Las válvulas de control independientes de la presión (PICV) pueden ayudar a reducir los costos de energía y aumentar la comodidad de los ocupantes en aplicaciones de serpentines de calefacción y refrigeración en edificios. Una PICV se describe mejor como dos válvulas en una: una estándar válvula de control de 2 vías y un válvula de equilibrio.
Introducción a las válvulas PICV
Las válvulas de control independientes de la presión son una válvula automática de control de temperatura y una válvula reguladora de flujo automática empaquetadas en un solo cuerpo de válvula. Una válvula de bola con un inserto caracterizado funciona como una válvula de control de temperatura accionada regularmente, y un cartucho de control de presión proporciona regulación automática del flujo para mantener un flujo constante de agua caliente o fría independientemente de los cambios de presión del sistema.
Se utilizan en muchas aplicaciones HVAC de circuito cerrado. Los sistemas con válvulas de control independientes de la presión no necesitan equilibrarse ni reequilibrarse durante la puesta en servicio. Regulan y mantienen un flujo constante hacia el serpentín ya que la presión del agua en el sistema varía con las cargas cambiantes.
Esto ofrece mayor comodidad, aumenta la eficiencia energética, reduce el funcionamiento del actuador y reduce las costosas devoluciones de llamadas. Las válvulas independientes de la presión permiten que el sistema funcione mejor. Con el flujo adecuado para cada serpentín, las calderas y enfriadores son más eficientes
Principio de funcionamiento
Los PICV obtienen resultados óptimos porque solo se entrega la cantidad necesaria de agua caliente (en GPM) y agua fría (en GPM) a los serpentines de calefacción y refrigeración. Las válvulas de control estándar de 2 vías permiten desbordamiento y desbordamiento insuficiente, especialmente si el CV está sobredimensionado o subdimensionado. Esto genera un exceso de agua hacia la bomba para compensar su imprecisión, lo que aumenta el costo de bombeo.
Los actuadores de las válvulas PICV no realizan ciclos con tanta frecuencia como las válvulas estándar de 2 vías para compensar los cambios de presión en el sistema que afectan el flujo, lo que resulta en ahorros de energía.
A continuación se ofrece una explicación simplificada del funcionamiento de la PICV utilizando un sistema de dos válvulas. La segunda válvula (V2 en el gráfico siguiente) regula el diferencial de presión a través de la primera válvula (V1) utilizando un elemento de diafragma rodante contrarrestado por un resorte. La primera válvula es un dispositivo de orificio variable calibrado ajustado por el actuador (similar a una válvula de control modulante estándar).
El diafragma reacciona al sistema y regula el diferencial de presión a través del orificio de la válvula de control accionada para mantener su caudal.
En un PICV (ver gráfico a continuación), al preestablecer el caudal máximo, el orificio de entrada cambia de tamaño, lo que no interfiere con la longitud de la carrera. Al modular, las áreas de los orificios se ven afectadas por el actuador utilizando toda su carrera. Esto da como resultado que el área del orificio cambie de tamaño con un movimiento vertical.
La importancia de un sistema equilibrado
El propósito de una válvula reguladora de flujo automática es garantizar que cada serpentín tenga el flujo correcto en todo momento y en todas las condiciones de carga. Un sistema HVAC está en equilibrio cuando el flujo de fluido a través del serpentín está dentro de más o menos el 10 % del flujo de diseño.. Si el sistema no está en equilibrio, la distribución desigual del flujo creará demasiado flujo en algunas de las bobinas y muy poco flujo en otras. Los serpentines con caudales inadecuados no se acondicionarán adecuadamente. Los serpentines con exceso de flujo no funcionarán de manera eficiente. Desperdiciarán energía porque el flujo será demasiado alto para maximizar la cantidad de energía transferida entre el agua y el aire que fluye a través del serpentín, aumentará la energía de bombeo y los ocupantes se quejarán de los puntos fríos y calientes del edificio.
Se utiliza una válvula de equilibrio manual para ajustar el flujo de fluido real a través de cada serpentín al flujo de diseño, con todas las válvulas de control automático abiertas a la posición de flujo total. Esto se hace ajustando manualmente las válvulas de equilibrio, una a la vez. Se ajusta una válvula, luego la siguiente y así sucesivamente. Cada vez que se ajusta uno el sistema cambia, por lo que las válvulas que antes estaban balanceadas dejan de estar balanceadas.
Es por eso que ASHRAE recomienda que cada válvula se ajuste al menos 3 veces para obtener un flujo real dentro de más o menos el 10 % del flujo de diseño y se considere "equilibrada".
Problemas en sistemas HVAC que utilizan válvulas de control convencionales
Incluso después de equilibrar manualmente un sistema, solo se equilibra en la posición de flujo total. Una vez que cualquier válvula en el sistema cambia de posición, cambia la presión del sistema y hace que el sistema se desequilibre y reduzca la eficiencia. Esto causará problemas de comodidad, sin embargo, también puede causar un problema conocido como síndrome delta T bajo.
Delta T es la diferencia de temperatura del agua a cada lado del serpentín. Si el flujo de agua a través del serpentín es demasiado alto, no extraerá calor del espacio de manera eficiente. En el modo de enfriamiento, la temperatura del agua de retorno será más fría de lo diseñado porque el agua no pasó suficiente tiempo en el serpentín para tener una transferencia de calor adecuada. Muchos de los sistemas HVAC modernos de hoy tienen bombas de flujo variable para ahorrar energía. Los sistemas de velocidad variable utilizan menos energía que los sistemas de flujo constante cuando el motor de la bomba funciona a velocidades más lentas.
En teoría, los sistemas de flujo variable con válvulas de control convencionales deberían mejorar el delta T en el serpentín. Sin embargo, a medida que cambia la presión en estos sistemas, el flujo a través de la válvula aumentará o disminuirá. Este hecho es evidente en la fórmula básica de flujo (Flujo=CV√∆p). A medida que aumenta el diferencial de presión (delta P), el flujo tiene que aumentar si el área abierta permanece igual. El único momento en el que queremos cambiar el flujo en el serpentín es cuando cambia el requisito de carga, entonces el actuador debe responder cambiando el área abierta de la válvula. Estos cambios de flujo sin un cambio en la posición del actuador generalmente resultan en un flujo excesivo, especialmente cuando se requieren altos caudales del serpentín. Esto dará como resultado un delta T bajo en refrigeración y calefacción. Las válvulas de control con rango bajo hacen que controlar el flujo sea aún más difícil en estos sistemas.
El delta T del serpentín que es inferior al delta T de diseño indica que hay una transferencia de calor ineficiente y que el agua fría que se ha enviado al serpentín permanece fría cuando regresa al enfriador. Esto puede ser causado por bobinas sucias, pero a menudo es causado por un flujo demasiado alto causado por estas fluctuaciones de presión en el sistema. Este aumento del flujo provoca una refrigeración deficiente en el espacio ocupado y hace que la bomba trabaje innecesariamente. Los enfriadores pueden subir de nivel en respuesta al flujo y no a la carga. Incluso podría provocar que el enfriador se congele. Si puede controlar el flujo hacia el serpentín ralentizándolo, puede aumentar el delta T mientras ahorra energía de la bomba.
El bajo delta T también causa problemas en los sistemas de calefacción, especialmente cuando se utilizan calderas de condensación. Si la energía no se transfiere completamente a los serpentines de calefacción, la temperatura del agua que regresa a la caldera no permitirá que la caldera se condense. Cuando esto sucede, la caldera se convierte en una costosa caldera convencional. Estos factores aumentarán el costo de operación y harán que el espacio sea menos cómodo.
El delta T bajo también requiere equipo adicional para calentar o enfriar el agua, ya que el caudal es muy alto. El caudal está directamente relacionado con delta T y la transferencia de calor en el equipo. Delta T = BTUH/(500 gpm), por lo que si se puede reducir el caudal, el delta T aumentará, por lo que se podrá utilizar menos equipo para calentar o enfriar el agua. Si el caudal se reduce a la mitad, el delta T se duplica. Esto puede generar ahorros en gastos de capital, ya que se puede evitar la compra de enfriadores o bombas adicionales.
Las válvulas en un sistema ineficiente como este cambiarán frecuentemente de posición para compensar las fluctuaciones de temperatura causadas por los cambios en el flujo. Esto aumenta el desgaste de los actuadores de las válvulas, por lo que pueden fallar prematuramente.
Ventajas de la válvula de control independiente de la presión (ventajas PICV)
Las válvulas de control independientes de la presión integran funciones de control y equilibrio dinámico en un solo producto. Responden a los cambios de presión para mantener el flujo deseado. La parte reguladora de presión diferencial de la válvula incorpora un diafragma de goma que se mueve mediante presión diferencial y un resorte. Está expuesto a la presión de entrada por un lado y a la presión de salida por el otro. A medida que el diafragma se mueve, opera una válvula que mantiene constante la caída de presión a través de la válvula de bola independientemente de los cambios de presión del sistema. Luego, la sección de la válvula de bola modula para mantener el punto de ajuste de la habitación, de modo que el flujo varíe según la demanda de la habitación, no según los cambios en la presión del sistema.
Y como la válvula es a la vez una válvula de control y una válvula de equilibrio automático, la instalación es más sencilla. No es necesario comprar ni instalar una válvula de equilibrio ni una válvula de control. Esto, además de no equilibrar ni reequilibrar el sistema, ahorra costes de instalación.
Las válvulas de control independientes de la presión reducen el costo inicial con un costo más bajo, una capacidad de equipo más pequeña y un tamaño de tubería más pequeño. También eliminan la necesidad de costosas y complejas tuberías de retorno inverso. Reducen en gran medida el trabajo de prueba, ajuste y equilibrio. Esto es especialmente pronunciado en proyectos por fases donde todo el sistema debe equilibrarse nuevamente a medida que se completa cada nueva fase.
Selección, instalación y mantenimiento de la válvula PICV
Para satisfacer diversas aplicaciones, las válvulas de control independientes de presión vienen en una amplia variedad de configuraciones de flujo incremental. Seleccione la válvula correcta para su aplicación eligiendo una válvula que coincida con el caudal de diseño del serpentín. Seleccione la válvula más pequeña capaz de entregar este caudal de diseño, pero redondee al siguiente tamaño cuando sea necesario.
Como ocurre con cualquier instalación lo mejor es utilizar válvulas de aislamiento para facilitar el mantenimiento.
Las válvulas de control independientes de la presión tienen pequeños canales en el cuerpo de la válvula a cada lado del diafragma. Esto hace que la buena calidad del agua sea importante. Los filtros instalados antes de cada válvula son eficaces para eliminar contaminantes relativamente grandes. Estos filtros también protegerán las bobinas y el equipo del sistema. Sin embargo, no filtrarán partículas muy pequeñas. Para ello, es importante garantizar la calidad del medio con tratamiento continuo del agua y filtración con un filtro de corriente lateral (bypass). La puesta en marcha adecuada incluye lavar el sistema.
Además, si la velocidad de la bomba se controla con un sensor de presión diferencial remoto, los mayores ahorros se lograrán colocando el sensor en la válvula de control independiente de la presión ubicada más alejada de la bomba. De esta manera, la bomba es impulsada para desarrollar solo la altura necesaria para soportar la válvula y el serpentín más remotos del sistema.
Conclusión
En conclusión, las válvulas de control independientes de la presión simplifican la instalación y la puesta en marcha. Proporcionan un flujo constante incluso cuando las cargas cambian y las válvulas del sistema se abren y cierran. Esto reduce el funcionamiento del actuador y ofrece un mejor control de zona. También reducen los costos y hacen que todo el sistema funcione mejor porque con el flujo adecuado para cada serpentín, las bombas y los enfriadores funcionan de manera eficiente.