En el sector de aire acondicionado la evolución tecnológica ha permitido contar con tecnologías mucho más eficientes como las que se describirán a continuación.
por Alfredo Sotolongo*
¡La energía más económica de producir es la que se ahorra!
En este artículo quiero compartir con Uds. mis experiencias con las nuevas tendencias en diseños eficientes de sistemas de aire acondicionado.
Después de que se determina la carga térmica de un sistema de aire acondicionado y que se seleccionan los equipos para compensar la capacidad total, el sistema opera la gran mayoría del tiempo a cargas parciales. Muy pocas veces lo hace al 100% de su capacidad.
Por tal razón, en el caso de los enfriadores (chillers) la sociedad AHRI acordó con todos los fabricantes pertenecientes a dicha institución que representaran la eficiencia de los enfriadores en kW/Tonelada operando a distintas capacidades que son las siguientes:
- 1 % del tiempo operan a 100% de la capacidad total
- 42% del tiempo operan a 75% de la capacidad total
- 45% del tiempo operan a 50% de la capacidad total
- 12% del tiempo operan a 25% de la capacidad total
Esto representa, bastante cerca de la realidad, el comportamiento de cualquier sistema de aire acondicionado. Hay quienes argumentan que este comportamiento depende de la zona geográfica, lo cual es debatible. Sin embargo, se utiliza para que bajo las mismas circunstancias los fabricantes publiquen el consumo promedio de sus enfriadores representado por el IPLV (Integrated Part Load Value) basado en la norma 550/590 de AHRI y calculado con la siguiente ecuación: IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12C
Donde: A=kW/Ton@100%, B=kW/Ton@75%, C=kW/Ton@50% y D=kW/Ton@25%
Lo más interesante es que la experiencia nos ratifica que la gran mayoría de los sistemas de aire acondicionado opera 90% del tiempo entre 10% y 60% de la capacidad total. Esto conduce a popularizar la aplicación, entre otros desarrollos, de los variadores de frecuencia (VFD) con los que se logra reducir el consumo eléctrico exponencialmente al cubo al modular la masa de los fluidos.
Como los sistemas de aire acondicionado operan controlando los siguientes fluidos: refrigerante, agua y aire, se ha podido adaptar el consumo eléctrico directamente proporcional a la capacidad térmica. Esto significa que la energía que se consume es la mínima necesaria para compensar la carga térmica en cada instante de la operación del sistema.
Con el advenimiento de los compresores que utilizan balineras magnéticas y que por lo tanto no necesitan aceite, se logra lo siguiente:
1) La fricción en el eje es inexistente.
2) La corriente necesaria para arrancar es considerablemente menor de la requerida para arrancar un enfriador centrífugo sin balineras magnéticas de la misma capacidad.
3) La transferencia de calor en los intercambiadores se maximiza al no existir una película de aceite que afecte dicha transferencia de calor a través de los tubos.
Con la aplicación de los VFD se controla la masa de refrigerante al modular las revoluciones del compresor, adaptando la masa de refrigerante a la carga térmica.
En enfriadores que utilizan este tipo de compresor, se han logrado IPLV de alrededor de 0.32 kW/Tonelada y especialmente en el rango de entre 10% y 60% de la capacidad total, consumos de menos de 0.29 kW/tonelada.
Al compresor ser capaz de modular la masa de refrigerante, permite que se module también la masa de agua a través del evaporador y posiblemente también a través del condensador. En el condensador depende de los cambios en la temperatura del agua entrando al condensador, lo cual está sujeto a los cambios en el bulbo húmedo del aire entrando a la torre de enfriamiento.
La masa de agua en el evaporador se modula más efectivamente utilizando bombas de agua con variadores de frecuencia integrados que no necesitan sensores de presión, ya que reaccionan a un algoritmo previamente programado. Este algoritmo compara las revoluciones y el consumo eléctrico del motor para mover la masa de agua y la presión necesaria para suministrar las unidades manejadoras de aire en las distintas zonas.
En las unidades manejadoras de aire se localizan las válvulas de dos vías que modulan la masa de agua que pasa a través de los serpentines de enfriamiento para satisfacer la carga térmica de las zonas que sirven dichas unidades. A la vez, los VFD que modulan la masa de aire que suministra dicha unidad están sujetos a la masa de aire que modulan los difusores de volumen variable de aire localizados en cada área.
Los dos desarrollos recientes que han contribuido a completar el ciclo de modular la masa de los fluidos en sistemas de aire acondicionado son los compresores de volumen variable de refrigerante que utilizan balineras magnéticas sin aceite y las bombas verticales en línea con los variadores de frecuencias (VFD) integrados sin sensores de presión.
1. El más reciente desarrollo es la integración de todos los controles de la planta de agua fría, donde un control central actúa como director de orquesta maximizando la operación de todos los componentes: enfriadores, bombas de agua y torres de enfriamiento.
Es fascinante ver como utilizando un algoritmo previamente programado, todos los componentes de una planta de agua fría reaccionan basados en los comandos del control central, director de orquesta, logrando que cada componente opere de forma óptima y así conseguir que la planta completa alcance consumos extremadamente bajos, algo nunca experimentado antes.
De necesitar más información de cualquiera de los temas tratados en esta columna, favor de comunicarse conmigo al correo [email protected]
* Presidente de Protec, Inc., está certificado como ingeniero profesional en Puerto Rico y en el estado de la Florida; tiene más de 40 años de experiencia en la aplicación y venta de sistemas y equipos para la conservación de energía. Es miembro de ASME (American Society of Mechanical Engineers), AEE (Association of Energy Engineers), ASHRAE y fue presidente del capítulo Miami de dicha asociación.
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