Sistema chiller-fan coil: principio de funcionamiento y configuración del sistema de termorregulación

El sistema climático multizonal chiller-fancoil está diseñado para crear condiciones confortables dentro de un edificio de gran superficie. Funciona constantemente: en verano proporciona frío y en invierno calor, calentando el aire hasta la temperatura deseada. ¿Vale la pena familiarizarse con su funcionamiento, está de acuerdo?

En el artículo que proponemos se describe en detalle la construcción y las partes componentes del sistema climático. Se presentan y analizan en detalle las formas de conexión del equipo. Le contaremos cómo está estructurado y funciona este sistema de termorregulación.

Partes componentes del esquema chiller-fancoil

El papel del dispositivo de enfriamiento recae en el chiller, una unidad externa que produce y suministra frío a través de tuberías por las que circula agua o etilenglicol. En esto se diferencia de otros sistemas split, donde se bombea freón como portador de calor.

Para el movimiento y transferencia del freón, el refrigerante, se necesitan costosas tuberías de cobre. Aquí, en cambio, las tuberías de agua con aislamiento térmico realizan esta tarea perfectamente. Su funcionamiento no se ve afectado por la temperatura exterior, mientras que los sistemas split con freón pierden funcionalidad ya a -10⁰. El equipo de intercambio de calor interno es el fancoil.

Este recibe el líquido a baja temperatura, luego transfiere el frío al ambiente del aire de la habitación, y el líquido calentado regresa al chiller. Los fancoils se instalan en todas las habitaciones. Cada uno funciona según un programa individual.

Los elementos principales del sistema son la estación de bombeo, el chiller y el fancoil. El fancoil puede instalarse a gran distancia del chiller. Todo depende de la potencia que tenga la bomba. El número de fancoils es proporcional a la potencia del chiller.

Normalmente, estos sistemas se utilizan en hipermercados, centros comerciales, edificios subterráneos, hoteles. A veces se usan como calefacción. Entonces, por el segundo circuito se suministra agua caliente a los fancoils o se cambia el sistema a una caldera de calefacción.

Configuración constructiva del sistema

Según la configuración constructiva, los sistemas chiller-fancoil pueden ser de 2 tubos y de 4 tubos. Según el tipo de instalación, se distinguen dispositivos de pared, de piso, empotrados.

El sistema se evalúa según los siguientes parámetros principales:

• la potencia o capacidad de enfriamiento del chiller;
• el rendimiento de los fancoils;
• eficiencia del movimiento de la masa de aire;
• longitud de las tuberías principales.

El último parámetro depende de la potencia de la bomba y de la calidad del aislamiento térmico de las tuberías.

Conexión del chiller y del fancoil

El funcionamiento coordinado del sistema se logra conectando el chiller con uno o varios fancoils mediante tuberías con aislamiento térmico. En caso de ausencia de este, el valor de la eficiencia del sistema disminuye significativamente.

Cada fan coil tiene un nudo de conexión individual, mediante el cual se regula su rendimiento tanto en producción de calor como de frío. El flujo de refrigerante en cada unidad se regula mediante válvulas especiales: de cierre y de control.

Para dirigir el agua enfriada al intercambiador de calor, se conecta un tubo al fan coil y el otro — para la salida del líquido — al chiller. El diseño del sistema permite la mezcla del refrigerante con el fluido térmico.

Si no se puede permitir la mezcla del fluido térmico con el agente refrigerante, se calienta el agua en un intercambiador de calor separado y se completa el esquema con una bomba de circulación. Para asegurar una regulación suave del flujo del fluido de trabajo a través del intercambiador de calor, al montar el esquema de conexión se utiliza una válvula de 3 vías.

Si en el edificio está instalado un sistema de dos tuberías, tanto la refrigeración como la calefacción se realizan mediante el enfriador: el chiller. Para aumentar la eficiencia de la calefacción con la ayuda de fancoils en el período frío, además del chiller, se incluye una caldera en el sistema.

A diferencia del sistema de dos tuberías con un intercambiador de calor, el sistema de cuatro tuberías incorpora 2 de estos componentes. En este caso, el fancoil puede funcionar tanto para calefacción como para refrigeración, utilizando en el primer caso el líquido que circula en el sistema de calefacción.

Uno de los intercambiadores de calor se conecta a la tubería con refrigerante, y el segundo a la tubería con fluido caloportador. Cada intercambiador de calor tiene una válvula individual, controlada por un mando especial. Si se aplica este esquema, el refrigerante nunca se mezcla con el fluido caloportador.

Dado que la temperatura del refrigerante en el sistema durante la temporada de calefacción varía entre 70 y 95 °C y para la mayoría de los fancoils supera la permitida, se reduce previamente. Por lo tanto, el agua caliente que llega desde la red de calefacción central a los fancoils pasa por un punto térmico especial.

Clases principales de chillers

La división condicional de los chillers en clases ocurre según el tipo de ciclo de refrigeración. Según esta característica, todos los chillers se pueden clasificar condicionalmente en dos clases: de absorción y de compresión de vapor.

Dispositivo del equipo de absorción

El chiller de absorción o ABXM utiliza para su funcionamiento una solución binaria con agua y bromuro de litio presente en ella: un absorbedor. El principio de funcionamiento es la absorción de calor por el refrigerante en la fase de transformación de vapor a estado líquido.

Estos equipos utilizan el calor generado durante el funcionamiento de equipos industriales. Además, el absorbedor con una temperatura de ebullición significativamente superior al parámetro correspondiente del refrigerante, disuelve bien a este último.

El esquema de funcionamiento del chiller de esta clase es el siguiente:

1. El calor de una fuente externa se lleva al generador, donde calienta la mezcla de bromuro de litio y agua. Al hervir la mezcla de trabajo, el refrigerante (agua) se evapora por completo.
2. El vapor se traslada al condensador y se convierte en líquido.
3. El refrigerante en estado líquido ingresa al estrangulador. Aquí se enfría y la presión disminuye.
4. El líquido ingresa al evaporador, donde ocurre la evaporación del agua y la absorción de sus vapores por la solución de bromuro de litio (absorbedor). El aire de la habitación se enfría.
5. El absorbente diluido se calienta nuevamente en el generador y el ciclo se reinicia.

Este sistema de climatización aún no se ha generalizado, pero está completamente en sintonía con las tendencias modernas en materia de ahorro energético, por lo que tiene buenas perspectivas.

Construcción de las unidades de compresión de vapor

La mayoría de las unidades de refrigeración funcionan con refrigeración por compresión. El enfriamiento se produce mediante una circulación ininterrumpida, ebullición a bajas temperaturas y presión, y condensación del refrigerante en un sistema de circuito cerrado.

El diseño del chiller de esta clase incluye:

• compresor;
• evaporador;
• condensador;
• tuberías;
• regulador de caudal.

El refrigerante circula en un sistema cerrado. Este proceso es controlado por un compresor, donde la sustancia gaseosa a baja temperatura (-5⁰) y presión de 7 atm se comprime al elevar la temperatura hasta 80⁰.

El vapor saturado seco en estado comprimido pasa al condensador, donde se enfría a 45⁰ a presión constante y se convierte en líquido.

El siguiente punto en la trayectoria es el estrangulador (válvula reductora). En esta etapa, la presión disminuye del valor correspondiente a la condensación hasta el límite en el que ocurre la evaporación. Simultáneamente, la temperatura también desciende aproximadamente a 0⁰. El líquido se evapora parcialmente y se forma vapor húmedo.

El diagrama muestra un ciclo cerrado mediante el cual funciona la unidad de compresión de vapor. En el compresor (1), el vapor húmedo saturado se comprime hasta alcanzar la presión p1. En el compresor (2), el vapor cede calor y se transforma en líquido. En el estrangulador (3), tanto la presión (p3 – p4) como la temperatura (T1-T2) disminuyen. En el intercambiador de calor (4), la presión (p2) y la temperatura (T2) permanecen constantes.

Al ingresar al intercambiador de calor – evaporador, la sustancia de trabajo, una mezcla de vapor y líquido, cede frío al medio de calentamiento y toma calor del agente refrigerante, secándose simultáneamente. El proceso ocurre a presión y temperatura constantes. Las bombas suministran el líquido a baja temperatura a los fancoils. Tras recorrer este trayecto, el agente refrigerante regresa al compresor para repetir nuevamente todo el ciclo de compresión de vapor.

Especificidad del chiller de compresión de vapor

En época fría, el enfriador puede funcionar en modo de enfriamiento natural — esto se llama freecooling. En este caso, el medio de calentamiento enfría el aire exterior. Teóricamente, es posible usar el enfriamiento libre cuando la temperatura exterior es inferior a 7⁰C. En la práctica, la temperatura óptima para esto es 0⁰.

Al configurar el modo «bomba de calor», el enfriador funciona para calefacción. El ciclo sufre cambios, en particular, el condensador y el evaporador intercambian sus funciones. En este caso, el medio de calentamiento no debe enfriarse, sino calentarse.

Los más simples son los enfriadores monobloque. En ellos, todos los elementos están compactamente integrados en una sola unidad. Se venden completamente equipados al 100%, incluso con carga de refrigerante.

Este modo se utiliza con mayor frecuencia en grandes oficinas, edificios públicos, almacenes. El enfriador es una unidad de refrigeración que produce tres veces más frío del que consume. Su eficiencia como calefactor es aún mayor: consume cuatro veces menos electricidad de la que genera calor.

¿En qué se diferencia el refrigerante del portador de calor?

El agente refrigerante es una sustancia de trabajo que, durante el ciclo de refrigeración, puede encontrarse en diferentes estados de agregación a distintos valores de presión. El portador de calor no cambia de estado. Su función es transferir frío o calor a una distancia determinada.

El transporte del refrigerante lo controla el compresor, y el del portador de calor, la bomba. La temperatura del agente refrigerante puede descender por debajo del punto de ebullición y también superarlo. El portador de calor, a diferencia del refrigerante, trabaja constantemente en condiciones de temperatura que no superan el punto de ebullición a la presión actual.

El papel del fancoil en el sistema de aire acondicionado

El fan coil es un elemento importante de un sistema de climatización centralizado. Su segundo nombre es termoventilador. Si se traduce literalmente el término fan-coil del inglés, suena como ventilador-intercambiador de calor, lo que describe con mayor precisión su principio de funcionamiento.

La estructura del fan coil incluye un módulo de red que permite la conexión a la unidad de control central. Una carcasa resistente oculta los elementos constructivos y los protege de daños. En el exterior se instala un panel que distribuye uniformemente los flujos de aire en diferentes direcciones.

El propósito del dispositivo es recibir el portador a baja temperatura. Entre sus funciones también se incluyen tanto la recirculación como el enfriamiento del aire en la habitación donde está instalado, sin entrada de aire exterior. Los elementos principales del fan coil se encuentran en su carcasa.

Entre ellas se incluyen:

• ventilador centrífugo o diametral;
• intercambiador de calor en forma de serpentín, compuesto por un tubo de cobre y aletas de aluminio montadas en él;
• filtro de polvo;
• unidad de control.

Además de los componentes y piezas principales, la estructura del fan coil incluye una bandeja para recoger el condensado, una bomba para extraerlo, un motor eléctrico mediante el cual se giran las compuertas de aire.

En la foto, un fan coil de conducto de la marca Trane. La capacidad de los intercambiadores de calor de dos filas es de 1.5 – 4.9 kW. La unidad está equipada con un ventilador silencioso y un cuerpo compacto. Se coloca perfectamente detrás de paneles falsos o de un falso techo.

Dependiendo del método de instalación, existen fan coils de techo, de conducto, montados en conductos por donde entra el aire, sin carcasa (todos los elementos montados en un bastidor), de pared o consola.

Los aparatos de techo son los más populares y tienen dos variantes: de cassette y de conducto. Los primeros se instalan en espacios amplios con techos suspendidos. La carcasa se coloca detrás del falso techo. Solo queda visible el panel inferior. Pueden distribuir los flujos de aire en dos o en las cuatro direcciones.

Si el sistema se va a utilizar exclusivamente para refrigeración, el mejor lugar para él es el techo. Si la construcción está destinada a la calefacción, el dispositivo se coloca en la pared en su parte inferior.

La necesidad de refrigeración no siempre existe, por lo tanto, como se ve en el diagrama que muestra el principio de funcionamiento del sistema chiller-fan coil, en el módulo hidráulico se integra un depósito que actúa como acumulador para el refrigerante. La expansión térmica del agua es compensada por el tanque de expansión conectado a la tubería de suministro.

Los fan coils se controlan tanto en modo manual como automático. Si el fan coil funciona en calefacción, en modo manual se corta el suministro de agua fría. Cuando funciona en refrigeración, se cierra el agua caliente y se abre el paso para la entrada del líquido refrigerante de trabajo.

Panel de control para fan coil tanto de 2 tubos como de 4 tubos. El módulo se conecta directamente al dispositivo y se coloca cerca de él. Desde allí se conectan el panel de control y los cables para su alimentación.

Para funcionar en modo automático, en el panel se establece la temperatura deseada para la habitación específica. El mantenimiento del parámetro establecido se realiza mediante termostatos que ajustan la circulación de los fluidos térmicos: frío y caliente.

La ventaja del fan coil no solo radica en el uso de un portador de calor seguro y económico, sino también en la rápida resolución de problemas como fugas de agua. Esto abarata su servicio. El uso de estos dispositivos es la forma más eficiente energéticamente de crear un microclima favorable en el edificio.

Dado que cualquier edificio grande tiene zonas con diferentes requisitos de temperatura, cada una de ellas debe ser atendida por un fan coil individual o un grupo de ellos con configuraciones idénticas.

La cantidad de unidades se determina en la etapa de diseño del sistema mediante cálculo. El costo de los componentes individuales del sistema chiller-fan coil es bastante alto, por lo tanto, tanto el cálculo como el diseño del sistema deben realizarse con la máxima precisión.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Todo sobre el dispositivo, funcionamiento y principio de acción del sistema de termorregulación:

Video #2. Acerca de cómo instalar y poner en funcionamiento un chiller:

La instalación de un sistema chiller-fan coil es recomendable en edificios medianos y grandes con un área superior a 300 m². Para una casa particular, incluso enorme, la instalación de dicho sistema de termorregulación es un placer costoso. Por otro lado, dichas inversiones financieras proporcionarán comodidad y bienestar, y eso no es poco.

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