¿Por qué conservar energía?

Estoy trabajando en una serie de artículos relacionados con este tema y en futuras publicaciones presentaremos la historia de lo que se ha logrado en conservación de energía  en sistemas de aire acondicionado.

En este artículo nos concentraremos en el volumen variable de aire, en los equipos disponibles y aplicaciones específicas. Se puede definir volumen variable de aire como el sistema que logra confort utilizando la menor cantidad de energía.

Es importante hacer notar que en la mayoría de nuestros países, que se encuentran localizados geográficamente en zonas tropicales, entre los trópicos de Cáncer y Capricornio, la presencia o ausencia del Sol determinan los cambios en calor sensible que a su vez representa la cantidad de aire a suministrar al área acondicionada.

Al final de los años 50, mucho antes de la crisis energética de los años 70, los primeros pasos los dio la empresa Barber-Colman que desarrolló el sistema Heat-of Light (Calor de la Luz) y Follow-the-Sun (Siguiendo el Sol). Estos desarrollos se basaron en dos factores principales:

Calor de la Luz - debido a la ineficiencia de las luminarias, en las cuales gran parte de la energía se convertía en calor y la mayoría de ese calor se radiaba hacia el ambiente acondicionado.

Siguiendo el Sol - la carga sensible mayor que determina la cantidad de aire a suministrar a un ambiente es el Sol. Al rotar la Tierra la exposición al Sol cambia y por lo tanto, cambia la cantidad de aire a suministrar a cada fachada del edificio.

Barber-Colman desarrolló una luminaria que, al retornar el aire a través de ella, transfería el calor emitido por las luces hacia el aire de retorno evitando que ese calor se proyectara hacia el área acondicionada y al regresar al pleno de retorno, ese aire calentado era inducido por cajas de mezcla y así se lograba el confort deseado, evitando tener que usar energía adicional para recalentar el aire.

Al presentarse la crisis energética de los años 70, para minimizar el desperdicio de energía, ASHRAE contribuyó en las recomendaciones e investigaciones para lograr aplicaciones de aire acondicionado más eficientes. Muchas de las cuales se convirtieron en normas y algunas en leyes.

Producto de esta crisis y motivados para evitar tener situaciones similares en futuras crisis, la empresa privada ha dedicado y sigue dedicando considerables recursos económicos y humanos a desarrollar componentes y sistemas para evitar desperdiciar energía en la aplicación de sistemas de aire acondicionado.

El propósito ha sido aprovechar la energía, que antes se desperdiciaba, para reducir la capacidad térmica con una mínima inversión adicional o que se recupere la inversión en tres años o menos.

Con los años se desarrollaron luminarias mucho más eficientes, las cuales producen la misma intensidad de luz (Lumen) con menor desperdicio de energía y por ende menos calor hacia el ambiente y hacia el pleno de retorno, lo cual penalizaba la manejadora de aire, ya que el motor requería mayor potencia pues, para poder inducir el aire pre-calentado del pleno de retorno estas cajas necesitaban que el aire primario que venía de la manejadora fuera a alta velocidad y/o presión, consumiendo más energía.

Con el propósito de minimizar la potencia del motor de la manejadora, se desarrollaron cajas de volumen variable con ventiladores integrados (fan powered) para lograr inducir aire del pleno de retorno sin necesitar alta presión y/o alta velocidad en el aire primario que venía de la manejadora. Estas cajas de volumen variable, con ventilador integrado, tienen su justificación en ciertos tipos de aplicaciones.

Para realmente lograr el concepto de volumen variable de aire, es necesario controlar la presión del aire de suministro para modular la rotación del ventilador centrífugo de la manejadora y así reducir el consumo del motor. El método ideal de control es el "variador" de frecuencia ya que al reducir las revoluciones del ventilador, se reduce la potencia del motor de forma exponencial.
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Las cajas de volumen variable, es el equipo que por muchos años se ha usado para lograr el balance entre el confort  y la reducción del consumo de energía. Sin embargo, al usar cajas de volumen variable que suministran habitaciones múltiples, el control de la zona completa que sirve cada caja está supeditado  al comportamiento térmico de la habitación en que se localice el termostato. Esto crea sobre enfriamiento en unas habitaciones y calor en otras. En las que sufren sobre enfriamiento se desperdicia energía y en las que hay calor, se pierde el confort que son los dos conceptos básicos del volumen variable de aire.

Las cajas de volumen variable, como cualquier tipo de válvula que modula un fluido, necesita crear una caída de presión y casi siempre añade más de 1" de presión estática al sistema, penalizando la potencia del motor del ventilador de la manejadora de aire. Además, los difusores que se usan con las cajas de volumen variable son los mismos que se usan con sistemas de volumen constante y se seleccionan para el volumen de aire máximo. Cuando la caja reduce el volumen de aire, estos difusores al no poder mantener la velocidad constante pues su área de descarga es fija, reducen el tiro del aire lo cual no permite una distribución de aire adecuada.

En aplicaciones comerciales e industriales el volumen variable de aire se justifica ampliamente ya que satisface los conceptos básicos del volumen variable de aire. Además, en las aplicaciones industriales donde se requiere mantener la humedad relativa por debajo de 55% y se quiera evitar recalentar el aire, volumen variable de aire cumple ese propósito con la mínima inversión.

Al final de los años 70, la empresa Acutherm desarrolló el difusor inteligente Thermafuser con su termostato integrado que no necesita energía externa para operar. Este difusor sustituía las cajas de volumen variable y los difusores de volumen constante que se usan con las cajas,  permitiendo el control individual por habitación y evitando tanto el sobre enfriamiento como la pérdida de confort.

Mientras más control individual por habitación exista, más se logra el concepto del volumen variable de aire. Por ejemplo, una de las condiciones que se presenta en edificios de oficina es que en alguna habitación estén ausentes las personas que se consideraron en el cálculo de carga y que además, tenga las luces apagadas creando sobre enfriamiento y a su vez desperdicio de energía.

También se presenta el caso de edificios existentes a los cuales les construyen otro edificio al lado, eliminando exposiciones solares que se tomaron en consideración en el diseño original resultando en sobre enfriamiento.