El abecé de un sistema VRF (I)

¿Qué es el sistema de Flujo de Refrigerante Variable (VRF)? ¿Por qué preferirlo? Este artículo aclarará muchas dudas al respecto.

por Lennox

Un sistema VRF consta de una unidad exterior (pueden ser hasta tres unidades combinadas en un módulo de mayor capacidad) conectada a varios tipos de unidades interiores a través de una sola red de tubería de refrigerante.

Cada unidad interior, o zona, es controlada por su usuario o por un controlador central que puede operar varias zonas. El sistema varía constantemente la cantidad de refrigerante que pasa a cada unidad interior para que se ajuste al requerimiento de carga interna, permitiendo que los compresores funcionen sólo a la capacidad necesaria para satisfacer esa carga. 

Así se consume menos energía que con los sistemas de encendido/apagado; aun cuando el tiempo de ejecución del sistema VRF es más largo. Cuando es diseñado correctamente, un sistema VRF funciona generalmente a una capacidad inferior al 100%.

Definición

Un sistema VRF es un sofisticado sistema de bomba de calor. En el nivel más básico, un sistema VRF (bomba de calor o recuperador de calor) es una bomba de calor. Cuenta con una sola unidad exterior conectada a varios tipos de unidades interiores a través de una sola red de tuberías de refrigerantes. En América del Norte todos los sistemas VRF utilizan actualmente el refrigerante R410a. ASHRAE y AHRI (Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración), han formulado una definición del VRF. Los principales criterios son que el sistema tenga una red de refrigeración común y tres pasos de control.

ASHRAE define el VRF de la siguiente manera: “Es un sistema multi-split de expansión directa (DX) que incorpora al menos un compresor de capacidad variable, el cual distribuye refrigerante a través de una red de tuberías a varias unidades interiores de climatización, cada una de las cuales es capaz de controlar la temperatura de zonas independientes, a través de dispositivos integrales de control de temperatura de zona y una red de comunicaciones común. El flujo de refrigerante variable emplea tres o más pasos de control en la tubería compartida e intercomunicada”.

El AHRI define el VRF de la siguiente manera: “Sistema Multi-split VRF: Una bomba de calor o un aire acondicionado multi-split incorpora un único circuito de refrigerante, con una o más unidades exteriores, al menos un compresor de velocidad variable o una combinación de compresores alternativos para variar la capacidad del sistema en tres o más pasos, varias unidades climatizadoras interiores (cada una de los cuales se mide por separado), y son controladas individualmente mediante un dispositivo de control integral y una red de comunicación común. El sistema es capaz de funcionar ya sea como aire acondicionado o como bomba de calor.

Sistema VRF Multi-split de recuperación de calor: “Incorpora un único circuito de refrigerante, con una o más unidades exteriores, al menos un  compresor de velocidad variable, o una combinación de compresores alternativos para variar la capacidad del sistema en tres o más pasos, varias unidades Fan coil, cada una de las cuales se mide por separado y son controladas individualmente mediante un dispositivo de control integral y una red de comunicación común. El sistema es capaz de funcionar ya sea como aire acondicionado o como bomba de calor. El sistema también está en capacidad de proporcionar calefacción y refrigeración simultáneamente, gracias a lo cual la energía recuperada de las unidades interiores que operan en uno modo puede ser transferida a una o más unidades interiores que operan en el otro modo.

Evolución

Los sistemas VRF funcionan como bombas de calor y siguen el mismo ciclo de refrigeración que cualquier otro equipo de enfriamiento. La evolución de los sistemas VRF se remonta a las unidades de aire acondicionado de una sola velocidad. Estas unidades tenían un compresor de una sola velocidad, un condensador, un dispositivo de medición y un evaporador. El sistema sólo podía enfriar, no calentar. 

Figura 1

Al aire acondicionado de una sola velocidad siguió el sistema de bomba de calor; se agregó una válvula de inversión y un dispositivo de medición tanto en las unidades interiores como en las unidades exteriores, las cuales fueron los componentes principales que permitían que el sistema tuviera la capacidad de producir calefacción y enfriamiento sin necesidad de un componente de calefacción complementario.

Figura 2

Luego, se introdujo el compresor con el sistema inverter para variar la velocidad y las válvulas de expansión eléctrica que permitieron la modulación de la capacidad. Esto proporcionó un control más preciso y mayor capacidad.

Figura 3

Con el fin de tener funciones de zonificación, se añadieron unidades interiores adicionales al sistema. Esto permitió controlar de forma individual la temperatura de cada zona. Gracias a un compresor con sistema inverter, el sistema funciona a una capacidad que se ajusta a la carga interna, aumentando la eficiencia global. 

La eficiencia se logra al reducir la capacidad a condiciones de carga parcial; la mayoría de los sistemas operan 60% a 80% del tiempo a carga parcial. Como las zonas adicionales requieren de enfriamiento, el compresor se acelera para proporcionar la capacidad necesaria. Cuando las necesidades de una zona se satisfacen o la carga de refrigeración disminuye, el compresor reduce la velocidad y reduce la capacidad hasta el nivel que se necesita únicamente. Esto hace que el sistema sea altamente eficiente, ya que sólo está proporcionando la capacidad necesaria y no hay desperdicio de energía.

Figura 4

Componentes fundamentales

Hay dos componentes fundamentales en un sistema VRF: un compresor de velocidad variable, controlado por un sistema inverter, conmutado digitalmente y la válvula de expansión electrónica, o EXV.

Los sistemas VRF utilizan la tecnología inverter con válvulas de expansión electrónicas para controlar el flujo de refrigerante a fin de variar la capacidad. El inverter es un componente electrónico que varía la velocidad del compresor. Al variar la velocidad, el caudal másico del refrigerante aumenta o disminuye para que coincida con la carga interna requerida. Esto permite que el sistema VRF produzca solo la capacidad necesaria requerida en un momento determinado. La mayoría de fabricantes de VRF están utilizando los compresores controlados por un sistema inverter en la unidad exterior.

La válvula de expansión electrónica, EXV, se abre y cierra en incrementos que permiten que fluya la cantidad precisa de refrigerante a través de la bobina evaporadora. La EXV también se abre a una posición predeterminada durante la operación en modo de calefacción para permitir el flujo de refrigerante a través del condensador, haciendo así innecesario tener una válvula de retención tipo derivación. Cada unidad interior tiene una EXV. La EXV tiene una frecuencia de pulso variable que modula el flujo de refrigerante en la unidad interior. Permite el paso a la unidad interior de la cantidad requerida de refrigerante para satisfacer la demanda de la zona.

Tipos de sistemas

Los VRF vienen en modalidad de sistema de bomba de calor y sistema de recuperación de calor. Un sistema de bomba de calor VRF puede calentar o enfriar el espacio, no puede hacer las dos cosas al mismo tiempo. Un sistema VRF de recuperación de calor permite la calefacción y refrigeración simultánea de espacios individuales. El sistema VRF de recuperación de calor desplaza el calor recuperado de un área a otra. Este es un sistema controlado de confort total que permite refrigerar en un área y calentar en otra al mismo tiempo. La capacidad de utilizar el calor residual creado cuando se enfría un espacio para calentar un espacio diferente representa el verdadero valor del sistema de recuperación de calor. La mayoría de los sistemas de recuperación contienen tres tubos: tubo de líquido, tubo de descarga de gas de alta presión y tubo de succión de gas de baja presión.

Dos sistemas de bomba de calor

Un sistema de recuperación de calor

Unidades interiores

Las unidades interiores vienen en una amplia variedad de estilos y capacidades que se ajustan a distintas aplicaciones. Los estilos de unidades VRF interiores incluyen unidades sin ductos para montaje en pared o en techo. Los estilos con ductos son normalmente aires acondicionados horizontales y verticales de estática media y alta.

Figura 5

Caja de selección de modo

En los sistemas VRF de recuperación de calor se emplea una caja de selección de modo, también conocida como caja de recuperación de calor, para permitir el calentamiento y enfriamiento simultáneos. Esta caja se usa para configurar el modo de las unidades interiores ubicadas abajo de la caja de selección.  

Figura 6

Controles

Los controles VRF proporcionan realimentación al sistema VRF sobre los requerimientos de carga del espacio. Normalmente se trata de un sistema de comunicaciones de conexión en serie que permite el control del modo de una zona por separado (calefacción o enfriamiento) y el control de la temperatura. Mediante pasarelas o interfaces, el sistema de control VRF puede conectarse a los sistemas de gestión de edificios BACnet o LonWorks. 

Figura 7

Accesorios

Los accesorios pueden ir desde bombas de elevación de condensado hasta control para opciones de calefacción auxiliares, conexiones en derivación de la tubería del refrigerante y sensores remotos para las habitaciones. 

Ventajas

Los sistemas VRF presentan muchas ventajas con relación a los sistemas convencionales de encendido y apagado.

Nota: Para leer la segunda parte haga clic aquí.