La selección de motores y variadores es clave para los futuros estándares de eficiencia de ventiladores HVAC

Cuando el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) emita las versiones finales de sus tan esperadas pruebas de eficiencia de ventiladores y normas de eficiencia en los próximos meses, aplicará las regulaciones a una aplicación crítica en el rompecabezas de la gestión energética del país. Mientras tanto, los miembros de la industria están debatiendo cómo las nuevas reglas, las primeras para los fanáticos comerciales e industriales, afectarán sus operaciones.

Dos cosas son seguras. En primer lugar, las normas deberían reducir el consumo de energía de los ventiladores, lo que ayudaría a reducir los costes energéticos generales del edificio. Actualmente, los ventiladores 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 2-3% en eficiencia, ahorrando aproximadamente siete mil billones de BTU de energía durante los próximos 60 años.

En segundo lugar, un diseño más aerodinámico de los ventiladores no necesariamente generará los ahorros de energía necesarios para cumplir con las reglas 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. En muchos casos, aumentar la eficiencia del motor será fundamental para lograr la eficiencia del ventilador.

El DOE lo entiende. 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 transmisiones que les permitan lograr la eficiencia requerida al costo más económico.

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

Hay varias razones prácticas para este cambio. Debido a que la hélice está conectada directamente 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 una pérdida de eficiencia de entre el 10 y el 30%. Los ventiladores de transmisión directa también son más confiables y más fáciles de mantener, y algunos funcionan prácticamente sin mantenimiento. Los ventiladores accionados por correas requieren un mantenimiento periódico y corren el riesgo de romperse.

Mientras todos esperamos las reglas finales de prueba y estándares de 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 regulaciones de eficiencia energética del DOE.

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

permiten operar motores que van desde 1 a 15 hp a diferentes velocidades según la demanda del sistema. Introducidos 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 haciendo lo mismo, reemplazando aplicaciones de motores de una sola velocidad menos eficientes con IMACS y otros sistemas de propulsión eléctrica (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 o no necesariamente ensamblarse como una unidad integrada).

Todos están allanando 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 actuales 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 motores nuevos más eficientes para lograr la eficiencia requerida, pero aquellos que los necesiten tendrán múltiples alternativas entre las cuales elegir.

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

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

Reemplazar un motor de inducción por un motor síncrono produce ahorros aún mayores. Cuando se combinan con la tecnología Smart Building, los ECM satisfacen las demandas de las aplicaciones con velocidad variable, generando menos desgaste en los equipos.

Muchas unidades de ECM hoy en día se conectan a sensores que proporcionan 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 mayor 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 avancen hacia la conversión en edificios inteligentes, 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 ascensores, sistemas de calefacción/refrigeración, bombas, torres de enfriamiento y ventiladores.

Debido a que el motor y el control han sido diseñados para funcionar 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 de la 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 disponible encima o detrás del motor donde ahora se encuentra el variador.

La optimización del control del motor también es más sencilla 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 de los ventiladores (FEI) como métrica para evaluar la eficiencia del sistema de ventiladores. FEI considera la entrada de energía eléctrica al sistema de ventilador, incluido el impacto en la eficiencia de los motores y 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 motor/variadores al desarrollar nuevas soluciones.

Sin embargo, el método que se utilizará 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 el método esté implementado, los fabricantes de ventiladores que elijan la tecnología ECM deberían poder buscar ayuda en el fabricante de sus motores 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 que los motores síncronos cumplan con un nivel más alto de eficiencia del sistema, incluidos los utilizados en 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 normas, la eficiencia de la tecnología de los motores desempeñará un papel importante. Aquellos que no han considerado las tecnologías integradas de motor y control, incluido el ECM, harían bien en ponerlas en su radar. Ahora es el momento de empezar a hablar con sus equipos de ingeniería y adquisiciones sobre sus alternativas.