Los sistemas de refrigeración por absorción se convierten en una nueva alternativa ambiental, ya que se pueden operar con fuentes de energía renovable, tales como la energía solar, y además de esto, usar sustancias refrigerantes amigables con el medio ambiente.
por Jorge A. Cardona GIL y César A. Isaza*
Los edificios tienen impacto en la vida de la gente y la salud del planeta. En los países desarrollados, los edificios usan aproximadamente un tercio de la energía total, dos tercios de la electricidad y un octavo del agua, y transforman la tierra que proporciona valiosos recursos ecológicos.
El uso de estos recursos y su impacto en el medio ambiente pueden ser más relevantes en los países en vía de desarrollo, tales como Colombia, donde la tecnología usada para la construcción y funcionamiento de la mayoría de los edificios no está altamente desarrollada. En este contexto, se ha definido la “edificación sostenible” o “edificación verde”, como un estándar definitivo que se da mediante una evaluación del desempeño ambiental sobre el ciclo vital de una edificación, que es vista y entendida como un todo [CITATION LEE08 \l 9226 ].
La situación anterior ha hecho que diferentes instituciones, gremios, gobiernos y empresas se interesen por implementar medidas que tiendan a racionalizar el uso de los recursos naturales en las edificaciones y hacer que estas importantes estructuras de la sociedad se encuentren en armonía con el medio ambiente. La gran mayoría de los sistemas actuales de acondicionamiento de aire funcionan bajo el principio del ciclo de refrigeración por compresión de vapor [ CITATION Aco \l 9226 ]. Se ha detectado que estos contribuyen significativamente en un sentido opuesto al concepto de un desarrollo sostenible.
En Iberoamérica la principal iniciativa fue la Red RIRAAS (Red Iberoamericana de Refrigeración y Aire Acondicionado Solar), esta red surgió antes del año 2001, con el ánimo de promover y difundir las tecnologías de producción de frío con energía solar. Estuvo cofinanciada por el programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (Cyted) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (Conacyt) hasta el año 2004.
En Latinoamérica la principal instalación en funcionamiento de aire acondicionado solar opera actualmente en México, pero además de esto, existe una gran cantidad de prototipos de universidades y centros de investigación usados para la investigación y desarrollo de las diferentes tecnologías de enfriamiento solar [CITATION WSp07 \l 9226 ].
Este artículo pretende presentar una alternativa en el uso de sistemas de acondicionamiento de aire para lograr alcanzar el estándar de la “edificación sostenible” en Colombia [ CITATION LEE08 \l 9226 ]. Bajo el estándar de “edificaciones sostenibles”, la producción de frío con fuentes de energía térmica no convencional, tales como los sistemas de refrigeración por absorción accionados con energía solar, es potencialmente atractiva en el sector terciario para atender la demanda de frío a través de sistemas de acondicionamiento de aire en edificios, grandes almacenes de cadena y centros comerciales, entre otros.
Este tipo de edificios incluye instituciones tales como hospitales, universidades, colegios, edificios oficiales y de oficinas, en los cuales los sistemas de acondicionamiento de aire representan un gran porcentaje del consumo de energía. En el sector hotelero, los equipos de absorción tienen una amplia aceptación como sistemas de acondicionamiento de aire, dada la publicidad que implica ofrecer instalaciones ambientalmente amigables [ CITATION LEE08 \l 9226 ]. En la literatura no se encuentra mucho sobre este tipo de sistemas, en los cuales se denote que en Colombia, por ejemplo, se haya hecho una investigación exhaustiva o que se hayan llevado a cabo desarrollos.
Los fluidos artificiales que fueron usados comercialmente en los sistemas de acondicionamiento de aire en edificios, tales como los clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y los hidrofluorocarbonos (HFC), han sido considerados, en gran parte, como causantes del deterioro de la capa de ozono del planeta. Favorecen el efecto invernadero y en cierta medida, el incremento de la temperatura media global del planeta. Desde el protocolo de Montreal de 1987, se han firmado tratados internacionales para reducir las emisiones de estos refrigerantes; Colombia hace parte del Protocolo de Montreal a partir de la aprobación de la Ley 29 de 1992 [CITATION Wue94 \l 9226 ].
Los ciclos de refrigeración convencional operados por energía eléctrica contribuyen significativamente con los consumos de electricidad y combustibles fósiles. El Instituto Internacional de Refrigeración (IIR) estimó que aproximadamente el 15% de toda la electricidad producida en el mundo se emplea en algún tipo de proceso de refrigeración y acondicionamiento de aire [CITATION Jor13 \l 9226 ].
Siempre que exista la posibilidad de utilizar energías térmicas procedentes de energías renovables o efluentes de procesos industriales o de sistemas de cogeneración, la aplicación de sistemas de absorción para la producción de frío será competitiva e interesante, es por esto que en este artículo se busca llevar a cabo el diseño y simulación de un sistema de aire acondicionado operado con energía solar mediante ciclo de refrigeración por absorción con técnicas clásicas de control, algunas de las cuales posteriormente se convertirán en técnicas de control inteligente. De esta manera se pretende experimentar con este tipo de sistemas para encontrar formas de operación eficientes y de bajo costo que, en un futuro, sean competitivas en el ámbito comercial.
Estado del arte
El propósito de un sistema de control en una planta de refrigeración es proporcionar un funcionamiento automático para evitar el costo de mano de obra de los operadores o donde el control es demasiado complejo para el funcionamiento manual. Lo anterior genera máxima eficiencia y economía durante el proceso [ CITATION Tro00 \l 9226 ]. En varias partes del mundo se han desarrollado este tipo de sistemas de aire acondicionado operados con energía solar mediante un ciclo de refrigeración por absorción, es el caso de Puerto Rico, en donde Meza et al. [ CITATION Exp98 \l 9226 ] describen una instalación experimental compuesta de un Chiller de Absorción 35 kW (10 TR), movido por un arreglo de 113 m2 de colector de placa plana de superficie selectiva, un estanque de almacenamiento de 5.7 m3, una Torre de Enfriamiento de 84 kW de capacidad y con la aplicación de un control ON-OFF para la estabilidad y manipulación del sistema.
Los sistemas de refrigeración por absorción en su mayoría son controlados por controladores de encendido/apagado o estrategias de control proporcional [ CITATION Váz01 \l 9226 ]. Los controladores de encendido y apagado (control ON-OFF) conducen a una pérdida significativa durante el período de desconexión debido a que se debe reiniciar el proceso y existe una migración de refrigerante durante este ciclo [ CITATION WuJ90 \l 9226 ].
García [ CITATION Mig12 \l 9226 ] describe en su tesis doctoral hecha en la Universitat Rovira I Virgili de España, el proceso seguido para el desarrollo de dos prototipos preindustriales de enfriadoras de absorción de amoniaco/nitrato de litio, uno de disipación por agua, y otro de disipación por aire (mediante aerotermo), y su caracterización experimental con la que analiza el comportamiento a carga parcial del nuevo desarrollo, con un control todo/nada de la capacidad frigorífica.
El esquema de control conocido como de temperatura de generación constante, se emplea, en configuraciones de climatización solar con caldera como sistema auxiliar, que sirve para apoyar energéticamente el lazo de agua caliente, normalmente contra el depósito de alta temperatura. Esta configuración ha sido analizada en profundidad por Kohlenbach [ CITATION Pau06 \l 9226 ] con un equipo de absorción de simple efecto de Agua y Bromuro de Litio de 10 kW, de la firma Phönix SonnenWärme AG.
El sistema analizado por Kohlenbach [ CITATION Pau06 \l 9226 ] permite el acoplamiento directo entre el campo de captadores y el equipo de absorción, al hacer un baipás al depósito. Esta es una estrategia que permite los arranques tempranos por la mañana. Las diferentes estrategias de control (PID y ON-OFF han sido ampliamente discutidas en la literatura por Kohlenbach [ CITATION Pau06 \l 9226 ]; concluye, tras un análisis por simulación, que la mejora en el consumo eléctrico de diferentes estrategias de control de bombas en los circuitos de agua caliente (ON-OFF y PID) redunda en un 6 %, al mismo tiempo, que indica como infructuosa la búsqueda de la misma conclusión mediante la experimentación, al no encontrar en ese caso diferencias significativas en su campaña de ensayos.
Con respecto al agua helada, Kohlenbach [ CITATION Pau06 \l 9226 ] aplica técnicas clásicas de control
ON-OFF, P, PI y PID, con los cuales ajusta la abertura de una válvula de tres vías que se encuentra a la entrada del generador de la Máquina de Absorción y que varía el flujo de agua caliente para variar la temperatura del agua helada. Kohlenbach [ CITATION Pau06 \l 9226 ] además de los controles realizados al flujo de los circuitos de agua helada y agua caliente, controla la velocidad del ventilador de la torre de enfriamiento con un control PID.
Un Control Predictivo Funcional (PFC) fue el método propuesto por Fallahsohi et al. [ CITATION HFa10 \l 9226 ] para controlar el sobrecalentamiento del evaporador con una válvula de expansión electrónica. El sobrecalentamiento puede ser controlado con mayor precisión mediante PFC que con controladores PID convencionales. Este trabajo fue realizado con fin de estudiar la influencia de método de control PFC sobre el (COP). Los experimentos se llevaron a cabo en una máquina de refrigeración por absorción mediante el cambio de la capacidad frigorífica de 120 a 30 kW. El PFC mejoró el rechazo de las perturbaciones en comparación con un control PID, de esta manera fue posible reducir el valor de ajuste de sobrecalentamiento.
En Chile desarrollaron la Optimización de un Sistema de Refrigeración por Absorción asistido por Energía Solar al utilizar TRNSYS®. Para este sistema utilizaron TRNSYS® 16. A partir de la simulación realizada en el entorno TrnBuild de TRNSYS® para determinar la demanda de aire acondicionado de la vivienda en estudio, se obtuvieron resultados que indican que esta demanda se inicia a partir de agosto y hasta el mes de abril, con períodos críticos para los meses de diciembre y enero en los cuales se produce la carga máxima de 23 kW (6.55 TR). Un controlador ON-OFF que actúa sobre la bomba del sistema para controlar el encendido y apagado del circuito de agua caliente. Posee un corte por alta temperatura, el cual es activado si la temperatura de entrada al colector es mayor a 98 °C. Se han considerado 2 °C y 0.15 °C como valores de upper dead-band y lower dead-band, respectivamente [ CITATION Hum09 \l 9226 ].
En Valladolid, España, en Cartif, Parque Tecnológico de Boecillo, la máquina instalada es un grupo de refrigeración Yazaki WFC10, de simple efecto, alimentada por agua. Su potencia frigorífica es de 34.9 kW, que ofrece unas condiciones nominales de 8 °C de agua helada para una temperatura de entrada de 88 °C, y un COP de 0.7 (sistema simulado en TRNSYS®).
En Cartif se ha dispuesto una red de monitorización y control, de propósito general, que de forma distribuida cubre multitud de aplicaciones. Se ha optado por una red LonWorks, que ofrece todas las ventajas de un sistema distribuido en cuanto a robustez y fiabilidad a un bajo coste en comparación con otros sistemas industriales. La técnica de control utilizada es una técnica clásica de control continuo, o sea que en este proyecto se hizo uso de un control PID para controlar las válvulas de tres vías utilizadas y las bombas de circulación de agua, y de esta manera mantener una temperatura deseada en el recinto [ CITATION Lui11 \l 9226 ].
Lygouras et al. [ CITATION JNL07 \l 9226 ] realizaron la implementación de un controlador por lógica difusa de estructura variable para un sistema de aire acondicionado con energía solar. Dos motores de corriente continua se utilizan para manejar la bomba del generador (agua caliente) y la bomba de alimentación (agua helada) del sistema de aire acondicionado con energía solar. Dos estrategias de control diferentes fueron aplicadas para controlar la regulación de la velocidad de rotación de los motores de corriente continua: el primero es un controlador difuso puro, su salida es la señal de control para el controlador del motor de corriente continua. Una matriz fuzzy 7 x 7 asigna la salida del regulador con respecto al valor del error y la derivada del error. El segundo es un controlador de dos niveles. El nivel inferior es un controlador PID convencional, y el nivel más alto es un controlador difuso que actúa sobre los parámetros del controlador de nivel bajo. La contribución de este diseño es que en el sistema de control la lógica difusa se implementa mediante software y un microcontrolador de 16-bits de bajo costo.
En la República de Panamá, los sistemas de refrigeración y aire acondicionado consumen un porcentaje elevado de la energía eléctrica producida, por esto realizaron un sistema con un porcentaje bajo de consumo de energía eléctrica. El sistema de absorción mantuvo la temperatura y humedad relativa de las zonas a 23 °C y 58 % respectivamente (sistema previamente simulado en TRNSYS®), además fue capaz de ahorrar cerca del 75 % del consumo eléctrico cuando se le comparó con un sistema de aire acondicionado por compresión tipo Split. El encendido y apagado (control ON-OFF) de la bomba que impulsa el agua entre los colectores y el Tanque de almacenamiento, se simuló al utilizar un sistema de control que la enciende cuando la diferencia de temperatura entre la salida de los colectores y la parte más baja del Tanque de almacenamiento es mayor a cero y la apaga cuando esta diferencia es menor [ CITATION Est13 \l 9226 ].
Nota: En la próxima edición publicaremos la segunda parte de este artículo que hará referencia a los materiales y métodos para el funcionamiento de un sistema de aire acondicionado solar, así como las conclusiones de la investigación.
Referencias
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* 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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