Presentamos un especial sobre los Distritos Térmicos analizados bajo la perspectiva de un consultor independiente.
por Ing. Camilo Botero G.*
Los Distritos Térmicos buscan lograr proyectos de climatización óptimos, los cuales deben cumplir principalmente con las siguientes características, en lo cual he sido reiterativo en varios de mis artículos y bajo diferentes contextos: en primer lugar los Distritos Térmicos se proyectan para lograr Máxima Eficiencia Energética con un Mínimo Impacto al Medio Ambiente. Por supuesto esto implica un diseño con el mayor grado de ingeniería de detalle posible y en su ejecución es indispensable el cumplimiento de las especificaciones de dicho diseño. Además el Distrito Térmico debe tener facilidad de operación y contar con una adecuada mantenibilidad durante su fase de ocupación y mantener estabilidad durante su ciclo de vida.
Por cuestiones propias de las actividades de los usuarios del agua fría de un Distrito Térmico de enfriamiento de los que existen en la zona tropical latinoamericana, no todas las instalaciones se encuentran ocupadas permanentemente, si no que se ocupan esporádicamente, debido a las características de la actividad particular de cada edificio, y se presentan variaciones apreciables de la demanda.
En caso de este ser ocupado al 100% de carga y teniendo en cuenta las nuevas condiciones climáticas, el sistema a plena capacidad solo podría cubrir realmente una pequeña de la demanda en el mejor de los casos, es por esto que se presenta muchos inconvenientes para la climatización de las áreas, si el Distrito Térmico no ha sido bien concebido. En esta época con calentamiento global muy apreciable, es recurrente el clima extremo de alta temperatura, lo cual repercute en una mayor demanda de los sistemas centrales de agua fría.
Al hacer la evaluación de los sistemas de agua fría, se presenta la alternativa respecto al tipo de condensación, es decir si usar el sistema de condensación por agua o utilizar la condensación por aire. De mucho tiempo atrás ha sido un paradigma utilizar condensación por agua porque esto daría, en teoría, más eficiencia, pero con un incremento en el consumo de agua de reposición que ya hoy en día es muy elevado, y el agua es un recurso que se está tornando escaso.
Con la tecnología disponible hoy en día se puede hacer un Distrito de Enfriamiento con equipos de condensación por aire, con compresores de velocidad variable, con eficiencias similares a los de condensación por agua, en capacidades hasta de 300 TR. La contrapartida es que son muy voluminosos y requieren un mayor espacio para su ubicación. También debe definirse si el nuevo sistema sería totalmente centralizado y/o repotenciar algunos de los sistemas actuales. Normalmente recomiendo un sistema central, con la máxima eficiencia disponible en ese instante, y mejorar los sistemas actuales optimizando la interconexión entre ellos con un anillo de tubería correctamente diseñado. Esto implica un conocimiento profundo de los principios de la mecánica de fluidos y a la transferencia de calor, que muchas veces quedan subyacentes y opacados por los programas de diseño.
También se requiere realizar el reconocimiento del sistema y analizar la información suministrada por el personal de ingenieros, los levantamientos de la interconexión de tuberías existentes y la información técnica previa de catálogos de equipos y el análisis de dichos datos, para hacer una ingeniería conceptual lo más ajustada a la realidad; con referencia a esta, realizar la ingeniería básica y por supuesto la ingeniería de detalle con gran rigurosidad, dejando perfectamente documentada toda la información técnica requerida.
Debido a que existen sistemas centralizados de agua fría de velocidad constante, ya instalados en los edificios, de condensación por agua y/o por aire; el mejoramiento utilizando chillers más eficientes con compresores de velocidad variable y condensación por aire, y/o agua, tiene un retorno de la inversión favorable, para pagar el proyecto por ahorro energético; para ello se requiere información de los consumos actuales de energía y agua, sus valores y los perfiles de demanda térmica. Se deben rediseñar todas las redes de tubería de interconexión de los sistemas de agua fría actuales y futuros; generalmente las existentes no son las adecuadas.
El proceso de selección de la tubería enterrada para el anillo es una tarea de gran responsabilidad. Se privilegia la tubería aislada y protegida con alguna flexibilidad y apta para ser enterrada; el fabricante debe dar una garantía mínima de 25 años. Es fundamental estudiar la topografía del terreno, pues es necesario saber las cotas de los sistemas de agua fría, ya que al estar interconectados estos interactuarán sus presiones estáticas, por las diferentes alturas; el proceso de montaje de la tubería es engorroso y debe programarse con rigurosidad.
Se deben seleccionar los sistemas de expansión de agua adecuados para absorber las variaciones de volumen, por cambio de temperatura y sistemas para la desaireación de las tuberías, ya que el aire en las mismas produce efectos nocivos en el bombeo.
Es indispensable hacer un inventario de cargas presentes, futuras inmediatas y futuras de mediano plazo, con relación a la actualización de los sistemas centrales de agua fría y cambio de expansión directa (DX) a agua fría en el Distrito Térmico y definir un factor de simultaneidad (capacidad en el sistema centralizado vs demanda en los edificios), que para que este tipo de proyectos tenga un retorno de la inversión favorable, debe ser 0.5 o menor, para que haya un ahorro de energía considerable y la inversión inicial sea la más apropiada.
Es fundamental invertir considerable tiempo de diseño, teniendo en cuenta modelos matemáticos que reflejen razonablemente el desempeño de los termofluidos. Como son sistemas de considerable consumo de energía eléctrica, se debe diseñar la subestación de energía eléctrica de última generación, preferiblemente con transformador seco y con su respaldo de energía. Es muy importante considerar el uso de energías alternativas como bancos de hielo y energías fotovoltaica, eólica o geotérmica, etc. La gerencia del proyecto y la interventoría, debe ser realizada por ingenieros, que entiendan esta tecnología, pues de otra manera la probabilidad de fracasos en el desarrollo del proyecto es muy alta.
Confort Térmico y Calidad Del Aire Interior
Me extenderé en este concepto aún cuando parezca estarme repitiendo, pues es primordial para los proyectos de Distritos Térmicos, que buscan el bienestar térmico en las miles de personas que habitan los diferentes ambientes de las ciudades y su cumplimiento depende en últimas el éxito del Distrito Térmico en ciudades.
Basado en el Capítulo 9 del Fundamentals de ASHRAE y en el ASHRAE Estándar 55, este lo define de una manera muy sutil, diciendo que es “esa condición de la mente que expresa satisfacción con el medio ambiente”. Obviamente esta definición es un poco etérea, pues los términos “condición de la mente” y “satisfacción” son ambiguos, pero claramente enfatizan que la percepción de bienestar térmico es un proceso cognitivo, que envuelve una gran variedad de parámetros, influenciados por procesos físicos, fisiológicos y psicológicos.
Lo importante es que tanto los ingenieros que diseñan, instalan y mantienen los Distritos Térmicos, entiendan los fundamentos de la termorregulación humana, la sensación de confort y condiciones sanitarias para que los usuarios finales se sientan satisfechos. Por supuesto, a los propietarios, gerentes de proyectos, interventores y usuarios de la climatización, debe dárseles formación relacionada con estos aspectos, para que no tengan nociones erradas o falsas expectativas, pues ya que finalmente el tema de confort es subjetivo y circunstancial, lo que espera cada persona del sistema de aire acondicionado es diferente.
Por esta razón existe el estándar 55 de ASHRAE y el RITE, para que esas condiciones de confort sean convenientes, de tal manera que un porcentaje alto de ocupantes se sienta confortable.
Otra manera de expresarlo es que un sistema de climatización confortable térmicamente es aquel en el cual hay un balance equilibrado de masas y energía entre el cuerpo humano y el medio ambiente que lo rodea y allí la temperatura del cuerpo se mantiene dentro de rangos bajos, la humedad de la piel es baja y los esfuerzos fisiológicos de regulación se minimizan. A veces agrego, para hacer muy comprensivo, el concepto: “Es como la buena salud, no se siente que se tiene”.
El confort depende también de comportamientos que se inician consciente o inconscientemente, guiados por sensaciones térmicas y de humedad que reducen el disconfort. Algunos ejemplos son la ropa adecuada para el clima, alterar la actividad, reubicarse fuera del efecto de descarga de un difusor de aire acondicionado o de la radiación solar directa, cambiar el valor de referencia del termóstato, abrir una ventana, quejarse o salir del espacio. Sorpresivamente aun cuando, en el mundo, los climas, condiciones de vida y culturas difieren de manera muy considerable, la temperatura que la gente escoge para confort bajo condiciones similares de vestuario y actividad, la humedad y el movimiento del aire han sido halladas muy similares.
Las actividades metabólicas del cuerpo resultan casi completamente en generación de calor que debe ser disipado y regulado, para mantener la temperatura normal del cuerpo (38 °C), insuficiente disipación conduce a la hipertermia y demasiada pérdida de calor a la hipotermia. Temperatura de la piel superior a 45 °C e inferior a 18 °C, causa molestia y hasta dolores. Cuando se tiene confort dicha temperatura de la piel estará entre 33 y 34 °C. El centro regulatorio del cerebro trata de mantenerla entre 36.8 y 37.4 °C; el hipotálamo es el órgano central de control y recibe señales de la piel y la sangre, y regula la temperatura por ejemplo con vasodilatación, vasoconstricción o sudor el cual es un poderoso medio de enfriar el núcleo del cuerpo.
En reposo un adulto produce del orden de 100 W (341 Btu/hr) de calor y como este se disipa principalmente a través de la piel conviene tipificarlo por unidad de área (1.8 m2 seleccionado) o sea aproximadamente 58 W/m2 y a esta unidad se le llama un met; obviamente hay diferencias de género y étnicas. Otras actividades diferentes al reposo se definen en términos de la unidad met, por ejemplo se puede decir que un trabajo rudo o una actividad deportiva tendrían una actividad metabólica, digamos, de 5 met.
Las pérdida de calor sensible y latente desde la piel se expresan típicamente en términos de factores del medio ambiente, su temperatura y humedad. Estos factores también tienen en cuenta el aislamiento térmico y la permeabilidad de la humedad en la ropa. La velocidad del aire sobre la piel de las personas es un factor decisivo de confort o disconfort, así mismo la presión de vapor de agua del ambiente.
Si se estudia en detalle el capítulo 9 del Fundamentals de ASHRAE, aparecen todos los fenómenos, la información cuantitativa y los cálculos de transferencia de calor y masa entre la gente y su medio ambiente. Las descripciones matemáticas de los balances de energía y masa combinan enfoques racionales y empíricos de tales estimaciones. Los principios fundamentales de la transferencia de calor y masa son utilizados en estos cálculos como expresiones empíricas para determinar los valores de las ratas de transferencia de calor, así como los mecanismos de control termo-fisiológico, que son funciones de la piel y del núcleo del cuerpo humano.
El estándar 55 de ASHRAE, se ocupa de este tema y su comité revisa periódicamente los parámetros que especifican las zonas de confort, en donde el 80% de las personas sedentarias o ligeramente activas encuentran al medio ambiente térmicamente aceptable. A causa de que la gente usa diferentes niveles de ropa, dependiendo de la situación y el clima, el estándar 55 define zonas de confort para diferentes niveles de vestimenta: por ejemplo 0.5 y 1.0 clo (0.078 a 0.155 m2-K/W - podría decirse como referencia que 1.0 clo es ropa de invierno y 0.5 clo es ropa de verano). Aquí el lector puede referirse a la Fig. 5 de la pág. 9.12 del Fundamentals, en donde aparecen las zonas de confort para verano e invierno. Para un clima tropical húmedo como el que prevalece en esta región, específicamente como condiciones de confort:
- Temperatura 24 °C +/- 1 °C
- Humedad Relativa 55% +/- 5 %
- Velocidades del aire, del orden de 0.5 m/s (100 fpm)
Para terminar, debe dársele también una gran importancia al tema de Calidad del Aire en el Interior a la filtración (estándar ASHRAE 52) y a las ratas de aire exterior (estándar ASHRAE 62) y por supuesto al uso racional de la energía y cuidado del medio ambiente (estándar ASHRAE 90). Los miles de usuarios de un Distrito Térmico en su concepción general serán sus jueces.
Control
Este es un asunto primordial para el desempeño óptimo de los Distritos Térmicos, en lo que tiene que ver especialmente con el logro de la máxima eficiencia energética, acomodando la planta de chillers a las cargas parciales. Por lo tanto es necesario realizar reuniones técnicas específicas, con participación de los técnicos de control que deben entender la correlación que hay entre el comportamiento de las inercias térmicas de los sistemas de termofluidos y las respuestas en microsegundos de los controles electrónicos, para tratar este tema del control en todos sus aspectos.
La estrategia y el diseño del control para los Distritos Térmicos, es necesario que aparezca en todas las fases del aseguramiento de la calidad del proyecto desde los RDP (Requisitos del Dueño para el Proyecto), las BdD (Bases del Diseño), el Diseño en sí mismo, las especificaciones para la Construcción, Montaje y Arranque de los equipos, y las capacitación con verificación de asimilación en la fase de O&M (Operación y Mantenimiento), como lo describe con todo rigor el estándar ASHRAE 202 de Commissioning (Aseguramiento de la Calidad del Proyecto).
* Camilo Botero es el actual Secretario de la Federación de Asociaciones Iberoamericanas del Aire Acondicionado y la Refrigeración - FAIAR; fue presidente de ACAIRE y es presidente de Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Se ha desempeñado como docente en varias universidades colombianas, gremios y actualmente en ACAIRE en cursos de diplomado de proyectos de aire acondicionado, eficiencia energética en aire acondicionado y refrigeración, cogeneración y trigeneración, psicometría aplicada, termodinámica, mecánica de fluídos, transferencia de calor y turbomaquinaria. ([email protected]).
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