Chiller en Serie y Paralelo

ANLISIS COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE OPERACIN EN SISTEMAS DE CLIMATIZACIN CENTRALIZADOS POR AGUA HELADA

MSc. Juan C. Armas Valds, Dra. Margarita Lapido Rodrguez, Dr. Mario A

lvarez Guerra Plasencia, Sergio Montelier Hernndez. Centro de Estudios de Energa y Medioambiente (CEEMA), Cuba

jcarlos@fmec.ucf.edu.cu

RESUMEN

Se presenta un anlisis comparativo de las estrategias de operacin de un

sistema de climatizacin centralizada por agua helada con el objetivo de reducir el

consumo de energa elctrica, exponindose las ventajas y desventajas en cada

alternativa. En particular se aborda el anlisis de la conexin de las enfriadoras en

serie o en paralelo as como la utilizacin de vlvulas de dos o tres vas a la

entrada del fan-coil en funcin de la variacin del volumen de agua movido por

las bombas o la operacin a volumen constante.

Por ltimo se exponen las ventajas de la inclusin de variadores de velocidad para

el accionamiento de las bombas de circulacin y su repercusin en el ahorro de

energa elctrica de la instalacin de climatizacin.

INTRODUCCIN Dentro de los sistemas de climatizacin centralizados las enfriadoras de agua

(chillers o sistemas todo agua como tambin se les conoce), son de los ms

empleados. Su principio de funcionamiento se basa en el bombeo de agua helada

hacia los locales que se desea climatizar, en los que por medio de unidades

terminales (por ejemplo, fancoil) se logra intercambiar calor entre el aire de los

locales y el agua helada. Una vez realizado el intercambio de energa, el agua

retorna hacia las unidades enfriadoras siendo nuevamente enfriada y reenviada

hacia los locales a climatizar. Existen diversas configuraciones de unidades

enfriadoras de agua y cada opcin ser la ms adecuada, dependiendo de

diversos factores como las caractersticas del local a climatizar, la disponibilidad y

costo del agua, as como las tarifas de energa elctrica en el lugar de la

aplicacin. Cuando se realiza la seleccin del equipo de refrigeracin puede

considerarse que los equipos enfriados por agua son ms eficientes que los

enfriados por aire (12), debido a que las temperaturas alcanzadas para la

condensacin del refrigerante, son menores con agua que con aire. A pesar de lo

anterior, no hay que olvidar que si analizamos globalmente la situacin, en la

opcin de condensacin por agua, habra que involucrar los costos de agua, del

tratamiento de la misma y del consumo elctrico de las bombas de agua de

condensacin y de los ventiladores de las torres de enfriamiento.

Desarrollo

El componente que consume la mayor parte de la energa en una unidad

enfriadora de agua es el compresor y este puede ser de diferentes tipos. En las

Tablas 1.1 y 1.2 se muestran los principales tipos de compresores y su ndice de

consumo promedio (Kw. por Tonelada de Refrigeracin) al 100% de su capacidad,

de acuerdo al medio de condensacin:

Tabla 1.1

Tipo de

Compresor

Medio de

Condensacin

Kw./T.R. Kw./T.R.

Promedio

Tornillo Agua 0.65 0.575

Centrfugo Agua 0.55 0.523

Centrfugo

c/Variador

Agua 0.55 0.460

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Tabla 1.2

Los datos de Kw/T.R. estn dados a condiciones ARI (American Refrigeration

Institute). Aunque el Kw/T.R es una referencia inicial, no debe tomarse como algo

absoluto, ya que este valor se toma al 100% de la capacidad del equipo, es decir a

las condiciones de diseo, las cuales son las condiciones ms crticas y ocurren

solo el 1% del tiempo total de operacin del equipo durante un ao. Por lo anterior

es que resulta muy importante conocer el comportamiento del equipo operando a

cargas parciales, es decir, a condiciones por debajo del 100% de su capacidad.

Por la razn anterior, se muestra un promedio de los Kw/T.R. a cargas parciales

en los casos de las unidades enfriadas por agua.

A diferencia de los datos anteriormente mencionados, que son de equipos nuevos,

las eficiencias de sistemas antiguos son menores. La mayor parte de los equipos

enfriadores de agua existentes con 10 o 15 aos de explotacin son reciprocantes

o centrfugos. En el caso de una unidad enfriadora tipo reciprocante enfriada por

aire con 15 aos de operacin, su ndice de consumo de energa es de alrededor

de 1.7 Kw/T.R. y el de un centrfugo enfriado por agua de la misma edad estar

alrededor de 0.9 Kw/T.R. Lo anterior demuestra que las nuevas tecnologas

pueden disminuir considerablemente las facturas de energa elctrica.

Tipo de

Compresor

Medio de

Condensacin kW/T.R.

Reciprocante Aire 1.1

Rotativo

(Scroll)

Aire 1.1

Tornillo Aire 1.1

Reciprocante Agua 0.9

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1.2. Estrategias de operacin en Sistemas de Climatizacin Centralizados por agua helada.

1.2.1 Mquinas mltiples. La seleccin de maquinas mltiples para una carga comn se basa normalmente

en la disponibilidad, confiabilidad y versatilidad: disponibilidad a causa de las

limitaciones de tamao por razones econmicas de produccin (8); confiabilidad a

causa de poder trabajar con una parte de la carga cuando una maquina tiene que

ser puesta fuera de servicio para su reparacin; y versatilidad a causa de aptitud

para la eficiente adaptacin de la capacidad del compresor a los requisitos de

carga parcial.

Las maquinas mltiples se emplean pocas veces con cargas de

acondicionamiento de aire normales menores de 1.200.000 frigoras por hora.

Cuando se requieren dos o mas maquinas centrifugas para trabajar con una

carga, pueden ser utilizadas con disposicin en paralelo o en serie de las

enfriadoras. Estas disposiciones se controlan de manera anloga a la de las

maquinas simples o nicas.

Disposicin en serie.

Cuando se consideran maquinas mltiples, puede ser ventajoso el flujo de agua a

travs de enfriadoras en serie (Fig1.1). Generalmente, cuanto mas largo sea el

sistema de distribucin de tuberas, mayor es el aumento de la temperatura del

agua enfriada. Por ejemplo para enfriadores de agua con serpentines

estrechamente acoplados tienen un aumento de temperatura econmicamente

optimo 4.4 - 4.5 oC, mientras los sistemas de distribucin de agua enfriada a

serpentines muy separados deben tener normalmente un aumento ptimo

econmicamente de unos 8.3 - 11.1oC. Para aumento de temperaturas mas

elevados, el flujo en serie de agua a travs de los enfriadores puede reportar una

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economa de funcionamiento. La primera maquina puede funcionar a una

temperatura de aspiracin mas alta por requerir menos potencia.

Fig1.1. Disposicin de enfriadora en serie

Cuando las enfriadoras estn conectadas en serie el mejor consumo de potencia

se obtiene con una igual reduccin de la carga en cada maquina. El margen de

estrangulacin de la maquina de etapa alta debe ser ajustada para conseguir que

cada maquina trabaje con el mismo porcentaje de la carga del sistema, tanto en

condiciones de proyecto como en la carga parcial.

En cualquier seleccin de montaje en serie el margen de estrangulacin necesario

en la maquina de etapa alta es igual a la cada de temperatura del agua enfriada

en la maquina de etapa baja mas el margen de estrangulacin de esta maquina de

etapa baja.

Con flujo en serie de agua enfriada, la cada de presin en el enfriador es

acumulativa y puede llegar a ser excesiva si se instalan en serie mas de dos

maquinas.

Disposicin en paralelo.

Cuando se instalan dos o mas mquinas con las enfriadoras conectadas en

paralelo en el circuito de agua enfriada, cada maquina debe controlar la

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temperatura de su salida de agua enfriada para que se mantenga igual a la de

proyecto, lo mismo que en una instalacin de maquina simple.

Para cada maquina se utilizar el mismo margen de estrangulacin. Cuando se

reduce la carga del sistema, ambas maquinas reducen simultneamente su

capacidad, producindose as individualmente la misma temperatura de salida de

agua enfriada.

Cuando cada enfriador esta provisto de una bomba de agua enfriada

independiente como se muestra en la figura 1.2, se pueden parar la bomba y el

enfriador durante el funcionamiento con carga parcial.

Figura 1.2. Disposicin de enfriadoras en paralelo.

Esto significa que el sistema debe poder funcionar con flujo reducido de agua

enfriada y que los motores de bomba deben ser elegidos de modo que no se

sobrecarguen cuando una de las bombas esta parada.

Si solo hay provista una bomba (fig1.5) o ambas bombas funcionan

continuamente, cuando una maquina esta parada, la otra debe proveer el agua

mas fra que la proyecto a fin de que sea sta la temperatura de la mezcla.

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Cuando se requieren temperaturas bajas, se deben instalar controles apropiadas

para impedir el funcionamiento a cortas intermitencia de la maquina cuando acta

el interruptor de corte de agua enfriada a baja temperatura.

En las disposiciones serie o paralelo de las mquinas centrifugas hermticas,

reduciendo la carga hasta el 35% aproximadamente, la potencia total necesaria

para que funcionen simultneamente ambas maquinas es menor para que

funcione una sola con reduccin de carga. La razn que esto ocurra es que el rea

de la superficie del enfriador y del condensador es mayor con cargas ligeras en

proporcin a la carga.

1.2.2 Sistemas de Climatizacin con Vlvulas de Tres Vas Este sistema es el ms usado en nuestras instalaciones actualmente. El esquema

se muestra en la figura. 1.3.

Figura 1.3. Sistema con vlvulas de tres vas.

Actualmente el desarrollo de nuevas tcnicas lo ha hecho obsoleto (11), porque

ocasiona gastos energticos innecesarios. Sus desventajas se derivan de:

1. El sistema mueve con sus bombas el volumen total de agua fra

constantemente. Para demandas inferiores a la mxima no es necesario utilizar

todo el volumen de agua disponible, sin embargo, este sistema no lo tiene en

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cuenta, gastando una cantidad considerable energa en el trasiego de toda el

agua constantemente por las tuberas.

2. Las unidades enfriadoras debern enfriar toda el agua aunque la demanda no

lo exija as, provocndose un gasto innecesario.

3. Como consecuencia, los dispositivos del sistema, bombas, vlvulas, etc.,

trabajan continuamente a mxima capacidad, sufriendo un desgaste

innecesario.

4. Los costos de mantenimiento y reposicin aumentan por el trabajo excesivo.

5. Para niveles de carga de las instalaciones menores a los mximos el sistema

se est obligado a operar como en el caso de mxima carga para no deteriorar

el confort, lo que ocasiona elevados gastos sin un respaldo en los ingresos,

bajando an ms, hasta niveles insostenibles, la rentabilidad de la instalacin.

La operacin bsica que no permite aumentar la rentabilidad de este sistema, es

el uso de un flujo de agua fra constante, que provoca el uso obligado de vlvulas

de tres vas. A continuacin se analizaran otros sistemas hasta llegar a los que

permiten un flujo de agua, que vara acorde con los niveles de ocupacin.

1.2.3 Sistema de Climatizacin con Flujo Total Constante. Bombeo Primario

Secundario Tradicional. La figura 1.4 muestra dos lazos de flujo de agua, las bombas del lazo primario no

son regulables y estn calculadas para satisfacer las necesidades del flujo

primario y el secundario.

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Figura 1.4

El lazo primario de ser lo ms pequeo posible siempre que soporte el flujo de

agua necesario para el Sistema Primario y el Sistema Secundario, esto minimiza

la resistencia en el lazo primario y los gastos energticos del flujo constante de las

bombas del primario.

Una desventaja de este sistema con vlvulas de dos vas y flujo total constante, es

que cuando disminuya la demanda en el Sistema Secundario, inevitablemente, al

derivarse hacia el primario, el agua se enfriar rpidamente por debajo de la

temperatura prevista si las unidades enfriadoras no son capaces de desconectar

los compresores a la misma velocidad, esto provocar disparos de las

protecciones antihielo y la necesidad de una nueva activacin manual. Este

sistema no es apropiado para cambios bruscos en la demanda, lo cual es tpico en

instalaciones hoteleras.

Mediante vlvulas de mariposa en las bombas del circuito primario se da una

solucin al problema buscando un balance en el flujo a costa de un gasto

energtico innecesario.

La ventaja de los dos lazos radica en que las bombas secundarias pueden circular

el agua por el resto del sistema y sin restricciones de presin de flujo mnimo, por

la estabilidad que introduce el lazo primario debido al desacople con el secundario.

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1.2.4 Sistema de Climatizacin con Bombeo Primario Secundario con Flujo Variable y Vlvulas de dos Vas.

En este sistema es conveniente separar las acciones para disminuir los gastos

energticos y analizar el bombeo primario y el bombeo secundario por separado.

Bombeo Primario

Dependiendo de la magnitud del sistema, el consumo de las bombas del sistema

primario puede ser significativo y la utilizacin de variadores de velocidad permite

disminuir apreciablemente los valores de consumo.

Esta forma de operacin compensa automticamente los cambios de flujo en el

sistema secundario, impidiendo que un cambio brusco en su flujo provoque

variaciones de flujo en el sistema primario causando disparos de las protecciones

antihielo.

Al regularse el flujo y mantener el necesario en el sistema primario para satisfacer

la demanda del secundario, se vara la velocidad de las bombas en vez variar

presiones ajustando vlvulas, lo que se traduce en un ahorro importante de

energa. El controlador PID de los variadores de velocidad se encarga de operar el

sistema eficientemente.

Normalmente las bombas se calculan para una potencia que est entre un 15 % y

un 25 % por encima de la necesaria para prevenir cambios en las instalaciones.

Sin variadores de velocidad esta potencia se pierde en la vlvula de mariposa, con

la utilizacin de estos se disminuye la velocidad de la bomba y se ahorra esa

potencia.

La relacin entre la velocidad y la potencia consumida es cbica, razn por la cual

cuando ajustamos el sistema disminuyendo el caudal con variadores de Velocidad,

se logra un considerable ahorro de energa.

Adicionalmente se consiguen ahorros porque no son necesarias vlvulas de

mariposa, arrancadores suaves, bancos de condensadores para elevar el factor de

potencia y protecciones adicionales, porque el variador de velocidad asume estas

funciones.

Los costos de mantenimiento se reducen con el uso de variadores de velocidad,

ya que permiten operar los equipos bajo condiciones mucho menos severas. Una

ventaja adicional del uso de estos equipos es que tienen incorporado un

controlador PID diseado especialmente para estos usos, lo que elimina la

necesidad de instalar equipos adicionales para el control de la operacin.

El clculo del tiempo de recuperacin de la inversin para el ejemplo anterior es

de 0 a 0.5 aos:

[Costo del Variador + Costo de los Flujmetros costos de: (vlvulas de mariposa

+ arrancador suave + cableado + regulador del factor de potencia) ahorro en

montajes] / [Energa ahorrada + costo mantenimiento anual] = recuperacin de 0 a

0.5 aos.

Bombeo Secundario

En los sistemas con flujo variable, las bombas del sistema secundario son las

encargadas de distribuir a la carga el agua producida por el sistema primario,

acorde con las necesidades del flujo variable del sistema. Debido a que el flujo es

variable en el secundario, puede mantenerse la mnima presin necesaria para

reducir el ruido en el sistema y mejorar la eficiencia.

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La figura 1.5 muestra el nuevo estndar primario secundario con variadores de

velocidad, con este se consigue un considerable ahorro de energa y una

sustancial disminucin de los gastos de mantenimiento.

Figura 1.5

Ahora el flujo del sistema secundario es variable debido a que el control de las

bombas se hace a travs de variadores de velocidad, estos facilitan que las

bombas varen su velocidad respondiendo a la curva de requerimientos del

sistema. Se consigue un ahorro de energa importante en las bombas y las

enfriadoras al bombearse solamente la cantidad de agua necesaria para cubrir la

Carga Trmica instantnea. La sobre presurizacin de las vlvulas de dos vas se

elimina y por ende disminuyen las roturas y con ellas los gastos de mantenimiento.

Esto implica un cambio de un sistema con volumen variable y velocidad constante

a un sistema con volumen variable y velocidad variable, razn por la cual se puede

seguir ahora la curva del sistema en vez de la curva de la bomba. Con este

cambio se satisfacen las verdaderas necesidades del sistema, lo que permite

entregar en cada caso slo la energa estrictamente necesaria para satisfacer la

demanda.

Cuando se alcanza en las habitaciones la temperatura deseada, el control de

habitaciones cierra la vlvula de dos vas, aumenta la presin en el sistema, los

presostatos diferenciales envan la seal a los variadores de velocidad que

disminuyen la velocidad de las bombas para mantener el diferencial de presin

fijado. Al reducirse la velocidad de las bombas estas trabajan ms

desahogadamente y su desgaste es menor, aumentando su tiempo de vida y

disminuyendo los gastos de mantenimiento. De igual forma al controlarse la

presin a travs de las vlvulas de dos vas ests nunca se ven sometidas a una

sobre presurizacin, sufriendo menos desgaste y evitndose aperturas

indeseadas.

Consumo especfico de energa:

Las curvas de la figura 1.6 se corresponden con el caso de velocidad variable en

las bombas por el uso de variadores de velocidad. La curva muestra los puntos de

operacin que son la presin diferencial mnima necesaria para garantizar un

trabajo adecuado de las vlvulas. La curva de control representa la presin

mnima de descarga necesaria en las bombas secundarias para mantener el set

point y vencer las fricciones.

Fig.1.6 curvas de la bomba con velocidad variable

El ahorro energtico con el uso de variadores de velocidad es evidente, sin

embargo, la posicin donde se coloca el sensor es crtica. El ahorro de Energa

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que se consigue con el sensor puesto junto a la descarga de las bombas

secundarias se muestra en la figura1.7.

Figura1.7

La razn es obvia, cuando se sita el sensor junto a la descarga de las bombas el

set point de presin debe ser mayor porque hay que considerar las perdidas en la

tubera para que en las vlvulas de dos vas la presin sea adecuada. Este valor

de presin habr que mantenerlo como set point en todo el rango del flujo.

En el caso que el sensor se sita junto a las vlvulas de dos vas el valor de

presin a la que se ajustar el set point ser a la mnima, para que las vlvulas

operen adecuadamente y en este valor estarn consideradas las prdidas en las

tuberas. En este caso, al disminuir el flujo y las prdidas, la velocidad del variador

disminuir para mantener la presin prevista en las vlvulas y por ende el

consumo del motor de la bomba.

Conclusiones

1. Los sistemas de climatizacin centralizados segn el esquema de conexin

de las unidades enfriadoras pueden clasificarse en serie o en paralelo. La

conexin ms idnea ser en funcin de las condiciones a la que deber

operar el sistema.

2. Los sistemas de climatizacin centralizados con volumen de agua

constante y vlvula de tres vas, se han vuelto obsoletos en la actualidad

por el alto consumo de energa elctrica que implica su operacin. Adems

tienen como inconveniente el aumento de los costes de mantenimiento por

el trabajo excesivo al que estn sometidos los componentes del sistema.

3. Los sistemas de climatizacin centralizados con bombeo primario

secundario con flujo variable y vlvulas de dos vas se imponen ante los

sistemas de volumen de agua constante a pesar de su coste inicial elevado,

pues disminuyen notablemente los costos asociados a mantenimiento y a

consumo de energa elctrica, obteniendo periodos de recuperacin de la

inversin atractivos ( un ao).

4. El uso de variadores de velocidad en las bombas de los sistemas

centralizados de climatizacin por agua helada, se torna una alternativa

atractiva para el diseo de sistemas eficientes por los beneficios que

reportan.

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