Bombas de circulación que ahorran energía: cómo funcionan, qué buscar y cómo elegir la adecuada

Por qué el consumo de energía en los sistemas de bombas de circulación merece una gran atención

Bombas de circulación se encuentran entre los consumidores de energía más persistentemente ignorados en los servicios de construcción, los sistemas de procesos industriales y las redes de calefacción urbana. A diferencia de los enfriadores o calderas HVAC que llaman la atención debido a su tamaño visible y su evidente demanda de energía, las bombas de circulación funcionan continuamente en segundo plano, a menudo funcionando a velocidad fija y a plena potencia, independientemente de si el sistema realmente necesita un flujo total en un momento dado. En un sistema de calefacción residencial típico, la bomba de circulación puede representar entre el 5% y el 10% del consumo total de electricidad del hogar. En edificios comerciales con múltiples circuitos hidrónicos, circuitos de enfriamiento industrial e instalaciones de calefacción urbana, la energía agregada consumida por los sistemas de bombeo puede representar entre el 20% y el 30% de la carga eléctrica total de la instalación. Esta escala de consumo hace que las mejoras en la eficiencia de las bombas sean una de las intervenciones con mayor retorno de la inversión disponibles tanto en la gestión de la energía de los edificios como en la optimización de los procesos industriales, pero sigue siendo sistemáticamente subutilizada porque la ineficiencia es silenciosa y gradual en lugar de obvia y aguda.

El cambio de bombas de circulación de velocidad fija y velocidad única a bombas de circulación de velocidad variable y ahorro de energía conmutadas electrónicamente representa el avance más significativo en la tecnología de bombas de las últimas tres décadas. Comprender qué hace que las bombas modernas de ahorro de energía sean diferentes, cómo logran ganancias de eficiencia y cómo seleccionarlas y especificarlas correctamente para una aplicación determinada es la base práctica de cualquier programa serio de reducción de energía en edificios o procesos.

Cómo las bombas de circulación tradicionales de velocidad fija desperdician energía

Para comprender por qué las bombas de circulación que ahorran energía ofrecen mejoras de eficiencia tan espectaculares, es necesario comprender primero por qué sus predecesoras desperdician tanta energía. Las bombas de circulación tradicionales utilizan motores de inducción de CA que funcionan a una velocidad fija determinada por la frecuencia del suministro: normalmente 50 Hz en Europa y la mayor parte de Asia, 60 Hz en América del Norte. Esto significa que el impulsor de la bomba gira a una velocidad constante independientemente de la demanda de flujo real impuesta por el sistema en cualquier momento. En un circuito de calefacción o refrigeración, la demanda térmica varía continuamente con la temperatura exterior, la ocupación, la ganancia solar y los horarios de funcionamiento. Un sistema de calefacción diseñado para ofrecer flujo total en condiciones invernales máximas (quizás de 10 a 15 días por año) opera en esa misma condición de flujo total durante los 350 días restantes cuando la demanda es parcial, moderada o mínima.

La física de esta situación se rige por las leyes de afinidad de la bomba, que establecen que el consumo de energía varía con el cubo de la velocidad de rotación. Una bomba que funciona al 80% de su velocidad de diseño consume sólo el 51% de su potencia a máxima velocidad (0,8³ = 0,512). Una bomba que funciona al 60% de la velocidad de diseño consume sólo el 22% de la potencia a máxima velocidad. Estas relaciones significan que incluso reducciones modestas en la velocidad de operación (logradas haciendo coincidir la velocidad de la bomba con la demanda real del sistema en lugar de funcionar a toda velocidad continuamente) producen reducciones desproporcionadamente grandes en el consumo de energía. Una bomba de velocidad fija que funciona a plena potencia durante 8.760 horas al año, mientras que el sistema requiere flujo total sólo durante 500 de esas horas, está desperdiciando enormes cantidades de electricidad de una manera que es estructuralmente inevitable sin tecnología de control de velocidad variable.

La tecnología detrás de las modernas bombas de circulación que ahorran energía

Las bombas de circulación modernas que ahorran energía logran su eficiencia mediante la integración de tres tecnologías clave: motores de imanes permanentes conmutados electrónicamente, variadores de frecuencia integrados y algoritmos de control inteligentes que ajustan continuamente la salida de la bomba a la demanda del sistema. Estos tres elementos trabajan juntos como un sistema inseparable en lugar de como componentes independientes, razón por la cual el rendimiento de las unidades de bomba integradas de ahorro de energía excede sustancialmente lo que se puede lograr instalando un variador de frecuencia en una bomba con motor de inducción convencional.

Motores de imanes permanentes conmutados electrónicamente

El motor de una bomba de circulación de alta eficiencia es un motor de imán permanente de CC sin escobillas (también llamado ECM (motor con conmutación electrónica) en lugar del motor de inducción de CA utilizado en las bombas convencionales. Los motores de imanes permanentes eliminan las pérdidas de cobre del rotor que representan una fracción significativa de la disipación de energía del motor de inducción, ya que el campo del rotor lo proporcionan imanes permanentes en lugar de corriente inducida. Esto proporciona a los motores ECM eficiencias de carga completa del 90 al 95 % en comparación con el 75 al 85 % de los motores de inducción equivalentes y, de manera fundamental, mantiene una alta eficiencia en una amplia gama de puntos operativos de carga parcial. Un motor de inducción que funciona al 30 % de la carga nominal normalmente cae a una eficiencia del 60 al 65 %; un motor ECM de imán permanente con la misma carga parcial mantiene una eficiencia del 85 al 90%. Dado que los sistemas de bombas de circulación pasan la mayor parte de sus horas de funcionamiento con carga parcial, esta ventaja de eficiencia de carga parcial es mucho más importante en la práctica que la cifra de eficiencia nominal de carga completa por sí sola.

Variadores de frecuencia integrados

El accionamiento electrónico integrado en una bomba de circulación que ahorra energía convierte el suministro de CA entrante en una salida de CC de frecuencia y voltaje variable y luego de CA que controla la velocidad del motor con precisión en respuesta a las señales de control. En una unidad de bomba de circulación dedicada, este variador está diseñado específicamente para el motor que controla: la adaptación de impedancia, la frecuencia de conmutación y la gestión térmica están optimizadas para el motor específico en lugar de la optimización genérica requerida de un VFD universal. Este enfoque integrado ofrece eficiencias de unidad del 97 % al 99 % en comparación con el 93 % al 96 % para los VFD de uso general y elimina la complejidad de la instalación, los requisitos de cableado y los posibles problemas de EMC asociados con instalaciones de unidades separadas.

Modos de control inteligentes y algoritmos

La inteligencia de control integrada en las bombas de circulación modernas que ahorran energía es lo que traduce la capacidad de velocidad variable en ahorros de energía reales en el funcionamiento real del sistema. Los principales fabricantes de bombas ofrecen varios modos de control que se adaptan a diferentes tipos de sistemas y filosofías operativas. El control de presión proporcional mantiene la presión diferencial a través de la bomba proporcional al caudal; a medida que cae la demanda de flujo, la presión del punto de ajuste se reduce en consecuencia, lo que permite que la bomba se desacelere más de lo que permitiría el control de presión diferencial constante. El control de presión constante mantiene una presión diferencial fija independientemente del flujo, adecuado para sistemas donde la pérdida de presión se concentra en un solo punto en lugar de distribuirse por toda la red. El control basado en la temperatura, disponible en algunos modelos de bombas de calefacción, ajusta la velocidad de la bomba según el diferencial de temperatura de suministro y retorno del sistema, desacelerando la bomba cuando el diferencial de temperatura se estrecha (lo que indica una demanda de calor reducida) y aumentando la velocidad cuando se amplía. El control de adaptación automática, ofrecido por varios fabricantes premium, permite que la bomba conozca las características operativas reales del sistema a lo largo del tiempo y optimice continuamente su propio punto de ajuste sin necesidad de realizar una puesta en marcha manual.

Clasificaciones de eficiencia energética y estándares regulatorios

El rendimiento energético de las bombas de circulación se cuantifica y regula a través del Índice de Eficiencia Energética (EEI), una métrica introducida por la Directiva ErP (Productos relacionados con la energía) de la Comisión Europea que mide el consumo de energía real de una bomba en un rango representativo de condiciones de funcionamiento en relación con una bomba de referencia. La escala EEI va de 0 a 1, donde los valores más bajos representan una mayor eficiencia. La siguiente tabla resume los umbrales de EEI actuales e históricos y sus implicaciones prácticas para los sistemas de bombeo