Al diseñar un sistema de bomba de calor aire-agua, el tanque intermedio a veces se trata como un simple recipiente de almacenamiento de agua.
Pero desde la perspectiva de la ingeniería hidrónica, su papel puede ser mucho más importante.
Un tanque de inercia correctamente diseñado puede ayudar a:
Aumentar el volumen de agua del sistema y la inercia térmica.
Reducir los ciclos cortos de la bomba de calor
Separar hidráulicamente la bomba de calor del circuito del edificio
Estabilizar el flujo de agua a través de la bomba de calor.
Ayuda a recoger y eliminar el aire atrapado.
Proporcionar un lugar donde los sedimentos puedan asentarse.
Simplifique la selección de bombas
Facilite la resolución de problemas y la puesta en marcha
Esto es especialmente importante en unsistema hidrónico secundario, donde el circuito de bomba de calor y el circuito de distribución del edificio funcionan con bombas de circulación separadas.
Entonces, ¿qué hace exactamente un tanque de compensación y cuándo vale la pena instalarlo?
Veámoslo desde la perspectiva de un ingeniero.
Un tanque de compensación es un recipiente de agua instalado dentro de un sistema hidrónico de calefacción o refrigeración.
A diferencia de un cilindro de agua caliente sanitaria, su propósito principal generalmente esno almacenar agua caliente potable.
En cambio, contiene el agua del sistema que circula entre la bomba de calor y los terminales de calefacción o refrigeración.
En un sistema secundario típico podemos dividir la instalación en dos circuitos:
Circuito primario
Bomba de calor con fuente de aire → Bomba de circulación primaria → Tanque de compensación → Bomba de calor
Circuito secundario
Tanque de inercia → Bomba de circulación secundaria → Calefacción por suelo radiante / Radiadores / Fan Coils → Tanque de inercia
Por lo tanto, el tanque de inercia se convierte en una interfaz entre:
Fuente de calor ↔ Carga del edificio
Esta disposición permite que la bomba de calor y el sistema de distribución del edificio funcionen en diferentes condiciones hidráulicas.
Esta es probablemente la función más conocida de un tanque de inercia.
El agua proporciona masa térmica.
Cuanta más agua contiene un sistema hidrónico, más energía térmica se requiere para cambiar su temperatura.
La relación básica es:
Q = m × Cp × ΔT
Dónde:
q= energía térmica
metro= masa de agua
CP= capacidad calorífica específica
ΔT= cambio de temperatura del agua
Para cálculos prácticos de HVAC, aproximadamente:
1 litro de agua almacena 1,16 Wh de energía térmica por cada cambio de temperatura de 1°C.
Por ejemplo, un tanque de inercia de 200 L que funcione en un rango de temperatura utilizable de 5 °C proporciona aproximadamente:
200 × 1,16 × 5 = 1160 Wh
o sobre:
1,16 kWh de almacenamiento térmico
Esto no significa que el tanque de inercia produzca energía.
Simplemente le da al sistema mayorinercia térmica.
Y eso puede resultar extremadamente útil para el funcionamiento de la bomba de calor.
Una de las principales razones por las que los ingenieros consideran un tanque de compensación esciclismo corto.
Imagine una bomba de calor inverter que pueda modular hasta una potencia de calefacción mínima de 5 kW.
Sin embargo, con una temperatura exterior suave, el edificio puede necesitar sólo 2 kW.
Ahora tenemos:
Potencia de la bomba de calor: 5 kW
Demanda del edificio: 2 kW
Exceso de potencia: 3 kW
Sin suficiente volumen de agua, esta energía adicional hace que la temperatura del agua aumente rápidamente.
La bomba de calor alcanza la temperatura nominal del agua de impulsión y se desconecta.
El edificio sigue consumiendo calor.
La temperatura del agua baja.
La bomba de calor arranca de nuevo.
El resultado es:
ENCENDIDO → APAGADO → ENCENDIDO → APAGADO → ENCENDIDO
Este es un ciclo corto.
El ciclismo frecuente puede afectar negativamente:
Eficiencia estacional
Estabilidad operativa del compresor
Comodidad interior
Vida del componente
Consumo electrico
Al agregar volumen de agua, un tanque de compensación reduce la velocidad del cambio de temperatura del agua.
Por lo tanto, la bomba de calor puede funcionar durante períodos más prolongados antes de alcanzar su condición de parada.
La producción de calor y la demanda de calor de los edificios casi nunca son perfectamente iguales en todo momento.
Suponer:
Salida de la bomba de calor > Demanda del edificio
El exceso de energía térmica aumenta temporalmente la temperatura del agua del sistema.
Ahora considere la condición opuesta:
Demanda del edificio > Salida instantánea de la bomba de calor
El edificio comienza a extraer parte de la energía térmica almacenada en el agua.
Por lo tanto, el tanque intermedio actúa como un amortiguador térmico temporal entre la generación de calor y el consumo de calor.
Una forma útil de expresar esto es:
Salida de la bomba de calor = Carga del edificio + Pérdidas del sistema ± Cambio en la energía almacenada
Por eso el términotanque de compensaciónes apropiado.
Ayuda a "amortiguar" las diferencias a corto plazo entre la fuente de calor y la carga.
En un sistema hidrónico secundario, una de las funciones más importantes de un tanque de compensación es la separación hidráulica.
Consideremos nuevamente los dos circuitos.
La bomba de circulación primaria se selecciona según:
Caudal necesario de la bomba de calor
Caída de presión del intercambiador de calor
Resistencia de la tubería primaria
Válvulas y accesorios
Requisitos de flujo mínimo y nominal del fabricante.
Es posible que la bomba de circulación secundaria deba funcionar:
Calefacción por suelo radiante
Radiadores
Unidades fancoil
Varios pisos
Múltiples zonas de calefacción
Válvulas de zona
Tramos de tubería largos
Colectores de distribución
Estas son condiciones hidráulicas completamente diferentes.
Sin separación, una bomba puede verse obligada a satisfacer ambos lados simultáneamente.
Con un sistema secundario diseñado adecuadamente, el circuito de la bomba de calor se puede optimizar para la bomba de calor mientras que el circuito terminal se puede optimizar para el edificio.
Esta es una gran ventaja de ingeniería.
El aire es uno de los problemas más subestimados en los sistemas HVAC hidrónicos.
Incluso después del llenado y la puesta en servicio, pequeñas cantidades de aire pueden permanecer disueltas en el agua o quedar atrapadas en diferentes lugares.
El aire puede entrar o permanecer en un sistema debido a:
Llenado inicial
Mantenimiento
Fuga
Fluctuaciones de presión
Gases disueltos que salen de la solución.
Puesta en marcha inadecuada
El aire en el sistema puede causar:
Ruido
Circulación reducida
Flujo inestable
Transferencia de calor reducida
Cavitación de la bomba
Corrosión
Bloqueo de aire
Mal rendimiento del terminal
Un tanque de compensación puede ayudar con la separación del aire debido a su gran área transversal.
Piense en el agua que fluye a través de una tubería relativamente pequeña.
La velocidad del agua puede ser bastante alta.
De este modo, el agua en movimiento puede arrastrar pequeñas burbujas de aire.
Cuando el agua ingresa a un tanque de compensación mucho más grande, el área de flujo de la sección transversal aumenta dramáticamente.
Como resultado:
La velocidad del agua disminuye.
La velocidad más baja hace que sea más fácil que las burbujas de aire arrastradas se separen del agua y suban hacia la parte superior del tanque.
Si es adecuadoVentilación automática o separador de aire.se instala en un punto alto apropiado, el aire acumulado se puede eliminar del sistema.
En términos simplificados:
Flujo de tubería de alta velocidad → Tanque de compensación → Menor velocidad → El aire sube → Ventilación de aire
Esto puede mejorar la estabilidad del sistema.
Sin embargo, un tanque de compensación no debe considerarse un sustituto de un separador de aire correctamente diseñado cuando sea necesario.
El mismo principio puede funcionar en la dirección opuesta para contaminantes más pesados.
La velocidad del agua disminuye cuando ingresa al tanque de compensación.
El aire tiende a subir.
Las partículas más pesadas tienden a sedimentarse.
Los sistemas hidrónicos pueden contener contaminantes como:
Restos de tuberías
Partículas de óxido
Óxidos metálicos
Escala
Residuos de instalación
Sólidos en suspensión
Estos contaminantes pueden originarse en tuberías, válvulas, accesorios, radiadores viejos u otros componentes.
Un drenaje adecuado en el punto bajo del tanque de inercia puede facilitar la eliminación del material sedimentado durante el mantenimiento.
Esto es especialmente útil en sistemas de modernización donde los radiadores y tuberías existentes ya pueden contener contaminación.
Nuevamente, el tanque de inercia no reemplaza a un tanque dedicadoseparador de suciedad o filtro magnéticocuando estos sean requeridos.
En cambio, puede complementar la estrategia general de gestión del aire y la suciedad del sistema.
El aire y la contaminación no son sólo cuestiones de mantenimiento.
Pueden afectar directamente el rendimiento de la bomba de calor.
El aire atrapado en un circuito hidrónico puede reducir la circulación efectiva del agua y la transferencia de calor.
Los contaminantes pueden potencialmente afectar:
Intercambiadores de calor de placas
Bombas de circulación
válvulas de control
coladores
Sensores de flujo
Intercambiadores de calor fancoil
Por eso una buena ingeniería hidráulica no sólo debe considerar:
Flujo + Temperatura
pero también:
Calidad del agua + Gestión del aire + Separación de suciedad
Estos factores se vuelven cada vez más importantes a lo largo de la vida útil del sistema.
Ésta es una de las ventajas menos obvias de un sistema secundario.
Cuando la bomba de calor está conectada a un tanque de inercia a través de un circuito primario dedicado, las condiciones hidráulicas de este circuito son relativamente predecibles.
El diseñador puede calcular:
Caudal requerido + Caída de presión de la tubería + Caída de presión de la bomba de calor + Resistencia de la válvula/conexión
Esto hace que la selección de la bomba sea más precisa.
En lugar de elegir una bomba grande simplemente porque es difícil predecir toda la red del edificio, los ingenieros pueden seleccionar la bomba primaria específicamente para el circuito de la bomba de calor.
Por ejemplo:
Bomba de calor → Tubería primaria corta → Tanque de compensación
es mucho más fácil de calcular que:
Bomba de calor → Pisos múltiples → Diferentes diámetros de tubería → Válvulas de zona → Radiadores → Fan Coils → Calefacción por piso radiante → Colectores múltiples
Esta separación es especialmente valiosa en instalaciones complejas.
Las bombas de circulación consumen electricidad cada vez que funcionan.
Una bomba de gran tamaño puede crear:
Velocidad excesiva del agua
Mayor consumo eléctrico
Ruido de válvula
Presión diferencial innecesaria
Mal comportamiento de control.
Una bomba de tamaño insuficiente puede causar:
Flujo de agua insuficiente
Grande ΔT
Salida terminal reducida
Alarmas de bomba de calor
Mal rendimiento de calefacción o refrigeración
Por lo tanto:
La bomba de circulación correcta no es la bomba más grande: es la bomba que puede proporcionar el flujo requerido a la altura requerida con el control adecuado.
En un sistema secundario, el bucle primario dedicado facilita esta selección.
La bomba de circulación secundaria tiene un trabajo diferente.
Da servicio al edificio.
Su selección debe considerar factores como:
Tipo de terminal
Flujo terminal requerido
Longitud de la tubería
Diámetro de la tubería
Número de curvas
Colectores
válvulas de control
válvulas mezcladoras
Altura del edificio cuando sea relevante para el diseño del sistema.
Pérdida de presión de distribución
Demanda de zona simultánea
En proyectos reales, estimar perfectamente todos estos factores durante el diseño inicial puede resultar difícil.
Esto es particularmente cierto en proyectos de renovación.
Un sistema secundario ayuda a aislar la incertidumbre en el lado del edificio del circuito primario de la bomba de calor.
La mayoría de los edificios no requieren un flujo máximo todo el tiempo.
Considere una villa con ocho zonas de calefacción.
Por la noche, quizás sólo tres zonas requieran calefacción.
Si la bomba secundaria continúa funcionando a máxima velocidad, gran parte de su energía de bombeo puede ser innecesaria.
Una bomba ECM moderna de velocidad variable puede ajustar su punto de funcionamiento según la demanda del sistema.
Por ejemplo:
Más zonas abiertas → Mayor requisito de flujo
Menos zonas abiertas → Menor requisito de flujo
Esto es particularmente útil en:
Calefacción por suelo radiante zonificada
Sistemas de radiadores termostáticos.
Redes fancoil
Instalaciones multihabitación
El control correcto de la velocidad variable puede reducir significativamente el consumo innecesario de energía auxiliar.
Ésta es otra ventaja importante de la arquitectura del sistema secundario.
Elbomba primariaSe puede controlar según el funcionamiento de la bomba de calor.
Elbomba secundariaSe puede controlar según la demanda del edificio.
Por ejemplo:
Cuando la bomba de calor necesita calentar o enfriar:
Bomba de calor encendida → Bomba primaria encendida
Cuando la bomba de calor se detiene:
La bomba primaria sigue la lógica de control del fabricante.
Cuando una o más habitaciones requieran calefacción:
Demanda de zona → Bomba secundaria encendida
Cuando todas las zonas estén satisfechas:
Sin demanda del edificio → La bomba secundaria puede reducir la velocidad o detenerse
Esto permite que la fuente de calor y el sistema de distribución del edificio funcionen según sus propios requisitos.
Este beneficio es particularmente importante para los instaladores e ingenieros posventa.
En un sistema directo, la bomba de calor y toda la red de distribución del edificio están conectados hidráulicamente.
Si ocurre un problema de flujo, es posible que el técnico deba investigar:
Bomba de calor → Bomba → Tuberías → Válvulas → Colectores → Radiadores → Fan Coils → Calefacción por suelo radiante
El problema podría estar casi en cualquier parte.
Un sistema secundario divide la instalación en dos circuitos de más fácil diagnóstico.
Controlar:
bomba de calor
bomba primaria
Tubería primaria
Conexiones del tanque de inercia
sensor de flujo
válvulas primarias
Controlar:
bomba secundaria
Válvulas de zona
válvulas mezcladoras
Colector
Unidades terminales
Tuberías de distribución
Esta separación puede facilitar significativamente la puesta en servicio y la resolución de problemas.
Considere un proyecto usando:
Bomba de calor de fuente de aire + Radiadores + Fan Coils + Calefacción por suelo radiante
Cada terminal puede tener requisitos diferentes.
| Terminal | Características típicas |
|---|---|
| Calefacción por suelo radiante | Baja temperatura del agua, volumen de agua relativamente alto. |
| Radiador | Mayor temperatura del agua de calefacción según el diseño |
| Fan-coil | Funcionamiento de calefacción/refrigeración, a menudo flujo y ΔT diferentes |
| Múltiples zonas | Flujo en continuo cambio |
Intentar satisfacer todas estas condiciones con un circuito de flujo fijo puede resultar complicado.
Un sistema secundario proporciona mucha mayor flexibilidad.
Se pueden diseñar bombas, válvulas mezcladoras, colectores y controles separados de acuerdo con los requisitos de cada circuito terminal.
Las bombas de calor de fuente de aire que funcionan en climas fríos y húmedos necesitan descongelar periódicamente el intercambiador de calor exterior.
Durante el descongelamiento de ciclo inverso, la energía térmica se toma del lado del agua del sistema.
Si el volumen de agua disponible en el sistema es demasiado pequeño, la temperatura del agua puede bajar rápidamente durante el descongelamiento.
Por lo tanto, un volumen de agua adecuado puede ayudar a proporcionar estabilidad térmica durante este proceso.
Un tanque de compensación puede contribuir a esta masa térmica disponible.
Sin embargo, el volumen mínimo requerido del sistema y la estrategia de descongelación siempre deben seguir lasRequisitos técnicos del fabricante de la bomba de calor..
El tamaño de un tanque de compensación nunca debe dimensionarse basándose únicamente en conjeturas.
No.
Esto es importante.
Un tanque de compensación proporciona muchas funciones útiles, pero debería resolver un requisito de ingeniería real.
Es posible que un sistema simple no lo necesite si ya proporciona:
Volumen suficiente de agua del sistema
Flujo de agua estable
Caudal mínimo adecuado a través de la bomba de calor.
Buena modulación inversora.
Zonificación limitada
Diseño hidráulico correcto
Tiempo de funcionamiento mínimo aceptable del compresor
Por ejemplo, un sistema de calefacción por suelo radiante de una sola zona correctamente diseñado puede contener ya un volumen de agua considerable y tener un flujo estable.
Agregar un tanque de inercia grande puede proporcionar pocos beneficios adicionales.
Un tanque de inercia se vuelve mucho más valioso cuando el sistema tiene:
Múltiples zonas
Los termostatos y válvulas de ambiente cambian con frecuencia el flujo de agua.
Múltiples tipos de terminales
Los radiadores, la calefacción por suelo radiante y los fancoils funcionan en diferentes condiciones hidráulicas.
Volumen de agua del sistema bajo
El sistema no puede cumplir con el requisito de volumen mínimo del fabricante de la bomba de calor.
Riesgo de ciclo corto
La potencia mínima de la bomba de calor suele ser superior a la demanda del edificio.
Flujo variable
Muchas válvulas terminales se abren y cierran durante la operación.
Requisitos de separación hidráulica
La bomba de calor y los circuitos del edificio requieren diferentes caudales.
Requisitos de descongelación
La masa térmica adicional puede ayudar a mantener estable la temperatura del agua.
Distribución del edificio complejo
El circuito secundario tiene una resistencia hidráulica difícil de predecir.
Esto es particularmente importante para propietarios de viviendas y nuevos instaladores.
Atanque de compensacióny untanque de agua caliente sanitariarealizar diferentes funciones.
Contiene agua del sistema hidrónico y soporta:
Sistema de calefacción/refrigeración
Almacena agua caliente potable para:
Duchas / Grifería / Baños / Cocinas
Por tanto, algunas instalaciones de bomba de calor pueden contener ambos:
Bomba de calor + Depósito de inercia + Depósito ACS
No deben tratarse como el mismo componente.
Vale la pena enfatizar este punto.
La instalación de un tanque de inercia no puede corregir:
Dimensionamiento incorrecto de la bomba de calor
Cálculos deficientes de la carga de calor del edificio.
Tuberías de tamaño insuficiente
Selección de bomba incorrecta
Mala lógica de control
Requisitos de temperatura del agua excesivamente altos
Mala selección de terminal
Equilibrio inadecuado del sistema
Un tanque de compensación es una herramienta, no una cura para una mala ingeniería de HVAC.
Aún es necesario diseñar correctamente el sistema completo.
Un sistema secundario alcanza su máximo potencial cuando ambos lados se controlan de forma inteligente.
La filosofía básica es:
Lado primario = controlado según los requisitos de la bomba de calor
Lado Secundario = Controlado según demanda del edificio
Por ejemplo, la bomba de calor puede utilizar:
Control de temperatura del agua de salida
Compensación climática
Temperatura del tanque de inercia
Modulación del compresor
Mientras tanto, el sistema secundario podrá responder a:
Termostatos de ambiente
Demanda de zona
Presión diferencial
Temperatura del agua de suministro
Demanda terminal
Control de bomba de velocidad variable
El objetivo no es hacer que ambas bombas funcionen continuamente a máxima velocidad.
El objetivo es suministrarsólo el flujo y la energía térmica realmente necesarios.
| Función | Beneficio de ingeniería |
|---|---|
| Agrega volumen de agua | Aumenta la inercia térmica. |
| Almacena energía térmica temporalmente. | Ayuda a equilibrar los cambios de carga a corto plazo. |
| Reduce las fluctuaciones de temperatura. | Ayuda a prevenir ciclos cortos. |
| Separación hidráulica | Separa los requisitos de flujo de la bomba de calor y del terminal |
| Menor velocidad del agua en el tanque. | Puede ayudar a la separación del aire. |
| Volumen de sedimentación | Puede ayudar a recolectar contaminantes más pesados. |
| Circuito primario estable | Facilita la selección de la bomba primaria |
| Circuitos independientes | Permite un mejor control de la bomba |
| Masa térmica adicional | Puede soportar una operación de descongelación estable |
| Separación hidráulica | Simplifica la resolución de problemas |
Una buena instalación de bomba de calor debe equilibrar cuatro elementos fundamentales:
Generación de calor
↓
Flujo de agua
↓
Almacenamiento Térmico
↓
Demanda de construcción
En la intersección de estos elementos se encuentra el depósito de inercia.
Puede ayudar a gestionar las diferencias entre:
Salida de la bomba de calor ↔ Carga del edificio
y:
Flujo primario ↔ Flujo secundario
Esta es la razón por la que el tanque de compensación puede convertirse en un componente tan importante en un sistema hidrónico secundario bien diseñado.
En la aplicación correcta, absolutamente.
Un tanque de compensación diseñado adecuadamente puede hacer mucho más que simplemente aumentar la cantidad de agua en un sistema de bomba de calor aire-agua.
Puede proporcionar:
amortiguación térmica, separación hidráulica, estabilización de flujo, reducción de ciclo corto, gestión mejorada del aire, recolección de sedimentos, selección de bombas más sencilla, control de circuito independiente y resolución de problemas más sencilla.
Pero la frase clave es:
Correctamente diseñado.
El volumen del tanque de compensación, las conexiones de las tuberías, las bombas de circulación, los sensores, las válvulas y la estrategia de control deben trabajar juntos.
Para un sistema simple, estable y de una sola zona, puede que no sea necesario un tanque de compensación.
Para un sistema complejo conCalefacción por suelo radiante, radiadores, fancoils, multizona o caudal de agua variable., un sistema hidrónico secundario con un tanque de compensación diseñado correctamente puede proporcionar importantes ventajas de ingeniería.
El mejor sistema HVAC no es el que tiene más componentes.
Es aquel en el que cada componente tiene un claro propósito de ingeniería.
Para obtener más información técnica sobre bombas de calor de fuente de aire, sistemas de calefacción hidrónica, aplicaciones de calefacción por suelo radiante y soluciones de bombas de calor OEM, visite:
No siempre. Un tanque de compensación es particularmente útil cuando se requiere volumen de agua adicional del sistema, separación hidráulica, estabilización del flujo o prevención de ciclos cortos. Los sistemas simples con suficiente volumen de agua y flujo estable pueden funcionar sin uno.
Un tanque de compensación puede aumentar el volumen de agua del sistema, proporcionar inercia térmica, separar hidráulicamente los circuitos primario y secundario, ayudar a estabilizar el flujo, reducir los ciclos cortos y ayudar con el manejo del aire y los sedimentos.
No directamente. Un tanque de compensación puede mejorar el funcionamiento general del sistema al reducir los ciclos y estabilizar las condiciones hidráulicas, pero también introduce pérdida de calor. La eficiencia del sistema depende del diseño completo.
Puede ayudar a la separación del aire porque la velocidad del agua disminuye dentro del recipiente más grande, lo que permite que las burbujas de aire arrastradas se eleven más fácilmente. Es posible que aún sea necesario un separador de aire diseñado adecuadamente o una ventilación de aire automática.
La baja velocidad del agua puede permitir que se sedimenten algunas partículas más pesadas, especialmente si el tanque tiene un drenaje de punto bajo adecuado. Sin embargo, esto no elimina la necesidad de utilizar coladores, separadores de suciedad o filtros magnéticos cuando sea necesario.
Su posición depende de la arquitectura hidráulica y de la función prevista del tanque. Los tanques de compensación de cuatro tubos, los voluminizadores de dos tubos y otras configuraciones se comportan de manera diferente, por lo que el diseño de la conexión debe determinarse de acuerdo con los requisitos del sistema.
No existe una regla universal de litros por kW adecuada para todos los proyectos. El dimensionamiento debe considerar la salida mínima de la bomba de calor, el volumen de agua del sistema, el tiempo de funcionamiento mínimo, la ΔT permitida, la carga mínima del edificio, la zonificación y los requisitos del fabricante.
Al diseñar un sistema de bomba de calor aire-agua, el tanque intermedio a veces se trata como un simple recipiente de almacenamiento de agua.
Pero desde la perspectiva de la ingeniería hidrónica, su papel puede ser mucho más importante.
Un tanque de inercia correctamente diseñado puede ayudar a:
Aumentar el volumen de agua del sistema y la inercia térmica.
Reducir los ciclos cortos de la bomba de calor
Separar hidráulicamente la bomba de calor del circuito del edificio
Estabilizar el flujo de agua a través de la bomba de calor.
Ayuda a recoger y eliminar el aire atrapado.
Proporcionar un lugar donde los sedimentos puedan asentarse.
Simplifique la selección de bombas
Facilite la resolución de problemas y la puesta en marcha
Esto es especialmente importante en unsistema hidrónico secundario, donde el circuito de bomba de calor y el circuito de distribución del edificio funcionan con bombas de circulación separadas.
Entonces, ¿qué hace exactamente un tanque de compensación y cuándo vale la pena instalarlo?
Veámoslo desde la perspectiva de un ingeniero.
Un tanque de compensación es un recipiente de agua instalado dentro de un sistema hidrónico de calefacción o refrigeración.
A diferencia de un cilindro de agua caliente sanitaria, su propósito principal generalmente esno almacenar agua caliente potable.
En cambio, contiene el agua del sistema que circula entre la bomba de calor y los terminales de calefacción o refrigeración.
En un sistema secundario típico podemos dividir la instalación en dos circuitos:
Circuito primario
Bomba de calor con fuente de aire → Bomba de circulación primaria → Tanque de compensación → Bomba de calor
Circuito secundario
Tanque de inercia → Bomba de circulación secundaria → Calefacción por suelo radiante / Radiadores / Fan Coils → Tanque de inercia
Por lo tanto, el tanque de inercia se convierte en una interfaz entre:
Fuente de calor ↔ Carga del edificio
Esta disposición permite que la bomba de calor y el sistema de distribución del edificio funcionen en diferentes condiciones hidráulicas.
Esta es probablemente la función más conocida de un tanque de inercia.
El agua proporciona masa térmica.
Cuanta más agua contiene un sistema hidrónico, más energía térmica se requiere para cambiar su temperatura.
La relación básica es:
Q = m × Cp × ΔT
Dónde:
q= energía térmica
metro= masa de agua
CP= capacidad calorífica específica
ΔT= cambio de temperatura del agua
Para cálculos prácticos de HVAC, aproximadamente:
1 litro de agua almacena 1,16 Wh de energía térmica por cada cambio de temperatura de 1°C.
Por ejemplo, un tanque de inercia de 200 L que funcione en un rango de temperatura utilizable de 5 °C proporciona aproximadamente:
200 × 1,16 × 5 = 1160 Wh
o sobre:
1,16 kWh de almacenamiento térmico
Esto no significa que el tanque de inercia produzca energía.
Simplemente le da al sistema mayorinercia térmica.
Y eso puede resultar extremadamente útil para el funcionamiento de la bomba de calor.
Una de las principales razones por las que los ingenieros consideran un tanque de compensación esciclismo corto.
Imagine una bomba de calor inverter que pueda modular hasta una potencia de calefacción mínima de 5 kW.
Sin embargo, con una temperatura exterior suave, el edificio puede necesitar sólo 2 kW.
Ahora tenemos:
Potencia de la bomba de calor: 5 kW
Demanda del edificio: 2 kW
Exceso de potencia: 3 kW
Sin suficiente volumen de agua, esta energía adicional hace que la temperatura del agua aumente rápidamente.
La bomba de calor alcanza la temperatura nominal del agua de impulsión y se desconecta.
El edificio sigue consumiendo calor.
La temperatura del agua baja.
La bomba de calor arranca de nuevo.
El resultado es:
ENCENDIDO → APAGADO → ENCENDIDO → APAGADO → ENCENDIDO
Este es un ciclo corto.
El ciclismo frecuente puede afectar negativamente:
Eficiencia estacional
Estabilidad operativa del compresor
Comodidad interior
Vida del componente
Consumo electrico
Al agregar volumen de agua, un tanque de compensación reduce la velocidad del cambio de temperatura del agua.
Por lo tanto, la bomba de calor puede funcionar durante períodos más prolongados antes de alcanzar su condición de parada.
La producción de calor y la demanda de calor de los edificios casi nunca son perfectamente iguales en todo momento.
Suponer:
Salida de la bomba de calor > Demanda del edificio
El exceso de energía térmica aumenta temporalmente la temperatura del agua del sistema.
Ahora considere la condición opuesta:
Demanda del edificio > Salida instantánea de la bomba de calor
El edificio comienza a extraer parte de la energía térmica almacenada en el agua.
Por lo tanto, el tanque intermedio actúa como un amortiguador térmico temporal entre la generación de calor y el consumo de calor.
Una forma útil de expresar esto es:
Salida de la bomba de calor = Carga del edificio + Pérdidas del sistema ± Cambio en la energía almacenada
Por eso el términotanque de compensaciónes apropiado.
Ayuda a "amortiguar" las diferencias a corto plazo entre la fuente de calor y la carga.
En un sistema hidrónico secundario, una de las funciones más importantes de un tanque de compensación es la separación hidráulica.
Consideremos nuevamente los dos circuitos.
La bomba de circulación primaria se selecciona según:
Caudal necesario de la bomba de calor
Caída de presión del intercambiador de calor
Resistencia de la tubería primaria
Válvulas y accesorios
Requisitos de flujo mínimo y nominal del fabricante.
Es posible que la bomba de circulación secundaria deba funcionar:
Calefacción por suelo radiante
Radiadores
Unidades fancoil
Varios pisos
Múltiples zonas de calefacción
Válvulas de zona
Tramos de tubería largos
Colectores de distribución
Estas son condiciones hidráulicas completamente diferentes.
Sin separación, una bomba puede verse obligada a satisfacer ambos lados simultáneamente.
Con un sistema secundario diseñado adecuadamente, el circuito de la bomba de calor se puede optimizar para la bomba de calor mientras que el circuito terminal se puede optimizar para el edificio.
Esta es una gran ventaja de ingeniería.
El aire es uno de los problemas más subestimados en los sistemas HVAC hidrónicos.
Incluso después del llenado y la puesta en servicio, pequeñas cantidades de aire pueden permanecer disueltas en el agua o quedar atrapadas en diferentes lugares.
El aire puede entrar o permanecer en un sistema debido a:
Llenado inicial
Mantenimiento
Fuga
Fluctuaciones de presión
Gases disueltos que salen de la solución.
Puesta en marcha inadecuada
El aire en el sistema puede causar:
Ruido
Circulación reducida
Flujo inestable
Transferencia de calor reducida
Cavitación de la bomba
Corrosión
Bloqueo de aire
Mal rendimiento del terminal
Un tanque de compensación puede ayudar con la separación del aire debido a su gran área transversal.
Piense en el agua que fluye a través de una tubería relativamente pequeña.
La velocidad del agua puede ser bastante alta.
De este modo, el agua en movimiento puede arrastrar pequeñas burbujas de aire.
Cuando el agua ingresa a un tanque de compensación mucho más grande, el área de flujo de la sección transversal aumenta dramáticamente.
Como resultado:
La velocidad del agua disminuye.
La velocidad más baja hace que sea más fácil que las burbujas de aire arrastradas se separen del agua y suban hacia la parte superior del tanque.
Si es adecuadoVentilación automática o separador de aire.se instala en un punto alto apropiado, el aire acumulado se puede eliminar del sistema.
En términos simplificados:
Flujo de tubería de alta velocidad → Tanque de compensación → Menor velocidad → El aire sube → Ventilación de aire
Esto puede mejorar la estabilidad del sistema.
Sin embargo, un tanque de compensación no debe considerarse un sustituto de un separador de aire correctamente diseñado cuando sea necesario.
El mismo principio puede funcionar en la dirección opuesta para contaminantes más pesados.
La velocidad del agua disminuye cuando ingresa al tanque de compensación.
El aire tiende a subir.
Las partículas más pesadas tienden a sedimentarse.
Los sistemas hidrónicos pueden contener contaminantes como:
Restos de tuberías
Partículas de óxido
Óxidos metálicos
Escala
Residuos de instalación
Sólidos en suspensión
Estos contaminantes pueden originarse en tuberías, válvulas, accesorios, radiadores viejos u otros componentes.
Un drenaje adecuado en el punto bajo del tanque de inercia puede facilitar la eliminación del material sedimentado durante el mantenimiento.
Esto es especialmente útil en sistemas de modernización donde los radiadores y tuberías existentes ya pueden contener contaminación.
Nuevamente, el tanque de inercia no reemplaza a un tanque dedicadoseparador de suciedad o filtro magnéticocuando estos sean requeridos.
En cambio, puede complementar la estrategia general de gestión del aire y la suciedad del sistema.
El aire y la contaminación no son sólo cuestiones de mantenimiento.
Pueden afectar directamente el rendimiento de la bomba de calor.
El aire atrapado en un circuito hidrónico puede reducir la circulación efectiva del agua y la transferencia de calor.
Los contaminantes pueden potencialmente afectar:
Intercambiadores de calor de placas
Bombas de circulación
válvulas de control
coladores
Sensores de flujo
Intercambiadores de calor fancoil
Por eso una buena ingeniería hidráulica no sólo debe considerar:
Flujo + Temperatura
pero también:
Calidad del agua + Gestión del aire + Separación de suciedad
Estos factores se vuelven cada vez más importantes a lo largo de la vida útil del sistema.
Ésta es una de las ventajas menos obvias de un sistema secundario.
Cuando la bomba de calor está conectada a un tanque de inercia a través de un circuito primario dedicado, las condiciones hidráulicas de este circuito son relativamente predecibles.
El diseñador puede calcular:
Caudal requerido + Caída de presión de la tubería + Caída de presión de la bomba de calor + Resistencia de la válvula/conexión
Esto hace que la selección de la bomba sea más precisa.
En lugar de elegir una bomba grande simplemente porque es difícil predecir toda la red del edificio, los ingenieros pueden seleccionar la bomba primaria específicamente para el circuito de la bomba de calor.
Por ejemplo:
Bomba de calor → Tubería primaria corta → Tanque de compensación
es mucho más fácil de calcular que:
Bomba de calor → Pisos múltiples → Diferentes diámetros de tubería → Válvulas de zona → Radiadores → Fan Coils → Calefacción por piso radiante → Colectores múltiples
Esta separación es especialmente valiosa en instalaciones complejas.
Las bombas de circulación consumen electricidad cada vez que funcionan.
Una bomba de gran tamaño puede crear:
Velocidad excesiva del agua
Mayor consumo eléctrico
Ruido de válvula
Presión diferencial innecesaria
Mal comportamiento de control.
Una bomba de tamaño insuficiente puede causar:
Flujo de agua insuficiente
Grande ΔT
Salida terminal reducida
Alarmas de bomba de calor
Mal rendimiento de calefacción o refrigeración
Por lo tanto:
La bomba de circulación correcta no es la bomba más grande: es la bomba que puede proporcionar el flujo requerido a la altura requerida con el control adecuado.
En un sistema secundario, el bucle primario dedicado facilita esta selección.
La bomba de circulación secundaria tiene un trabajo diferente.
Da servicio al edificio.
Su selección debe considerar factores como:
Tipo de terminal
Flujo terminal requerido
Longitud de la tubería
Diámetro de la tubería
Número de curvas
Colectores
válvulas de control
válvulas mezcladoras
Altura del edificio cuando sea relevante para el diseño del sistema.
Pérdida de presión de distribución
Demanda de zona simultánea
En proyectos reales, estimar perfectamente todos estos factores durante el diseño inicial puede resultar difícil.
Esto es particularmente cierto en proyectos de renovación.
Un sistema secundario ayuda a aislar la incertidumbre en el lado del edificio del circuito primario de la bomba de calor.
La mayoría de los edificios no requieren un flujo máximo todo el tiempo.
Considere una villa con ocho zonas de calefacción.
Por la noche, quizás sólo tres zonas requieran calefacción.
Si la bomba secundaria continúa funcionando a máxima velocidad, gran parte de su energía de bombeo puede ser innecesaria.
Una bomba ECM moderna de velocidad variable puede ajustar su punto de funcionamiento según la demanda del sistema.
Por ejemplo:
Más zonas abiertas → Mayor requisito de flujo
Menos zonas abiertas → Menor requisito de flujo
Esto es particularmente útil en:
Calefacción por suelo radiante zonificada
Sistemas de radiadores termostáticos.
Redes fancoil
Instalaciones multihabitación
El control correcto de la velocidad variable puede reducir significativamente el consumo innecesario de energía auxiliar.
Ésta es otra ventaja importante de la arquitectura del sistema secundario.
Elbomba primariaSe puede controlar según el funcionamiento de la bomba de calor.
Elbomba secundariaSe puede controlar según la demanda del edificio.
Por ejemplo:
Cuando la bomba de calor necesita calentar o enfriar:
Bomba de calor encendida → Bomba primaria encendida
Cuando la bomba de calor se detiene:
La bomba primaria sigue la lógica de control del fabricante.
Cuando una o más habitaciones requieran calefacción:
Demanda de zona → Bomba secundaria encendida
Cuando todas las zonas estén satisfechas:
Sin demanda del edificio → La bomba secundaria puede reducir la velocidad o detenerse
Esto permite que la fuente de calor y el sistema de distribución del edificio funcionen según sus propios requisitos.
Este beneficio es particularmente importante para los instaladores e ingenieros posventa.
En un sistema directo, la bomba de calor y toda la red de distribución del edificio están conectados hidráulicamente.
Si ocurre un problema de flujo, es posible que el técnico deba investigar:
Bomba de calor → Bomba → Tuberías → Válvulas → Colectores → Radiadores → Fan Coils → Calefacción por suelo radiante
El problema podría estar casi en cualquier parte.
Un sistema secundario divide la instalación en dos circuitos de más fácil diagnóstico.
Controlar:
bomba de calor
bomba primaria
Tubería primaria
Conexiones del tanque de inercia
sensor de flujo
válvulas primarias
Controlar:
bomba secundaria
Válvulas de zona
válvulas mezcladoras
Colector
Unidades terminales
Tuberías de distribución
Esta separación puede facilitar significativamente la puesta en servicio y la resolución de problemas.
Considere un proyecto usando:
Bomba de calor de fuente de aire + Radiadores + Fan Coils + Calefacción por suelo radiante
Cada terminal puede tener requisitos diferentes.
| Terminal | Características típicas |
|---|---|
| Calefacción por suelo radiante | Baja temperatura del agua, volumen de agua relativamente alto. |
| Radiador | Mayor temperatura del agua de calefacción según el diseño |
| Fan-coil | Funcionamiento de calefacción/refrigeración, a menudo flujo y ΔT diferentes |
| Múltiples zonas | Flujo en continuo cambio |
Intentar satisfacer todas estas condiciones con un circuito de flujo fijo puede resultar complicado.
Un sistema secundario proporciona mucha mayor flexibilidad.
Se pueden diseñar bombas, válvulas mezcladoras, colectores y controles separados de acuerdo con los requisitos de cada circuito terminal.
Las bombas de calor de fuente de aire que funcionan en climas fríos y húmedos necesitan descongelar periódicamente el intercambiador de calor exterior.
Durante el descongelamiento de ciclo inverso, la energía térmica se toma del lado del agua del sistema.
Si el volumen de agua disponible en el sistema es demasiado pequeño, la temperatura del agua puede bajar rápidamente durante el descongelamiento.
Por lo tanto, un volumen de agua adecuado puede ayudar a proporcionar estabilidad térmica durante este proceso.
Un tanque de compensación puede contribuir a esta masa térmica disponible.
Sin embargo, el volumen mínimo requerido del sistema y la estrategia de descongelación siempre deben seguir lasRequisitos técnicos del fabricante de la bomba de calor..
El tamaño de un tanque de compensación nunca debe dimensionarse basándose únicamente en conjeturas.
No.
Esto es importante.
Un tanque de compensación proporciona muchas funciones útiles, pero debería resolver un requisito de ingeniería real.
Es posible que un sistema simple no lo necesite si ya proporciona:
Volumen suficiente de agua del sistema
Flujo de agua estable
Caudal mínimo adecuado a través de la bomba de calor.
Buena modulación inversora.
Zonificación limitada
Diseño hidráulico correcto
Tiempo de funcionamiento mínimo aceptable del compresor
Por ejemplo, un sistema de calefacción por suelo radiante de una sola zona correctamente diseñado puede contener ya un volumen de agua considerable y tener un flujo estable.
Agregar un tanque de inercia grande puede proporcionar pocos beneficios adicionales.
Un tanque de inercia se vuelve mucho más valioso cuando el sistema tiene:
Múltiples zonas
Los termostatos y válvulas de ambiente cambian con frecuencia el flujo de agua.
Múltiples tipos de terminales
Los radiadores, la calefacción por suelo radiante y los fancoils funcionan en diferentes condiciones hidráulicas.
Volumen de agua del sistema bajo
El sistema no puede cumplir con el requisito de volumen mínimo del fabricante de la bomba de calor.
Riesgo de ciclo corto
La potencia mínima de la bomba de calor suele ser superior a la demanda del edificio.
Flujo variable
Muchas válvulas terminales se abren y cierran durante la operación.
Requisitos de separación hidráulica
La bomba de calor y los circuitos del edificio requieren diferentes caudales.
Requisitos de descongelación
La masa térmica adicional puede ayudar a mantener estable la temperatura del agua.
Distribución del edificio complejo
El circuito secundario tiene una resistencia hidráulica difícil de predecir.
Esto es particularmente importante para propietarios de viviendas y nuevos instaladores.
Atanque de compensacióny untanque de agua caliente sanitariarealizar diferentes funciones.
Contiene agua del sistema hidrónico y soporta:
Sistema de calefacción/refrigeración
Almacena agua caliente potable para:
Duchas / Grifería / Baños / Cocinas
Por tanto, algunas instalaciones de bomba de calor pueden contener ambos:
Bomba de calor + Depósito de inercia + Depósito ACS
No deben tratarse como el mismo componente.
Vale la pena enfatizar este punto.
La instalación de un tanque de inercia no puede corregir:
Dimensionamiento incorrecto de la bomba de calor
Cálculos deficientes de la carga de calor del edificio.
Tuberías de tamaño insuficiente
Selección de bomba incorrecta
Mala lógica de control
Requisitos de temperatura del agua excesivamente altos
Mala selección de terminal
Equilibrio inadecuado del sistema
Un tanque de compensación es una herramienta, no una cura para una mala ingeniería de HVAC.
Aún es necesario diseñar correctamente el sistema completo.
Un sistema secundario alcanza su máximo potencial cuando ambos lados se controlan de forma inteligente.
La filosofía básica es:
Lado primario = controlado según los requisitos de la bomba de calor
Lado Secundario = Controlado según demanda del edificio
Por ejemplo, la bomba de calor puede utilizar:
Control de temperatura del agua de salida
Compensación climática
Temperatura del tanque de inercia
Modulación del compresor
Mientras tanto, el sistema secundario podrá responder a:
Termostatos de ambiente
Demanda de zona
Presión diferencial
Temperatura del agua de suministro
Demanda terminal
Control de bomba de velocidad variable
El objetivo no es hacer que ambas bombas funcionen continuamente a máxima velocidad.
El objetivo es suministrarsólo el flujo y la energía térmica realmente necesarios.
| Función | Beneficio de ingeniería |
|---|---|
| Agrega volumen de agua | Aumenta la inercia térmica. |
| Almacena energía térmica temporalmente. | Ayuda a equilibrar los cambios de carga a corto plazo. |
| Reduce las fluctuaciones de temperatura. | Ayuda a prevenir ciclos cortos. |
| Separación hidráulica | Separa los requisitos de flujo de la bomba de calor y del terminal |
| Menor velocidad del agua en el tanque. | Puede ayudar a la separación del aire. |
| Volumen de sedimentación | Puede ayudar a recolectar contaminantes más pesados. |
| Circuito primario estable | Facilita la selección de la bomba primaria |
| Circuitos independientes | Permite un mejor control de la bomba |
| Masa térmica adicional | Puede soportar una operación de descongelación estable |
| Separación hidráulica | Simplifica la resolución de problemas |
Una buena instalación de bomba de calor debe equilibrar cuatro elementos fundamentales:
Generación de calor
↓
Flujo de agua
↓
Almacenamiento Térmico
↓
Demanda de construcción
En la intersección de estos elementos se encuentra el depósito de inercia.
Puede ayudar a gestionar las diferencias entre:
Salida de la bomba de calor ↔ Carga del edificio
y:
Flujo primario ↔ Flujo secundario
Esta es la razón por la que el tanque de compensación puede convertirse en un componente tan importante en un sistema hidrónico secundario bien diseñado.
En la aplicación correcta, absolutamente.
Un tanque de compensación diseñado adecuadamente puede hacer mucho más que simplemente aumentar la cantidad de agua en un sistema de bomba de calor aire-agua.
Puede proporcionar:
amortiguación térmica, separación hidráulica, estabilización de flujo, reducción de ciclo corto, gestión mejorada del aire, recolección de sedimentos, selección de bombas más sencilla, control de circuito independiente y resolución de problemas más sencilla.
Pero la frase clave es:
Correctamente diseñado.
El volumen del tanque de compensación, las conexiones de las tuberías, las bombas de circulación, los sensores, las válvulas y la estrategia de control deben trabajar juntos.
Para un sistema simple, estable y de una sola zona, puede que no sea necesario un tanque de compensación.
Para un sistema complejo conCalefacción por suelo radiante, radiadores, fancoils, multizona o caudal de agua variable., un sistema hidrónico secundario con un tanque de compensación diseñado correctamente puede proporcionar importantes ventajas de ingeniería.
El mejor sistema HVAC no es el que tiene más componentes.
Es aquel en el que cada componente tiene un claro propósito de ingeniería.
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No siempre. Un tanque de compensación es particularmente útil cuando se requiere volumen de agua adicional del sistema, separación hidráulica, estabilización del flujo o prevención de ciclos cortos. Los sistemas simples con suficiente volumen de agua y flujo estable pueden funcionar sin uno.
Un tanque de compensación puede aumentar el volumen de agua del sistema, proporcionar inercia térmica, separar hidráulicamente los circuitos primario y secundario, ayudar a estabilizar el flujo, reducir los ciclos cortos y ayudar con el manejo del aire y los sedimentos.
No directamente. Un tanque de compensación puede mejorar el funcionamiento general del sistema al reducir los ciclos y estabilizar las condiciones hidráulicas, pero también introduce pérdida de calor. La eficiencia del sistema depende del diseño completo.
Puede ayudar a la separación del aire porque la velocidad del agua disminuye dentro del recipiente más grande, lo que permite que las burbujas de aire arrastradas se eleven más fácilmente. Es posible que aún sea necesario un separador de aire diseñado adecuadamente o una ventilación de aire automática.
La baja velocidad del agua puede permitir que se sedimenten algunas partículas más pesadas, especialmente si el tanque tiene un drenaje de punto bajo adecuado. Sin embargo, esto no elimina la necesidad de utilizar coladores, separadores de suciedad o filtros magnéticos cuando sea necesario.
Su posición depende de la arquitectura hidráulica y de la función prevista del tanque. Los tanques de compensación de cuatro tubos, los voluminizadores de dos tubos y otras configuraciones se comportan de manera diferente, por lo que el diseño de la conexión debe determinarse de acuerdo con los requisitos del sistema.
No existe una regla universal de litros por kW adecuada para todos los proyectos. El dimensionamiento debe considerar la salida mínima de la bomba de calor, el volumen de agua del sistema, el tiempo de funcionamiento mínimo, la ΔT permitida, la carga mínima del edificio, la zonificación y los requisitos del fabricante.