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Sistemas de control de aire acondicionado




Enviado por Pablo Turmero



  1. Tipos
    de Sistemas
  2. Selección del Sistema de
    Control

Luego que se hayan determinado las cargas
térmicas, la carga de enfriamiento necesaria para el
acondicionamiento de la edificación y haber seleccionado
los equipos según dicha carga se prosigue con el
diseño del sistema de control el mismo que operará
los equipos bajo las condiciones preestablecidas.

El sistema de control provee la inteligencia de los
sistemas electromecánicos el mismo que provoca la
reacción de los equipos sin necesidad de la
intervención de un operador para satisfacer las
necesidades preseleccionadas. El control ocurre cuando una
señal produce el movimiento o ajuste de un componente del
equipo para obtener un resultado requerido, ya sea ajuste de
temperatura o humedad -entre otros- en el caso de
acondicionamiento de aire.

En el diseño del sistema de control se debe
considerar lo siguiente:

  • La capacidad del sistema para controlar nuevos
    equipos (flexibilidad)

  • Capacidad de integración del sistema
    instalado a un sistema de mando más complejo de todos
    los equipos (sistema de mantenimiento-varios niveles). Si se
    requiere la unificación del control de dos
    edificaciones – como unidades de un hospital – el
    sistema de control de una de las unidades debe adaptarse a un
    control remoto.

  • Capacidad de generar gráficos, tablas y
    rangos en todos los sistemas del edificio

Los sistemas de acondicionamiento de aire requieren
algún tipo de control, ya sea manual o automático;
en el caso de un control automático, el equipo o el
sistema completo operará de manera más precisa y
confiable para confort, seguridad y eficiencia
energética.

Un sistema de control cumple con su trabajo cuando
controla por medio del equipo una o más de las siguientes
propiedades del medio de transporte que puede ser agua o
aire:

  • Temperatura.- Con sensores que midan temperatura de
    operación, diferencial de temperatura, o
    límites de temperatura.

  • Presión.- Con sensores que midan
    presión de operación, gradientes de
    presión o límites de presión.

  • Flujo.- Con sensores que midan rangos de
    operación, diferencial de flujo o límites de
    rangos de flujo.

  • Humedad.- Con sensores que midan un nivel de
    operación, diferencial de humedad o límites de
    humedad.

  • Velocidad.- Con sensores que controlen el equipo de
    tal forma que esté prendido, apagado o tenga
    velocidades variables o múltiples.

  • Tiempo.- Con un reloj o programa que controle la
    duración de operación del equipo.

Se recomienda que los servicios técnicos y de
gestión que deben estar como mínimo controlados en
un edificio tecnificado son:

Servicios Técnicos

  • Iluminación

  • Climatización

  • Ventilación

  • Seguridad

  • Incendios

  • Ascensores

Servicios de Gestión

  • Contrato de:

Comunicación

Electricidad

Combustibles (gas, diesel, fuel oil, etc.)

Agua

  • Control de horario

  • Mantenimiento

  • Stock de repuestos

Tipos de
Sistemas

Los diferentes tipos de sistemas de control utilizados
en los sistemas de acondicionamiento de aire son de lazo cerrado:
tienen algún tipo de sensor para medir el parámetro
a controlar el mismo que es comparado con un valor deseado; si
existe una diferencia entre estas dos lecturas un comparador
determina la cantidad y dirección de la diferencia con
respecto al valor deseado (setpoint). Luego un controlador
aplicará una lógica preprogramada para corregir
dicho error, una salida del controlador mandará una orden
de regulación de capacidad al dispositivo controlado y su
actuador. Si la preprogramación ha sido correcta el
actuador proporcionará la mezcla necesaria o el movimiento
necesario para anular la diferencia de lecturas sensada, cerrando
el lazo de control, figura 2.1.

FIGURA 2-1 ESQUEMA DE UN LAZO DE
CONTROL

Los sistemas de control pueden ser eléctricos,
electrónicos, neumáticos, digitales directos o una
combinación de éstos.

Sistemas de control Eléctrico

Los sistemas de control eléctrico pueden usar una
alimentación directa de 120 voltios o de bajo voltaje que
está entre los 12 a 24 voltios para controlar las
funciones básicas. Los sistemas de control de bajo voltaje
son preferidos debido a su mayor sensibilidad.

Usualmente los controles eléctricos tienen como
tipo de salida del sistema de control los cierres de contacto;
pueden ser de dos posiciones: prendido – apagado (on –
off), abierto – cerrado, alarma – normal, o pueden
ser de control flotante el cual aumenta la opción nula
entre las dos posiciones.

En el caso de controles eléctricos el controlador
de lazo cerrado normalmente es un balance de fuerzas entre un
resorte con una carga que representa el punto predeterminado
(setpoint) y una fuerza opuesta generada por el sensor que
representa la variable a controlar: temperatura, humedad, flujo o
presión.

FIGURA 2-2 ESQUEMA DE SISTEMA DE
CONTROL ELÉCTRICO

Cuando la fuerza en el sensor excede la carga del
resorte determinada por el punto establecido (setpoint), algunos
ajustes de palancas u otras conexiones causan una carga en el
resorte, un switch eléctrico de actuación
instantánea indica la posición contraria. Debido a
que el switch normalmente es SPDT (single –pole double
throw por sus siglas en inglés), el circuito puede ser
cerrado en cualquiera de los lados según lo indicado por
el punto establecido (setpoint) figura 2-2.

Debido a que el sistema de control es dinámico se
debe prever un ajuste o "diferencial" para evitar ciclajes cortos
y rápidos del lazo de control entre uno y otro punto en
los que puede estar direccionado el switch. Este tipo de
controlador se utiliza en dispositivos que tienen capacidades de
salida discretas como el control de alta o baja velocidad del
ventilador de enfriamiento de un condensador el mismo que es
comandado por la presión del refrigerante.

Otro tipo de control eléctrico es el llamado
"control flotante"; un controlador de este tipo usa un comparador
de fuerzas similar al de dos posiciones pero no usa el switch de
actuación instantánea. Este permite al contacto
común "flotar" entre las dos posiciones en un rango nulo o
"muerto" del parámetro sensado. Los dos circuitos
eléctricos que pueden ser cerrados a diferentes valores
sensados no son comandos ON-OFF simplemente, estos controladores
son propiamente calibrados a un dispositivo mecánico que
tiene un actuador proporcional de actuación lenta
regulando su capacidad. Un cierre de contacto solicita lentamente
un incremento de capacidad y el otro una disminución lenta
de capacidad, entre estos dos comandos el sensor flota dentro de
este rango nulo alrededor del punto establecido
(setpoint).

Sistemas de control
Electrónicos

Esta familia de controles usa señales
eléctricas analógicas, usualmente voltaje
más que corriente para cumplir con las funciones de
comparar y controlar.

Los dispositivos de medición son usualmente del
tipo de resistencia variable los mismos que pueden medir
temperatura, presión humedad o flujo. La medición
de salida de estos sensores son por variación de una
resistencia proporcional al parámetro de medición.
Del mismo modo, el punto establecido (setpoint) es manualmente
ajustado como operador de entrada al controlador el cual es
usualmente una resistencia variable como un potenciómetro.
Estos dos valores de la misma escala de medición
(resistencia eléctrica) son comparadas entre sí en
un circuito llamado un "circuito de puente".

Los circuitos de puente son realizados en los principios
básicos de un divisor de voltaje; "cualquier voltaje de
corriente directa aplicado a través de un par de
resistencias eléctricas será dividido a
través de ellos en la misma proporción de sus
valores de resistencia eléctrica".

Si 10 v. de corriente directa son conectados a
través de dos resistencias idénticas, ellos
partirán el voltaje equitativamente, cada uno
experimentará 5 voltios. Si R1 es de 1000 ohmios y R2 es
de 2000 ohmios, la partición será de 3.33 voltios a
través de R1 y 6.67 voltios a través de R2. Esta es
la naturaleza de un divisor de voltaje figura 2-3.

FIGURA 2-3 ESQUEMA DE LAZO DE CONTROL
ELECTRÓNICO

En el caso de sensor/ controlador, una de las
resistencias, R2 es ajustado y el otro, R1 es el sensor. Cuando
la resistencia R1 varía según varía el
parámetro a medir, una diferencia de voltaje se va a
experimentar a través de las dos resistencias debido al
divisor de voltaje. Cualquier resistencia sensada mayor a la
resistencia establecida por el punto predeterminado (setpoint)
creará un mayor voltaje proporcional a través del
puente y cualquier resistencia sensada menor a la resistencia
establecida por el punto predeterminado (setpoint) creará
un gran voltaje negativo proporcional a través del puente.
Así es como los controles electrónicos cumplen la
función de comparación requerida para el
control.

Luego que el comparador produce una señal
positiva o negativa representando el error entre la
medición del sensor y el valor requerido (setpoint), el
bloque amplificador debe llevar la señal de bajo nivel a
un nivel útil. La cantidad de amplificación debe
ser ajustable de tal forma que la sensibilidad del controlador se
pueda calibrar para un cambio proporcional apropiado, como
señal de salida, relativa al tamaño del error
medido en el comparador. Como un verdadero controlador
proporcional, los pequeños errores sólo requieren
pequeñas respuestas para corregir el error, no una
respuesta demasiado larga.

En controles electrónicos el dispositivo de
amplificación más común es llamado
amplificador operacional o Op-Amp (por sus siglas en
inglés) figura 2-4.

FIGURA 2-4 ESQUEMA DE UN AMPLIFICADOR
OPERACIONAL

Esto es un circuito electrónico de transistores
preempacado que lleva cualquier voltaje conectado a este a un
multiplicador ajustado. Este tiene una entrada positiva y una
negativa, si el op-amp tiene un rango de amplificación
100:1, 0.1 voltios cargados al terminal positivo (+) será
aumentado a una salida de 10 voltios. Debido a que esta respuesta
puede ser muy grande para un pequeño cambio en la entrada
se debe aumentar un ajuste en la sensibilidad la misma que se
logra con una resistencia variable conectado entre la salida y la
entrada negativa (-), R7. Esto viene a ser una
retroalimentación negativa que cancelará una parte
de la amplificación preestablecida en el op-amp, de esta
forma el controlador se ajusta al tamaño de su respuesta
proporcional a un cambio en el valor de entrada.

Sistemas de control Neumáticos

Los controles neumáticos siguen siendo un sistema
de control preferido en ciertas aplicaciones, cuando grandes
válvulas requieren altas presiones de cerrado se
seleccionan actuadores neumáticos debido a que estos
pueden proveer un mayor cierre a un costo mucho menor que los
actuadores eléctricos.

En los controladores neumáticos, el aire de
suministro es llevado al controlador a una presión
constante, usualmente entre 15 a 25 psig. Este flujo de
suministro provee volumen para llenar grandes áreas dentro
de los dispositivos controlados y las tuberías de
conexión, y presión el mismo que provee la fuerza
para hacer el trabajo requerido.

Existen dos tipos básicos de controladores
neumáticos: de sangrado de bajo volumen y del tipo relay
de alto volumen.

El controlador de sangrado consiste del elemento sensor,
dial para establecer el punto requerido (setpoint), deslizador de
sensibilidad, puerto de control y tapa. El controlador de bajo
volumen requiere un suministro de aire restringido para limitar
la capacidad de suministro de aire al controlador y al
dispositivo controlado. Este tipo de controlador purgará
la presión de suministro restringida a la presión
requerida por el dispositivo de control para satisfacer el valor
establecido por el controlador (setpoint). Esto se logra a
través del movimiento del elemento sensor que es
transmitido al diafragma a través del poste y palancas, y
finalmente a la tapa y puerto de control, figura 2-5.

FIGURA 2-5 ESQUEMA DE SISTEMA DE
CONTROL NEUMÁTICO DE SANGRADO DE BAJO
VOLUMEN

La función de comparación del controlador
de sangrado compara la posición del dial establecido
(setpoint) con la posición del elemento sensor a
través de una conexión mecánica. La
conexión mecánica ubica la tapa en relación
al puerto de control y convierte la posición en una
presión que es transmitida al dispositivo de
control.

Adicionalmente al dial para establecer el punto
requerido (setpoint), el deslizador de sensibilidad, diafragma de
retroalimentación, puerto de control y tapa del
controlador de sangrado, el controlador de alto volumen contiene
un relay que permite usar presión de suministro
directamente para ubicar el dispositivo controlado. El relay
está diseñado para usar el aire a través de
dos circuitos separados: circuito piloto y amplificador de
volumen. El circuito piloto es de volumen pequeño y un
flujo de aire reducido el cual es restringido por un orificio
arreglado puesto en un valor de 5 a 7 pulgadas de agua de
presión y un flujo de aproximadamente 20 plg3/min con el
elemento o tapa lejos del puerto de control.

La presión piloto es regulada por la
posición del elemento relativa al puerto de control,
incrementando al mismo valor de la presión de suministro
sin flujo cuando el puerto esta totalmente cerrado. El cambio en
la presión piloto es traducida en movimiento del circuito
amplificador de volumen; este movimiento regula la gran capacidad
de flujo de aire de suministro a la línea de salida y
dispositivo controlado. La función de comparación
del controlador de tipo relay es similar que el de sangrado
excepto que la posición de la tapa es convertida a una
presión neumática a través del circuito
piloto figura 2-6.

FIGURA 2-6 ESQUEMA DE SISTEMA DE
CONTROL NEUMÁTICO DE TIPO RELAY DE ALTO
VOLUMEN

El consumo de aire del controlador de tipo relay es
menor debido a que la cámara piloto consume menos aire que
el puerto de control del controlador de tipo sangrado. El tiempo
de respuesta del controlador de tipo sangrado es mucho mayor
debido a que el aire de suministro es restringido. Esto es lo
más notable en aplicaciones que tienen largas
líneas de aire o grandes actuadores que requieren grandes
volúmenes de aire.

Sistemas de control Digitales Directos

En los controles digitales directos (direct digital
control) así como en los controles eléctricos o
neumáticos, una señal de entrada a un controlador
resulta en una salida a un dispositivo apropiado.

Los sistemas digitales directos son electrónicos
y usan circuitos electrónicos y dispositivos para
monitorear y controlar, la mayor diferencia es en el controlador:
en lugar del ajuste físico a los componentes del
controlador para obtener la misma reacción una y otra vez,
los controladores del sistema DDC contienen microprocesadores que
están programados para interpretar la señal de
entrada, procesar la información en programas residentes e
inteligentemente decidir en la respuesta apropiada.

Estos sistemas tienen todas las características
de los controles neumáticos y electrónicos y
pueden, adicionalmente, anticipar las necesidades basados en
tendencias grabadas de la operación previa del
equipo.

Selección del
Sistema de Control

Sistemas de control tradicionales

Los sistemas de control tradicionales:
neumáticos, eléctricos y electrónicos son
utilizados en muchas de nuestras industrias desde hace muchos
años, habiendo mayor preferencia hasta ahora por los
sistemas neumáticos en las industrias más grandes
debido a que se puede proveer de grandes fuerzas a un menor costo
comparado con los actuadores eléctricos.

Las ventajas de dichos sistemas de control, por ser
tradicionales, son que disponen de repuestos, precios
competitivos y suficiente asesoramiento técnico. Sin
embargo estos sistemas necesitan ajustes rutinarios seguidos para
su correcto funcionamiento; tampoco se puede centralizar el
control de toda la instalación lo que implica realizar
inspecciones seguidas de todo el sistema aumentando los costos de
mantenimiento preventivo y correctivo.

Sistemas directos digitales

Los sistemas de control directos digitales hace 12
años eran un lujo para propietarios y gerentes de
edificios, en la actualidad con el mayor uso de dichos sistemas
en el mercado estos son muy competitivos comparados con los
sistemas de control tradicionales como los eléctricos o
neumáticos. Varias de las ventajas de usar controles
directos digitales son:

  • Control y monitoreo centralizado: un operador
    puede monitorear los sistemas de acondicionamiento de aire
    desde un solo lugar con ayuda de una PC la misma que tiene un
    software que le permite interactuar con el sistema o muchos
    sistemas en tiempo real, esta le puede proveer de una imagen
    sobre lo que está pasando en el edificio y
    además permite cambiar la operación central del
    sistema (como abrir y cerrar válvulas, prender o
    apagar ventiladores, cambiar valores preestablecidos por
    mencionar algunos de ellos) desde el mismo lugar, optimizando
    el uso del tiempo para mantenimiento. Además el
    interfase es fácil y no necesita de personal muy
    calificado para su manejo.

  • Manejo de alarmas: los sistemas de control
    digitales conectados entre sí pueden comunicar
    condiciones de alarma a una central o a algún lugar
    remoto. Este manejo de alarmas puede ayudar a los operadores
    a asistir la situación y tomar las acciones
    pertinentes.

  • Monitoreo del historial de eventos y
    tendencias
    : ya que los sistemas de control digitales son
    computadoras, éstos permiten el manejo de datos y
    estimar tendencias. Esta última muy importante pues
    permite conocer el comportamiento que puede tener un
    área crítica en una hora, un día o un
    año entero o más. Esta información puede
    ser temperatura, presión, humedad, tiempo de
    operación del sistema o cualquier otro dato que el
    sistema de control digital monitoree o controle. Toda esta
    información puede ser almacenada en una central de
    información para una recuperación
    posterior.

  • Manejo energético: los sistemas
    digitales son electrónicos y usan circuitos
    electrónicos y dispositivos para monitorear y
    controlar. Conforme avanza la tecnología se
    desarrollan mejores mediciones con sensores y dispositivos de
    control. Un sensor neumático tiene un error de (20F,
    mientras que uno digital tiene (0.30F.

  • Menores costos: el avance en la
    electrónica provee mejores dispositivos a menores
    costos, hace 12 años estos eran grandes y costosos,
    únicamente eran rentables en grandes edificaciones,
    ahora son rentables hasta en edificaciones pequeñas.
    En la actualidad un controlador digital puede ser 10% del
    tamaño y 20% del costo, cuestan igual o menos que un
    controlador analógico, por ejemplo, un controlador
    digital hace 12 años costaba entre $3000 y $8000
    sólo el controlador, ahora se los puede encontrar
    entre $1000 y $3000.

  • Flexibilidad: estos sistemas de control
    pueden ser instalados por fases sin afectar el
    funcionamiento, permitiendo que el sistema se adapte a los
    cambios en la edificación conforme pase el
    tiempo.

Debido a las características de los sistemas de
control directo digital y a su desarrollo conforme pasa el
tiempo, ésta es la mejor opción para controlar
eficientemente y de manera eficaz un sistema de acondicionamiento
de aire, su flexibilidad permite que en un futuro dicha unidad
ginecológica pueda establecer un nexo con las demás
unidades, permitiendo así un control más
centralizado lo que conlleva una disminución en los costos
operativos. Así mismo, la capacidad de interpretar la
operación normal del sistema ayuda de igual forma a que se
tomen medidas de ahorro para disminuir el consumo
eléctrico.

 

Enviado por:

Pablo Turmero

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