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aire acondicionado
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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
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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RGGResaltado
RGGResaltado
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
RGGResaltado
RGGResaltado
RGGResaltado
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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RGGResaltado
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.
RGGResaltado
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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
RGGResaltado
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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