¿Qué es un VFD en HVAC? Usos, Ahorro, Guía de Selección

¿Qué es un VFD en HVAC?

Se instala un variador de frecuencia (VFD) entre el suministro eléctrico y un motor (normalmente motores de inducción en equipos HVAC). Al cambiar la frecuencia de la energía eléctrica entregada al motor, el VFD cambia la velocidad del motor (RPM). En HVAC, los VFD se utilizan más comúnmente en cargas de par variable, como ventiladores centrífugos y bombas centrífugas, donde el control de velocidad es una forma eficiente de adaptar la capacidad a la demanda en tiempo real.

Qué hace un VFD en términos prácticos

• Ralentiza o acelera un motor de ventilador/bomba en función de sensores (presión, caudal, temperatura, CO₂, etc.).
• Reemplaza los métodos de control "desperdiciantes" (válvulas reguladoras, paletas de entrada, circuitos de derivación) con un control de velocidad eficiente.
• Agrega un comportamiento de arranque y parada suaves, lo que reduce el estrés mecánico y la corriente de entrada.

Por qué los VFD ahorran energía en HVAC (las leyes de afinidad)

Para bombas y ventiladores centrífugos, las leyes de afinidad describen cómo cambia el rendimiento con la velocidad. La relación clave para la energía es que la potencia varía aproximadamente con el cubo de la velocidad. Eso significa que pequeñas reducciones de velocidad pueden producir grandes reducciones de potencia.

• Flujo ∝ Velocidad
• Presión/Altura ∝ Velocidad²
• Potencia ∝ Velocidad³

Una regla general ampliamente utilizada es: una reducción del 10% en la velocidad puede reducir la potencia en aproximadamente un 30% en cargas de par variable en condiciones típicas. Al 50% de velocidad, la potencia idealizada del ventilador/bomba es aproximadamente 12,5% (un octavo) de potencia a plena carga.

Éstas son estimaciones; Los ahorros reales dependen de la curva del sistema, la estrategia de control y las horas de funcionamiento. Aun así, la física explica por qué los VFD suelen ser una modernización de HVAC de primer nivel cuando las cargas varían a lo largo del día.

Aplicaciones comunes de HVAC para VFD

Los VFD ofrecen el mejor rendimiento cuando la demanda varía y el equipo puede funcionar de forma segura a velocidad reducida durante largos períodos.

aficionados

• Ventiladores de suministro de AHU (reinicio de presión estática, sistemas VAV)
• Ventiladores de retorno/extracción (control de presión del edificio)
• Ventiladores de torre de enfriamiento (control de temperatura del agua del condensador)

Bombas

• Bombas de agua enfriada (control de presión diferencial, válvulas de dos vías)
• Bombas de agua de condensador (optimización de flujo, integración de torre)
• Bombas de agua caliente (estrategias de reinicio vinculadas a la temperatura del aire exterior)

Nota: Los VFD también se utilizan en algunas aplicaciones de compresores, pero el control del compresor es específico del equipo y del fabricante. Las ventajas más sencillas en materia de HVAC suelen ser los ventiladores y las bombas.

Estrategias de control de VFD que funcionan (y qué evitar)

Los ahorros se crean mediante la secuencia de control, no solo con el VFD. Las secuencias más efectivas reducen la velocidad tanto como sea posible manteniendo la comodidad y la estabilidad.

Estrategias de mejores prácticas

• Restablecimiento de presión estática para ventiladores de suministro VAV (reinicio basado en la “compuerta más abierta” o la demanda de la zona crítica)
• Restablecimiento de presión diferencial para circuitos hidrónicos de flujo variable (reinicio basado en la posición de la válvula en bobinas remotas)
• Control de velocidad del ventilador de la torre de enfriamiento para mantener el punto de ajuste del agua del condensador con energía mínima del ventilador
• Retroceso nocturno y arranque/parada óptimos coordinados con velocidades mínimas del VFD

Errores comunes

• Mantener un punto de ajuste de presión diferencial o estática innecesariamente alto durante todo el día (el ventilador/bomba nunca disminuye su velocidad)
• Usar bucles de derivación que fuercen un flujo constante (socava el valor de la velocidad variable)
• Establecer una velocidad mínima demasiado alta “por seguridad”, eliminando una operación de carga parcial significativa
• Los bucles de control están mal sintonizados, lo que provoca oscilaciones, quejas por ruido o viajes

VFD frente a otros métodos de control de capacidad de HVAC

Si su sistema actualmente controla el flujo “creando resistencia” (estrangulación), un VFD generalmente reduce la energía porque reduce la velocidad en lugar de desperdiciar presión.

Cómo dimensionar y seleccionar un VFD para equipos HVAC

La selección adecuada del VFD es en gran medida un ejercicio eléctrico y ambiental: haga coincidir el variador con el motor, el tipo de carga, el suministro y las condiciones de instalación.

Lista de verificación de selección

• Placa de identificación del motor: HP/kW, voltaje, amperios de carga completa (FLA), frecuencia base, factor de servicio
• Tipo de carga: par variable (ventiladores/bombas) frente a par constante (algunos transportadores). Los ventiladores/bombas HVAC suelen tener par variable.
• Suministro: 480 V/208 V, trifásico, corriente de falla disponible, conexión a tierra, consideraciones armónicas
• Entorno: cuarto eléctrico vs azotea; temperatura, polvo, humedad; Clasificación del gabinete y requisitos de enfriamiento.
• Controles: integración BAS (BACnet/Modbus), entradas analógicas, capacidad PID, interbloqueos de seguridad
• Protección del motor: sobrecarga, pérdida de fase, sub/sobretensión, entradas térmicas

En las modernizaciones de HVAC, un enfoque de dimensionamiento común es seleccionar un VFD con una clasificación de corriente de salida igual o superior al FLA del motor (considerando el factor de servicio y las condiciones del sitio). Para cables de motor largos, motores más antiguos o entornos sensibles, incluya el filtrado adecuado (como reactores de salida o filtros dv/dt) según las instrucciones del fabricante.

Ejemplo: estimación de ahorros y recuperación con números reales

El caso de negocio más simple utiliza kW de referencia, horas de funcionamiento, perfil de reducción de velocidad esperado y tarifa eléctrica. El siguiente ejemplo es ilustrativo y debe perfeccionarse con datos de tendencias (kW, velocidad, presión estática/DP, posiciones de válvulas) de su edificio.

Ejemplo ilustrativo de abanico

• Motor: ventilador de suministro de 30 HP (aproximadamente 22,4 kW mecánicos a plena carga)
• Horas de funcionamiento: 4.000 horas/año
• Velocidad promedio después de la optimización: 80% (0,8 por unidad) para la mayoría de las horas ocupadas
• Tarifa de electricidad: $0,18/kWh

Si la potencia aumenta aproximadamente con el cubo de la velocidad, la potencia promedio al 80% de la velocidad es aproximadamente 0,8³ = 0,512, lo que significa aproximadamente una reducción del 48,8% en relación con la potencia a máxima velocidad durante esa parte del tiempo de ejecución. Si la demanda eléctrica a máxima velocidad fuera de 25 kW y realmente promediara ~51% de eso después del control del VFD, la energía anual sería:

• Antes: 25 kW × 4.000 h = 100.000 kWh
• Después: 25 kW × 0,512 × 4.000 h ≈ 51.200 kWh
• Ahorro estimado: ~48.800 kWh/año
• Ahorro de costos estimado: ~48 800 × $0,18 ≈ $8 784/año

Si una modernización VFD llave en mano (variador, instalación, programación, puesta en servicio) costara $12,000, la recuperación simple sería de aproximadamente 1,4 años . Los proyectos reales también deben incluir los impactos del mantenimiento, la posible reducción de los cargos por demanda y cualquier incentivo para los servicios públicos.

Lista de verificación de puesta en marcha para un rendimiento estable

La puesta en marcha garantiza que el VFD realmente funcione a velocidad reducida sin causar problemas de comodidad, ruido o confiabilidad.

Elementos clave para la puesta en marcha

• Confirme la rotación del motor y verifique el flujo de aire real a varias velocidades.
• Establezca velocidades mínimas y máximas según los límites del equipo (riesgo de congelación del serpentín, ventilación mínima, flujo mínimo de la bomba, control del depósito de la torre).
• Sintonice los bucles PID para eliminar la oscilación (confirme la ubicación y la estabilidad del sensor).
• Implemente la lógica de restablecimiento del punto de ajuste (reinicio de presión estática/DP) y valídela con registros de tendencias.
• Verifique los enclavamientos de seguridad: secuencias de control de humo, congelamientos, interruptores de prueba, lógica HOA, integración de alarma contra incendios.
• Verifique la calidad eléctrica: conexión a tierra, blindaje y eventuales reactores/filtros necesarios.

Conceptos básicos de mantenimiento y resolución de problemas

Los VFD son confiables cuando se instalan correctamente, pero agregan componentes electrónicos que requieren mantenimiento preventivo básico.

Mantenimiento preventivo

• Mantenga los recintos limpios; mantenga el flujo de aire de refrigeración y la temperatura ambiente adecuados.
• Inspeccionar ventiladores, filtros y disipadores de calor; reemplace los filtros obstruidos a tiempo.
• Verifique periódicamente los terminales para detectar torsión y signos de sobrecalentamiento.
• Realice una copia de seguridad de los parámetros (configuración del variador) después de los cambios en la puesta en servicio.

Problemas frecuentes y causas probables

• Disparos molestos: rampas de aceleración/desaceleración agresivas, PID inestable, mala calidad de la energía o refrigeración inadecuada.
• Ruido/quejido: configuración de la frecuencia portadora, condición del motor o resonancia mecánica a ciertas velocidades.
• Ahorros bajos: puntos de ajuste no restablecidos, velocidad mínima demasiado alta o sistema no realmente variable (condiciones de derivación/flujo constante).

Conclusión directa: cuando vale la pena un VFD en HVAC

Un VFD es más valioso en HVAC cuando tiene demanda variable, largas horas de funcionamiento y ventiladores o bombas centrífugas que pueden funcionar de forma segura a velocidad reducida. Si su sistema actual controla la capacidad mediante regulación o amortiguadores y su carga varía diaria o estacionalmente, una modernización de VFD combinada con un restablecimiento adecuado del punto de ajuste puede brindarle Reducción de energía sustancial y mensurable. al mismo tiempo que mejora la controlabilidad y la vida útil del equipo.

Referencias (para las relaciones energéticas clave)

• Departamento de Energía de EE. UU., hojas de consejos sobre motores e informes que analizan los impactos de la ley de afinidad (incluida una reducción de velocidad del 10 % ≈ una reducción de potencia del 30 %): Informe sobre el potencial de ahorro de energía del motor
• Ejemplo de hoja de consejos del Departamento de Energía de EE. UU. (media velocidad ≈ un octavo de potencia para ventiladores): Eficiencia de carga parcial del variador de velocidad ajustable
• Guía de ASHRAE Journal sobre cómo estimar el consumo de energía del VFD a partir de la velocidad y aclarar exponentes: Hacia Affinity… ¡y más allá!
• Libro blanco de Eaton que resume las leyes de afinidad para bombas (flujo, altura, relaciones de poder): Variadores de frecuencia: ahorro de energía para aplicaciones de bombeo