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Diseño de edificios, HVAC y plomería

Badger Meter mejora el rendimiento del sistema hidrónico en un gran hospital de la ciudad de Nueva York

New York City Hospital

Necesitaba asegurar la confiabilidad y eficiencia de las operaciones del sistema hidrónico de HVAC

Más de $9,000

Cantidad que se ahorró en los costos totales de instalación al elegir el medidor de flujo TFX-5000

Resumen

  • Con grandes plantas de servicios centrales, los hospitales se enfrentan al reto de optimizar el rendimiento del sistema de calefacción y refrigeración

  • Muchos sistemas de refrigeración y condensadores de hospitales funcionan muy por debajo de la eficiencia máxima

  • Un gran hospital de la ciudad de Nueva York necesitaba asegurar la confiabilidad y eficiencia de las operaciones del sistema hidrónico de HVAC

  • Los medidores de flujo ultrasónicos de pinza son ideales para su uso con componentes hidráulicos ya que no son invasivos y son más fáciles de instalar que los dispositivos en línea y de inserción

  • Los beneficios de la tecnología de medidores de ultrasonido son importantes en tiempos en los que la salud mundial es preocupante, cuando los hospitales se enfrentan a cambios repentinos en el número de pacientes y en la carga de trabajo

Introducción

Los operadores de grandes instalaciones, como los hospitales metropolitanos, requieren sistemas eficientes de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) como parte de iniciativas más amplias centradas en el rendimiento y la sostenibilidad de los edificios. Del mismo modo, los ocupantes de las instalaciones tienen expectativas de que los sistemas de HVAC funcionen eficazmente con el fin de crear un entorno interior adecuado.

A medida que los centros de salud se enfrentan a la pandemia de coronavirus que evoluciona rápidamente, deben centrarse en el papel que desempeñan la calefacción y la refrigeración de base hidrónica en la comodidad y la seguridad de los pacientes y el personal. Según los Centros de Control de Enfermedades (Centers for Disease Control, CDC) y ASHRAE, los sistemas de HVAC de los hospitales son clave para mitigar la propagación de enfermedades como el COVID-19. Estos sistemas deben funcionar de manera eficaz y fiable las 24 horas del día, los 7 días de la semana, independientemente de la fluctuación de la demanda de carga debido a los cambios en los niveles de ocupación.

Con grandes plantas de servicios centrales, los hospitales se enfrentan al reto de optimizar el rendimiento del sistema de calefacción y refrigeración en las habitaciones de los pacientes, los quirófanos, las unidades de cuidados intensivos (UCI) y otras áreas vitales de sus instalaciones. Los componentes hidrónicos están entre los mayores consumidores de electricidad en la mayoría de los edificios. Cualquier ineficiencia en su funcionamiento, desde el despilfarro de energía hasta el desequilibrio y el estrés de los equipos, puede costar entre decenas y cientos de miles de dólares anuales y reducir drásticamente la esperanza de vida de este valioso activo.

Dado que los operadores de las instalaciones dedican una gran parte de su presupuesto a procesar agua caliente y fría y a distribuirla en sus instalaciones, tienen la necesidad urgente de determinar la cantidad correcta de este recurso necesario y de asegurar que el equipo no esté sobrecargado de trabajo y funcione eficientemente para reducir el desgaste y las posibles fallas. Los refrigeradores suelen representar aproximadamente entre el 35 y el 50% del consumo de energía de todo un edificio, lo que los convierte en el mayor consumidor de energía de la mayoría de las propiedades. A medida que los costos de energía continúan aumentando, la necesidad de monitorear y mantener el funcionamiento de los enfriadores se convierte en una prioridad. Si bien los refrigeradores pueden proporcionar el enfriamiento adecuado que se requiere para la propiedad, el estado de salud de estos equipos seguirá degradándose con el tiempo. La falta de un mecanismo preciso para comprobar la eficacia de los refrigeradores y las bombas creará un aumento muy costoso del consumo de energía.

Se ha determinado que muchos refrigeradores pueden perder más del 30% de su capacidad y eficiencia a lo largo del tiempo, lo que puede causar un aumento en la factura de energía del edificio de hasta un 15% sin saber la causa o incluso sin darse cuenta de que este costo adicional podría haberse evitado. Incluso cuando se han establecido programas de mantenimiento preventivo, muchas cosas pueden pasar desapercibidas si no se dispone de herramientas de medición de flujo o de energía. La instalación de estos dispositivos mostrará con precisión ineficiencias tales como las desviaciones de la tasa de flujo, el Delta T y los cambios en la producción de energía en unidades térmicas británicas (BTU) que afectan directamente a la eficiencia de los enfriadores y permiten a los propietarios de las instalaciones identificar rápidamente los problemas y hacer las modificaciones necesarias para devolver el rendimiento de los enfriadores a sus niveles de diseño.

Problemas operativos típicos

Muchos sistemas de refrigeración y condensadores de hospitales funcionan muy por debajo de su eficiencia máxima, a menudo debido a un diseño defectuoso del sistema o a prácticas deficientes de funcionamiento y mantenimiento. Esta situación produce costos elevados de energía, una fiabilidad limitada y una reducción de la vida útil de los equipos.

El personal del hospital suele quejarse de los "puntos de calor", especialmente en las zonas más alejadas de la central de servicios. Los centros de atención de la salud también se enfrentan a importantes aumentos de los costos de la energía debido al incremento de los costos del gas, así como al aumento de los costos de transmisión y distribución.

Para lograr la máxima eficiencia de los refrigeradores, se debe controlar el flujo de refrigerante y llevar el agua más fría posible a los condensadores. Esta agua fría se produce en las torres de refrigeración, lo que hace que el funcionamiento y el mantenimiento de las unidades sea crítico para maximizar el rendimiento general del sistema.

Un gran hospital de la ciudad de Nueva York necesitaba una solución para garantizar la fiabilidad y la eficiencia de las operaciones de su sistema hidrónico de HVAC. El departamento de ingeniería de las instalaciones del hospital contrató a un importante contratista de controles para que le proporcionara instrumentación para medir el flujo de agua refrigerada y de agua del condensador como parte de la supervisión del sistema HVAC mediante el nuevo sistema de gestión de edificios (BMS) del hospital. Los ingenieros querían obtener datos de energía sobre el agua refrigerada producida por los enfriadores en su sala de máquinas, y también recopilar información sobre el agua del condensador que se utilizaba para extraer el calor del refrigerante bombeado a los evaporadores de los techos.

El hospital necesitaba obtener datos de medición de flujo de la forma más económica posible sin sacrificar la precisión. En un edificio nuevo, normalmente se recomiendan los medidores de flujo electromagnéticos en línea porque ofrecen una excelente precisión. Pero como se trataba de una instalación existente, y ya que los dispositivos en línea como los medidores de flujo magnéticos son intrusivos, se tendría que apagar el sistema de refrigeración del hospital y cortar las tuberías para instalar los medidores. Incluso la tecnología de inserción requiere una inversión sustancial con instrumentos de soldadura, perforación y derivación bajo presión en la corriente de flujo con la posibilidad de que las virutas de las tuberías entren en el sistema de tuberías, lo que podría causar un daño significativo a las paletas de la bomba y a los equipos dentro del sistema de tuberías hidrónicas. Los ingenieros de las instalaciones no querían que la soldadura y la perforación se realizaran en su sala de máquinas, y el tiempo necesario para la soldadura y colocación de medidores de inserción mediante derivación bajo presión era inaceptable. Requerían equipos de medición de flujo que pudieran estar en funcionamiento rápidamente y que se instalaran mientras el sistema estuviera en funcionamiento.

Valor de la medición de flujo

Las grandes instalaciones deben cumplir las exigencias operativas rigurosas y los requisitos estrictos de medición de flujo que presentan los sistemas hidrónicos de HVAC. La instalación de componentes eficientes de calefacción y refrigeración hidrónica es un paso importante, pero la instrumentación de flujo es esencial para mantener la precisión, la fiabilidad y la repetibilidad a largo plazo en los refrigeradores, los sistemas de agua fría, las torres de refrigeración, los condensadores y otras operaciones de activos.

La medición del flujo de agua fría y de la energía térmica/BTU es esencial para determinar la cantidad de calor transferido entre las etapas de flujo frío y caliente de un proceso de sistema hidrónico. Cuando existe solo una pequeña diferencia de temperatura entre las dos etapas de flujo, una medición precisa hace una gran diferencia.

Sin embargo, muchas instalaciones no consiguen mediciones de la tasa de flujo del sistema de agua caliente y fría que sean precisas, de bajo costo y sin interrupciones. Los operadores de edificios requieren soluciones versátiles de medición de flujo para mantener el delicado equilibrio entre el bajo consumo de energía del sistema de enfriamiento y las inversiones de capital.

Las aplicaciones de agua refrigerada suelen requerir la conversión de la información de la tasa de flujo/el suministro y la temperatura en uso de BTU o tonelaje (TONN), para mostrarles a los operadores cuándo la carga de un enfriador alcanza el 40% o menos, lo que indica que ha llegado el momento de bajar la configuración de un enfriador. Cuando una carga alcanza el 60% o un porcentaje mayor, es el momento para encender otro enfriador para reducir la carga del sistema.

En aplicaciones de condensador, es importante mantener la calidad del suministro de agua de la caldera y eliminar el agua de la caldera de baja calidad al medir la alimentación/purga de la caldera y el flujo de retroalimentación del condensado sobre una base volumétrica.

En el caso del hospital de la ciudad de Nueva York, los ingenieros de la institución trataron de obtener mediciones precisas tanto del flujo como de la energía en su sistema hidrónico de HVAC. Querían un dispositivo que fuera lo más parecido posible a la medición en línea, sin los altos costos de instalación y el tiempo de inactividad que implica esta tecnología. El personal de ingeniería no tuvo en cuenta los instrumentos de inserción que solo tomarían muestras de una pequeña porción del perfil de flujo debido a la amplia gama de diámetros de tuberías en su sistema. Además, no querían un medidor de flujo que solo se insertara en un punto de medición, lo que no permitiría determinar la velocidad media del flujo a través de la tubería y podría causar grandes errores en los cálculos de flujo y energía. Los ingenieros comprendieron cómo el medidor de flujo de tiempo de tránsito Dynasonics® TFX-5000 toma muestras de toda el área transversal de la tubería no una vez, sino dos veces, con una configuración estándar de montaje en V, lo que proporciona un verdadero perfil de flujo de velocidad media para obtener lecturas precisas y estables.

Seleccionar el medidor adecuado

Los usuarios finales involucrados en instalaciones comerciales e industriales tienen una amplia gama de productos de medición de flujo y energía para sus sistemas hidrónicos de HVAC. Los criterios típicos de selección de medidores de flujo incluyen:

  • Requisitos de precisión
  • Entorno de la instalación
  • Especificaciones de salida
  • Necesidades de interconexión
  • Requisitos de mantenimiento y servicio
  • Limitaciones de presupuesto

Un número creciente de operadores de instalaciones optan por instalar medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito para aplicaciones hidrónicas de HVAC. Con esta tecnología, las ondas ultrasónicas se transmiten aguas arriba y aguas abajo a través de la pared de la tubería y el líquido que fluye en ella. Al medir la diferencia en el tiempo de tránsito y conocer el tamaño de la tubería, el medidor determina la velocidad y la tasa de flujo.

Un medidor de flujo ultrasónico de pinzas es ideal para utilizar con componentes hidrónicos, ya que elimina la necesidad de alterar las tuberías de proceso y se puede instalar en una fracción del tiempo que requieren los dispositivos tradicionales en línea y de inserción. Está diseñado para fijarse al exterior de las tuberías con silicona estándar para una conexión de ebonita a la línea sin perder conectividad con el tiempo. Este tipo de medidor no invasivo no entra en contacto con el líquido interno, lo que permite la instalación sin detener el funcionamiento. No se requiere perforación o soldadura mediante derivación bajo presión para instalar el dispositivo. Además, no hay caída de presión a través del medidor como ocurriría con otras tecnologías y no hay juntas tóricas o sellos que mantener. A diferencia de los medidores ultrasónicos tipo Doppler que requieren partículas grandes o burbujas en la trayectoria del flujo para leer una tasa de flujo, un dispositivo de medición del tiempo de tránsito proporciona una salida precisa y confiable sin modificar el flujo del agua de enfriamiento.

Technical Air, un representante calificado de HVAC para Badger Meter, trabajó con el contratista de controles y los ingenieros de las instalaciones de New York City Hospital para aplicar la última tecnología no intrusiva de medición de flujo y energía, lo que reduciría los costos de instalación y aceleraría el traspaso del proyecto. La decisión de instalar un medidor de flujo ultrasónico de pinza TFX-5000 de Badger Meter permitió completar toda la instalación y ponerla en marcha con los enfriadores en pleno funcionamiento. Además, los medidores de flujo de pinza permitieron que un solo técnico los instalara de acuerdo con las pautas de distanciamiento social actuales.

El medidor de flujo ultrasónico de pinza TFX-5000 proporcionó al hospital una solución completa de medición de flujo y energía con un solo instrumento, con lo que se eliminó la necesidad de añadir un monitor BTU separado a los medidores de flujo existentes como ocurre con otras soluciones. El medidor TFX-5000 permite a los usuarios obtener datos de flujo y energía de un único dispositivo no intrusivo. Esta característica es útil para monitorear el rendimiento y la capacidad de los enfriadores, así como para medir la temperatura del refrigerante en las torres de enfriamiento para evitar fallas en el sistema. Los usuarios también pueden elegir entre una amplia gama de opciones de salida, como BACnet MS/TP, Modbus RTU, BACnet/IP, Modbus TCP y otros.

Los operadores de las instalaciones han descubierto que los medidores de flujo ultrasónicos de pinza como el medidor TFX-5000 sirven como una valiosa herramienta de medición y diagnóstico tanto para el agua refrigerada como para el agua del condensador y los circuitos de refrigerante en los sistemas hidrónicos de HVAC. Por ejemplo, los medidores se pueden instalar en cualquier punto de las líneas de distribución de agua para ayudar a equilibrar el proceso de agua refrigerada, garantizar que las bombas no trabajen demasiado y verificar el rendimiento del refrigerador en condiciones de funcionamiento rigurosas. Los medidores también ayudan a los operadores a mantener el refrigerante en las serpentinas de calefacción/enfriamiento a la temperatura adecuada. El nivel de ocupación variable actual en los hospitales exige un rendimiento óptimo del sistema de HVAC para mantener la calefacción y la refrigeración adecuadas. Los días en que se usaban sensores de presión diferencial en las bombas de refrigeración para tener una idea de la tasa de flujo se han acabado en gran parte debido a que esta tecnología obsoleta requiere la constante recalibración y presenta problemas de precisión.

Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito miden la temperatura del agua tanto en la entrada como en la salida del enfriador en base a puntos de ajuste establecidos para asegurar que el diferencial de temperatura no sea demasiado amplio. Utilizando las mediciones realizadas en varios lugares a lo largo del circuito de calefacción o refrigeración, los ingenieros de las instalaciones pueden verificar que la energía térmica se distribuya correctamente. En este caso, pueden reducir su producción de agua caliente y refrigerada, lo que permite ahorrar en energía y costos de funcionamiento, y reducir al mínimo la necesidad de mantenimiento y/o equipos adicionales.

Una característica clave del medidor TFX-5000 para el control de la energía es su registrador de datos de alta capacidad con ocho gigabytes de almacenamiento de datos. El medidor ofrece almacenamiento de datos en una tarjeta microSD y no requiere software ni cables de descarga. Con un registro de datos incorporado y un reloj en tiempo real, este instrumento avanzado registra la velocidad de flujo, el total y la información de diagnóstico con un sello de tiempo/fecha, proporcionando así la información de línea de base y de perfil de carga necesaria para optimizar la eficiencia operativa del equipo. Su gran volumen de almacenamiento de datos de reserva puede utilizarse para la solución de problemas o para la elaboración de informes.

Lo más importante es que la implementación del medidor TFX-5000 como un diseño de pinza no invasivo permitió al personal de ingeniería del hospital eliminar los costosos procedimientos bajo presión de perforación y soldadura en las tuberías mientras su sistema de refrigeración estaba funcionando. El uso de una derivación bajo presión durante la instalación podría haber causado que las virutas de metal de la tubería entraran en la tubería y en el sistema de bombas de refrigeración, lo que habría provocado un daño irreversible en las bombas de refrigeración y de condensación.

Beneficios para los operadores de las instalaciones

La experiencia ha demostrado que los medidores de flujo ultrasónicos de pinza de tiempo de tránsito son herramientas valiosas para ayudar a los operadores de edificios a medir y gestionar el rendimiento de su sistema de HVAC hidrónico de varias maneras. Estas unidades proporcionan la información de referencia y el perfil de carga necesarios para optimizar eficazmente la eficiencia del sistema y reducir el consumo de energía y los correspondientes costos.

Estos beneficios son particularmente importantes en épocas de mayor preocupación por la salud mundial, cuando los hospitales y otros centros de atención de la salud se enfrentan a un número de pacientes que cambia rápidamente y, por consiguiente, a mayores cargas en sus equipos de HVAC.

Para los ingenieros de las instalaciones de un gran hospital de la ciudad de Nueva York, el medidor de flujo ultrasónico Dynasonics TFX-5000 proporcionó una solución precisa para la medición de flujo y energía sin apagar su sistema de refrigeración hidrónica. Estos avanzados medidores ofrecen ventajas como:

  • Tecnología ultrasónica de tiempo de tránsito de alta precisión
  • Solución única para la medición del flujo y la energía térmica/BTU
  • Sensores con pinzas que usan silicona estándar sin cortar la tubería
  • El software gratuito de configuración de SoloCUE® elimina la necesidad de tocar el teclado
  • Compensación de la densidad del líquido en tiempo real
  • Diagnósticos de sistemas robustos

Si bien otras tecnologías de medición de flujo también se utilizan en aplicaciones de HVAC, los medidores de flujo ultrasónicos de pinza suelen ser una solución óptima debido a su montaje externo. Los medidores son especialmente adecuados para su uso con las líneas de distribución de agua caliente o fría existentes, donde son rápidos, fáciles y menos costosos de instalar que otras opciones de medidores de flujo, ya que no hay necesidad de cortar la línea, interrumpir el servicio o drenar la tubería. No requieren la instalación de tuberías ni válvulas de derivación para retirarlos, y los gastos de mantenimiento se reducen al mínimo ya que los medidores no tienen piezas móviles y, como se utilizan fuera de la tubería, no requieren una limpieza periódica.

Los medidores de flujo ultrasónicos de pinza como el TFX-5000 también son muy versátiles en ambientes de HVAC. Pueden instalarse en toda la gama de tamaños de líneas de agua caliente y refrigerada que se encuentran en los sistemas hidrónicos, emplearse en cualquier lugar del proceso de distribución de agua y utilizarse para medir dos aplicaciones al mismo tiempo. Estos medidores de flujo se pueden instalar donde no es posible o apropiado utilizar un medidor intrusivo. Todas las mediciones se pueden registrar y marcar con fecha y hora para crear análisis e informes.

Al elegir el medidor TFX-5000, New York City Hospital ahorró más de $750 por cada derivación bajo presión para 12 puntos de medición. Esto eliminó más de $9,000 en costos totales de instalación. El despliegue de los medidores de flujo se hizo mientras los enfriadores del hospital estaban en funcionamiento y no fue necesario hacer una derivación bajo presión o soldadura durante el proceso de instalación.

Por último, el departamento de ingeniería del hospital pudo completar el proyecto del medidor de flujo y tener la confirmación del equilibrador en un tiempo récord gracias a la estrecha cooperación entre el proveedor y los usuarios finales interesados. El rápido traspaso del proyecto ahorró tiempo y dinero a todos los involucrados en este exitoso esfuerzo.

Conclusión

No hay duda de que la eficacia operativa de los refrigeradores y condensadores puede tener un gran impacto en los costos operativos de los edificios. El mantenimiento predictivo y la optimización de estos componentes cruciales de los sistemas de HVAC hidrónicos requiere datos operativos en tiempo real, entre ellos información precisa sobre los circuitos de agua caliente/fría, el tonelaje de BTU y el consumo de energía.

Un importante centro de salud de la ciudad de Nueva York trabajó con sus socios de instrumentación para evaluar varias tecnologías de medición de flujo y decidió que el medidor de flujo ultrasónico de pinza de tiempo de tránsito Badger Meter Dynasonics TFX-5000 era la respuesta para abordar los problemas de rendimiento, confiabilidad y costos operativos de su equipo de HVAC. Este enfoque ha demostrado ser eficaz para garantizar que los ocupantes del hospital estén cómodos durante los momentos difíciles y que el entorno para brindar atención al paciente esté optimizado mientras los sistemas importantes se mantienen controlados y funcionan de manera eficiente. 

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