geometria variable de baja presión virtualmente se eliminan o, en el peor caso, se hacen más sencillos

– Los difusores VAV de geometria variable estan libres de mantenimiento – todo lo que necesitan es ser limpiados con la misma frecuéncia que los difusores de un sistema de volumen constante.

Coste en eficiéncia y control individual

Los sistemas de difusores VAV de geometria variable – Requieren menos conducto. Por tanto reducen el coste principal

En un sistema de difusores VAV de baja presión, el control individual de los difusores es una realidad asequible.

Coste en eficiéncia y control individual

Un sistema de cajas de VAV comparable necesita mucho más conducto En un sistema de alta presión de cajas VAV, el control individual es posible

pero con un coste adicional de espacio y dinero.

BENEFICIOS DEL SISTEMA:

Baja presión – Eficiencia energética

Difusores VAV y CAV en el mismo sistema de conductos

Apto para sistemas de todos los tamaños

El diseño de conductos con recuperación estática se añade a la eficiéncia energetica del sistema

Ahorro en la instalación inicial Caudales máximo y mínimo

configurables en fábrica o en obra

No requiere equilibrado Sin caida del aire frio ni

estratificado del caliente

Control analogico/DDC

electronico, térmico y neumático

Eliminación del mantenimiento o, como mínimo, simplificación

Total flexibilidad – el sistema de control modular permite a los difusores esclavos convertirse en master

Unidades terminales UL Certified SCR Controlled Reheaters Available

Simple diseño del sistema.

INSTALACIONES TIPO:

Oficinas de propiedad o alquiler - VSD, VLN o WBD Hospitales – Salas y oficinas de enfermeria – WBD, VSD o VLN Dormitorios universitarios y escolares – WBD, VSD Escuelas – Clases y oficinas administrativas – VSD y WBD Cuarteles militares – WBD, VSD Iglesias – Santuarios, oficinas y salas multifunción – VSD, VSW Salas de conferéncia e instalaciones – VSD, VRD y VLN Bancos – Oficinas y entidades bancarias – VSD, VSW, VLN Consultorios médicos – VSD, WBD, VLN Clínicas – Consultas, salas de examen y de espera – VSD, VLN, WBD Tiendas especializadas – VCD, WBD Casas de lujo – VSD, WBD, VLN.