Una planta de calefacción y refrigeración de 4 tubos contiene equipos de calefacción y refrigeración centrales y es capaz de suministrar agua de calefacción y agua fría al edificio simultáneamente a través de cuatro tubos (un suministro de agua de calefacción, un retorno de agua de calefacción, un suministro de agua fría y un retorno de agua fría). Los equipos de calefacción y refrigeración dentro del edificio que están conectados a un sistema de 4 tuberías tendrán cuatro conexiones de tubería, a menos que el equipo proporcione solo calefacción o solo refrigeración. En este caso, el equipo tendría solo dos conexiones de tubería.
La figura anterior es un diagrama esquemático de la tubería para una planta de calefacción y refrigeración de 4 tuberías que utiliza dos calderas de condensación de agua caliente y dos enfriadores enfriados por agua. El arreglo de bombeo es primario-secundario tanto para los sistemas de agua de calefacción como de agua fría. Tanto el sistema de calefacción como el de agua enfriada son sistemas de flujo variable con variadores de frecuencia que controlan la velocidad de las bombas (secundarias) del sistema de calefacción y agua enfriada. Una de las dos bombas que se muestran para las bombas del sistema de agua fría y calefacción y una de las bombas de agua del condensador es una bomba de reserva. Una bomba de agua del condensador y una torre de refrigeración separadas están dedicadas a cada enfriador. Las válvulas de cierre automático están diseñadas para las conexiones de las tuberías de ecualización, retorno y suministro de agua del condensador para aislar la torre de enfriamiento inactiva cuando solo funciona un enfriador.
Una planta de calefacción y refrigeración de 2 tubos contiene equipos de calefacción y refrigeración centrales, pero no es capaz de suministrar agua de calefacción y agua fría al edificio simultáneamente. Funciona en modo de calefacción o de refrigeración y suministra agua de calefacción o agua fría a través de dos tuberías (una de suministro de agua de doble temperatura y otra de retorno de agua de doble temperatura) al edificio. Los equipos de calefacción y refrigeración dentro del edificio que están conectados a un sistema de 2 tuberías tendrán conexiones de dos tuberías.
La figura anterior es un diagrama esquemático de la tubería para una planta de calefacción y refrigeración de 2 tuberías que utiliza dos calderas de agua caliente de condensación y un enfriador refrigerado por agua. El arreglo de bombeo cuando la planta está operando en el modo de calefacción es un sistema de bombeo primario-secundario con una bomba primaria dedicada a cada caldera para asegurar un flujo constante de agua a través de cada caldera de condensación. Las bombas del sistema de agua de temperatura dual son de velocidad constante y funcionan como bombas secundarias.
Una de las dos bombas que se muestran para las bombas del sistema de agua de temperatura dual y las bombas de agua del condensador es una bomba de reserva.
En el modo de enfriamiento, la planta opera principalmente en un arreglo de bombeo. En esta disposición, el sistema de agua de doble temperatura tiene que ser un sistema de flujo constante para mantener un flujo constante de agua a través del enfriador durante la operación de enfriamiento. Si se diseñara una bomba principal para el enfriador, el sistema de agua de doble temperatura podría ser un sistema de flujo variable con variadores de frecuencia que controlen la velocidad de las bombas de agua (secundarias) de doble temperatura.
Consideraciones de diseño
Las consideraciones de diseño para plantas de calefacción y refrigeración de 4 y 2 tubos son las siguientes:
Es común diseñar redundancia para el equipo en los sistemas de calefacción (como calderas y bombas) porque podría congelarse el edificio si se pierde el sistema de calefacción. Por otro lado, no es común diseñar redundancia para el equipo en los sistemas de enfriamiento (como enfriadores y bombas) porque el enfriamiento de confort generalmente no se considera crítico. Sin embargo, los sistemas de enfriamiento que cumplen funciones críticas, como computadoras o instalaciones de atención médica, pueden requerir equipos de enfriamiento redundantes.
Dado que normalmente se requiere cierta redundancia en las calderas, es común que cada una de las dos calderas en un sistema de 4 o 2 tubos esté dimensionada para dos tercios de la carga máxima de calefacción del edificio. Esto proporciona una redundancia del 67 % para mantener la temperatura del edificio por encima del punto de congelación si falla una caldera.
Para sistemas pequeños, es común utilizar un sistema de bombeo primario de flujo constante. Sin embargo, para sistemas más grandes (donde la energía de bombeo es significativa), se recomienda un sistema de bombeo primario-secundario porque el flujo del sistema (o secundario) se puede variar para reducir el uso de energía de la bomba secundaria. En un sistema de bombeo primario-secundario, cada pieza del equipo primario, como una caldera o un enfriador, tiene una bomba primaria dedicada. Los ahorros de energía también se logran con los sistemas de bombeo primario-secundario por etapas en el equipo primario (y las bombas asociadas) en respuesta a la carga del sistema.
Las figuras anteriores ilustran un sistema de bombeo solo primario de flujo constante y un sistema de bombeo primario-secundario. Tenga en cuenta que un sistema de bombeo primario-secundario requiere una tubería común que une los circuitos de bombeo primario y secundario. La tubería común debe dimensionarse para el flujo secundario completo y debe tener una longitud máxima de 10 diámetros de tubería para reducir cualquier mezcla no deseada y mantener la pérdida de presión a través de esta tubería a un mínimo absoluto.
Es común proporcionar redundancia completa para la bomba del sistema (o bomba secundaria en un sistema de bombeo primario-secundario) mediante el diseño de dos bombas, cada una dimensionada para hacer circular el flujo completo. Una bomba siempre estará funcionando mientras que la otra bomba está disponible en espera en caso de que falle la bomba principal.
Casi siempre se usa un sistema de bombeo primario-secundario para calderas de alta eficiencia (de condensación) debido a su necesidad de un flujo de agua constante. Algunas calderas de alta eficiencia están equipadas con bombas primarias instaladas dentro de las propias calderas para garantizar que los intercambiadores de calor reciban el flujo de agua mínimo requerido. Como se mencionó anteriormente en este capítulo, algunas calderas de condensación ya no requieren un caudal mínimo para su correcto funcionamiento. Como resultado, estas calderas se pueden conectar a un sistema de agua de calefacción que utiliza un arreglo de bombeo de flujo variable y solo primario.
Una estrategia de control común para los sistemas de agua de calefacción es restablecer la temperatura del agua de calefacción suministrada al equipo de calefacción del edificio en función de la temperatura exterior. Esta estrategia permite un mejor control de la temperatura del espacio y también reduce la pérdida de calor del sistema de tuberías de agua de calefacción durante el funcionamiento a carga parcial.
Un programa común de reinicio del agua de calefacción para calderas sin condensación es el siguiente:
- Temperatura de suministro de agua de calefacción de 180 °F cuando la temperatura exterior es de 0 °F.
- Temperatura de suministro de agua de calefacción de 140 °F cuando la temperatura exterior es de 50 °F.
La temperatura del suministro de agua de calefacción varía proporcionalmente entre 180 y 140 °F cuando la temperatura exterior varía entre 0 y 50 °F.
Sin embargo, como se mencionó anteriormente, las calderas sin condensación deben mantener una temperatura mínima de retorno del agua de 140 °F; por lo tanto, no sería posible lograr el programa de restablecimiento mencionado anteriormente restableciendo la temperatura del suministro de agua de calefacción desde las calderas. Por lo tanto, se requiere agregar una válvula mezcladora de 3 vías para combinar el retorno del agua de calefacción con el suministro de agua de calefacción para restablecer la temperatura del suministro de agua de calefacción en función de la temperatura exterior.
Un programa común de reinicio del agua de calefacción para calderas de condensación es el siguiente:
- Temperatura de suministro de agua de calefacción de 140 °F cuando la temperatura exterior es de 0 °F.
- Temperatura de suministro de agua de calefacción de 90 °F cuando la temperatura exterior es de 50 °F.
La temperatura del suministro de agua de calefacción varía proporcionalmente entre 140 y 90 °F cuando la temperatura exterior varía entre 0 y 50 °F.
El restablecimiento de la temperatura del agua de calefacción se logra con las calderas de condensación simplemente restableciendo la temperatura del suministro de agua de calefacción de las calderas en función de la temperatura exterior. Como se mencionó anteriormente, la eficiencia de las calderas de condensación aumenta a medida que disminuye la temperatura del agua de retorno.
Es mejor utilizar el mismo criterio de tamaño de tubería para la planta central que se usa para el sistema de distribución.
El conjunto de agua de reposición para todos los sistemas cerrados consta de un dispositivo de prevención de reflujo, una válvula reductora de presión y válvulas de cierre.
La caldera debe instalarse en el punto de menor presión desarrollado por la bomba del sistema de agua de calefacción (lado de succión de la bomba) por las razones discutidas anteriormente.
Para las plantas de enfriamiento que consisten en varios enfriadores enfriados por agua, es común que cada enfriador tenga una torre de enfriamiento dedicada (o celda de torre de enfriamiento dentro de una torre de enfriamiento de múltiples celdas) y una bomba de agua de condensador dedicada. Una bomba de agua del condensador adicional puede servir como bomba de reserva para cada dos sistemas de agua del condensador, siempre que los sistemas requieran el mismo caudal de agua y se instalen las válvulas adecuadas para aislar las bombas.
Para plantas de enfriamiento central que tienen solo un enfriador y una torre de enfriamiento, es posible que una tercera bomba funcione como bomba de reserva para los sistemas de agua enfriada y agua del condensador, siempre que la bomba tenga un punto de operación adecuado para ambos sistemas.
Una desventaja importante de los sistemas de calefacción y refrigeración de 2 tubos es el tiempo que se tarda en realizar el cambio de funcionamiento de calefacción a funcionamiento de refrigeración en la primavera de cada año porque los enfriadores generalmente no pueden tolerar una temperatura del agua de entrada al evaporador superior a 70ºC. °F. Por lo tanto, el circuito de agua de doble temperatura debe enfriarse desde una temperatura de agua de calentamiento de al menos 140 °F (para calderas sin condensación) a 70 °F antes de que el agua de doble temperatura pueda circular a través del evaporador del enfriador y se pueda producir agua fría.
El problema con esto es que cuando el edificio necesita refrigeración, no hay demanda de calor. Por lo tanto, no hay forma de que el agua caliente en el sistema de agua de doble temperatura rechace su calor. El circuito de agua de temperatura dual debe enfriarse como resultado de las pérdidas de calor de la tubería de agua de temperatura dual aislada, lo que puede demorar hasta 2 o 3 días, según el tamaño del sistema.
Una solución a este problema está disponible si los enfriadores están enfriados por agua. El tiempo de cambio se puede reducir considerablemente mediante la incorporación de un sistema de enfriamiento de agua de doble temperatura. Este sistema utiliza la torre de enfriamiento como fuente de rechazo de calor para el sistema de agua de doble temperatura cuando está en el modo de calefacción. Es necesario agregar un intercambiador de calor de placas y marcos, válvulas de desviación de 3 vías y controles para lograr este modo de operación, cuyos detalles están más allá del alcance de este libro.
HVAC Design Sourcebook - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, es director de la firma de ingeniería de consultoría MEP Green Building Energy Engineers
