Tecnología Inverter en Sistemas de Flujo Variable de Refrigerante

Esta innovadora tecnología es utilizada para controlar el consumo eléctrico de los equipos VRF, a través de compresores de frecuencia variable. Utilizando éstos últimos es posible controlar los picos de demanda en el arranque, la temperatura en ambientes diferentes e impactando en ahorros en el consumo energético.

Ing. Francisco Raúl Chavolla Ramírez

La tecnología Inverter consiste en la utilización de dispositivos electrónicos para controlar el consumo de la potencia de salida de un motor eléctrico, ya sea de corriente directa (DC) o alterna (AC), a través de la modificación de la frecuencia de operación.

Para lograr esto, esta tecnología se vale de dos herramientas importantes:

Etapa de Potencia donde se realiza la rectificación y la inversión mediante el uso de dispositivos de electrónica de potencia, diodos en el rectificador y transistores de potencia en el inversor.

Etapa de Control donde se decide la frecuencia de operación del motor, mediante el uso de sensores que monitorean parámetros de potencia de salida requeridos.

El control se realiza por medio de algoritmos conocidos como modulación por ancho de pulsos, que modifican la frecuencia del voltaje en equipos AC, o de la corriente en equipos DC.

¿Qué es VRF?
Los sistemas de flujo variable de refrigerante (VRF, Variable Refrigerant Flow), fueron introducidos en Japón desde hace más de 20 años y se han hecho populares en muchos países. Sin embargo, siguen siendo desconocidos en el continente americano.

La tecnología ha expandido gradualmente su presencia comercial alcanzando mercados europeos en 1987, por lo que ha ganado continuamente porcentajes de mercado en todo el mundo. En Japón, los sistemas VRF son utilizados en aproximadamente el 50% de los edificios comerciales de mediano tamaño (hasta 6,500 m²), y en un tercio de los edificios comerciales de gran tamaño (de más de 6,500 m²).

Aunque el mercadeo intenso de los sistemas VRF comenzó hace algunos años, es probable que varios sistemas se hayan vendido en el transcurso del año, ascendiendo a decenas de miles de toneladas de capacidad instaladas. Obviamente, el mercado es aún bastante pequeño comparado al mercado de los sistemas de agua helada (Chiller). A pesar de eso, los sistemas VRF son comercializados en todo el continente americano por al menos 5 fabricantes.

Muchos profesionales de HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) están familiarizados con los sistemas residenciales sin ductos “mini splits” y una variación de este producto, usualmente descrito como “multi splits”, que incluyen múltiples evaporadores interiores conectadas a una sola unidad condensadora (exterior).

Por el modo de instalarlos, los sistemas VRF se asemejan a los anteriores, aunque existen los de mayor capacidad, que se les pueden conectar a varios tipos de evaporadores, además tienen un sistema para el manejo y control del refrigerante y el aceite dentro del sistema mismo.

Los sistemas convencionales transfieren calor del edificio hacia el refrigerante, a través de la circulación de aire (en sistemas con ductos), o de agua (en sistemas chiller). Pero, regularmente los sistemas VRF no proveen ventilación, de modo que es necesario instalar un sistema de ventilación alterno.

El término Flujo Variable de Refrigerante se refiere a la habilidad del sistema para controlar la cantidad de refrigerante que pasa por el serpentín de cada evaporador, esto se consigue porque éste cuenta con sensores a su entrada y salida, conectados al microprocesador, el cual calcula el flujo másico de refrigerante óptimo para mantener un grado de sobrecalentamiento constante abriendo o  bien cerrando la válvula de expansión.

Esto permite el uso de muchos evaporadores de diferentes tipos y capacidades, control individual por zona y recuperación de calor de una zona a otra (existen sistemas que dan frío y calor simultáneamente). El control de flujo de refrigerante de los sistemas VRF se lleva a cabo en las unidades condensadoras, es el mayor reto técnico, y el origen de muchas ventajas del sistema.

Los sistemas VRF son livianos y modulares, el diseño de un sistema es bastante sencillo, y también el mantenimiento e instalación.

Ventajas de instalación

Los sistemas VRF son modulares y muy livianos; los módulos más grandes (condensadores) pueden ser transportados, ya que caben dentro de un elevador comercial estándar. Una vez en el lugar de instalación, se ensamblan los módulos para obtener grandes capacidades.

Cada módulo (condensador) es un ciclo de refrigeración independiente, pero son operados por un sistema de control común. La modularidad también permite que las instalaciones se realicen por etapas, de acuerdo a la ocupación de los pisos del edificio. Por ejemplo, sí un inmueble está parcialmente habitado, los sistemas VRF se instalarán de acuerdo a la ocupación del edificio. El relativo peso liviano de estos sistemas podría reducir requerimientos para refuerzos estructurales en techos y lozas.

Estos sistemas VRF son apropiados para acondicionar edificios históricos o edificios para los cuales no se contempló el uso de aire acondicionado en el proyecto original, esto gracias al poco espacio que ocupan los sistemas. Además, de que pueden ser instalados sin desocupar los edificios, ya que la instalación del sistema se puede llevar a cabo en horarios en donde el personal no labora, sin afectar en sobremanera la operación de los trabajadores.

En caso de construcciones nuevas, con el uso del VRF se pueden obtener ahorros importantes en la obra, pues no será necesario dedicar mucho espacio sobre el plafón a diferencia de sistemas todo aire.

Flexibilidad en el diseño
Existen en el mercado unidades condensadoras de diferentes capacidades que pueden ir conectadas a varias unidades interiores (evaporadores), de otras capacidades (3/4 a 7.5 T.R.), y de diferentes tipos (fan and coil, cassette, muro-alto, etc.). Los sistemas actuales permiten conectar a una sola condensadora hasta 35 unidades interiores. La modularidad también permite que el sistema HVAC se adapte con mayor facilidad a la expansión del sistema o a la reconfiguración de los espacios dentro del edificio.

Mantenimiento y puesta en marcha
La configuración de los sistemas VRF y sus sofisticados controles electrónicos están siendo dirigidos a tener una puesta en marcha cercana a ser “Plug & Play”. Debido a que son sistemas DX (expansión directa), los costos de mantenimiento para un sistema VRF son más bajos que para un sistema de enfriamiento con chillers, de modo que se evitan los tratamientos de agua.

El mantenimiento normal para un sistema VRF, similar a cualquier otro sistema DX, consiste de dos partes: la primera es el lavado de serpentines (interiores y exteriores), y la segunda, limpieza y lavado de filtros (interiores).

Confort
El acondicionamiento en muchas zonas es posible. Cada una con control de temperatura individual. Pueden mantener el control de temperatura exacta en cada zona, generalmente dentro de ±0.6°C del “set point” establecido.

Eficiencia energética
Generalmente el 80% de las horas que trabaja un sistema HVAC, lo va a hacer dentro del rango del 30% al 90% de su capacidad máxima. Por lo general, los sistemas VRF incluyen dos compresores, este enfoque produce una eficiencia de carga parcial alta, lo cual se traduce en una alta eficiencia de energía por temporada.

Cada uno de los módulos del condensador tiene por lo menos un compresor Inverter, el cual tiene la función de variar el flujo o cantidad de refrigerante que llega a los evaporadores conectados al sistema, de la misma forma que varía la carga térmica del edificio durante el día. Esta oscilación del flujo evita que el compresor encienda y apague repetidamente (ciclaje del compresor), por lo que estos sistemas logran un ahorro de energía y por ende muestra una eficiencia superior.

Por otro lado, la eficiencia energética de los sistemas VRF es mayor que la de sistemas chiller. El VRF elimina esencialmente la pérdida de eficiencia a través de los ductos, los cuales se estima que pueda estar entre el 10% al 20% del total del flujo de aire en un sistema de ductos.

La eficiencia de energía de los sistemas VRF depende de la aplicación; ya que la eficiencia de un chiller podrá ser igual o mayor que el de un sistema VRF, sólo cuando el sistema está trabajando entre el 90 y 100% de su capacidad, pero hay que recordar que 80% de las horas en las que trabaja un sistema HVAC en edificios como hoteles, escuelas, hospitales, etc., lo va a hacer dentro del rango del 30 al 90% de su capacidad máxima.

Estos sisyemas son apropiados para edificios con múltiples zonas que requieren control individual de temperatura.

Aplicación
Los sistemas VRF son apropiados para edificios con diversas y múltiples zonas que requieren control individual de temperatura, como pueden ser edificios de oficinas, hospitales, laboratorios, departamentos y hoteles.

Y no son apropiados para todas las aplicaciones de edificios comerciales, debido a que existen instalaciones en donde el sistema va a trabajar siempre arriba del 90% de su capacidad máxima, en estos casos, el VRF es un sistema demasiado costoso, sí se le compara con unidades paquete (rooftop).

Para edificios que requieren calefacción y enfriamiento simultáneos, existen en el mercado sistemas VRF con recuperación de calor. Estos sistemas circulan refrigerante entre las zonas que alimenta el sistema, transfiriendo calor desde las zonas que son enfriadas hacia las zonas que requieren calentamiento.

Cobro de recibos de luz a usuarios
Cuando los costos de operación del sistema deben ser divididos entre varios usuarios, la utilización de VRF es óptima. Por ejemplo, para su aplicación en departamentos o villas, existen accesorios para los sistemas VRF, los cuales tienen la función de contabilizar el tiempo de uso de cada evaporador conectado a un sistema, y de esta forma, cada persona paga su consumo. A diferencia de sistemas que emplean chillers donde generalmente cada uno de los usuarios pagan una renta mensual o anual, utilicen o no el sistema de aire acondicionado.

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