Presentamos un interesante caso de integración del sistema de aire acondicionado con el sistema de refrigeración realizado en un supermercado.
por Ing. Ernesto Sanguinetti R. – Ing. José Lescano D.- COLD IMPORT S.A. – Lima - PERU*
Inicialmente los mercados tenían los equipos de refrigeración autocontenidos en cada mueble refrigerado donde se mostraban y vendían al público los productos alimenticios perecibles. Tener el equipo autocontenido significa que el equipo completo forma parte del mueble y que el calor que evacúa el condensador se entrega directamente al ambiente del local donde el público realiza las compras.
Posteriormente con el aumento de la población y la demanda de alimentos aparecen los Supermercados e Hipermercados con el consiguiente aumento de las dimensiones y la cantidad de muebles refrigerados. Se tuvo que descartar el uso de muebles refrigerados con equipo autocontenido porque el calor evacuado por cada condensador influiría notablemente la carga térmica del propio mueble o muebles y en el confort de los clientes al elevar la temperatura del local.
Se optó por lo más lógico: que cada mueble refrigerado mantenga su Unidad Evaporadora o Evaporador y su Válvula de Expansión Termostática dentro de cada mueble pero que la Unidad de Condensación formada por el compresor y el condensador se instalen en una sala de máquinas fuera del local, realizando la conexión entre ellos mediante tuberías de cobre. Esa sala de máquinas podría estar ubicada en un primer piso o en un segundo piso pero fuera del local de ventas, con lo cuál se logró que los condensadores sean mejor ventilados y que el calor que evacúan vaya directamente a la atmósfera exterior.
Se empezaron a usar grandes longitudes de tuberías y mayor cantidad de fluido refrigerante pero se lograron las ventajas expresadas. Para almacenar mayores cantidades y reponer lo que se vendía en los muebles refrigerados de las tiendas se empezaron a usar cámaras frigoríficas y también salas de procesos en las trastiendas. Siempre con su propio equipo de refrigeración completo: Unidad Evaporadora o evaporador dentro da la cámara y Unidad de Condensación en la Sala de Máquinas.
Por muchos años se usó una Unidad de Condensación para cada mueble refrigerado y cámara frigorífica, teniéndose por lo tanto gran cantidad de Unidades de Condensación en las salas de máquinas.
Con el paso del tiempo se observaron varios problemas:
-Cuando la humedad del ambiente dentro del local de ventas o tienda era alta, todos los muebles refrigerados tenían que extraer inevitablemente humedad del ambiente, así los que estaban encima de 0°C tenían que drenar gran cantidad de agua condensada (tenían que eliminar calor sensible adicional) y los que estaban a 0°C y menos congelaban la humedad sobre los serpentines del evaporador (tenían que eliminar calor sensible y calor latente adicional) lo que a su vez originaba aumentar los ciclos de deshielo. En ambos casos existía un mayor consumo de energía para mantener cada condición de diseño porque a la carga térmica de cada mueble había que agregar la carga térmica para condensar y/o congelar la humedad del aire ambiente de la tienda.
- También se observó condensación sobre las superficies de los muebles refrigerados y que las gotas de agua que se formaban presentaban un aspecto poco agradable a la vista, luego al deslizarse y llegar hasta los pisos cercanos a cada mueble mostraban un piso “mojado” también con un aspecto poco agradable pero con el agravante de ser un inminente peligro de que puedan resbalar y/o caer los clientes o los propios empleados del establecimiento, además, se detectó aparición de malos olores debajo de los muebles y oxidación prematura de superficies metálicas.
-Adicionalmente se observó que las cubiertas y puertas de vidrio se empañaban con la condensación de la humedad, se formaban capas de hielo sobre la superficie de los productos congelados o sobre su envoltura o su envase. Otro aspecto poco agradable a la vista y tacto de los clientes.
Todo lo anterior impulsó a la búsqueda de una solución y la mejor solución fue instalar sistemas de aire acondicionado para acondicionar el aire de todo el local comercial porque con ello se logran dos cosas:
-Controlar la temperatura y la humedad del aire para minimizar y, si es posible, evitar los problemas citados anteriormente.
-Brindar a los clientes un ambiente agradable cuya permanencia a esas condiciones es instintivamente más prolongada (sobre todo en verano) e invita a realizar mayor cantidad de compras.
Pronto se hizo necesario el análisis del consumo de energía eléctrica en un supermercado encontrándose que la distribución era aproximadamente la siguiente (ver gráfico 1):
Gráfico 1.
Instalación de compresores en paralelo
Realizado el análisis anterior se ingresó a la etapa de buscar la mejora del consumo energético para bajar esos porcentajes o para optimizar el consumo. Se ingresó a la etapa de eliminar las Unidades de Condensación para cada mueble refrigerado. En lugar de varias Unidades de Condensación se empezaron a instalar compresores en paralelo, divididos en compresores de media temperatura que se denomina “grupo de media temperatura” (para los muebles y cámaras frías de conservación de productos frescos) y en compresores de baja temperatura que se denomina “grupo de baja temperatura” (para los muebles y cámaras de conservación de productos congelados).
A este conjunto de compresores en paralelo se les empezó a denominar “rack de compresores” que estaban montados en una sola estructura metálica o chasís que se ubica en una sala de máquinas de menores dimensiones y que todos descargaban hacia un solo condensador enfriado por aire que se instala en la azotea del Supermercado o Hipermercado.
Con el uso de los compresores en paralelo se mejoró la eficiencia del sistema de frío alimentario en los supermercados, porque al modular su funcionamiento logramos que la demanda del sistema se ajuste a la demanda frigorífica, para lo cual se aplicaron estrategias usando compresores con descargadores, luego variadores de velocidad y compresores digitales. De la mano con estas tecnologías fue el desarrollo de los controladores electrónicos que permitió aplicar lógicas de funcionamiento logrando importantes ahorros de energía.
La integración
Como se ha mencionado, en un supermercado los sistemas de refrigeración y aire acondicionado representan aproximadamente el 70% del consumo total de energía eléctrica, esto nos lleva a buscar continuamente sistemas mejorados. Una opción es hacer la integración del sistema de aire acondicionado con el sistema de refrigeración y ello se puede logar desarrollando los siguientes diseños:
1. Una central con un rack de compresores que tengan una descarga única hacia un condensador pero que tengan tres “grupos de temperatura de succión” independientes: Aire Acondicionado, Media Temperatura y Baja Temperatura.
Ventajas: Menor costo de instalación y operación porque centralizamos los sistemas de refrigeración y aire acondicionado en una sala de máquinas.
Desventajas: El tener una descarga común significa usar un solo refrigerante para los tres grupos de succión. El refrigerante R134a podemos usarlo para los grupos de alta y media temperatura, sin embargo, no es eficiente usarlo para el grupo de baja temperatura. Por el contrario, si usamos R449 o R507 tienen buen rendimiento en baja temperatura, pero no así en alta y media temperatura.
2. Tener aparte e independiente el sistema de aire acondicionado (Central de Aire Acondicionado con compresores en paralelo) y aprovechar el líquido refrigerante de su circuito para sub-enfriar el líquido refrigerante del “grupo de media y de baja temperatura” del sistema de refrigeración (Central de Frío Alimentario), o si tenemos un sistema de aire acondicionado con “agua helada”, podemos aprovechar el agua, igualmente para sub-enfriar el líquido refrigerante del sistema de frío alimentario. En la gráfica 2 se pueden observar esquemáticamente ambos sistemas:
Ventajas:
- Aprovechamos el sistema de aire acondicionado que tiene una temperatura de evaporación más alta para sub-enfriar el líquido refrigerante del sistema de refrigeración con lo cual aumentamos la capacidad de refrigeración (mejoramos el efecto refrigerante en el ciclo termodinámico) con lo cual los compresores realizan menor trabajo y ello nos permite seleccionar compresores de menor capacidad.
- Se mejora el coeficiente de performance COP del sistema frigorífico ya que se logra un ahorro de energía al consumir menos energía eléctrica para accionar los compresores.
- Al tener líquido refrigerante que llega a más baja temperatura a la válvula de expansión logramos también reducir su tamaño.
- Menor costo de instalación y operación ya que ambas centrales estarán ubicadas en una misma sala de máquinas. Reduciendo espacios, logramos tener mayor facilidad y acceso para la asistencia a los sistemas (mantenimiento preventivo, mantenimiento correctivo).
Desventajas:
- Por las noches en los supermercados apagan los equipos de aire acondicionado y si el sistema está integrado, el frio alimentario no se perjudicará siempre y cuando la central de compresores en paralelo cuente con variadores de velocidad u otro dispositivo digital para asegurar la demanda frigorífica.
- El calor rechazado en el intercambiador por el líquido refrigerante del sistema de refrigeración es absorbido por el sistema de aire acondicionado. Por lo tanto, es muy importante determinar el punto óptimo de sub-enfriamiento de líquido (TA – TB en el gráfico anterior) ya que podemos incrementar demasiado el consumo de energía en el sistema de aire acondicionado.
Determinando el punto óptimo de subenfriamiento aseguramos una ventaja energética en el sistema integrado (refrigeración y aire acondicionado), el cual dependerá de las temperaturas de condensación consideradas en cada lugar de instalación.
En Lima - PERU en el 2016 se instaló un sistema integrado en un Supermercado de 4,500 m2 aproximadamente, logrando buenos resultados. Estamos desarrollando proyectos similares para ser instalados ahora en el 2017.
* Los Ingenieros Ernesto Sanguinetti R. y José Lescano hacen parte de la empresa Cold Import S.A. de Lima – Perú. Pueden ser contactados a los correos electrónicos [email protected] o [email protected]
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