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Nuevos enfoques a los distritos térmicos

Nuevos enfoques a los distritos térmicos

Esta columna es clave para entender mucho más a fondo las bondades, necesidades e importancia de los sistemas de Distritos Térmicos.

Por Ing. Camilo Botero*

Atendiendo una sugerencia del Jefe Editor de la prestigiosa revista ACR, decidimos que esta columna sería alrededor de los Distritos Térmicos (DT), tan en boga en estas épocas, pero incorporando nuevos enfoques al tema, que sin duda resultarán de interés para nuestros apreciados lectores.

Como se sabe, los Distritos Térmicos pueden ser tanto para enfriamiento como para calefacción en los cuales el factor de simultaneidad puede ser hasta de 10 a 1, es decir una unidad de calefacción puede atender hasta 10 unidades de energía de demanda térmica. En el caso de los Distritos Térmicos de enfriamiento, en mi región tropical he logrado que esta relación sea de 3 a 1, con grandes beneficios en el ROI (Retorno de la Inversión).

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Los Distritos Térmicos logran proyectos de climatización óptimos, los cuales deben cumplir con las siguientes características: en primer lugar se proyectan para lograr máxima eficiencia energética con un mínimo impacto al medio ambiente. Esto implica 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 lograr la estabilidad durante su ciclo de vida

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, geotérmica, etc. La gerencia de proyecto, la interventoría y el commissioning deben ser realizadas por ingenieros que entiendan todo el contexto tecnológico de los DT, pues de otra manera la probabilidad de fracasos en el desarrollo de los proyectos es muy alta.

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 de los Chillers con alrededor de 300 TR; la dificultad que presenta esta solución es que son equipos muy voluminosos que requieren área de instalación considerable.

Se debe realizar el reconocimiento en profundidad de las instalaciones, la información técnica de catálogos de equipos, para hacer una ingeniería conceptual lo más ajustada a la realidad; realizar la ingeniería básica y por supuesto la ingeniería de detalle con gran rigurosidad, dejando perfectamente documentada toda la información técnica requerida.

He detectado que integrar los equipos nuevos, sobre todo en la Planta de Chillers, con sus respectivos bombeos y controles también nuevos a través de tuberías nuevas de complicada instalación, pues son de gran diámetro y resultan muy invasivas, con tuberías y equipos viejos existentes, trae graves problemas:

  • Taponamientos por corrosiones e incrustaciones.
  • Contrapresiones por conexiones incorrectas.
  • Fallas en las válvulas de corte y de control antiguas.

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, pero como resulta muy costoso cambiarlas, normalmente se dejan, causando graves problemas en la operación y mantenimiento del Distrito de Enfriamiento.

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Comúnmente los sistemas existentes de agua fría instalados en los edificios son de velocidad constante, 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, sin ninguna duda, un retorno de la inversión favorable para pagar el proyecto por ahorro energético, y para ello se requiere información de los consumos actuales de energía y agua, sus valores y los perfiles de demanda térmica.

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, lo cual, normalmente, no se logra. 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 interactúan 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, y se debe garantizar una presión base igual en todos los sistemas de expansión: este punto es muy importante y he podido constatar que genera graves problemas si son diferentes.

Cuando se requiere desaguar las tuberías por cualquier motivo, el llenado y la desaireación son tareas engorrosas que demandan mucho más tiempo del disponible.

Confort térmico y CAI
El confort térmico y la calidad del aire en el interior de los edificios es fundamental en para el lograr los propósitos de Distritos de Enfriamiento, que buscan el bienestar térmico en los miles de personas que habitan los diferentes ambientes, y de su cumplimiento depende en últimas el éxito de los Distritos Térmicos públicos, o en el caso de los Distritos Térmicos intramurales (privados).

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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 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 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.

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, 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 (que nunca se aplicó la versión que propuse para Colombia desde el 2012).

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, 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 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. 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.

Las pérdidas de calores 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.

El estándar 55 de ASHRAE se ocupa de este tema y su comité revisa periódicamente los parámetros, los cuales especifican las zonas de confort, en donde el 80% de las personas sedentarias o ligeramente activas encuentran el 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). Para un clima tropical húmedo como el que prevalece en esta región, se especifican 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).

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 serán los jueces para revisar si se ha cumplido o no con el confort térmico y la CAI.

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, 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.

Desafortunadamente en la práctica estos importantes y costosos sistemas tienden a deteriorarse por desconocimiento y/o; mal manejo y mantenimiento inadecuado del mismo.

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 la 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).

Operación & Mantenimiento (O&M)
He comprobado que de esta fase del proyecto depende, en gran parte, el éxito del proyecto. Si el personal de O&M no entiende en profundidad todos los principios de termofluidos, psicrometría, transferencia de calor, turbomaquinaria y tecnologías empleadas, rápidamente el Distrito de Enfriamiento se deteriora, perdiendo todos los beneficios logrados y creando profundo rechazo al proyecto.

Por ello es necesario que todo el personal involucrado en la O&M tenga la preparación a fondo para estas dos funciones y que los sistemas operen correctamente todo el tiempo, informando de sus fallas a través de los softwares instalados, haciendo las correcciones inmediatamente.

* Camilo Botero fue 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. Actualmente es profesor en su Academia CBG. También 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 fluidos, transferencia de calor y turbomaquinaria.
Contacto: [email protected]

Álvaro León Pérez Sepúlveda
Author: Álvaro León Pérez Sepúlveda
Editor - Latin Press, Inc.
Comunicador Social Periodista egresado de la Universidad de Antioquia, con más de 14 años de experiencia en medios periodísticos y proyectos de comunicación digital. [email protected]

Una idea en “Nuevos enfoques a los distritos térmicos”

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  1. Eric Admadé
    Martes, 09 Julio 2024 09:59
    Excelente artículo, nosotros operamos un sistema hidrónico de 62 años de antigüedad. Tenemos 2 700 toneladas de capacidad con tres enfriadores centrífugos para un circuito de 5 km de longitud y 28 edificios, seis torres de enfriamiento, 38 bombas de agua fría, 190 manejadoras de aire y 3 bombas de volumen variable en la línea de agua fría y 3 de condensación. Saludos

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