Clave de selección de motor y variador para futuros estándares de eficiencia de ventiladores HVAC

Cuando el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, por sus siglas en inglés) emita las versiones finales de su tan esperada prueba de eficiencia de ventiladores y reglas de estándares de eficiencia en los próximos meses, aplicará regulaciones a una aplicación crítica en el rompecabezas de administración de energía del país. Mientras tanto, los miembros de la industria están debatiendo cómo las nuevas reglas, las primeras para fanáticos comerciales e industriales, afectarán sus operaciones.

Dos cosas son seguras. Primero, las reglas deberían reducir el consumo de energía de los ventiladores, lo que ayudaría a reducir los costos generales de energía del edificio. Los ventiladores actualmente representan alrededor del 18% de toda la electricidad comprada en edificios comerciales e industriales. Según lo propuesto, se espera que las nuevas reglas del DOE produzcan una ganancia de 2 a 3 % en la eficiencia, ahorrando aproximadamente siete cuatrillones de BTU de energía durante los próximos 60 años.

En segundo lugar, un diseño de ventilador más aerodinámico no generará necesariamente los ahorros de energía necesarios para cumplir con las normas propuestas. Esto se debe a que los cambios en el diseño del ventilador pueden ser extremadamente difíciles de implementar en un sistema existente y el consumo de energía es más fácil de abordar mediante la actualización del motor, que representa toda la potencia del ventilador. El aumento de la eficiencia del motor será, en muchos casos, parte integral para lograr la eficiencia del ventilador.

El DOE entiende esto. El Aviso de disponibilidad de datos del DOE publicado en 2022 incluyó un rediseño del ventilador solo para la opción de tecnología máxima, que supera con creces los objetivos de ahorro establecidos. Sin embargo, la palabra "motor" apareció más de 300 veces en el documento de 28 páginas.

Los fabricantes de motores ya están recibiendo llamadas de fabricantes de ventiladores que se preguntan si sus productos existentes cumplirán con los nuevos estándares propuestos. Muchos también han comenzado a buscar alternativas de motores y variadores que les permitan lograr la producción de eficiencia requerida al costo más económico.

Para mejorar la eficiencia en las nuevas instalaciones, el mercado de ventiladores comerciales se está desplazando hacia el uso de ventiladores de transmisión directa en lugar de los ventiladores tradicionales de transmisión por correa. Como su nombre lo indica, la hélice del ventilador está conectada directamente al eje del motor en un ventilador de transmisión directa.

Hay varias razones prácticas para este cambio. Debido a que la hélice está directamente conectada al eje del motor, los ventiladores de transmisión directa no sufren pérdidas de transmisión de potencia. En comparación, un ventilador accionado por correa puede tener entre un 10 y un 30 % de pérdida de eficiencia. Los ventiladores de transmisión directa también son más confiables y fáciles de mantener, y algunos funcionan prácticamente sin mantenimiento. Los ventiladores accionados por correa requieren un mantenimiento periódico y corren el riesgo de romperse.

Mientras todos esperamos las reglas finales de los estándares de prueba y eficiencia, aquí hay algunas otras cosas a tener en cuenta:

Esto se debe en gran parte a que los fabricantes desarrollan tecnologías de motores/accionamientos que otras industrias han necesitado para cumplir con sus propias reglamentaciones de eficiencia energética del DOE.

La industria de HVAC residencial lideró el camino con su adopción temprana de la tecnología de motor y control integrados (IMAC). Al emparejar el motor con controles integrados o variadores de frecuencia, los IMAC

permiten operar motores de 1 a 15 hp a diferentes velocidades según la demanda del sistema. Presentados por primera vez hace 15 años, los IMAC ahora se han convertido en estándar en los sistemas HVAC residenciales.

Las industrias comerciales de HVAC y bombas ahora están siguiendo su ejemplo, reemplazando las aplicaciones de motores de una sola velocidad menos eficientes con IMACS y otros sistemas de accionamiento de potencia (PDS) respaldados por investigaciones y probados en el campo. (Un PDS incluye un motor y un variador o control de velocidad ajustable. Sin embargo, a diferencia del IMAC, los dos pueden ensamblarse o no necesariamente como una unidad integrada).

Todos allanan un camino claro que la industria de los ventiladores también puede seguir para mejorar la eficiencia energética.

La mayoría de los ventiladores y sopladores comerciales de hoy en día también dependen de motores de una sola velocidad de gran tamaño que han sido diseñados para satisfacer la demanda máxima del sistema, aunque el equipo que alimentan rara vez funciona a plena capacidad. No todos los ventiladores necesitarán nuevos motores más eficientes para lograr la salida de eficiencia requerida, pero aquellos que los necesiten tendrán múltiples alternativas para elegir.

Las ofertas actuales de productos incluyen diseños IMAC síncronos y de inducción. Ahora disponibles en hasta 15 hp, los IMAC que están integrados con un motor síncrono y VFD, una combinación conocida como ECM o motor conmutado electrónicamente, podrían convertirse en el estándar de oro en las aplicaciones de ventiladores comerciales.

¿Qué tan sustancial? Según el DOE, reducir la velocidad de IMAC en un 20 % puede, en algunos casos, reducir el consumo de energía a la mitad. Un estudio realizado por NEEA (Northwest Energy Efficiency Alliance) calculó que el retorno de la inversión de IMAC y PDS es de 10 meses para sistemas de carga constante y solo de cuatro meses para sistemas de carga variable.

Reemplazar un motor de inducción con un motor síncrono produce ahorros aún mayores. Cuando se combina con la tecnología Smart Building, los ECM satisfacen las demandas de la aplicación con velocidad variable, lo que genera menos desgaste en el equipo.

Muchas unidades ECM hoy en día se conectan a sensores que brindan información del sistema de control del motor. En una aplicación de ventilador, por ejemplo, un sensor de calor enviaría continuamente al control del motor la temperatura actual del equipo. Si la temperatura es más alta que la tasa objetivo, el control del motor aumentaría las RPM del motor para alcanzar el objetivo.

Los sistemas más nuevos utilizan IoT entre los sensores y el ECM. A medida que los edificios comerciales avanzan más hacia convertirse en Smart Buildings, se espera que esta tendencia continúe. En un edificio inteligente, una sola persona de mantenimiento del edificio con una computadora portátil puede monitorear y controlar el funcionamiento de los ascensores, los sistemas de calefacción/refrigeración, las bombas, las torres de refrigeración y los ventiladores.

Debido a que el motor y el control han sido diseñados para operar juntos, los ECM requieren una configuración e integración del sistema mínimas. El diseño elimina la necesidad de cableado in situ entre el motor y el control.

Los controles de un ECM se montan en la parte superior o en línea con los motores, que utilizan las mismas dimensiones de montaje base que los motores de una sola velocidad que reemplazan, lo que les permite adaptarse a los ventiladores existentes. El único problema importante que podría encontrar un instalador al instalar un ECM es el espacio libre disponible encima o detrás del motor donde ahora se encuentra el variador.

La optimización del motor al control también es más fácil, porque los parámetros específicos del motor están instalados de fábrica en el variador. La eficiencia del motor y del control mejora porque el control se adapta mejor al motor.

El DOE ha adoptado un índice de eficiencia del ventilador (FEI) como medida para evaluar la eficiencia del sistema de ventilación. FEI considera la entrada de energía eléctrica al sistema de ventilación, incluido el impacto en la eficiencia de los motores y los variadores.

Al crear estándares que se aplican no solo a los ventiladores, sino también a los motores y variadores, el DOE permite a los diseñadores analizar el retorno de la inversión para diferentes tipos de ventiladores, tamaños y combinaciones de motores y variadores al desarrollar nuevas soluciones.

Sin embargo, el método que se usará para medir la eficiencia de ventiladores y sopladores comerciales e industriales aún está en desarrollo. El DOE ha propuesto que la eficiencia de los ventiladores se mida utilizando los protocolos descritos en AMCA 214. Una vez que se implemente el método, los fabricantes de ventiladores que elijan la tecnología ECM deberían poder buscar ayuda con el fabricante de su motor para determinar el valor de eficiencia del motor. Debido a que el mismo fabricante proporciona tanto el motor como el variador, se debe esperar que el fabricante proporcione datos sobre la eficiencia del motor que crean en combinación.

Cabe señalar que el DOE tampoco ha asignado estándares de eficiencia a los motores ECM como combinación de motor/VFD. Muchas otras reglas del DOE requieren motores síncronos para cumplir con la eficiencia del sistema de alto nivel, incluidos los que se usan en los hornos de consumo.

Los nuevos estándares de eficiencia de los ventiladores del DOE impulsarán cambios en la forma en que los ingenieros diseñan los sistemas de aire para minimizar la energía de los ventiladores.

Cualquiera que sea la forma final que adopten las reglas, la eficiencia de la tecnología de motores desempeñará un papel importante. Aquellos que no han considerado las tecnologías integradas de motor y control, incluido el ECM, deberían ponerlas en su radar. Ahora es el momento de comenzar a hablar con sus equipos de ingeniería y adquisiciones sobre sus alternativas.