Un sistema de bomba de calor hidráulica de circuito único puede ser simple, eficiente y rentable, pero sólo cuando las condiciones hidráulicas se mantienen dentro de los requisitos de funcionamiento de la bomba de calor.
En proyectos reales de calefacción y refrigeración, una bomba de calor aire-agua puede conectarse a diferentes tipos de unidades terminales, entre ellas:
Estas terminales no siempre funcionan simultáneamente.
A medida que los termostatos alcanzan sus puntos de ajuste, las válvulas de zona pueden cerrarse. Las válvulas de control de la bobina del ventilador pueden modularse. Los filtros pueden ensuciarse. La resistencia del sistema puede cambiar.
Como resultado,el caudal de agua real a través de la bomba de calor puede ser muy diferente del caudal de diseño.
Este es uno de los retos de ingeniería más importantes en un sistema de bomba de calor de circuito único o de conexión directa.
1¿Por qué el flujo de agua es tan importante para una bomba de calor?
Cada bomba de calor hidrónica está diseñada y probada en condiciones de funcionamiento específicas.
Estos incluyen normalmente:
-
Temperatura del aire exterior
-
Entrada de la temperatura del agua
-
Temperatura de salida del agua
-
Cantidad de flujo de agua
-
Diferencia de temperatura entre el suministro y el retorno, o ΔT
Entre estos parámetros,La velocidad de flujo de agua es particularmente importante para el intercambiador de calor junto al agua.
La relación básica de transferencia de calor es:
Q = ṁ × Cp × ΔT
Para los sistemas HVAC basados en agua, esto puede simplificarse a:
Q ≈ 1,163 × V × ΔT
Donde:
-
- ¿ Qué?= capacidad de transferencia de calor, kW
-
V.= caudal de agua, m3/h
-
DT= diferencia de temperatura del agua, K
Esta ecuación explica por qué el flujo de agua y ΔT no pueden considerarse independientemente.
Para una velocidad de transferencia de calor determinada:
Flujo inferior → ΔT superior
y
Flujo superior → ΔT inferior
2¿Qué sucede cuando el flujo de agua es demasiado bajo?
Supongamos que una bomba de calor está diseñada para funcionar a:
Flujo de agua de diseño = 4,0 m3/h
Si el flujo real del sistema cae en un 20%, el flujo se convierte en:
3.2 m3/h
Si la bomba de calor sigue tratando de transferir aproximadamente la misma cantidad de energía, el ΔT del lado del agua debe aumentar.
Por ejemplo:
Condición del diseño
20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K
Si el caudal cae a aproximadamente 2,75 m3/h mientras que la transferencia de calor se mantiene en 20 kW:
ΔT ≈ 6,25 K
Por lo tanto, el sistema comienza a alejarse de su condición original de diseño.
Una desviación moderada puede ser manejable.
Una gran desviación puede no ser.
3El bajo flujo de agua puede reducir el rendimiento de la bomba de calor
El flujo de agua insuficiente hace más que aumentar ΔT.
Puede influir:
-
Rendimiento del intercambiador de calor
-
Presión de condensación del refrigerante
-
Temperatura de evaporación del refrigerante
-
Condiciones de funcionamiento del compresor
-
Dejar la temperatura del agua estable
-
Capacidad de calefacción o refrigeración
-
COP/EER
-
Operación de descongelación
-
Confiabilidad del sistema
Las consecuencias son diferentes en el funcionamiento de calefacción y refrigeración.
4. Bajo flujo durante la operación de calefacción
Durante el modo de calentamiento, el refrigerante transfiere calor al agua circulante a través del condensador.
Si el flujo de agua se vuelve demasiado bajo, el agua no puede eliminar el calor del intercambiador de calor del refrigerante lo suficientemente rápido.
Esto puede hacer que la temperatura del agua que sale a subir rápidamente.
Al mismo tiempo, la temperatura y la presión de condensación del refrigerante pueden aumentar.
En casos graves, la bomba de calor puede presentar:
-
Protección de alta presión
-
Temperatura de descarga excesiva
-
Temperatura de salida de agua inestable
-
Ciclos del compresor
-
Reducción de la eficiencia operativa
-
Alarmas de protección del intercambiador de calor
La respuesta exacta depende del circuito de refrigeración de la bomba de calor y de la lógica de control.
Modo de calefacción Relación simplificada
Flujo normal
Bomba de calor
↓
Flujo de agua adecuado
↓
Transferencia de calor estable
↓
Presión de condensación estable
↓
Funcionamiento normal
Flujo insuficiente
Bomba de calor
↓
Reducción del flujo de agua
↓
Reducción de la eliminación de calor
↓
DT en el lado del agua superior
↓
Temperatura/presión de condensación más alta
↓
Protección posible contra altas presiones
Es por eso que es esencial mantener el flujo mínimo.
5El bajo flujo puede ser aún más crítico durante la refrigeración.
Durante el funcionamiento de refrigeración, la bomba de calor elimina el calor del agua circulante.
El intercambiador de calor del lado del agua ahora funciona como un evaporador.
Si el flujo de agua se vuelve demasiado bajo, la temperatura del agua dentro del intercambiador de calor puede disminuir excesivamente.
Esto puede resultar en:
Bajo caudal de agua → Baja temperatura de evaporación → Riesgo de congelación
Si la condición se vuelve grave, el agua dentro del intercambiador de calor de la placa puede congelarse.
La expansión del hielo puede dañar el intercambiador de calor.
Esto es un fallo grave porque un intercambiador de calor de placa dañado puede permitir que el agua entre en el circuito del refrigerante.
Por lo tanto, los sistemas de refrigeración requieren una consideración particularmente cuidadosa de:
-
Flujo mínimo de agua
-
Protección del interruptor de flujo
-
Protección de la temperatura del agua
-
Protección anticongelante
-
Calidad del agua
-
Concentración de glucol cuando sea necesario
-
Lógica de funcionamiento de la bomba
6El flujo de diseño no es necesariamente el flujo de operación real
Este es uno de los conceptos más importantes en el diseño de sistemas de un solo bucle.
Durante la puesta en marcha, todos los circuitos terminales podrán estar abiertos.
El instalador mide el sistema y todo parece normal.
Por ejemplo:
Flujo de diseño de la bomba de calor: 4,0 m3/h
Flujo de puesta en marcha medido: 4,1 m3/h
Todo parece correcto.
Pero, ¿qué pasa cuando el edificio comienza a funcionar normalmente?
Supongamos que el sistema contiene seis unidades de la bobina del ventilador.
A plena carga:
El flujo total de flujo de la unidad de control 1 + de la unidad de control 2 + de la unidad de control 3 + de la unidad de control 4 + de la unidad de control 5 + de la unidad de control 6 es adecuado
Más tarde, cinco habitaciones alcanzan sus valores de termostato.
Cinco válvulas motorizadas se cierran.
Sólo una bobina del ventilador permanece activa.
La resistencia hidráulica del sistema cambia drásticamente.
La bomba de calor puede recibir ahora mucho menos del flujo mínimo de agua requerido.
Esto significa:
Un sistema que funcione correctamente durante la puesta en marcha puede no funcionar correctamente en condiciones de carga parcial.
Esto es especialmente importante para las bombas de calor de inversor porque los edificios pasan un porcentaje significativo de la temporada de calefacción funcionando a carga parcial.
7Las unidades terminales crean resistencia hidráulica variable.
Las diferentes terminales tienen diferentes características hidráulicas.
Por ejemplo:
Calentamiento por suelo
El flujo está influenciado por:
-
Número de bucles activos
-
Balanceamiento múltiple
-
Duración del tubo
-
Diámetro del tubo
-
Posición del actuador
-
Valvas de mezcla
-
Control termostático
Unidades de bobina de ventilador
El flujo puede cambiar cuando:
-
Las válvulas bidireccionales se cierran
-
Las válvulas de control modulan
-
Las ramas de la bobina del ventilador están aisladas
-
Los filtros se ensucian
Radiadores
El flujo puede variar según:
Por lo tanto, el diseñador no debe calcular sólo elCondición de diseño a plena carga.
El sistema hidráulico también debe evaluarse en función de lacondiciones de carga mínima.
8Por qué la selección de la bomba de circulación se vuelve difícil
En un sistema de conexión directa, una bomba de circulación puede necesitar superar la resistencia a la presión de:
Bomba de calor + tubería + válvulas + filtros + manifold + unidades terminales
Por consiguiente, el punto de funcionamiento de la bomba requerido es:
Tasa de flujo de diseño + cabeza dinámica total
Sin embargo, la resistencia terminal no es necesariamente constante.
Cuando las válvulas se cierran, la curva de resistencia del sistema cambia.
Es por ello que la simple elección de una bomba más grande no siempre es una buena solución.
Una bomba de circulación de gran tamaño puede causar:
-
Flujo excesivo
-
Presión diferencial excesiva
-
Ruido del caudal
-
Problemas con la autoridad de las válvulas
-
Aumento del consumo de electricidad de las bombas
-
Sistema reducido ΔT
-
Estabilidad de control deficiente
El objetivo no es seleccionar la bomba más grande.
El objetivo es seleccionar una bomba que pueda funcionar correctamente en el rango hidráulico esperado.
9¿Por qué el flujo mínimo de la bomba de calor siempre debe ser protegido?
La mayoría de las bombas de calor aire-agua especifican un caudal mínimo permitido de agua.
Por ejemplo:
Flujo de diseño: 4,0 m3/h
Flujo mínimo permitido: 2,5 m3/h
El diseñador del sistema deberá garantizar que el caudal real de la bomba de calor no disminuya por debajo de 2,5 m3/h, incluso cuando se cierren varias zonas terminales.
Esto es fundamentalmente diferente de simplemente confirmar que el flujo de diseño está disponible a plena carga.
Un buen diseño hidráulico debe responder a dos preguntas:
Pregunta número uno
¿Puede el sistema proporcionar el caudal de diseño requerido a la carga máxima?
Pregunta n° 2
¿Puede el sistema mantener el caudal mínimo requerido de la bomba de calor a una carga mínima?
Ambas condiciones importan.
10Por qué un interruptor de flujo es necesario pero no suficiente
Por lo general, se instala un interruptor de flujo para proteger la bomba de calor.
Su propósito es sencillo:
Flujo adecuado → Se permite el funcionamiento de la bomba de calor
Flujo insuficiente → Bomba de calor detenida/protegida
Este es un dispositivo de seguridad importante.
Sin embargo:
Un interruptor de flujo protege a la bomba de calor de una mala condición hidráulica; no corrige la condición hidráulica.
Esta distinción es crítica.
Si las válvulas terminales reducen continuamente el caudal de agua por debajo del requisito mínimo, el interruptor de caudal puede detener repetidamente la bomba de calor.
El equipo está siendo protegido pero el sistema de calefacción todavía no funciona correctamente.
Por lo tanto, la protección del flujo y el diseño hidráulico nunca deben confundirse.
11Las válvulas bidireccionales y el problema de la carga parcial
Las válvulas bidireccionales se utilizan ampliamente en los sistemas HVAC modernos.
Cuando una habitación necesita calefacción:
El termostato está encendido → La válvula se abre → El agua fluye
Cuando la habitación alcanza el punto de ajuste:
El termostato apagado → la válvula se cierra → el flujo de agua se detiene
Esto proporciona un excelente control a nivel de la habitación.
Sin embargo, en un sistema de un solo bucle, el cierre de múltiples válvulas bidireccionales reduce el flujo total del sistema.
Por ejemplo:
Carga completa
6 zonas abiertas
→ 100% de flujo de diseño
→ La bomba de calor funciona normalmente
Carga parcial
3 zonas abiertas
→ Flujo reducido
→ La bomba de calor puede seguir funcionando normalmente
Carga mínima
1 zona abierta
→ Flujo muy bajo del sistema
→ El caudal mínimo de la bomba de calor puede no estar satisfecho
Este es uno de los desafíos hidráulicos más comunes en sistemas de conexión directa de zonas múltiples.
12- La válvula de derivación de presión diferencial.
Una solución posible es unaválvula de derivación de presión diferencial.
El desvío se instala entre las tuberías de suministro y de retorno.
Cuando las válvulas terminales estén abiertas:
Presión diferencial baja → Bypass cerrado
El agua fluye a través de los terminales.
Cuando se cierran las válvulas terminales:
Resistencia del sistema ↑
Presión diferencial ↑
La válvula de derivación se abre gradualmente.
Una parte del agua de suministro pasa entonces por el sistema terminal y vuelve directamente a la bomba de calor.
Esto ayuda a mantener la circulación mínima.
Lógica simplificada
Suministro de bombas de calor
↓
Circuito de terminales
↓
Regreso
Pero cuando el flujo terminal disminuye:
Suministro → Desvío de presión diferencial → Regreso
Esto puede ayudar a proteger el flujo mínimo de la bomba de calor.
Sin embargo, el flujo de derivación debe diseñarse adecuadamente porque la derivación excesiva puede aumentar la temperatura del agua de retorno durante el calentamiento y reducir la entrega de calor útil al edificio.
13Las válvulas de tres vías pueden mantener un flujo más constante
Otro enfoque es el uso de válvulas de control de tres vías.
A diferencia de una válvula de dos vías que simplemente detiene el flujo de agua, una disposición de tres vías puede redirigir el flujo a través de un camino de derivación.
Conceptualmente:
La habitación necesita calefacción
Suministro → Terminal → Regreso
La habitación no necesita calefacción
Suministro → Desvío → Regreso
Esto puede mantener un flujo de circulación primaria más estable.
Sin embargo, las válvulas de tres vías también crean un flujo de derivación continuo y pueden aumentar la energía de bombeo.
Por consiguiente, la elección entre válvulas bidireccionales y válvulas tridireccionales debe basarse en el diseño hidráulico completo y no en la preferencia de los componentes.
14Las bombas de velocidad variable necesitan una lógica de control adecuada.
Las bombas de circulación de velocidad variable pueden mejorar significativamente la eficiencia del sistema hidráulico.
Los modos de control comunes incluyen:
-
Velocidad constante
-
Presión diferencial constante
-
Presión diferencial proporcional
-
Control externo de 10 V
-
Control del PWM
-
Control de velocidad variable integrado en la bomba de calor
A medida que las válvulas terminales se cierran, una bomba de velocidad variable puede reducir su velocidad.
Esto puede reducir:
-
Energía de bombeo
-
Presión diferencial
-
Ruido del caudal
-
Tensión de las válvulas
Sin embargo, la bomba no debe reducir la velocidad tanto que el caudal de la bomba de calor caiga por debajo del mínimo requerido.
Por lo tanto:
Control de la bomba variable ≠ reducción del caudal ilimitada
El requisito de caudal mínimo de la bomba de calor sigue siendo la restricción que rige.
15Los filtros y filtros también afectan el flujo de la bomba de calor.
Los problemas de flujo no siempre son causados por válvulas de control.
Un filtro Y sucio o un separador magnético de suciedad puede aumentar gradualmente la caída de presión del sistema.
La progresión puede parecer:
Filtro limpio
↓
Caída de la presión normal
↓
Flujo normal
Entonces:
Acumulación de suciedad
↓
Caída de presión más alta
↓
Flujo de agua inferior
↓
ΔT más alto
↓
Problemas de rendimiento de la bomba de calor
Por ello, la puesta en marcha y el mantenimiento deben incluir:
Un sistema que funcionó correctamente cuando era nuevo puede desarrollar problemas hidráulicos más tarde debido a la contaminación o al aire atrapado.
16El aire en el circuito hidrónico también puede reducir el flujo.
La acumulación en el aire puede causar:
Por lo tanto, las salidas de aire automáticas, los separadores de aire, la presión correcta del sistema y los procedimientos de puesta en marcha adecuados son partes importantes del diseño hidráulico de la bomba de calor.
17La calefacción y la refrigeración deben evaluarse por separado.
Una bomba de calor aire-agua reversible no debe evaluarse hidráulicamente solo en modo de calefacción.
La calefacción y la refrigeración presentan riesgos diferentes.
Modo de calentamiento
Preocupación primaria con el flujo insuficiente:
Pobre rechazo térmico → Alta temperatura/presión de condensación
Modo de enfriamiento
Preocupación primaria con el flujo insuficiente:
Temperatura de evaporación baja → Riesgo de congelación
Por lo tanto, un sistema que es aceptable para la calefacción no es automáticamente seguro para la refrigeración.
Esto es particularmente importante para los sistemas que utilizan:
-
Las bobinas de ventilador
-
AHU de agua refrigerada
-
Refrigeración por radiación
-
Proceso de enfriamiento a baja temperatura
18. Lista de verificación de ingeniería práctica
Antes de poner en marcha un sistema de bomba de calor de circuito único, comprobar lo siguiente:
Bomba de calor
✓ Diseñar el flujo de agua
✓ Flujo mínimo permitido
✓ Flujo máximo permitido
✓ Volumen mínimo de agua del sistema
✓ Temperatura de salida del agua del calentamiento
✓ Temperatura de abandono del agua de enfriamiento
Bomba de circulación
✓ Flujo de diseño
✓ Cabeza disponible
✓ Modo de control
✓ Velocidad mínima
✓ Curva de la bomba
Red hidráulica
✓ Diámetro del tubo
✓ Caída total de la presión
✓ Resistencia de la válvula
✓ Resistencia al filtro
✓ Caída de la presión terminal
✓ Equilibrio hidráulico
Control de las terminales
✓ Número de zonas
✓ Válvulas de dos o tres vías
✓ Número mínimo de circuitos abiertos
✓ Flujo de carga parcial
✓ Requisito de bypass
Protección
✓ Interruptor de flujo
✓ Protección contra congelación
✓ Protección de alta presión
✓ Ventilación automática
✓ Vaso de expansión
✓ válvula de seguridad
Lo más importante:
Verificar el sistema hidráulico tanto con carga máxima como con carga mínima.
19El principio de diseño más importante
En el caso de un sistema de bomba de calor de circuito único, la bomba de calor y la red de distribución del edificio están conectadas hidráulicamente.
Eso significa que cada cambio en el lado terminal puede influir en la bomba de calor.
Un termostato cierra una válvula.
↓
Cambios en la resistencia del sistema.
↓
El flujo de agua cambia.
↓
Cambios en la ΔT de la bomba de calor.
↓
Las condiciones de funcionamiento de la refrigeración cambian.
↓
La capacidad, la eficiencia y la fiabilidad pueden cambiar.
Es por esto que el diseño hidráulico no puede separarse de la selección de la bomba de calor.
Conclusión
Un sistema de bomba de calor hidrónica de circuito único puede proporcionar una solución simple y altamente eficiente para la calefacción y refrigeración residencial y comercial ligera.
Pero el éxito de la operación depende en gran medida deestabilidad del flujo de agua.
El diseñador debe tener en cuenta no sólo la capacidad nominal de la bomba de calor, sino también:
Flujo de diseño → Flujo mínimo → ΔT → Caída de presión → Selección de la bomba → Resistencia terminal → Control de la zona → Estrategia de desvío → Protección del sistema
Una bomba de calor puede funcionar perfectamente cuando todas las terminales están abiertas durante la puesta en marcha, pero se vuelve inestable cuando el edificio entra en funcionamiento con carga parcial.
Por lo tanto, uno de los principios más importantes en el diseño del sistema de bomba de calor es:
No diseñe sólo para carga completa, diseñe el sistema hidráulico para todo el rango de funcionamiento.
El mantenimiento de un flujo de agua adecuado a través de la bomba de calor en todas las condiciones de funcionamiento esperadas es esencial paraeficiencia, confort, fiabilidad del compresor, protección contra congelación y rendimiento del sistema a largo plazo.
FAQ: Diseño del sistema de bomba de calor de circuito único
¿Qué sucede si el caudal de agua de la bomba de calor es demasiado bajo?
El bajo caudal de agua aumenta la diferencia de temperatura del lado del agua y puede reducir el rendimiento del intercambiador de calor.Las condiciones de bajo caudal pueden contribuir a una alta presión de condensación y a alarmas de protección.En el modo de refrigeración, un flujo insuficiente puede aumentar el riesgo de que el agua y las temperaturas de evaporación sean excesivamente bajas.
¿Por qué una bomba de calor necesita un flujo mínimo de agua?
El caudal mínimo garantiza que el intercambiador de calor del lado del agua pueda transferir continuamente la energía térmica requerida sin cambios excesivos de temperatura o condiciones de funcionamiento inestables del refrigerante.
¿Puede una bomba de circulación más grande resolver los problemas de bajo flujo?
No necesariamente. La selección de la bomba debe tener en cuenta tanto el caudal requerido como la cabeza del sistema.ruido y presión diferencial sin corregir el problema de diseño hidráulico subyacente.
¿Por qué disminuye el flujo de la bomba de calor cuando se cierran las válvulas de zona?
El cierre de las válvulas de zona bidireccional aumenta la resistencia hidráulica del sistema de distribución y elimina las trayectorias de flujo paralelas.
¿Un interruptor de flujo resuelve el flujo de agua insuficiente?
No, un interruptor de flujo es principalmente un dispositivo de protección que puede detener la bomba de calor cuando la circulación se vuelve insuficiente, pero no corrige la causa hidráulica del bajo flujo.
¿Cuándo debe considerarse una válvula de derivación de presión diferencial?
Puede ser útil en sistemas de flujo variable conectados directamente donde las válvulas terminales pueden cerrarse y se debe mantener una circulación mínima a través de la bomba de calor.Su ajuste y el flujo de derivación deben ser diseñados en lugar de seleccionados arbitrariamente.
¿Es adecuado un sistema de circuito único para múltiples zonas de calefacción?
Sí, pero el diseñador debe asegurarse de que el caudal mínimo y el volumen de agua requeridos por la bomba de calor se mantengan satisfechos cuando solo un pequeño número de zonas requieren calefacción o enfriamiento.
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