Descripción del proyecto

Un gran complejo comercial de 120,000 pies cuadrados en Phoenix, Arizona, experimentaba fallos crónicos del sistema HVAC durante la temporada de enfriamiento de verano. El edificio, que albergaba múltiples espacios de inquilinos, tenía 12 unidades HVAC en la azotea con una capacidad total de enfriamiento de 150 toneladas. La administración del edificio luchó durante años con fallos de compresores, llamadas de servicio frecuentes y quejas de inquilinos sobre enfriamiento insuficiente en verano. Cuando se tomó la decisión de reemplazar el equipo antiguo con nuevas unidades de alta eficiencia, un análisis exhaustivo realizado por el contratista eléctrico reveló la causa raíz del problema: caída de tensión severa en la instalación eléctrica original.

El diseño eléctrico original fue instalado hace 25 años durante la construcción del edificio y utilizó tamaños mínimos de cable que cumplían con los requisitos del código en ese momento, pero no proporcionaba voltaje adecuado al equipo de la azotea. El cableado desde la sala de distribución principal hasta la azotea superaba los 300 pies, y los cables de tamaño insuficiente resultaban en una caída de tensión cercana al 8% durante los períodos de demanda pico de enfriamiento. Este bajo voltaje hacía que los compresores funcionaran con sobrecalentamiento, tuvieran dificultades para arrancar y fallaran prematuramente.

Este estudio de caso explora cómo el proyecto de retrofit abordó tanto el reemplazo del equipo como los problemas eléctricos subyacentes, mejorando significativamente el rendimiento y la confiabilidad del sistema.

Diagnóstico del problema

Problemas de instalación original

• Tamaño del cable: Cable de cobre #8 AWG para circuitos de 40A
• Longitud del cableado: 280-350 pies hasta las unidades de azotea
• Voltaje medido: 198-205V en ubicación de unidades (nominal 240V)
• Caída de tensión: Promedio 6.2%, 7.8% durante arranque
• Impacto en compresores: Consumo de corriente 15-20% mayor para compensar

Las mediciones de voltaje revelaron una condición crónica de bajo voltaje. Cuando el voltaje del compresor es bajo, el motor debe consumir mayor corriente para generar la potencia de salida requerida. Esto crea un ciclo destructivo: la corriente más alta causa calentamiento I²R adicional en los devanados del motor, acelerando la degradación del aislamiento y llevando a fallas prematuras. La corriente más alta también aumenta la caída de tensión en los cables ya de tamaño insuficiente, empeorando el problema durante los períodos de demanda pico.

Solución: panel de distribución en azotea

El equipo de ingeniería evaluó dos enfoques: reemplazar cables de circuitos individuales con tamaños más grandes o instalar un panel de distribución en la azotea con un solo alimentador grande desde el panel principal. El enfoque del panel de distribución resultó ser más rentable y proporcionó un rendimiento superior en caída de tensión.

Diseño de nueva instalación

• Alimentador principal: 400A, cable de cobre paralelo 3/0 AWG hasta azotea
• Longitud del alimentador: 300 pies (una sola ruta optimizada)
• Caída de tensión del alimentador: 1.8% a carga completa
• Circuitos ramales: #6 AWG, máximo 50 pies de cableado
• Caída de tensión de ramales: Máximo 0.6%
• Caída de tensión total: Máximo 2.4%

Cálculos de caída de tensión

Análisis del sistema original

Condiciones: Cable de cobre #8 AWG, 300 pies, carga 40A, 240V

Cálculo:

Resistencia = 0.628 Ω/1000ft × 300ft × 2 = 0.377 Ω

Caída de tensión = 40A × 0.377Ω = 15.08V

Porcentaje de caída = (15.08V / 240V) × 100 = 6.3%

Resultado: Caída de tensión excede especificaciones

Diseño del nuevo sistema

Alimentador principal: Cable de cobre 3/0 AWG, 300 pies, carga 350A, 240V

Resistencia = 0.0766 Ω/1000ft × 300ft × 2 = 0.046 Ω

Caída de tensión = 350A × 0.046Ω = 16.1V (carga completa)

Porcentaje de caída = (16.1V / 240V) × 100 = 6.7%

Circuito ramal: Cable de cobre #6 AWG, 50 pies, carga 40A, 240V

Resistencia = 0.410 Ω/1000ft × 50ft × 2 = 0.041 Ω

Caída de tensión = 40A × 0.041Ω = 1.64V

Porcentaje de caída = (1.64V / 240V) × 100 = 0.68%

Porcentaje total de caída: 1.8% + 0.68% = 2.48% (dentro de límites aceptables)

Resultados y beneficios

Mejora de rendimiento

• Caída de tensión: 6.2% → 2.4%
• Voltaje medido: promedio 234V
• Eficiencia HVAC: +18%
• Corriente del compresor: -15%
• Temperatura de operación: -20°F de reducción

Beneficios económicos

• Ahorro anual de energía: $24,000
• Reducción de mantenimiento: 40%
• Extensión de vida útil del equipo: más de 5 años
• Satisfacción de inquilinos: mejorada
• Período de recuperación: 3.2 años

Durante tres años después de las mejoras, la instalación experimentó cero fallos relacionados con compresores. El consumo de energía disminuyó un 18%, lo que resultó en ahorros significativos en tarifas de demanda pico de verano. Los inquilinos reportaron enfriamiento consistente y confortable, y la administración del edificio experimentó reducciones significativas en llamadas de mantenimiento y costos de reemplazo de equipos.

Lecciones aprendidas

1. Evaluar el sistema eléctrico al reemplazar equipos

Al reemplazar unidades HVAC, es crucial evaluar el suministro eléctrico subyacente. Incluso los equipos nuevos de alta eficiencia tendrán un rendimiento deficiente si la caída de tensión es excesiva.

2. Considerar el enfoque de panel de distribución

Al lidiar con múltiples circuitos largos, instalar un panel de distribución cerca de la carga a menudo es más rentable que actualizar circuitos individuales.

3. Considerar costos a largo plazo

La inversión inicial en cables más grandes cuesta más, pero generalmente se recupera en 3-5 años a través del ahorro de energía, reducción de mantenimiento y extensión de la vida útil del equipo.

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Caso de Estudio: Retrofit HVAC Comercial

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