COMPONENTES DEL SISTEMA PRIMARIO
Los sistemas HVAC primaria
consumen energía y transmiten calor y frío al edificio, usualmente a través de
sistemas secundarios. Los equipos primarios generalmente incluyen enfriadoras,
calderas, torres de refrigeración, equipos de cogeneración y equipos de
almacenamiento térmico a nivel de planta.
Estrategias de modelización
Las características de consumo de
energía del equipo primario generalmente dependen del diseño del equipo,
condiciones de carga, condiciones ambientales, y estrategias de control del
equipo. Por ejemplo, el rendimiento de la enfriadora depende de las
características de diseño del equipo básicas (ej., superficies de intercambio
de calor, diseño del compresor), temperaturas y caudal a través del condensador
y evaporador, y métodos para controlar la enfriadora a diferentes cargas y
condiciones de operación. En general, estas variables varían constantemente y
requieren cálculos sobre una base horaria.
Modelos
de regresión
Aunque muchos componentes
secundarios (ej. intercambiadores de calor, válvulas) están descritos por los
principios de ingeniería, la naturaleza compleja de la mayoría de los equipos
primarios ha aconsejado el estudio de las características de consumo usando
ecuaciones de regresión simples publicadas a partir de datos del fabricante.
La aproximación habitual para
modelar equipos primarios en los programas de simulación es asumir las
siguientes formas funcionales para el consumo de energía de los equipos:
Donde:
P = Potencia del equipo, kW
PIR = Ratio de entrada de energía
PIRnom = Ratio de entrada de energía bajo condiciones a
plena carga nominal
Load = Potencia transmitida a la carga, kW
Cavail = Capacidad del equipo disponible, kW
Cnom = Capacidad del equipo nominal, kW
f1 = Función relacionada con la potencia a plena carga en
condiciones off-design (ta,tb,…) a potencia a plena carga en
condiciones de diseño
f2 = Función de potencia a plena carga de fracción,
relacionando la potencia a carga parcial respecto a la potencia a plena carga
f3 = Función relacionando la
capacidad disponible en condiciones off-design (ta,tb,…) respecto a la
capacidad nominal
ta,tb = varias temperaturas de operación que
afectan a la potencia.
PLR = Ratio de carga parcial
El ratio de carga parcial es la
relación de la carga respecto a la capacidad del equipo disponible en unas
condiciones de operación fuera de diseño. Como la potencia la capacidad a plena
carga es una función de las condiciones de operación.
Las formas particulares de las
funciones off-design f1 y f3 dependen del tipo específico
del equipo primario. Por ejemplo, para las calderas de combustibles fósiles, la
capacidad y potencia a plena carga puede ser afectada por las pérdidas térmicas
a temperatura ambiente. Para las enfriadoras, tanto la capacidad como la potencia
pueden ser afectadas por las temperaturas del evaporador y del condensador, que
a menudo están caracterizadas en términos de sus fluidos secundarios. Para las
enfriadoras enfriadas por aire de expansión directa, las temperaturas de
operación son típicamente las temperaturas del bulbo húmedo del aire entrando
en el condensador. Para las enfriadoras de líquidos, las temperaturas son
usualmente la temperatura del agua dejando la enfriadora y la temperatura del
agua entrando en el condensador.
Ejemplo
Consideremos el rendimiento de
una unidad de techo de una zona simple. El rendimiento nominal de estas
unidades es dada típicamente para temperaturas de aire exterior de 35 ºC y
evaporador entrando en las condiciones del serpentín de 26,7 ºC db y 19,4 ºC
wb.
Las constantes están tabuladas (ver bibliografía)
La función f2 de
potencia a plena carga fraccional representa el cambio en la eficiencia del
equipo en condiciones de carga parcial y depende profundamente de las
estrategias de control usadas para acoplar carga y capacidad.
Modelos
First-Principle
Como con los componentes
secundarios, los principios de ingeniería pueden usarse para desarrollar
modelos de equipos primarios.
Por ejemplo, un modelo de caldera
complejo no es apropiado si la caldera opera virtualmente a eficiencia
constante. Similarmente, un modelo de regression puede ser apropiado cuando el
usuario dispone de datos fiables medidos en planta. Sin embargo, los modelos
físicos first-principle tienen varias ventajas sobra los modelos de regresión
puros:
· Los modelos físicos permiten la extrapolación de
la confianza fuera del rango de los datos disponibles.
· La regresión es aún requerida para obtener
valores para parámetros físicos no conocidos. Sin embargo, los valores de estos
parámetros usualmente tienen significado físico, que puede ser usado para
estimar valores de los parámetros default, errores de diagnosis en el análisis
de datos a través de controles para valores de parámetros realistas, e incluso
evaluar el potencial de las mejoras de rendimiento.
· El número de parámetros desconocidos es mucho
más pequeño que el número de coeficientes desconocidos en el modelo de
regresión típico. Por ejemplo, el modelo de compresor ARI estándar requiere
tanto como 30 coeficientes, 10 para regresión de capacidad, potencia, y caudal
de refrigerante. Por comparación, un modelo de compresor físico puede tener tan
pocos como cuatro o cinco parámetros desconocidos. Así, los modelos físicos
requieren menor medición de datos.
· Los datos de operación de carga parcial de
enfriadoras y calderas son notoriamente difíciles de obtener. Las correcciones
de carga parcial a menudo representan la mayor incertidumbre en los modelos de
regresión, ya que causan el mayor efecto en las predicciones de energía
anuales. Por comparación, los modelos físicos de operación en carga parcial a
menudo permiten extensión directa a operación con carga parcial con pocos datos
requeridos adicionales.
Los modelos físicos de equipos
HVAC se basan fundamentalmente en los análisis de ingeniería y están
disponibles en muchos libros de texto.
Aunque los modelos físicos se
basan en las características físicas, los valores obtenidos a través del
análisis de regresión de los datos del fabricante no son representativos.
Ver 6ª PARTE
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