La segunda parte de este artículo hace referencia a los materiales y métodos para el funcionamiento de un sistema de aire acondicionado solar, y se llega a las conclusiones de la investigación.
por Jorge A. Cardona GIL y César A. Isaza*
Materiales y métodos: El aumento del costo de generación de energía eléctrica y en las restricciones ambientales han fortalecido en el ámbito científico la investigación de sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeración que utilizan al recurso solar como fuente de energía motriz [CITATION Col09 \l 9226].
El consumo energético de la población mundial se encuentra en constante crecimiento, al traer como consecuencia la escasez de los recursos naturales, además de generar inconvenientes en el medio ambiente, como el adelgazamiento de la capa de ozono y el efecto invernadero. Estos efectos generan un impacto ambiental que difícilmente tiene solución, por esta razón se convierte en un asunto de gran preocupación para los gobiernos de muchos países y de la sociedad.
Dentro de esta realidad, las industrias perfeccionan sus procesos al incluir sistemas de control con el fin de atender las demandas de equipos energéticamente eficientes, ambientalmente amigables y más competitivos. Este es el caso de los sistemas que operan con energía solar y ciclo de refrigeración por absorción. El propósito de los sistemas de control en una planta con ciclo de refrigeración por absorción está enfocado en proporcionar un funcionamiento automático donde el control es demasiado complejo para el funcionamiento manual. Estos sistemas mantienen el control de las condiciones que podrían ser alcanzadas por la operación manual, al proporcionar máxima eficiencia y economía durante el proceso [CITATION Tro00 \l 9226].
El proceso de producir frío consiste en reducir y mantener la temperatura de un espacio o material por debajo de la temperatura del ambiente. Para que esto suceda, es necesario extraer calor de una fuente a baja temperatura y cederlo a una fuente a alta temperatura. En virtud de la segunda ley de la termodinámica, para que este proceso de transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente se efectúe, es necesario realizar un trabajo, debido a que espontáneamente, este no puede ocurrir [CITATION Col09 \l 9226].
Algunas formas de producción de frío por medio de transferencia de energía térmica: sistema de colección de la energía solar, fuente de calor de desecho, combustible (biomasa o fósil) o simplemente una resistencia eléctrica de un sistema de transformación de la energía recibida y un sistema frigorífico que utilice la energía solar disponible [CITATION Col09 \l 9226].
El sistema de refrigeración por absorción basa su principio en la afinidad de ciertas sustancias que se absorben la una a la otra al entrar en contacto. Dos pares de sustancias son utilizados comúnmente en este tipo de instalaciones: bromuro de litio-agua (LiBr-H2O) y amoniaco-agua (NH3-H2O). La primera de esas combinaciones es mayormente utilizada para aplicaciones asistidas por energía solar debido a las propiedades no tóxicas y no inflamables del agua como refrigerante y por la eficiencia en términos del gasto energético [CITATION Col09 \l 9226].
Los sistemas de refrigeración por absorción de simple efecto (con un sólo generador), accionados con energía solar requieren de la unión de varios componentes para que se obtenga un adecuado funcionamiento. Entre los componentes principales se encuentran: los Colectores Solares, la Máquina de Absorción, la Torre de Enfriamiento, un Tanque de Agua Caliente, un Calentador Auxiliar, un Tanque de Agua Helada y el sistema de control. En la Figura 1 se pueden observar los componentes necesarios para el funcionamiento de un sistema de absorción operado con energía solar.
El uso de la energía solar en sistemas de acondicionamiento de aire requiere probar o desarrollar equipos novedosos de captación de radiación solar económicos y eficientes; ciclos termodinámicos adaptados especialmente para operar en las condiciones de operación propuestas, refrigerantes o mezclas de refrigerantes y absorbentes con aditivos especiales que permitan alcanzar altos rendimientos en el funcionamiento del ciclo, evaluar, simular y mejorar los procesos específicos del ciclo, tales como el propio proceso de absorción; además de sistemas de control que permitan una excelente integración de los sistemas de: captación solar, almacenamiento de energía, producción de frío, rechazo de calor, almacenamiento de frío y el subsistema auxiliar o de respaldo.
La tecnología actual para acondicionamiento de aire consume mucha energía eléctrica, por lo que es necesario establecer principios y estrategias conducentes al uso eficiente de la energía, en este tema influiría de manera directa la técnica de control inteligente que se aplique al sistema. Además, es sabido que ciertos refrigerantes, como los freones, producen un impacto ambiental al liberarse al ambiente, lo cual afecta a la capa estratosférica de ozono y contribuye al efecto invernadero [CITATION Edm87 \l 9226].
Figura 1. Diagrama esquemático de un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto con LiBr/Agua, operado con energía solar
- Generador (G).
- Condensador (C).
- Sistema de expansión (Válvula de Expansión).
- Evaporador (E).
- Absorbedor (A).
- Calentador Auxiliar (CA).
- Bomba hidráulica (Bomba).
- Intercambiador de calor entre solución diluida y concentrada (SHX).
Además, la producción de frío con energía térmica puede hacer más atractivos los futuros proyectos de conversión a gas natural, ya que los productos de la combustión del gas natural son especialmente aptos (baja temperatura de punto de rocío) para aplicaciones de recuperación de calor, con lo que es posible integrar procesos de producción de calor y frío con una misma fuente de energía; al incluir en algunos casos la producción de energía eléctrica, a partir de motores diésel, turbinas de gas, ciclos de vapor e incluso celdas de combustión; configuraciones que son más conocidos como CHP (Cooling, Heat and Power) [CITATION Jav11 \l 9226].
El sistema que se muestra en este artículo se piensa implementar de manera real, para esto se han realizado cotizaciones de varios elementos que componen el sistema de aire acondicionado solar, entre ellos están la Máquina de Absorción y los Colectores Solares. Estos componentes fueron cotizados en la empresa Shandong Lucy New Energy Technology Co., Ltd [CITATION LUC15 \l 9226] de China, que además de ofrecer estos productos, ofrece instalar el sistema de aire acondicionado solar con ciclo de refrigeración por absorción en cualquier edificio, esta estructura se muestra en la Figura 2, es algo muy parecido a lo que se quiere implementar en la UPB, en donde se observa que se hace uso de válvulas de tres vías, de dos vías y de bombas, para controlar el flujo de agua del sistema y poder generar refrigeración o calefacción de acuerdo a la configuración que se quiera establecer al permitir o no permitir el paso de agua por diferentes circuitos del sistema. En este caso usan un intercambiador de calor, pero con el tipo de clima de Medellín, el cual es cálido, no es necesario usarlo.
Figura 2. Estructura del sistema de aire acondicionado solar, para refrigeración y calefacción, instalado por la empresa China Shandong Lucy New Energy Technology Co., Ltd. Tomada de [CITATION LUC15 \l 9226]
Resultados y discusión
Para realizar la simulación del sistema se integraron los resultados de la evaluación de la carga térmica con el ciclo de absorción de simple efecto con LiBr/Agua y los subsistemas de Colectores Solares, Torre de Enfriamiento, distribución de agua helada y acumulación de agua helada y caliente; al utilizar el programa computacional TRNSYS®. La modelización se llevó a cabo mediante la parametrización de los componentes que ofrece el programa en la librería TESS, y se usaron los siguientes componentes: 12 módulos de Colectores Solares cada uno de 20 tubos, el área de cada módulo es 2 m2, están conectados en serie y conforman un área total de 33 m2; un Calentador Auxiliar de 17 kW; se tienen 2 tanques de 250 l, uno de agua caliente y otro de agua helada; se tienen varias bombas en los diferentes circuitos de agua del sistema; una Máquina de Absorción con un COP de 0.72 y una capacidad frigorífica de 11.5 kW; un Fan-coil de 36000 BTU/hr y un recinto cerrado con medidas reales que se va a construir en el Laboratorio de Refrigeración del bloque 8 de la UPB.
Para la parte de los datos meteorológicos se procesaron datos reales de la ciudad de Medellín a través del software Meteonorm7® obtenidos por medio del Laboratorio Calaire de la Universidad Nacional de Colombia, cerca de la UPB, para que TRNSYS® los entendiera en los formatos requeridos.
En el modelo de simulación que se llevó a cabo se presentan los siguientes resultados:
Se definió que el edificio apropiado para la instalación demostrativa es el laboratorio de refrigeración de la UPB (CIRCLI), bloque 8; en este laboratorio se dispondrá de un espacio en donde ya se ha pensado en la ubicación de algunos elementos del sistema. La selección de este edificio se debe a que el equipo a implementar tiene fines investigativos y de laboratorio, es el lugar correcto para comparar el sistema con uno convencional y además es muy adecuado para la experimentación y pruebas de funcionamiento de la instalación demostrativa.
La simulación que se expone en este artículo (ver Figura 3) de la instalación demostrativa, realizada en el software TRNSYS®, muestra la aplicación de dos controles PI, uno para la variación de la velocidad del ventilador de la Torre de Enfriamiento y el otro para la unidad manejadora (Fan-coil) de agua helada; y de dos controles ON-OFF, uno para la bomba de agua caliente de los Colectores Solares, que es desconectada en la noche para que no sean subutilizados y otro para el Calentador Auxiliar que siempre está encendido para alcanzar una temperatura de 90 °C en el generador del Chiller de Absorción, a menos que los Colectores Solares logren llegar a esta temperatura en el día, en este caso, el Calentador Auxiliar se apaga inmediatamente.
Figura 3. Simulación del sistema de aire acondicionado solar y ciclo de refrigeración por absorción
Se hacen pruebas de la simulación preliminar en la primera semana del mes de junio del 2014 en Medellín, en donde se obtuvo una alta radiación, y se produce un consumo de
66.08 kWhr en el Calentador Auxiliar por la energía solar térmica generada en los Colectores Solares (ver Figura 4), un buen funcionamiento del sistema de aire acondicionado en 23 °C (ver Figura 5) y de la Torre de Enfriamiento, que logra bajar la temperatura del agua de enfriamiento de 35 °C a 30 °C (ver Figura 6).
Las técnicas de control aplicadas en esta simulación, son técnicas clásicas de control
(ON-OFF y PI), y a través de estas técnicas se quiere llegar más adelante a aplicar técnicas inteligentes de control. Se determina que la técnica de control inteligente que se requiere aplicar a la parte de acondicionamiento de aire del sistema, es una técnica de control por Lógica Difusa, la cual variará un control PI, o sea se aplicará un control PI Difuso, para lograr diseñar este control se obtendrá su modelo heurístico al experimentar con la simulación en el software TRNSYS®, para que funcione en un rango relativamente amplio. El circuito de agua caliente seguirá con dos controles ON-OFF y el de agua de enfriamiento con un control PI, en los cuales se mantendrá un flujo constante de agua. Para el circuito de agua helada se mantendrá el flujo de agua constante en las bombas del circuito, pero se variará a través de válvulas. A esta simulación se le adicionarán más elementos para enfocarla más a la realidad, entre estos elementos están las tuberías y las válvulas, esto permitirá tener una base sólida para la implementación real del sistema.
Figura 4. Colectores Solares y Calentador Auxiliar en funcionamiento durante la primera semana de junio de 2014
Figura 5. Temperatura del recinto cerrado controlado con PI y del Chiller de Absorción
Figura 6. Temperatura de entrada y salida de agua de la Torre de Enfriamiento y velocidad del ventilador controlado con PI
En cada gráfica se observa el funcionamiento de la simulación vista en la Figura 3 en el software TRNSYS®. En la Figura 4 el control ON-OFF aplicado al Calentador Auxiliar actúa cuando la temperatura en los Colectores Solares alcanza la referencia de 90 °C y apaga inmediatamente el Calentador Auxiliar, esto genera un ahorro energético en el funcionamiento del sistema; en la Figura 5 se observa la temperatura de la salida del agua helada de la Máquina de Absorción y de cómo actúa el control PI aplicado al Fan-coil para que en el recinto cerrado se logre conseguir una temperatura de 23 °C; y en la Figura 6 se observa cómo actúa un control PI sobre la velocidad del ventilador de la Torre de Enfriamiento, para controlar la temperatura del agua de salida en 30 °C ante una entrada de agua de 35 °C proveniente de la Máquina de Absorción.
Conclusiones
Llevar a cabo este proyecto genera grandes avances tecnológicos para la industria de refrigeración y aire acondicionado en Colombia, ya que se obtiene un método de energías renovables, como es la energía solar, que es prácticamente infinito y que no genera contaminación al medio ambiente.
El sistema de aire acondicionado solar simulado presenta un comportamiento no lineal en la parte de acondicionamiento de aire, ya que las condiciones ambientales y las cargas térmicas influyen, perturban y cambian constantemente en el tiempo, es por esto que una técnica de control inteligente es bastante determinante en la estabilización de la variable temperatura, la cual es la variable controlada.
Para muchas aplicaciones de enfriamiento en edificios y procesos industriales, se puede considerar que un sistema de absorción es una elección ambientalmente responsable.
Al utilizar el agua como refrigerante, mezclada con una sal química e inhibidores de corrosión no tóxicos, evita el uso de CFC, HCFC y HFC, así como manejo, disponibilidad y transporte.
La simulación del sistema de aire acondicionado solar en el software TRNSYS®, gracias a la librería TESS y a su enfoque en sistemas operados con energía solar, y con datos meteorológicos procesados en Meteonorm7®, permiten obtener respuestas muy cercanas a la realidad y generan una base sólida para llevar a cabo este tipo de instalaciones en la realidad sin titubear.
* Grupo de Investigación en Energía y Termodinámica GET, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana. Para consultar más información pueden escribir al correo electrónico [email protected]
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