Control de plantas enfriadoras

Es importante comprender que no importa qué tan bueno sea el diseño del sistema, se necesitan controles adecuados para que todos los componentes funcionen correctamente como un sistema. Es igualmente importante comprender que no se puede “controlar la salida de un mal diseño de sistema”.

La planta enfriadora consta de enfriadores, bombas, tuberías, serpentines, torres de enfriamiento, sensores de temperatura, válvulas de control y muchos otros dispositivos. Es similar a una orquesta con muchos instrumentos. La existencia de estas piezas no garantiza que el sistema funcione correctamente. Es necesario que haya un director de orquesta. En el caso de un sistema de agua enfriada, ese conductor es un sistema de control de una planta enfriadora. El buen funcionamiento de la planta depende de qué tan bien el sistema de control consigue que todas las piezas funcionen juntas.

El mayor cambio en los enfriadores en la última década se ha producido sin duda en el ámbito de los controles. En el pasado, los enfriadores se controlaban neumáticamente y se protegían apagándolos si los caudales o las temperaturas cambiaban demasiado rápido. Los controles actuales basados ​​en microprocesadores brindan un control preciso de la temperatura del agua enfriada, así como funciones de monitoreo, protección y límite adaptativo.

Estos controles monitorean el funcionamiento del enfriador y evitan que funcione fuera de sus límites aceptables. También pueden adaptarse a condiciones operativas inusuales, manteniendo el enfriador en funcionamiento modulando sus componentes y enviando un mensaje de advertencia, en lugar de hacer nada más que apagarlo cuando se viola una configuración de seguridad. La precisión del control mejorada permite utilizar enfriadores en sistemas y aplicaciones que antes se evitaban. Cuando ocurren problemas, los mensajes de diagnóstico ayudan a solucionarlos. Los controles de enfriadores modernos también interactúan con un sistema de control de la planta de enfriamiento para el funcionamiento integrado del sistema.

¿Lo que es importante?

Hay principalmente cinco cuestiones que abordar en un sistema de control de una planta enfriadora.

• ¿Cuándo se debe encender o apagar una enfriadora?
• Una vez que sabemos que se debe encender o apagar un enfriador, ¿cuál debería ser?
• Si intentamos encender un enfriador, una bomba o una torre de enfriamiento y hay un mal funcionamiento, ¿qué hacemos a continuación?
• ¿Cómo podemos minimizar el costo energético de operar el sistema?
• ¿Cómo puede el sistema de control de la planta enfriadora comunicarse efectivamente con el operador?

La secuenciación de enfriadores se refiere a la toma de decisiones sobre cuándo encenderlos y apagarlos y en qué orden. Normalmente, el encendido y apagado de los enfriadores se realiza con el objetivo de hacer coincidir la capacidad de la planta de enfriamiento con la carga de enfriamiento del sistema. Para lograr esto con éxito, el diseño del sistema de agua enfriada debe proporcionar al sistema de control variables que sean buenos indicadores de la carga del sistema.

El diseño hidráulico y el tamaño del sistema de agua enfriada determinarán los posibles métodos para monitorear eficazmente la carga del sistema. Los métodos típicos para el monitoreo de carga incluyen:

• En los sistemas de tuberías en serie o en paralelo, se monitorean las temperaturas del agua de suministro y retorno y, a veces, el consumo de corriente del enfriador.
• En un sistema primario-secundario, normalmente se miden las temperaturas del agua de suministro y de retorno del enfriador y/o la dirección y cantidad del flujo en la tubería de derivación.
• En un sistema de flujo primario variable, se pueden monitorear la temperatura del agua de suministro del sistema y el caudal del sistema.
• En algunos sistemas también se ha utilizado la medición directa de la carga del sistema (en toneladas, kW o amperios).

También son posibles otros métodos. Es imperativo que el sistema de agua enfriada se diseñe teniendo en cuenta las variables de control; de lo contrario, el resultado puede ser un sistema imposible de controlar de manera eficiente.

Temperatura

Los controles de enfriadores actuales pueden controlar con mucha precisión las temperaturas del agua de salida del enfriador en una amplia gama de cargas. Esto es especialmente cierto en el caso de los enfriadores centrífugos y de rotación helicoidal. Este hecho permite que los sistemas de agua enfriada de flujo constante, similares al sistema que se muestra en la Figura anterior, utilicen las temperaturas del agua de suministro y retorno del sistema para determinar la carga del sistema.

Al detectar un aumento en la temperatura del agua que sale de la planta enfriadora, el sistema de control puede determinar cuándo los enfriadores en funcionamiento ya no pueden mantener la temperatura deseada. A menudo, se permite que la temperatura del agua de suministro descienda una cantidad predeterminada antes de encender un enfriador adicional, para garantizar que haya suficiente carga para mantener un enfriador adicional en funcionamiento.

Decidir cuándo es apropiado apagar una enfriadora es más complejo. El sistema de control puede monitorear el ∆T del sistema, es decir, la temperatura del agua de retorno menos la temperatura del agua de suministro. Esta información, junto con las capacidades de los enfriadores en funcionamiento, permite que el sistema de control determine cuándo se puede apagar un enfriador. Para ayudar a estabilizar el funcionamiento del sistema, el sistema de control debe utilizar lógica para evitar que los transitorios de carga provoquen ciclos de refrigeración injustificados.

En sistemas de flujo constante que sufren de “síndrome de ∆T bajo” (sistemas de aire que devuelven agua a la planta a temperaturas más bajas que las deseadas), algunas de las terminales de carga pueden quedarse sin flujo antes de que se exceda la capacidad del enfriador en funcionamiento. Para preservar la eficiencia del sistema, la mejor manera de abordar esta situación es resolver el problema de la zona de operaciones. Las causas típicas del síndrome de ∆T bajo incluyen: un sistema de flujo mal equilibrado, filtros o serpentines sucios, controles de controlador de aire de mal rendimiento, válvulas de control de serpentín incorrectas o controladores de aire de tamaño insuficiente.

Fluir

En un sistema primario-secundario, la dirección y la cantidad del flujo en la tubería de derivación es un excelente indicador de cuándo encender o apagar una enfriadora. Como se analizó en el Período Dos, el flujo de agua en la tubería de derivación se puede medir directamente usando un medidor de flujo, o indirectamente midiendo las temperaturas del agua del sistema y aplicando ecuaciones de mezcla de flujo. Las reglas aplicadas al flujo de derivación para determinar cuándo encender y apagar una enfriadora son:

• Cuando hay un flujo deficitario, se puede agregar un enfriador.
• Cuando hay un exceso de flujo mayor que el del siguiente enfriador que se apagará, más un factor de seguridad del 10 al 15 por ciento, ese enfriador se puede apagar.
• Si no existe ninguna de las condiciones anteriores, no haga nada.

Como alternativa a la medición del flujo en un sistema primario-secundario con cuatro o menos enfriadores, se pueden utilizar las temperaturas del agua de suministro del sistema y de retorno de la planta de enfriamiento para decidir cuándo encender o apagar un enfriador. Esto es similar a la lógica aplicada a los sistemas de flujo constante. Es simple y tiene un bajo costo de instalación, pero es menos preciso que la determinación del flujo, especialmente cuando aumenta el número de enfriadores.

El “síndrome de ∆T bajo” también puede afectar el funcionamiento de los sistemas primario-secundario. A diferencia de los sistemas de flujo constante, el sistema primario-secundario mantendrá el flujo requerido del sistema y la temperatura del agua de suministro y, por lo tanto, mantendrá la comodidad de los ocupantes. Sin embargo, lo logra encendiendo enfriadores adicionales antes de que todos los enfriadores en funcionamiento estén completamente cargados. Esto puede reducir la eficiencia general del sistema.

Aunque algunos han propuesto soluciones como colocar una válvula en la línea de derivación, bajar la temperatura del agua de suministro o controlar el sistema de manera diferente, estas son sólo curitas que enmascaran el problema real y a menudo causan otras dificultades operativas. Arreglar la causa raíz del síndrome de ∆T bajo en el sistema de distribución es el mejor curso de acción para una operación adecuada y eficiente del sistema.

Capacidad

Otro método para monitorear la carga de enfriamiento del sistema es medir directamente el caudal de agua y las temperaturas del sistema y luego calcular la carga. Aunque parecería que la medición directa de la carga real del sistema sería una excelente manera de determinar cuándo encender y apagar los enfriadores, este método tiene varios inconvenientes. Requiere el uso de caudalímetros con alta precisión y altas capacidades de regulación. Aunque los medidores de flujo se han vuelto más precisos y menos costosos, requieren condiciones de instalación especiales para una precisión confiable, condiciones que rara vez se logran en instalaciones reales. Además, el equipo normalmente requiere una calibración periódica. Por estas razones, la medición directa de la carga no se ha utilizado tanto como los métodos simples y confiables discutidos anteriormente.

Una forma alternativa de monitorear la carga del enfriador es midiendo el consumo de corriente del motor del enfriador. Por sí solo, esto no proporciona un indicador de control adecuado, pero cuando se usa junto con otra información, como la temperatura del agua de suministro del sistema, puede ser efectivo. La temperatura del agua de suministro del sistema se utiliza para determinar cuándo encender un enfriador adicional, y el consumo de corriente del motor del compresor del enfriador en funcionamiento se utiliza para determinar cuándo se puede apagar un enfriador.

El indicador de carga más eficaz para cualquier sistema de agua enfriada depende del diseño de ese sistema. Los diseñadores creativos han utilizado las estrategias de control que se describen aquí y en varias combinaciones para controlar eficazmente una amplia variedad de plantas enfriadoras. Se recomienda encarecidamente que una de las primeras tareas emprendidas en el proceso de diseño sea crear un diagrama de flujo simplificado y un modelo de carga del sistema que permita la evaluación de diversas estrategias de control y ubicaciones de sensores. Esto ayudará a garantizar que se pueda implementar un control eficaz de la planta de refrigeración.

Rotación del enfriador

Cuando el sistema ha determinado que es necesario encender o apagar un enfriador, el siguiente problema es determinar la secuencia en la cual encender y apagar los enfriadores. Se supone que el primer enfriador de la secuencia siempre se encenderá cuando sea necesario enfriar.

Cuando el sistema consta de enfriadoras idénticas, la elección de qué enfriadora se enciende o apaga a continuación tiene poco impacto en la eficiencia del sistema. Algunos ingenieros de diseño y operadores prefieren igualar el tiempo de funcionamiento y el número de arranques de todos los enfriadores del sistema. Por lo general, esto se hace rotando la secuencia de enfriadores periódicamente, a menudo cada pocos días o semanas. Este método generalmente mantiene el tiempo de ejecución razonablemente bien equilibrado y el operador sabe exactamente cuándo esperar que ocurra la rotación. Un enfoque alternativo es sumar las horas de funcionamiento reales de cada enfriadora, en un intento de rotar las enfriadoras cuando se produce un desequilibrio significativo en el tiempo de funcionamiento o en el número de arranques. La rotación que se basa en el tiempo de ejecución real tiene la desventaja de que el operador no sabe cuándo ocurrirá la rotación. En algunas instalaciones, el personal operativo prefiere iniciar la rotación manualmente.

Por otro lado, algunos ingenieros de diseño y operadores creen que al igualar los tiempos de funcionamiento, será necesario revisar o reemplazar todos los enfriadores al mismo tiempo. Suelen hacer funcionar primero el enfriador más eficiente, seguido del siguiente, y así sucesivamente. Con este enfoque, todos los enfriadores se encienden al menos una vez al mes para garantizar que puedan arrancar cuando sea necesario.

Cuando el sistema consta de enfriadores con diferentes capacidades, eficiencias o tipos de combustible, la cuestión de qué enfriador encender o apagar a continuación se vuelve más compleja. Aunque cada sistema requiere un análisis completo, existen algunos principios generales que se aplican a la mayoría de los sistemas.

En sistemas con enfriadores de diferentes capacidades, como el concepto de enfriador “oscilante” introducido en el Período Tres, el objetivo es operar el menor número de enfriadores y el más pequeño posible. Por lo general, esto minimiza el consumo total de energía del sistema al hacer coincidir estrechamente la capacidad de la planta con la carga del sistema, reduciendo así la energía utilizada por los equipos auxiliares.

En sistemas con enfriadores de diferentes eficiencias, tiene sentido operar los enfriadores más eficientes primero y los menos eficientes al final. Si se trata de diferentes tipos de combustible, el sistema de control puede recibir datos sobre los costos del gas natural y la electricidad y calcular el costo en tiempo real de operar los enfriadores eléctricos versus los de gas.

Recuperación de calor

El sistema también podría beneficiarse de tener un enfriador de recuperación de calor completamente cargado. Como se analizó en el Período Tres, para maximizar la cantidad de calor recuperado, a menudo es deseable cargar preferentemente ese enfriador, secuenciarlo como un enfriador base: “el primero en entrar” y el “último en salir”. Luego se pueden encender otros enfriadores cuando el enfriador con recuperación de calor no puede manejar la carga de enfriamiento por sí solo.

Una variación de esta idea es un enfriador de absorción alimentado por calor residual. Se carga preferentemente para manejar la mayor carga de refrigeración posible antes de encender otras enfriadoras. El enfriador de absorción se secuenciaría como un enfriador base para aprovechar la energía libre que hace funcionar este enfriador.

Sistemas de flujo primario variable

El sistema de flujo primario variable, introducido en el Período Tres, está diseñado para operar con flujo variable a través de los evaporadores del enfriador. La secuenciación de enfriadores en este tipo de sistema no puede basarse únicamente en la temperatura, porque en un sistema que funciona correctamente las temperaturas del agua de suministro y de retorno serán casi constantes. Determinar cuándo encender o apagar las enfriadoras no es una tarea sencilla. Para la estabilidad del control y la confiabilidad del enfriador, los caudales a través de los enfriadores y la tasa de cambio de flujo deben mantenerse dentro de los rangos permitidos.

Por lo tanto, el control de un sistema de flujo primario variable debe:

• Incluir un método para determinar la carga del sistema. Muchos sistemas miden caudales y temperaturas.
• Asegúrese de que los caudales a través de los enfriadores estén dentro de los límites mínimo y máximo permitidos. La modulación de una válvula de control en la tubería de derivación se utiliza comúnmente para garantizar caudales mínimos a través de los enfriadores.
• Controle la velocidad a la que cambia el caudal del sistema, para garantizar que no cambie más rápidamente de lo que los enfriadores pueden adaptarse. Esto es especialmente crítico cuando se encienden enfriadores adicionales.

Adequate time must be spent designing the control sequence and commissioning the system after installation, to ensure proper operation of a variable-primary-flow system.

Recuperación de fallas del sistema

• Maintain flow of chilled water
• Keep it simple
  • Lock out failed equipment
  • Turn on the next chiller in the sequence
• Notify the operator
• Allow the operator to intervene

In addition to normal chiller sequencing, the chiller-plant control system must react when a chiller or another piece of associated equipment fails. Failure recovery, or ensuring the reliable supply of chilled water, is a very important part of the chiller-plant control system, and is an area where many systems have fallen short. This is especially true in field-programmed systems because of the difficulty of thorough debugging.

During periods of equipment malfunction, it is important to focus on the primary goal of the system, which is to provide the required flow of chilled water to the system at the proper temperature. It seems reasonable that the simplest and most reliable failure-recovery sequence is to simply turn on the next chiller in the sequence, and not try to turn several chillers on and off in an attempt to re-optimize the system.

During an equipment failure, it is especially important to notify the operator of the status, as well as to help the operator understand where the problem is and what might be the cause. The control system must also allow the operator to easily analyze the situation and to intervene if the failure condition will exist for an extended period of time. A system that provides this information will ensure that the system itself will be maintained and operated in proper condition.

Planificación de contingencias

In addition to failure recovery, it is wise for the system design engineer to work with the building owner to develop a contingency plan for chilled water in the case of an emergency shutdown or an extended breakdown. Many organizations have contingency plans for critical areas of their business. Some deal with natural disasters and others with the loss of power in critical areas. However, few have taken the time to think about what a loss of cooling would mean to their facility. This is often especially critical for process-cooling applications.

La planificación de contingencias de refrigeración tiene como objetivo minimizar las pérdidas que puede sufrir una instalación como resultado de una pérdida total o parcial de la capacidad de refrigeración. Permite al operador de un edificio actuar más rápidamente al tener un plan implementado y preparar las instalaciones de manera proactiva. Un plan de este tipo a menudo incluye trabajar con proveedores para arrendar temporalmente equipos de refrigeración. Durante la construcción inicial, es fácil y rentable proporcionar trozos de tubería, que se integran en el sistema de agua enfriada para una conexión rápida, y conexiones eléctricas de fácil acceso. Cuando el arrendamiento de equipos se combina con estas simples adiciones al sistema, se puede poner en marcha rápidamente un plan de contingencia y el sistema puede volver a producir agua helada en un corto período de tiempo.

Es importante identificar primero la capacidad de enfriamiento mínima o crítica requerida. Con varios enfriadores en una instalación, puede ser aceptable tener una capacidad inferior a la total en una situación de emergencia. Por ejemplo, la planta enfriadora puede constar de 1.800 toneladas [6.330 kW], pero la capacidad mínima requerida en una situación de emergencia puede ser sólo de 1.200 toneladas [4.220 kW]. Por lo tanto, también es importante identificar un plan de contingencia si falla el enfriador 1, si falla el enfriador 2, si fallan los enfriadores 2 y 3, etc.

Ajuste del sistema

Además de encender y apagar los enfriadores, existen otras funciones del sistema de control de la planta de enfriamiento que ayudan a evitar que la inestabilidad del flujo del sistema interrumpa el funcionamiento del enfriador. La inestabilidad del flujo a menudo puede ser causada por el funcionamiento normal de la válvula y la bomba. El primero son los retrasos en el tiempo.

El ciclado excesivo puede ser perjudicial para la vida útil de un motor. Por esta razón, se debe minimizar el encendido y apagado de un motor grande (como los utilizados en enfriadoras grandes). Los sistemas de agua enfriada suelen tener una gran masa térmica (agua en el sistema) y se benefician de la diversidad y la lenta tasa de cambio de la carga de enfriamiento del sistema. Por lo tanto, normalmente no se requieren reacciones rápidas. De hecho, una respuesta demasiado rápida a menudo provocará inestabilidad en el sistema, desperdiciará energía y provocará un desgaste innecesario en los equipos mecánicos. Para lograr un control estable y preciso, muchos sistemas de control de plantas de enfriamiento proporcionan retrasos de tiempo que el operador puede ajustar para ayudar a minimizar los ciclos del enfriador.

El primer retraso es el temporizador de confirmación de carga. Su propósito es retrasar el encendido de un enfriador adicional durante un período de tiempo después de la indicación inicial de que se requiere un enfriador adicional. Esto confirma que la carga indicada no es una condición transitoria que provocaría que la enfriadora se encienda y luego se apague rápidamente.

El segundo retardo, que funciona junto con el primero, es un temporizador de intervalos de preparación. Su propósito es darle tiempo al sistema para responder después de que se haya encendido una enfriadora. Esto evita que se enciendan más enfriadoras de las realmente necesarias, especialmente durante períodos de bajada o variación rápida de la carga.

El tercer retardo es un temporizador de ciclo mínimo. Este temporizador debe tener la máxima prioridad. Requiere un período de tiempo fijo entre el encendido y el apagado de una enfriadora individual. Esto garantiza que la enfriadora no realice ciclos con demasiada frecuencia.

Es importante comprender que estos temporizadores tienen menor prioridad que las medidas de seguridad integradas en los controles individuales de las enfriadoras. En todo momento, los dispositivos de seguridad individuales de la enfriadora deben ser capaces de apagar la enfriadora para evitar daños al equipo.

Descargar antes de comenzar

La siguiente función de control es descargar parcialmente los enfriadores en funcionamiento antes de encender un enfriador y una bomba adicionales. Dependiendo de la configuración del sistema, puede haber variaciones muy rápidas en el flujo de agua a través del evaporador del enfriador cuando se enciende o apaga una bomba, o cuando se abre o cierra una válvula de control. La descarga parcial del enfriador antes de tales variaciones permite que el enfriador continúe funcionando sin interrupción.

Esto se puede explicar observando un diagrama de flujo de un sistema de agua enfriada con múltiples bombas. Este diagrama muestra que, con una bomba y un enfriador en funcionamiento, el caudal a través del enfriador es de 610 gpm [38,5 L/s]. Cuando se encienden la segunda bomba y el enfriador del mismo tamaño, el caudal a través del sistema aumenta a 870 gpm [54,9 L/s], pero el flujo a través de cada enfriador cae a 435 gpm [27,4 L/s]. Esta es una reducción instantánea de 175 gpm [11 L/s], o 30 por ciento, a través del primer enfriador.

La temperatura del agua que sale del enfriador y la temperatura del refrigerante en el evaporador caen como resultado de esta drástica reducción del flujo. Los nuevos controles avanzados del enfriador pueden permitir que la temperatura del refrigerante caiga por debajo del punto de congelación del fluido durante un breve período de tiempo mientras el compresor se descarga. Sin embargo, la seguridad de baja temperatura del evaporador puede apagar la enfriadora si los controles y el compresor no pueden reaccionar lo suficientemente rápido.

La función "descarga antes del inicio" descarga parcialmente los enfriadores en funcionamiento, elevando la temperatura del refrigerante en el evaporador, antes de que se produzca la reducción del flujo. Se permite que los enfriadores se recarguen tan pronto como se enciende el enfriador adicional.

Carga suave

Otra función de control deseable se denomina carga suave. Por lo general, se utiliza cuando el sistema ha estado apagado durante un período prolongado y la temperatura del agua enfriada es la misma que la temperatura ambiente dentro del edificio.

La carga suave retrasa el encendido de enfriadores adicionales o varía el punto de ajuste del agua enfriada, lo que permite que los enfriadores en funcionamiento alcancen gradualmente la carga desplegable del edificio. Esto da como resultado un descenso muy suave, evita sobrepasar el punto de ajuste y opera solo el equipo requerido para satisfacer la carga real del sistema.

Agua helada de flujo constante

Los sistemas de agua enfriada de flujo constante frecuentemente requieren un control individual del punto de ajuste del enfriador. Su propósito es ayudar a mantener la temperatura del agua de suministro del sistema compensando el desvío del agua de retorno a través de enfriadores que no están en funcionamiento.

El sistema de control de la planta enfriadora ajusta los puntos de ajuste individuales para que el enfriador en funcionamiento “sobreenfríe” el agua antes de que se mezcle con el agua a mayor temperatura que pasa por el enfriador que no está en funcionamiento. El resultado es que el agua enfriada suministrada al sistema está lo más cerca posible de la temperatura deseada. Hay límites a la cantidad de sobreenfriamiento. Dependiendo del diseño del sistema de agua enfriada, pueden existir dos situaciones. Es posible que el enfriador no haya sido seleccionado para producir agua lo suficientemente fría o que la temperatura requerida pueda estar por debajo del punto de congelación del agua que se está enfriando. En cualquier caso, el sistema de control debe ser lo suficientemente inteligente como para limitar el sobreenfriamiento y evitar daños al enfriador.

Además, el sistema de control debe saber cuándo encender otro enfriador para alcanzar el punto de ajuste de temperatura del agua enfriada del sistema. Es posible que sea necesario encender un enfriador adicional para satisfacer la demanda de flujo del sistema, aunque el enfriador en funcionamiento no esté completamente cargado.

Optimización del sistema

• enfriador
  • Disminuir la temperatura del agua del condensador.
  • Aumentar la temperatura del agua enfriada
• Bomba de agua enfriada (sistema de flujo variable)
  • Aumentar el ∆T del agua enfriada
• Torre de enfriamiento
  • Aumentar la temperatura del agua del condensador.
• Bomba de agua del condensador (sistema de flujo variable)
  • Aumentar el ∆T del agua del condensador

El sistema de control de la planta enfriadora también se puede utilizar para optimizar el sistema. Para los propósitos de esta discusión, definiremos la optimización como minimizar la energía utilizada por la planta enfriadora (incluidos los enfriadores, las bombas de agua enfriada, las bombas de agua del condensador y la torre de enfriamiento) manteniendo al mismo tiempo la comodidad o satisfaciendo las cargas del proceso.

El primer paso es examinar el uso de energía de los componentes principales de la planta enfriadora, para ver qué se puede hacer para minimizar cada componente individualmente.

El uso de energía del enfriador se puede reducir bajando la temperatura del agua del condensador o aumentando la temperatura del agua enfriada.

En un sistema de flujo variable, la energía de bombeo de agua enfriada se puede reducir bajando la temperatura del agua enfriada mientras se aumenta el ∆T del sistema. Con la temperatura del agua más baja y el ∆T aumentado, el serpentín requiere menos flujo de agua para manejar la misma carga.

La energía de la torre de enfriamiento se puede reducir aumentando la temperatura del agua del condensador. Esto permite que los ventiladores de la torre ciclen o disminuyan la velocidad. La energía de bombeo de agua del condensador se puede reducir aumentando el ∆T a través del lado del condensador del sistema, bombeando así menos agua. Esto se logra reduciendo el flujo de agua a través del condensador.

Obviamente, observar un solo componente presenta una imagen contradictoria de la reducción de energía, y un cambio en un componente tiene un impacto en otros componentes. Para optimizar verdaderamente la planta enfriadora, todos los componentes deben analizarse juntos.

Restablecimiento del agua helada

Como se indicó anteriormente, a medida que el punto de ajuste de la temperatura del agua enfriada se restablece hacia arriba, el enfriador utilizará menos energía. En los sistemas de flujo constante, esta estrategia de restablecimiento del agua enfriada es bastante sencilla de implementar y puede controlarse en función de la caída de la temperatura del agua de retorno.

Sin embargo, en un sistema de flujo variable, a medida que aumenta la temperatura del agua enfriada, también aumenta la energía de bombeo. Mientras que el COP del enfriador es de aproximadamente 6,5, el COP de la bomba es de aproximadamente 0,65. A menudo, el aumento de la energía de la bomba será mayor que la cantidad de energía ahorrada del enfriador, especialmente porque el enfriador a menudo funcionará en condiciones de carga parcial. Otro problema potencial al restablecer la temperatura del agua enfriada hacia arriba es que el control de la humedad del espacio puede verse comprometido si el agua se calienta demasiado. Finalmente, el sistema de control de la planta enfriadora debe tener en cuenta los cambios en la temperatura del agua de suministro.

La norma ASHRAE/IESNA 90.1–1999 (Sección 6.3.4.3) requiere el uso de restablecimiento de la temperatura del agua enfriada en sistemas de más de 25 toneladas [88 kW]. Sin embargo, excluye los sistemas de flujo variable y los sistemas donde el control de la humedad del espacio se verá comprometido.

Algunos ingenieros creen que diseñar el sistema para caudales bajos y una temperatura de suministro de agua más baja, minimizando así el uso de energía de la bomba, podría ser una mejor respuesta que intentar restablecer la temperatura hacia arriba.

Temperatura del agua del condensador

Bajar la temperatura del agua del condensador también puede reducir el consumo de energía del enfriador. Dependiendo de la carga del sistema y las condiciones exteriores, las torres de enfriamiento generalmente tienen la capacidad de suministrar agua de condensador más fría que en las condiciones de diseño. Sin embargo, esto aumenta el consumo de energía de los ventiladores de la torre de refrigeración. La clave para maximizar el ahorro de energía es conocer la relación entre el consumo de energía de la torre de enfriamiento y el consumo de energía de la enfriadora.

En las condiciones de diseño, una enfriadora suele utilizar de cinco a diez veces más energía que una torre de refrigeración. Esto sugeriría que podría ser beneficioso utilizar más energía de las torres de enfriamiento para ahorrar energía de las enfriadoras. Sin embargo, existe un punto de rendimiento decreciente en el que el ahorro de energía del enfriador es menor que la energía adicional utilizada por la torre de enfriamiento. La Figura 106 muestra el consumo de energía anual combinado de un enfriador y una torre de enfriamiento en un sistema que está controlado según varios puntos de ajuste de temperatura del agua del condensador. La tercera columna muestra un sistema que intenta suministrar agua a 55 °F [12,8 °C] desde la torre de enfriamiento en todo momento. Por supuesto, en las condiciones de diseño, es posible que la torre de enfriamiento no pueda suministrar esta temperatura, pero suministrará agua a la temperatura más fría posible.

La cuarta columna muestra un sistema que utiliza un sistema de control para determinar dinámicamente la temperatura óptima del agua del condensador que minimiza el uso combinado de energía del enfriador y la torre de enfriamiento. Es obvio que este método de control óptimo minimiza el consumo total de energía del sistema.

Control de la presión de condensación

Relacionado con el tema del control de la temperatura del agua del condensador está el control de la presión de condensación. Cada enfriadora requiere una diferencia mínima de presión de refrigerante entre el evaporador y el condensador, para garantizar que el refrigerante y el aceite circulen adecuadamente dentro de la enfriadora. Esta diferencia de presión varía según el diseño del enfriador y las condiciones de funcionamiento. La enfriadora debe desarrollar la diferencia de presión requerida dentro de un cierto período de tiempo, según lo especificado por el fabricante, o los controles de la enfriadora la apagarán debido a un límite de seguridad. Durante algunas condiciones de arranque, esta diferencia de presión puede ser difícil de lograr dentro del tiempo requerido.

An example of such a condition is an office building that has been unoccupied during a cool autumn weekend. The temperature of the water in the sump of the cooling tower is 40°F [4.4°C]. Monday is sunny and warm, and the building cooling load requires a chiller to be started. Because the chiller is operating at part load and the tower sump is relatively large, the minimum pressure difference may not be reached before the chiller is turned off on a safety. If, however, the flow of water through the condenser is reduced, the minimum pressure difference can be obtained. The lower flow rate increases the temperature of the water leaving the condenser, which results in a higher refrigerant pressure inside the condenser. After the minimum pressure difference is reached, the flow may again be increased.

Either the refrigerant pressure in the condenser or the condenser-evaporator refrigerant-pressure differential can be monitored and used to control the temperature or flow rate of the condenser water, to prevent this pressure differential from dropping below the limit.

Interfaz del operador

System-level communication and control is very important. Today, the amount of communication between the components (chillers, cooling towers, pumps, control valves, and so forth) has increased immensely, allowing many chilled-water systems to be fully automated.

In some facilities, however, the largest energy user in the HVAC system (the chiller plant) has not progressed beyond manual control. In some cases it was reduced to manual control shortly after the building was commissioned.

Why does this occur? Chillers are large, with very expensive pieces of equipment which, if damaged by incorrect operation, can cost the owner a substantial amount of money to repair or replace. Operators are, therefore, very sensitive to chiller plant operation. If the operator does not understand how the system is designed and controlled, it is likely that the system will be put into a manual control mode. Therefore, initial and ongoing operator training and support is critical.

There is an amazing amount of information available within a chilled-water system. Often the problem is not a lack of information, but how to interpret that information. Therefore, a clear and concise interface between the control system and the system operator is extremely important.

Information that should be communicated to the operator includes:

• Chiller-water system temperatures
• Chiller status (on or off)
• Information specified by ASHRAE Guideline 3
• Any pending control actions (chiller about to turn on or off)
• Status of system time delays
• Status of ancillary equipment (pumps, cooling towers, and so forth)

In addition, the chiller-plant control system should notify the operator of problems that are occurring, or are about to occur, in the system. These warning or diagnostic messages may point to a single piece of equipment malfunctioning, or be indicative of system changes that may cause problems. Diagnostics that occur at the chiller control panel should be communicated to the chiller-plant control system.

registro de funcionamiento del enfriador

ASHRAE Guideline 3, Reducing Emission of Halogenated Refrigerants in Refrigeration and Air Conditioning Equipment and Systems, includes a list of recommended data points to be logged daily for each chiller. Much of this data may be available from the display on the chiller control panel. It is also helpful to the operator if this information is available at the chiller-plant control system and presented in a clear format.

In addition to current status, historical operating information is valuable for keeping the equipment operating at peak efficiency and for identifying operating trends that signal either impending problems or a drop in system performance. For example, the condenser approach temperature is the temperature difference between the water leaving the condenser and the refrigerant inside the condenser. If there has been a problem with water treatment in the cooling tower, fouling may build up inside the tubes in the chiller condenser. This will cause the difference between the condenser water and refrigerant temperatures to increase, reducing chiller efficiency. By noting an increase in this approach temperature, the operator can schedule cleaning of the condenser tubes. By monitoring system and equipment trends, the operator has a chance to fix minor issues before they cause operational problems.

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