Sistemas Hidrónicos: carga estática y criterios de selección

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Cuando entramos en un edificio y experimentamos el confort del aire fresco, lo primero que advertimos es la presencia de un minisplit; en cambio, en desarrollos con grandes áreas de oficinas, centros comerciales y torres de departamentos, es un sistema hidrónico lo que brinda confort climático

Francisco Gastelum

Hay varias tecnologías para climatizar los espacios, una de ellas son los sistemas hidrónicos, los cuales conducen la energía a través de un líquido. En la actualidad, este tipo de sistemas son muy utilizados en calefacción y aire acondicionado, ya que los proyectos en donde se emplean garantizan seguridad, eficiencia y compatibilidad con energías renovables. En un sistema hidrónico normal, el líquido que se emplea es agua o agua con glicol, que es el medio de transmitir calor o enfriamiento en los sistemas de confort.

Hace tiempo trabajaba en una fábrica de bombas, en donde empecé seleccionándolas para diferentes procesos industriales y varios tipos de aplicaciones: riego, contra incendios, rebombeo, aguas negras, etcétera. En una ocasión me llamaron para revisar un problema con una de las bombas para chiller que estaba instalada en un hospital. Las tuberías se movían y brincaban; había mucho ruido, golpes de ariete y no encontraba una explicación.

Esta experiencia me llevó a estudiar y a consultar un tema al que no fue fácil darle solución, pues era una especialidad fuera de lo que trabajábamos en ese tiempo: la recirculación de agua para sistemas abiertos o cerrados en plantas de agua helada para confort; el tópico de este artículo.

Para seleccionar los equipos que integrarán un sistema de aire acondicionado en un edificio hay que comenzar con un estudio de cargas térmicas, saber qué tipo de uso se le dará al edificio, cuántas personas lo ocuparán y la orientación con referencia al sol, si va a llevar aislantes o envolventes, las condiciones climáticas de la zona, entre otras condiciones. Cuando se tiene esta información, se debe realizar una evaluación del tipo de sistema de aire acondicionado que se va a proponer, considerando eficiencias de consumo de energía, cuestiones de mantenimiento de los equipos y operatividad.

Con esta evaluación, se calcula la carga total; luego, cuando se decide que la mejor opción es un sistema de agua helada se debe continuar con el cálculo del sistema de bombeo, la selección de tuberías, válvulas, chillers, manejadoras de aire, entre otros.

Figura 1. Sistema abierto

Sistemas abiertos y cerrados
Para seleccionar las bombas es necesario conocer los elementos del sistema y determinar si se empleará uno abierto o uno cerrado. En el caso del primero hay dos puntos de contacto con la atmósfera; mientras que en el cerrado no.

En la Figura 1 se observa una recirculación de agua de la torre de enfriamiento (E) para el chiller, lado condensador (D). Tiene dos tipos de contacto con la atmósfera, uno en el punto A, en las espreas, donde inyecta el agua, y el otro es en el nivel del bacín de la torre en el punto B; donde la bomba (C) está haciendo una recirculación en el condensador del chiller a la torre; el agua absorbe la energía de calor del condensador del chiller y esta energía de calor se retira en la torre de enfriamiento. Es decir, un sistema hidrónico, el cual requiere los siguientes elementos:

Fuente: genera calor mediante una caldera, sistema solar o sistema geotérmico; chiller para producir agua helada, etcétera
Distribución: sistemas de bombeo
Conducción: tuberías para transportar el líquido. En residencias se utilizan mangueras tipo pex para piso radiante
Carga: es a donde llega el líquido y se hace la transferencia de calor, es decir, los serpentines

Unidades terminales del sistema hidrónico

Estos sistemas se utilizan en edificios grandes y medianos, así como en aplicaciones industriales que necesitan energía térmica. Su uso se observa cada vez más en hospitales, centros comerciales, hoteles, departamentos y escuelas.

Ventajas de los sistemas hidrónicos:

  • Es posible separar los sistemas tanto de calefacción como de enfriamiento utilizando la misma unidad terminal (este proceso también es conocido como sistema de 4 tubos)
  • Se obtiene aire primario de ventilación
  • Con el uso de tratamientos de aire se pueden mantener las condiciones de humedad dentro de los límites que marca la reglamentación. De igual modo, permite un grado de filtración adecuada en cada instalación
  • Posibilita la recuperación de energía de aire de extracción
  • Son sistemas respetuosos con el medioambiente, ya que el fluido que se extiende por todo el edificio es agua, y en caso de fuga es fácil de detectar y no genera contaminación
  • En cuanto al tema de seguridad, se emplea un fluido de baja presión e inerte
  • Sistema muy versátil que permite modificaciones durante la construcción del edificio
  • Facilitan el mantenimiento, ya que estos sistemas están centralizados en cuartos de máquinas para facilitar dichas operaciones
  • Permiten incorporar cualquier tipo de generador o utilidad terminal

Distribución
La distribución del líquido de la fuente a la carga se hace mediante sistemas de bombeo; para mover el líquido a las unidades terminales las bombas más utilizadas son las centrífugas. En este grupo se encuentran las motobombas, las de transmisión universal, las verticales en línea y las de carcaza bipartida.

En la motobomba el impulsor está sujeto a los baleros del motor, es compacta y de fácil instalación; en la bomba con transmisión universal o caja de baleros el impulsor está asegurado en los baleros de la caja, es de fácil mantenimiento y desmontaje, su tiempo de vida es más largo en comparación con la motobomba. La vertical en línea se caracteriza por la reducción de espacio, mientras que la carcaza bipartida tiene un impulsor de diseño con dos succiones, y eso brinda buenas características hidráulicas en cuanto gasto y carga.

La motobomba, la de transmisión universal y la vertical en línea, en su selección de gasto y de carga, y en la curva de operación, se comportan hidráulicamente igual, lo que las diferencia es su configuración de diseño1.

Figura 2. Sistema cerrado

Debido a que los sistemas cerrados (Figura 2) no tienen contacto con la atmósfera, éstos se deben presurizar. El agua sufre expansión con los cambios de temperatura; si no se tiene un elemento para liberar o compensar esa presión, se generan daños en el sistema, como rompimiento de tuberías, separaciones de bridas, daños a los serpentines y fugas. Es por eso que todo sistema cerrado lleva un tanque de expansión (B). Se le coloca un manómetro (K) para calibrar el tanque conforme al sistema y se instala una válvula eliminadora de aire (D). En este proceso de recirculación de agua, con los cambios de temperatura y la química del líquido, se libera aire. Este elemento produce mucho daño a estos sistemas, provoca golpes de ariete, cavitación en la bomba, causa ineficiencia en la transferencia de calor y en la toma de lecturas para su monitoreo2.

Asimismo, el aire debe extraerse; para ello, se coloca un tanque separador de aire (A); en esta parte del tanque se alimenta el agua del sistema cerrado y es por medio de una reductora de presión (E) y una válvula que se libera presión (B). Arriba del tanque se coloca otra eliminadora de aire (D). La bomba (C) distribuye el agua al sistema y la pasa por el evaporador del chiller (donde pierde calor y se enfría) y por los serpentines de las unidades manejadoras de aire (H), donde el agua gana calor. Cabe destacar que para la operación de manejadoras de aire (H) se seleccionen las válvulas de control (I) y se cuente con válvulas de balanceo (J)3.

Separador de aire dinámico

Separación de aire
El aire proviene de los gases disueltos en el agua de relleno que se suministra al sistema, principalmente. La cantidad que puede estar disuelta depende de la presión a la que está sujeta el agua y de su temperatura.

Cabe destacar que el tanque va colado antes del sistema de bombeo. En la Figura 7 se puede observar la reposición de agua del sistema por medio de unas reguladoras de presión; en la parte superior del tanque separador está colocada una válvula eliminadora, que ayuda a evitar daños por arrastre de aire.

Separador de aire con malla

Método de cálculo para determinar la carga en el sistema cerrado
Las cargas en el sistema de bombeo para sistemas abiertos y cerrados son las siguientes:

Cargas por fricciones en las tuberías por el flujo de agua al hacer los recorridos; van en función del flujo que pasa por determinada tubería. Existen tablas con el factor de perdida por cada 100 pies de recorrido, y se obtiene con el diámetro de tubería y el flujo. Hay una restricción de carga al pasar por un accesorio, como válvulas, codos, T, conexiones. Para ello, existe un método que se llama distancia equivalente por los accesorios hidráulicos. Éste consiste en darle un valor a un accesorio en distancia equivalente; luego, se suman todos los codos, válvulas check, etcétera; al determinar el total, se obtiene el factor y se multiplica por la distancia para obtener las perdidas.

Carga de operación que se suma al sistema. Es la presión que necesita cada función de un sistema. En el caso del aire acondicionado, se trata de la presión que se necesita para pasar el agua por determinado serpentín de agua helada.

La carga estática es el peso del agua en una columna vertical, y no afecta el diámetro.

Figura 3

En la Figura 3 se aprecian dos distancias verticales, la de 231 pies y la de 115.50; y dos tubos, uno vertical con un recipiente de 5 mil galones, y otro con un grado de inclinación y un recipiente de 5 galones. En la distancia vertical de 115.50 pies, el manómetro marca 50 psi, tanto en el tubo que está vertical como en el diagonal. Si el tubo vertical fuera de 2 pulgadas y el que está en diagonal fuera de 4, las lecturas de las presiones indicadas en el manómetro serían las mismas: 50 psi. La distancia vertical de 231 pies es lo mismo. La conversión indica que una columna de 231 pies es igual a 100 psi.

Figura 4

En un sistema abierto de llenado a un tanque elevado (Figura 4), la carga estática también se define como la distancia vertical desde el ojo del impulsor hasta el nivel del agua en distancia vertical, sin importar la trayectoria. Esto lo podemos definir como la suma algebraica en distancias verticales desde el ojo del impulsor hasta el nivel de agua a donde va a llegar. Para determinar la carga estática, se calcula el ojo de impulsor: sube vertical de 6 metros de columna de agua (mca) (+), baja 2 mca (-), sube 9 mca (+), baja 2 mca (-), baja 1 mca(-). Al realizar la suma algebraica el resultado es 10 mca.

Figura 5

Carga estática en sistemas cerrados
En la Figura 5 se observa un sistema abierto. El ojo del impulsor de la bomba está a nivel del líquido, si se quiere calcular la carga estática, se sube vertical 15 mca (+) y se baja 15 mca (-). En este sistema la carga estática es igual a cero. Para este ejemplo se requiere una bomba que dé un determinado gasto, pero con carga estática igual a cero. Al momento de instalar la bomba no va a funcionar porque no va a llegar el agua hasta el estanque. Para que se pueda mover el agua, hay que llenar toda la tubería; entonces, la bomba funcionará.

Figura 6

En un edificio que mide 40 metros (Figura 6), el sistema es cerrado y se ubica en el sótano, al igual que el sistema de bombeo. La carga estática del sistema sube 40 metros (+) y baja 40 metros (-), y es igual a cero. Para determinar la carga del sistema se calculan las pérdidas por fricción en las tuberías y las pérdidas que ocasionan los accesorios.

La carga de operación o estática, es decir, la presión que se debe vencer en el serpentín de agua helada de una manejadora de aire, es igual a cero. Por eso, en este tipo de sistemas las cargas de las bombas son bajas, a comparación de un hidroneumático o un equipo contra incendio del mismo edificio. Tanto el hidroneumático como el contra incendio son sistemas abiertos a los que se les tiene que sumar la carga estática de los 40 metros (m) de este ejemplo.

Retomando el primer caso mencionado, en el que las tuberías del hospital se movían y brincaban constantemente, se trataba de un sistema cerrado al que le sumaron la carga estática del edificio. Esto estaba ocasionando la sobrepresión de la tubería; la solución fue cambiar las bombas.

Figura 7

En un sistema cerrado (Figura 7), el equipo de bombeo está colocado en el techo del inmueble. La carga estática baja 40 m (-) y sube 40 m (+), es decir, es igual a cero. Para calcular la carga de las bombas se utiliza el mismo método que en la Figura 6.

En estos dos tipos de instalación (Figura 6 y 7), si las tuberías están vacías y se les empieza a llenar con agua, las bombas no van a tener la capacidad para subirla hasta el punto más alto del edificio. Por ello, dichos sistemas se rellenan por medio de una inyección de agua que viene del hidroneumático del edificio, y esto se hace en el separador de aire, como se muestra en la Figura 2. Esto se realiza a través de una reductora de presión, se presuriza el sistema de tuberías y se calibra el tanque de expansión para que pueda funcionar la recirculación del agua.

Figura 8

En un sistema abierto de un edificio que mide 40 m (Figura 8), el sistema de bombeo se instaló en el sótano, y en el techo se colocó un tanque abierto a la atmósfera. En esta parte está el relleno de agua, por lo que se debe tener un nivel que no rebase la expansión del agua para que no se desborde del tanque. Para calcular la carga estática se sube 40 m (+) y baja 40 m (-), la carga estática es igual a cero. En un edificio similar a este ejemplo se suma la carga estática y se le agregan bombas más grandes y, por lo tanto, más consumo de energía. Este tipo de sistemas se pueden llegar a encontrar en edificios con más de 30 años de antigüedad.

Como se mencionó previamente, los sistemas hidrónicos son muy utilizados, tanto para aire acondicionado como para calefacción, debido a las ventajas que ofrece, sobre todo en hospitales, escuelas, departamentos, centros comerciales y hoteles. En el país existe una gran cantidad de edificios destinados a estos usos; por lo tanto, es de mucha utilidad conocer las particularidades aquí mencionadas.
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Francisco Gastelum
Ingeniero mecánico administrador por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Cuenta con más de 20 años de experiencia en sistemas de bombeo, 10 de los cuales estuvo encargado en un departamento de ventas e ingeniería. Ha desarrollado y construido sistemas HVAC, hidroneumáticos y contra incendios. Ha participado como instructor de selección de bombas para fábricas y departamentos de ingeniería estudiantiles. Actualmente, trabaja en el Insibo, en el área de ingeniería y presupuestos. También es miembro de ASHRAE Capítulo Monterrey, en el que participa como encargado de Transferencia y Tecnología.

1. “Eligiendo la bomba centrifuga adecuada”, Cero Grados Celsius, volumen 81, pp. 16-21.
2. “Cavitación y bombas centrifugas”, Cero Grados Celsius, volumen 88, pp. 16-22.
3. “PICVs: la evolución del control”, Cero Grados Celsius, volumen 90, pp. 12-19.