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Menor impacto ambiental en HVAC/R (II)

Segunda parte de este análisis sobre las alternativas tecnológicas disponibles que influyen directamente para lograr un menor impacto ambiental en HVAC/R.

por Ing. Carlos C. Obella*

Evaluación del Impacto Climático Total: El impacto climático total durante el ciclo de vida del equipamiento (LCCP) se mide en masa equivalente de CO2. Este concepto combina el tipo de refrigerante adoptado con la arquitectura del sistema en el que se aplique, además de las condiciones de operación, e incluso la ubicación geográfica del sistema a considerar. Su valor total surge de la suma del impacto directo más el indirecto (Fig.7)

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Fig. 7

El impacto directo depende del tipo de gas y su valor de GWP, además de la carga de gas del sistema y el porcentaje de fugas medido a lo largo del ciclo de vida del equipamiento. El impacto indirecto depende de la energía consumida por el sistema medida en KW y de la masa de CO2 emitida para la generación de cada KW que el sistema consume a lo largo de su ciclo de vida. Esto último depende la fuente o recurso de generación de energía que se aplique (Factor de Emisión).

El objetivo en la búsqueda de la mejor solución es disminuir el valor de LCCP lo máximo posible. Una vez más esto plantea compromisos en materia de seguridad, medioambiente, rendimiento y economía que deben evaluarse y asumirse, con un enfoque holístico.

Por ejemplo, en un sistema auto-contenido de refrigeración comercial con muy baja carga de gas y escaso riesgo de fugas, el impacto indirecto en términos de eficiencia energética tendrá un peso mucho mayor al del impacto directo en la disminución del LCCP. La mejor opción de refrigerante puede ser aquella que permita obtener la mejor eficiencia energética, sin perder de vista el final de la vida útil de estos sistemas, y el impacto directo potencial generado al momento de disponer de estos equipos. El mismo concepto es aplicable a un sistema de aire acondicionado o bomba de calor residencial, por ejemplo.

Por otra parte, si consideramos un sistema centralizado de refrigeración comercial, que funciona con expansión directa, similar a los comúnmente instalados en grandes locales comerciales como supermercados; con largos tendidos de tubería, que se extienden desde la sala de máquinas hasta los evaporadores remotos; con enormes cargas gas, en el orden de los cientos de kilos; con alto riesgo y porcentaje anual de fugas; aquí el impacto directo tendrá un peso mayor. El empleo de un refrigerante de bajo GWP será clave, si es que no se hacen cambios significativos en la arquitectura del sistema. Aquí también la disposición final será muy importante, en términos de recuperación del gas y su potencial reutilización para servicio.

En general, el impacto indirecto suele ser mayor al directo, fundamentalmente en aquellos países donde el Factor de Emisión CO2 emitido por cada KW generado es alto.

Relación entre las arquitecturas de sistemas de refrigeración y los refrigerantes: las tendencias en términos de sustentabilidad que buscan reducir las cargas y las fugas de gas refrigerante han impulsado una gran variedad de opciones en arquitecturas de sistemas de refrigeración que deben ser entendidas en profundidad, para poder analizar comparativamente sus ventajas y desventajas, sus potenciales beneficios, su efectividad y eficiencia energética, sus costos de instalación, operación, mantenimiento y disposición final, además de su impacto ambiental, entre otros aspectos importantes a considerar y ponderar (Fig. 8).

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Fig. 8

Existen múltiples variantes: sistemas descentralizados que aplican unidades condensadoras para exterior, para interior, o compactas; sistemas micro-distribuidos que aplican circuitos de condensación por agua; grandes sistemas centralizados de expansión directa; sistemas de ciclo secundario; sistemas en cascada puras e hibridas; sistemas de dos etapas (denominados “Booster”). Todas estas variantes, créase o no, están presentes y activas hoy en día en Latinoamérica. Y en ciertos casos, más de un tipo de arquitectura de sistema puede estar presente en un mismo local comercial, en aplicaciones de alta, media o baja temperatura, en combinación con aire acondicionado.

La variedad de refrigerantes que se aplican por cada configuración agrega aún más complejidad, si se considera la evolución de opciones actuales, intermediarias y futuras, con menor impacto ambiental.

Tendencias en arquitecturas de sistemas de refrigeración comercial por tamaño de formato: la figura 9 nos muestra ciertas tendencias de adopción de arquitecturas para sistemas de refrigeración comercial por tipo y tamaño de formato.

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Fig. 9

- Las superficies mayores tienden a aplicar soluciones 100% naturales con CO2, en sistemas del tipo “Booster” o dos etapas externas.
- Los formatos medianos suelen optar por cascadas híbridas, sistemas de ciclo secundario, sistemas micro-distribuidos, y unidades descentralizadas. Aquí las opciones y tipos de refrigerante se amplían.
- Los formatos más pequeños aplican sistemas descentralizados, con unidades condensadoras de aplicación exterior, interior, o compactas, en combinación con sistemas auto-contenidos o exhibidoras refrigeradas.  

Características que debe guardar un sistema de refrigeración según algunos usuarios finales clave: la mayoría de los usuarios finales de sistemas de refrigeración comercial en la industria minorista de alimentos en los EE. UU. coinciden en listar las siguientes características (fig. 10): simple, baja complejidad, seguro, sustentable, estable, inteligente.

Fig. 10
    
Como puede apreciarse en el cuadro, la palabra que define a cada una de esas características comienza con la letra “S” en el idioma inglés. De ahí que a esta tendencia se la denomine “Seis Eses” (6S’s).

Este mismo análisis es perfectamente válido para la Latinoamérica, si consideramos que las tendencias que nos han venido ocupando en este artículo (sustentabilidad, eficiencia y conectividad) tienden a agregar complejidad a soluciones tecnológicas, y en muchos casos comprometen la seguridad, ya sea que apliquen refrigerantes con un cierto nivel de inflamabilidad o que operen a altas presiones.

Digitalización, conectividad, integración electrónica
La tendencia actual es controlar las distintas combinaciones entre sistemas y refrigerantes mediante dispositivos electrónicos. Estos dispositivos reciben señales de entrada desde sensores y transductores, las cuales son procesadas mediante complejos algoritmos de control para generar señales de salida, tanto analógicas como digitales. Los parámetros básicos de control pueden ser la temperatura y la presión, a los que pueden agregarse el flujo de aire, de agua o de fluido intermediario; o parámetros eléctricos como el consumo en Amper y el voltaje, que se combinan mediante otros algoritmos para medir y controlar consumo energético, por ejemplo. Otros tipos de sensores permiten detectar la presencia de gases con el propósito de detectar fugas. Y hay mucho, mucho más sobre esto.

Fig. 11

La interacción de los dispositivos electrónicos con el usuario puede ser local (visual, sonora o una combinación de ambas) o remota, en tiempo real, o mediante historiales o registros visibles través de sistemas de supervisión que permiten, entre otras cosas, alertar, diagnosticar y proteger activamente la integridad del sistema, y asegurar así la conservación y el nivel de calidad de los productos frescos almacenados o el confort de un local acondicionado.

A su vez, cada dispositivo electrónico puede cumplir con su función de manera individual o puede integrarse y comunicarse con otros dispositivos a través de diversos protocolos de comunicación abiertos o cerrados. La capacidad de integración puede expandirse a través del Internet de las Cosas” (IoT) e involucrar tanto los sistemas de refrigeración, como los de acondicionamiento de aire para confort, ventilación, iluminación, y otros servicios.

La generación y registro de datos provenientes de distintos componentes electrónicos clave, puede transformarse en información valiosa a través de procesadores ejecutivos que aplican software avanzados, con el propósito de ayudar al usuario a tomar mejores decisiones operativas. Finalmente, la totalidad de la información puede permanecer accesible y ser almacenada ilimitadamente en servidores interconectados a través de “La Nube”.

La figura 11 muestra un ejemplo práctico que combina los conceptos enunciados, con el propósito de administrar costos de operación (energía, mantenimiento, pérdida de mercadería) en un supermercado.

La capacitación es indispensable
Las empresas innovadoras que ofrecen las tecnologías antes descriptas se ven en la necesidad de capacitar al personal técnicos propio, al de sus clientes y al de los usuarios finales en los fundamentos de variadas disciplinas técnicas como termodinámica, química, sistemas de control, electrónica e informática, entre otras.

Esta capacitación debe ser práctica y muy efectiva, empleando medios educativos disponibles en línea, videos, simuladores avanzados, realidad virtual, entre otras herramientas, al punto de transformar esta capacitación en una verdadera experiencia educativa. Esta es la función de los llamados Centros de Aprendizaje (Fig. 12).

Fig. 12

Emerson cuenta con dos de estos centros avanzados, estratégicamente ubicados en Brasil y en México. Cada Centro de Aprendizaje es capaz de simular un amplio y variado número de diferentes aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado con propósitos educativos, ofreciendo programas de entrenamiento flexibles, que pueden adaptarse a necesidades específicas.

Estas verdaderas fuentes de conocimiento están abiertas también a entidades educativas, como universidades, y escuelas de capacitación profesional, con el propósito de desarrollar competencias técnicas en diversas áreas de nuestra industria.

Las puertas de estos Centros de Aprendizaje están abiertas para asociaciones profesionales que deseen capacitar y certificar a sus afiliados en diversas disciplinas, y también para entidades gubernamentales que busquen capacitar profesionales en buenas prácticas, orientadas a cumplir con estándares y regulaciones, ambientales y de eficiencia energética, tanto actuales como futuras.

En resumen, cada Centro de Aprendizaje Emerson, es un lugar ideal para vivir una verdadera experiencia educativa, ampliar nuestro conocimiento y expandir el pensamiento, además de ser una fuente de ideas innovadoras, generadas en un ambiente de colaboración, para enfrentar los desafíos tecnológicos presentes y futuros.

Conclusiones
- Sustentabilidad, eficiencia energética, y conectividad son tendencias globales clave.
- La aplicación de refrigerantes con un menor impacto ambiental implica optar por opciones con cierto grado de inflamabilidad, o que operan a altas presiones.
- El acatamiento de las regulaciones, normas, estándares, códigos de edificación y de seguridad cobran mayor importancia.
- El impacto indirecto cobra mayor importancia en la evaluación del impacto ambiental total, versus el impacto directo.
- Los usuarios finales buscan soluciones simples, flexibles, modulares, escalables.
- La educación y el entrenamiento son fundamentales para estar a la altura de los cambios en nuestra industria.

* Ing. Carlos C. Obella. VP de Servicios de Ingeniería y Gerenciamiento de Producto
Emerson Commercial & Residential Solutions Latinoamérica. [email protected]

Referencias
1. (Heschong) Heschong Mahone Group and CTG Energetics. 2008. White paper on approaches to reducing leakage and improving the performance of supermarket refrigeration systems, submitted to Southern California Edison Co. for California Title 24.

2. Proposed Waxman-Markey bill signed by the House and pending in Senate.

3. Van Baxter, Oak Ridge National Lab, IEA Annex 26 report, Advanced Supermarket Refrigeration Systems, April 2003.

4. Steve Brown, Samuel Yana Motta, Piotr Domanski, National Institute of Standards and Technology, Comparative analysis of an automotive air conditioning system operating with CO2 and R134a, International Journal of Refrigeration, Jan 2001.

5. Mark Spatz and Barbara Minor, Next generation low GWP refrigerant HFO-1234yf, Honeywell and Dupont joint presentation, Jan 23, 2008.

6. The Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute (AHRI) Alternative
Refrigerants Evaluation Program, CD Volumes I & II reports (1992-1997), report 196

7. 2010 International Symposium on Next-gen AC&R technology, Japan, Feb. 17, 2010:
a. Mark Spatz, Honeywell International, Low global warming alternative refrigerants for stationary AC&R applications.
b. Hayato Horie, University of Tokyo, Study on cycle property and LCCP evaluation of heat pump using HFO-1234yf, HFC-32, and HFC-410A as refrigerant.
c. Thomas Leck, Dupont Fluorochemicals, Development and evaluation of high performance low GWP refrigerants for AC and Refrigeration.
d. W. Rached, J.Komornicki, C.Maldeme, Arkema, Safe and environment friendly refrigeration and refrigerants.
e. Hideki Hara, Masao Oono, Ikuhiro Iwata, Daikin Industries LTD., Experimental study of low GWP refrigerants for room air conditioners.
f. Takashi Okazaki, Hideaki Maeyama, Makoto Saito, Takashi Yamamoto, Mitsubishi Electric Corporation, Performance and reliability evaluation of a room air conditioner with low GWP refrigerants.
g. Akira Fujitaka, Tsutomu Shimizu, Shigehiro Sato, Yoshikazu Kawabe, Panasonic Corporation, Application of low global warming potential refrigerants for room air conditioners.

8. EPA, pending Significant New Alternatives program (SNAP) investigation for HFO1234yf, Federal Register notice, Vol 74, no. 200, Monday Oct. 19, 2009 proposed rule

9. AHRI/ACEEE/Alliance to Save Energy, proposed regional standards for inclusion in Energy Bill, Oct. 2009.

10. Osami Kataoka, The challenges of the Japan Refrigeration and Air Conditioning Industry Association (JRAIA) to mitigate GHG(HFCs), July 14, 2009, Bruxells conference.

11. Steve Brown, HFOs new low global warming potential refrigerants, ASHRAE Journal, Aug. 2009

12. Pande M., Y.H. Hwang, J. Judge, R. Radermacher. An experimental evaluation of flammable and non-flammable high pressure HFC replacements for R22, 1996 Purdue
Compressor Conference.

13. Piotr Domanski, David Yashar, Comparable performance evaluation of HC and HFC refrigerants in an optimized system, National Institute of Technology and Standards, 7th
Gustav Lorentzen Conference on natural working fluids, Trondheim, Norway, May 28-31, 2006

14. Next Generation Refrigerants: Standards and Climate Policy Implications of Engineering Constraints, by Hung Pham, Emerson Climate Technologies, Harvey Sachs, American Council for an Energy-Efficient Economy

Duván Chaverra Agudelo
Author: Duván Chaverra Agudelo
Jefe Editorial en Latin Press, Inc,.
Comunicador Social y Periodista con experiencia de más de 16 años en medios de comunicación. Apasionado por la tecnología y por esta industria. [email protected]

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