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TÍTULO: ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO INVERTER CONECTADO DIRECTAMENTE A PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS AUTOR/ES: QUILES, P.V.*1, ALEDO, S.*2, AGUILAR, F.J.*1 PONENTE/ES: QUILES, P.V.*1, EMPRESA/ORGANISMO: *1 Universidad Miguel Hernández, Departamento de Ingeniería Mecánica y Energía, Avda de la Universidad s/n Ed. Quorum 5, 03202 Elche, Alicante *2 Prointer S.L., C/ Nicolás de Bussí nº 30, 03320 Elche, Alicante.
RESUMEN
El presente trabajo muestra un estudio experimental del funcionamiento de un equipo de expansión directa tipo “inverter” de una potencia nominal de 3,52 kW. El equipo se encuentra conectado con la red eléctrica convencional y además, en paralelo con 3 paneles fotovoltaicos de 235 Wp cada panel.
El estudio demuestra que el uso de paneles fotovoltaicos para el accionamiento de los sistemas de aire acondicionado es una solución muy interesante, más aún cuando el precio de la energía eléctrica ha aumentado de forma importante los últimos años, al tiempo que el precio de los paneles fotovoltaicos ha disminuido de forma importante, y ya está por debajo de 1€/Wp.
Las principales ventajas de la instalación propuesta son su alta eficiencia, su facilidad de montaje y su alta fiabilidad. El equipo se encuentra conectado de forma simultánea a la red y a los paneles fotovoltaicos, no requiriéndose ni baterías ni inversores, principales causantes de la mayoría de fallos de estas instalaciones.
En el trabajo se ha realizado una instalación experimental donde se han monitorizado las principales variables de funcionamiento, tanto del equipo de expansión directa como de la instalación fotovoltaica. Se han registrado cada cinco minutos los siguientes parámetros: temperatura ambiente exterior, radiación solar, temperatura del local, temperaturas y presiones del ciclo frigorífico, consumo eléctrico del equipo de aire acondicionado desde la red eléctrica convencional, tensión e intensidad de los paneles fotovoltaicos conectados al equipo y tensión e intensidad de los paneles fotovoltaicos de referencia.
Las medidas tomadas han permitido evaluar la potencia eléctrica consumida por el equipo, diferenciando entre red convencional y producción fotovoltaica. Como resultado se ha podido obtener el consumo energético diario y mensual del equipo, incluyendo el porcentaje de contribución solar fotovoltaica. Asimismo, la medida de la temperatura y la presión en el circuito frigorífico han permitido calcular el EER del equipo.
Se ha dispuesto una instalación solar fotovoltaica de idénticas características conectada a red a la que se ha denominado instalación de referencia, gracias a la cual se ha podido comparar el funcionamiento de los paneles conectados a la red eléctrica con los paneles conectados al equipo de aire acondicionado, evaluando la pérdida de eficiencia de estos últimos.
Las medidas fueron tomadas con el equipo en funcionamiento 12 horas al día: entre las 8 y las 20 horas. Los resultados muestran cómo es posible alcanzar una contribución solar superior al 50% durante meses de verano. La utilización de la energía producida por los paneles depende en gran medida de la demanda térmica del local, y su funcionamiento puede ser optimizado hasta alcanzar contribuciones solares superiores al 60%. EL EER calculado mediante la relación entre la energía térmica útil y el consumo eléctrico procedente de la red ha alcanzado un valor estacional próximo a 8.
1. INTRODUCCIÓN
La climatización de los edificios tanto en frío como en calor se ha convertido en una práctica muy habitual en muchas zonas climáticas de Europa. En determinadas zonas y para determinadas aplicaciones, el consumo energético derivado del uso de equipos de aire acondicionado puede llegar a representar la mitad del consumo total de los edificios [1].
La enorme preocupación por la escasez de los recursos energéticos, así como por los cada vez más acentuados efectos del cambio climático, nos obligan a desarrollar tecnologías más respetuosas con el medioambiente y capaces de sustituir con garantías el uso de los combustibles fósiles.
En este sentido, se ha observado que, para ciertas aplicaciones, la demanda térmica de los edificios tiene una relación muy directa con las horas de radiación solar. Ello hace pensar en la utilización de sistemas de climatización que aprovechen de una u otra manera la radiación solar como principal fuente de energía.
Las tecnologías más extendidas son las que utilizan la energía térmica solar para la climatización, empleando máquinas de absorción o de adsorción. En algunos casos de utilizan captadores solares planos de alta eficiencia, en otros casos tubos de vacío y algunas instalaciones trabajan con concentradores parabólicos.
Otra de las tecnologías documentadas se centra en la utilización de un sistema híbrido Fotovoltaico y Térmico, donde el calor disipado por el panel fotovoltaico es captado por el fluido de trabajo y utilizado para la calefacción del edificio [2]. En [3] se vuelve a presentar otra tecnología basada en la refrigeración mediante sistemas híbridos Fotovoltaico y Térmico.
Una última alternativa pasa por la utilización de paneles solares fotovoltaicos para la producción de la energía eléctrica que accione el compresor de una unidad de aire acondicionado. En [4] se describe, entre otros, un sistema de refrigeración con condensador por agua enfrentado a una torre de refrigeración, con unidades interiores de agua y que emplea energía solar fotovoltaica para hacer funcionar el compresor. Según dicho artículo, los sistemas de refrigeración por absorción y los sistemas de refrigeración solar fotovoltaica presentan los mayores potenciales de ahorro energético.
En [5] se vuelve a hacer una comparativa entre diferentes sistemas de refrigeración con aporte solar. La comparativa en este caso se realiza entre la tecnología fotovoltaica con baterías, regulador e inversor y la tecnología térmica. Dentro de esta segunda tecnología se plantean tres opciones, sólidos desecantes, frío por absorción y frío por adsorción. Toman especial relevancia en este caso, la menor superficie de captación necesaria en el caso de la tecnología fotovoltaica, así como la tendencia a la baja del precio de los paneles fotovoltaicos en el mercado, que actualmente es inferior a 1 €/Wp.
De los documentos estudiados se puede deducir que, para instalaciones de gran potencia puede resultar más atractiva la opción del frío solar por absorción, ya que el precio de los equipos se diluye entre el resto de los componentes.
Mientras tanto, para instalaciones de menor potencia, por debajo de unos 100 kW, cobra gran importancia la fiabilidad y sencillez de las instalaciones de refrigeración mediante energía solar fotovoltaica.
En resumen, se podría entender que el uso de paneles solares fotovoltaicos (FV) para alimentar sistemas de aire acondicionado (AC) es una aplicación atractiva que puede reportar importantes ventajas frente al uso de sistemas convencionales, cómo son su facilidad de montaje, su alta fiabilidad de funcionamiento, y su alta eficiencia energética, especialmente cuando hay correlación entre horas de sol y demanda térmica.
2. EQUIPO ANALIZADO. OBJETIVO DEL ESTUDIO
Se ha realizado un análisis de funcionamiento de un equipo de expansión directa tipo “inverter” conectado simultáneamente a dos fuentes de energía: la red convencional (c.a. 230 V) y paneles fotovoltaicos (c.c. 24-30 V). Se consigue así una ventaja añadida al eliminar las baterías y el inversor, que son los componentes de la instalación causantes de gran parte de las averías registradas en estas instalaciones. Los paneles fotovoltaicos se conectan directamente a la unidad exterior, no requiriéndose ningún tipo de requisito administrativo para realizar la conexión.
Este artículo presenta un estudio experimental centrado en el análisis del funcionamiento de un equipo de expansión directa tipo “inverter” con una potencia térmica nominal de 3,52 kW. El equipo se encuentra conectado de forma simultánea con la red eléctrica convencional y con 3 paneles fotovoltaicos de 235 Wp/panel de potencia eléctrica nominal conectados en paralelo (véase Figura 1).
Figura 1 Equipo de aire acondicionado tipo “inverter” analizado.
Tal y como se verá en el análisis de funcionamiento, el equipo es capaz de priorizar el consumo de los paneles fotovoltaicos frente al consumo de red. De esta forma se consiguen ahorros de energía primaria y de emisiones de CO2 muy importantes.
Los datos técnicos del equipo proporcionados por el fabricante se muestran en la Tabla 1 y los de los paneles fotovoltaicos en la Tabla 2.
Tabla 1. Datos técnicos de catálogo del equipo de expansión directa.
SUITE SOLAR 3D Unidad Mín. Nom. Max.
Capacidad frigorífica kW 0,95 3,52 4,15
Potencia absorbida frío kW 0,19 0,86 1,18
EER --- 4,09
Capacidad calorífica kW 1,03 3,81 4,5
Potencia absorbida calor kW
COP --- 3,83
Refrigerante --- R410A
Tabla 2. Datos técnicos de catálogo de los paneles fotovoltaicos.
EURENER 235 Simb. Unidad Nom.
Potencia nominal PN,PV W 235
Área del panel APV m2 1,67
Eficiencia nominal del panel EFPV % 13,74
Intensidad de cortocircuito ICC A 8,25
Tensión de circuito abierto VOC V 37,08
Intensidad nominal IN,PV A 7,66
Tensión nominal VN,PV V 30,01
Se debe mencionar la facilidad de montaje de la instalación, donde la unidad inverter de instala como cualquier equipo convencional y la conexión de los paneles fotovoltaicos se realiza directamente en dos bornes situados en la tapa lateral de la unidad exterior.
Además de la facilidad de instalación, destaca asimismo la fiabilidad que ha demostrado el equipo durante los 4 meses que ha estado funcionando. El equipo ha trabajado algunos días en régimen 12 horas (de 8 a 20 h) y otros días en régimen 24 horas y no se ha producido ninguna avería ni incidencia en 120 días consecutivos.
El estudio realizado hasta el momento y presentado en este trabajo, se centra en el régimen de refrigeración e incluye los resultados de los meses de julio, agosto, septiembre y octubre de 2012. El perfil de funcionamiento analizado se centra en horario de oficina de 8 a 20 h, pudiéndose extrapolar los datos al funcionamiento en horario de 9 a 18 h.
Los objetivos principales del estudio son los siguientes:
Determinar la Eficiencia Energética de Refrigeración diaria, mensual y estacional de un equipo de expansión directa tipo “inverter”, teniendo en cuenta el ahorro energético producido por los paneles solares fotovoltaicos. El uso analizado se corresponde con el horario de funcionamiento de 8 a 20 h.
El trabajo pretende demostrar las posibilidades reales de la tecnología inverter con acoplamiento de paneles fotovoltaicos. Las eficiencias obtenidas podrán ser extrapolables a equipos de expansión directa de mayor tamaño e incluso a enfriadoras.
A medio y largo plazo se pretenden conseguir los siguientes objetivos:
Analizar la eficiencia cuando el equipo trabaja en otros regímenes de funcionamiento.
Determinar a solución óptima (potencia pico de paneles, batería, sí/no y capacidad), en función de la aplicación concreta: zona climática, horario de funcionamiento y carga media del equipo.
Caracterizar el comportamiento de la máquina con la instalación fotovoltaica instalada, para poder introducir la instalación en los programas de Certificación Energética.
3. INSTALACIÓN DE ENSAYOS
Para llevar a cabo el estudio se dispuso una instalación de ensayos, representada en la Figura 2.
El subsistema ”A” está formado por el equipo de aire acondicionado tipo inverter de 3,52 kW de potencia térmica nominal. Dicho equipo se encuentra conectado, de forma simultánea, a una línea de corriente alterna (230 V) procedente de la red eléctrica convencional, así como a una línea de alimentación de corriente continua (24 - 30 V) procedente de paneles solares fotovoltaicos.
La unidad interior se emplea para la climatización de un local perteneciente a un edificio de oficinas situado en Alicante (España). La unidad exterior se ubica sobre la cubierta plana de dicho edificio.
La producción de energía solar fotovoltaica procede del subsistema B, el cual está formado por 3 paneles solares fotovoltaicos de 235 W de potencia pico conectados en paralelo. Los paneles se sitúan sobre la cubierta plana del edificio, con una inclinación de 30º y con orientación sur.
Figura 2 Instalación de ensayos realizada para la monitorización del equipo y la toma de datos de funcionamiento.
Además, se toman datos de 3 paneles solares fotovoltaicos (subsistema C de la Figura 1) conectados a la red eléctrica convencional a través de un equipo inversor. El subsistema C se emplea para medir la energía producida por los paneles fotovoltaicos conectados a red. De esta manera se puede determinar el factor de funcionamiento de los paneles fotovoltaicos como la relación entre la energía entregada por el subsistema B y la entregada por el subsistema C. La influencia del comportamiento del equipo de aire acondicionado sobre la producción energética de los paneles fotovoltaicos hace que el factor de funcionamiento tome siempre valores inferiores a 1.
Para el registro de datos se han dispuesto una serie de sondas y equipos de medida a lo largo de toda la instalación. Para la adquisición de datos se emplea un datalogger HP Agilent 34970A. La lectura de datos se realiza con una frecuencia de 5 minutos. Los parámetros incluidos en la lectura se han detallado en la Tabla 3.
Tabla 3. Parámetros registrados en el día 24 de julio a las 14:00 h.
Magnitud Nomenclatura 14:00; 24/07 Ud.
Tª entrada compresor T1 14,24 ºC
Tª descarga compresor T2 63,54 ºC
Tª salida condensador T3 35,97 ºC
Tª entrada evaporador T4 8,08 ºC
Tª exterior TO 30,69 ºC
Tª local TI 23,29 ºC
Presión de evaporación PE 8,38 bar
Presión de condensación PC 22,09 bar
Potencia absorbida red PRED 35,51 W
Tensión fotovoltaica equipo VPV 25,42 A
Intensidad fotovoltaica equipo IPV 20,27 V
Tensión fotovoltaica red VPV,RED 26,08 A
Intensidad fotovoltaica red IPV,RED 21,32 V
Irradiancia Solar G 962 W/m2
Humedad Relativa HR 53,1 %
Velocidad de viento VW 1,41 m/s
Dirección de viento DW 43 º
Las medidas de IPV y IPV,RED se determinan a partir de un valor de caída de tensión producida en una resistencia Shunt calibrada al paso de la corriente de electricidad, tal y como se ha representado en la Figura 2.
Para la medida de la potencia eléctrica consumida por el compresor (PCOM) se utiliza un Analizador de Redes de la marca Chauvin Arnoux modelo C.A. 8334.
La instalación tiene la capacidad de simular distintos tipos de funcionamiento, siendo ensayados 3 tipos de funcionamiento típicos:
Funcionamiento 12 horas: de 8 a 20 h
Funcionamiento 9 horas: de 9 a 18 h
Funcionamiento 24 horas.
En este trabajo se presentan únicamente los resultados obtenidos para el funcionamiento de 8 a 20 h. Por el análisis de algunos datos correspondientes a otros usos de funcionamiento, se ha observado que la eficiencia del sistema depende de forma importante del horario de uso y de la carga de la instalación de climatización.
4. ESTUDIO EXPERIMENTAL
Las medidas de los parámetros analizados permiten evaluar la potencia eléctrica consumida por el equipo, diferenciando entre red convencional y producción fotovoltaica. Como resultado se puede determinar el consumo energético diario y mensual del equipo, incluyendo el porcentaje de contribución solar fotovoltaica. Asimismo, la medida de las temperaturas y las presiones del circuito frigorífico permiten calcular el EER del equipo y de la instalación.
El estudio experimental incluye los resultados de julio a octubre de 2012. A continuación se presenta la metodología de postprocesado y los resultados obtenidos.
4.1. Análisis energético de la instalación
El objetivo del estudio es conocer el potencial de ahorro energético del equipo de aire acondicionado (AC) inverter directamente conectado a una fuente de energía fotovoltaica bajo diferentes condiciones de funcionamiento: horario, condiciones climáticas y carga.
La potencia consumida por el equipo de aire acondicionado desde la fuente de energía solar se calcula como:
]W[VIP PVPVPV (1)
La potencia consumida desde la red eléctrica convencional PRED se mide con un vatímetro instalado en la alimentación a la máquina (ver esquema de la Figura 2). La potencia total consumida por el equipo de aire acondicionado se puede conocer a partir de la suma de las dos potencias anteriores.
]W[PPP REDPVTOT (2)
Se ha establecido una relación entre la potencia eléctrica total consumida por la máquina (PTOT) y la potencia consumida por el compresor (PCOM) medida con un Analizador de Redes Chauvin Arnoux C.A. 8334:
70︶W︵P921,0︶W︵P TOTCOM (3)
La potencia producida por el campo solar fotovoltaico conectado a la red eléctrica se calcula aplicando el mismo producto que para PPV:
]W[VIP RED,PVRED,PVRED,PV (4)
En las Figuras 3 a 6 se representa la variación de los parámetros calculados para un día tipo analizado de cada mes.
Figura 3 Medidas eléctricas tomadas el 24 de julio.
Figura 4 Medidas eléctricas tomadas el 11 de agosto.
Figura 5 Medidas eléctricas tomadas el 13 de septiembre.
Figura 6 Medidas eléctricas tomadas el 9 de octubre.
Para conocer la energía entregada por la red y por los paneles a lo largo de un día tipo analizado se han sumado los valores de potencia registrados por el tiempo ∆t, transcurrido entre un registro y el siguiente, llegando a las siguientes ecuaciones:
]kWh[tPE PVPV (5)
]kWh[tPE REDRED (6)
]kWh[tPE RED,PVRED,PV (7)
La energía total consumida por el equipo se calcula nuevamente como la suma de la energía procedente del campo solar y la energía suministrada por la red eléctrica, como sigue:
]kWh[EEE REDPVTOT (8)
La contribución solar resulta del cociente entre la energía procedente de los paneles solares y la energía total consumida por el equipo.
100EE%CSTOT
PV (9)
Se ha comprobado que los paneles conectados al equipo analizado presentaban un comportamiento distinto al de los paneles fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. En algunos momentos la potencia eléctrica generada por los paneles fotovoltaicos es superior a la potencia demandada por el equipo de aire acondicionado, bien porque éste a parado o porque su consumo es bajo por ser la demanda térmica del local pequeña (véase Figuras 5 y 6). Esta situación origina un porcentaje de pérdidas de energía respecto a la instalación fotovoltaica conectada a la red.
Se ha definido, por tanto, el factor de producción (F) como la relación entre la potencia entregada por los paneles solares conectados al equipo y la potencia máxima que éstos habrían entregado de no verse influidos por los mencionados efectos, la cual se supone igual a la potencia generada por los paneles fotovoltaicos conectados a red.
100EE%F
RED,PV
PV (10)
Resulta interesante también conocer el porcentaje de carga de la máquina durante los días tipo analizados. Este valor se calcula como el cociente entre la energía total consumida por la máquina durante el día tipo y la consumida durante un día al 100% de carga, según la expresión siguiente:
100EE%C
100,TOT
TOT (11)
Para conocer la energía consumida al 100% de carga (ETOT,100) se han empleado los datos de un día con una elevada demanda térmica, donde se forzó al equipo a trabajar al 100% durante las 12 horas del ensayo. Este dato se aproxima en gran medida al calculado a partir de la potencia nominal de la máquina y el tiempo total de funcionamiento.
]kWh[12PE NOM100,TOT (12)
Las Tablas 4 a 7 muestran los resultados obtenidos para diferentes días tipo analizados del mes de julio, agosto, septiembre y octubre.
Tabla 4. Parámetros energéticos de julio de 2012.
JULIO EPV ERED ETOT CS EPV,RED F C
kWh kWh kWh % kWh % %
23/07/2012 3,26 2,90 6,17 52,9% 3,69 88,4% 51,8%
24/07/2012 4,09 2,22 6,31 64,8% 4,41 92,7% 53,0%
25/07/2012 3,64 2,39 6,03 60,4% 4,28 85,1% 50,6%
26/07/2012 3,59 3,71 7,30 49,2% 4,14 86,9% 61,3%
27/07/2012 3,37 4,95 8,32 40,5% 3,69 91,5% 69,9%
30/07/2012 3,52 6,86 10,38 33,9% 3,67 95,9% 87,1%
31/07/2012 3,83 5,73 9,56 40,0% 3,98 96,1% 80,3%
PROMEDIO 3,61 4,11 7,72 46,8% 3,98 90,8% 64,9%
Tabla 5. Parámetros energéticos de agosto de 2012.
AGOSTO EPV ERED ETOT CS EPV,RED F C
kWh kWh kWh % kWh % %
01/08/2012 3,41 6,97 10,38 32,9% 3,51 97,3% 87,2%
02/08/2012 3,48 5,19 8,67 40,1% 3,62 96,2% 72,8%
11/08/2012 3,29 6,46 9,75 33,7% 3,42 96,1% 81,9%
12/08/2012 3,39 6,20 9,59 35,4% 3,60 94,2% 80,5%
13/08/2012 3,24 4,06 7,29 44,4% 3,35 96,5% 61,3%
14/08/2012 3,40 3,11 6,50 52,2% 3,60 94,5% 54,6%
15/08/2012 3,71 3,82 7,54 49,3% 3,89 95,4% 63,3%
PROMEDIO 3,42 5,11 8,53 40,0% 3,57 95,7% 71,7%
Tabla 6. Parámetros energéticos de septiembre de 2012.
SEPTIEMBRE EPV ERED ETOT CS EPV,RED F C
kWh kWh kWh % kWh % %
11/09/2012 2,69 1,05 3,74 72,0% 3,89 69,2% 31,4%
12/09/2012 2,69 1,24 3,93 68,5% 3,82 70,5% 33,0%
13/09/2012 2,45 1,57 4,02 60,9% 3,37 72,7% 33,8%
14/09/2012 2,63 1,34 3,96 66,3% 3,71 70,8% 33,3%
17/09/2012 3,02 1,74 4,76 63,5% 3,61 83,8% 40,0%
18/09/2012 2,39 1,84 4,23 56,6% 2,70 88,5% 35,5%
24/09/2012 2,32 1,36 3,68 63,1% 2,70 86,1% 30,9%
PROMEDIO 2,60 1,45 4,05 64,3% 3,40 76,5% 34,0%
Tabla 7. Parámetros energéticos de octubre de 2012.
OCTUBRE EPV ERED ETOT CS EPV,RED F C
kWh kWh kWh % kWh % %
01/10/2012 2,22 0,90 3,12 71,2% 3,64 61,0% 26,2%
02/10/2012 2,37 0,94 3,32 71,5% 3,33 71,2% 27,8%
03/10/2012 2,41 1,06 3,47 69,5% 3,70 65,1% 29,1%
04/10/2012 2,55 3,02 5,57 45,7% 3,55 71,7% 46,8%
08/10/2012 2,42 1,15 3,57 67,8% 3,43 70,6% 30,0%
09/10/2012 2,42 1,21 3,63 66,7% 3,50 69,2% 30,5%
10/10/2012 2,36 1,23 3,59 65,7% 3,00 78,6% 30,1%
11/10/2012 1,78 1,80 3,58 49,8% 1,98 89,7% 30,0%
12/10/2012 1,55 1,61 3,16 49,0% 2,02 76,7% 26,5%
PROMEDIO 2,23 1,44 3,67 60,8% 3,13 71,3% 30,8%
Por último, se puede estimar cualquier consumo energético de los paneles fotovoltaicos en forma media estacional a partir de la siguiente expresión:
152
E152E302E31E31E OCT,PVSEPT,PVAGOSTO,PVJULIO,PV
M,PV
(13)
Donde se puede emplear una ecuación similar para las distintos parámetros calculados en las Tablas 3 a 6.
La Tabla 8 incluye los resultados promedio de consumos energéticos, contribución solar y factor de uso de la instalación durante el funcionamiento en verano, con horario de funcionamiento de 8 a 20 h.
Tabla 8. Parámetros energéticos estacionales de verano de 2012.
VERANO EPV ERED ETOT CS EPV,RED F C
2012 kWh kWh kWh % kWh % %
JULIO 3,61 4,11 7,72 48,8% 3,98 90,9% 64,9%
AGOSTO 3,42 5,11 8,53 41,1% 3,57 95,7% 71,7%
SEPTIEMBRE 2,60 1,45 4,05 64,4% 3,40 77,4% 34,0%
OCTUBRE 2,23 1,44 3,67 61,9% 3,13 72,7% 30,8%
PROMEDIO 2,90 2,74 5,64 55,3% 3,50 82,6% 47,3%
Se puede comprobar cómo días en los que la carga de funcionamiento del equipo C(%) es muy alta, el factor de producción F(%) se incrementa. Sin
embargo, en esos mismos días analizados también se consume más energía de la red (ERED), por lo que la contribución solar CS(%) disminuye.
Aunque se ha centrado el estudio para perfiles de funcionamiento de 12 horas, arrancando a las 8 y parando a las 20 h, es posible extrapolar el funcionamiento al horario de 9 horas (de 9 a 17h). En este caso, la contribución solar resulta por encima del 65% El análisis del funcionamiento en estas condiciones y en funcionamiento 24h se completará en verano de 2013.
4.2. Análisis de la eficiencia del circuito frigorífico
Como parte de la investigación se ha trabajado sobre el circuito frigorífico para determinar la eficiencia de éste, con y sin el aporte de energía solar.
Como datos de entrada del estudio se dispone de las temperaturas en los cuatro puntos de interés del circuito frigorífico, además de la presión del evaporador y la presión del condensador. En las Figuras 7 y 8 se incluye la evolución de los mencionados parámetros durante un día tipo analizado de julio.
Figura 7 Temperaturas del ciclo frigorífico; 24 de julio de 2012.
Figura 8 Presiones del ciclo frigorífico; 24 de julio de 2012.
Partiendo de las temperaturas y presiones anteriores y utilizando un software de cálculo (EES), que incluye una base de datos de refrigerantes y sus propiedades, se han podido determinar las propiedades del refrigerante en cada uno de los puntos analizados.
A partir de las propiedades del refrigerante calculadas se obtienen el calor útil cedido al local (QU), utilizando para ello el siguiente proceso.
Se calcula el flujo másico de refrigerante (mR) como el cociente entre el la potencia medida en el compresor y el trabajo específico calculado como la diferencia entre la entalpía de entrada y salida al compresor.
]s/kg[hh
Pm12
COMR (14)
A continuación, se obtiene el calor útil (QU) cedido al local en el evaporador como el producto del flujo másico de refrigerante y la diferencia de entalpías entre la entrada y salida del evaporador.
]kW[︶hh︵mQ 41RU (15)
La Figura 9 muestra como ejemplo de las medidas realizadas, el calor útil proporcionado por la máquina junta a la potencia eléctrica fotovoltaica, de la red y total, correspondientes al día 24 de julio de 2012.
Figura 9 Calor útil proporcionado por la máquina, potencia eléctrica fotovoltaica, de la red y total; 24 de julio de 2012.
La energía útil (EU) cedida al local a lo largo de un día tipo se calcula como la suma de las potencias útiles por el tiempo transcurrido entre lectura y lectura de datos, según la siguiente expresión.
]kWh[tQE UU (16)
Para evaluar la eficiencia energética se han definido los siguientes tres parámetros de Eficiencia Energética de Refrigeración.
La eficiencia energética del ciclo (EERCICLO), definida como el cociente entre la energía útil y la energía consumida por el compresor en un día, un mes o la temporada de refrigeración completa.
COM
UCICLO E
EEER (17)
La eficiencia energética de la máquina (EERMAQ), calculada a partir de la relación entre el calor útil cedido al local y la potencia total consumida por el equipo.
TOT
UMAQ E
EEER (18)
Y por último, la eficiencia energética de la instalación (EERINST), determinada a partir de la expresión anterior, considerando únicamente el consumo de la fuente energética no renovable.
RED
UINST E
EEER (19)
Del procesado en detalle de un día concreto (en julio sería el día 24) se obtiene a Eficiencia Energética de Refrigeración de la Máquina EERMAQ, que se considera constante para todo el mes. De esta forma se obtienen los resultados mostrados en las Tablas
Tabla 9. Parámetros de Eficiencia Energética de julio de 2012.
JULIO EPV ERED ETOT ECOM QU CS EERINST
kWh kWh kWh kWh kWh % %
23/07/2012 3,26 2,90 6,17 5,24 18,46 52,9% 6,36
24/07/2012 4,09 2,22 6,31 5,37 18,90 64,8% 8,50
25/07/2012 3,64 2,39 6,03 5,13 18,05 60,4% 7,56
26/07/2012 3,59 3,71 7,30 6,21 21,85 49,2% 5,90
27/07/2012 3,37 4,95 8,32 7,08 24,92 40,5% 5,03
30/07/2012 3,52 6,86 10,38 8,82 31,07 33,9% 4,53
31/07/2012 3,83 5,73 9,56 8,13 28,62 40,0% 4,99
PROMEDIO 3,61 4,11 7,72 6,57 23,13 46,8% 5,63
Eficiencia de la máquina de julio: EERMAQ=2,994 (correspondiente al día 24/07)
Tabla 10. Parámetros de Eficiencia Energética de agosto de 2012.
AGOSTO EPV ERED ETOT ECOM QU CS EERINST
kWh kWh kWh kWh kWh % %
01/08/2012 3,41 6,97 10,38 8,83 29,71 32,9% 4,27
02/08/2012 3,48 5,19 8,67 7,37 24,81 40,1% 4,78
11/08/2012 3,29 6,46 9,75 8,29 27,91 33,7% 4,32
12/08/2012 3,39 6,20 9,59 8,15 27,44 35,4% 4,43
13/08/2012 3,24 4,06 7,29 6,20 20,89 44,4% 5,15
14/08/2012 3,40 3,11 6,50 5,53 18,62 52,2% 5,99
15/08/2012 3,71 3,82 7,54 6,41 21,58 49,3% 5,64
PROMEDIO 3,42 5,11 8,53 7,25 24,42 41,1% 4,94
Eficiencia de la máquina de agosto: EERMAQ=2,863 (correspondiente al día 14/08)
Tabla 11. Parámetros de Eficiencia Energética de septiembre de 2012.
SEPTIEMBRE EPV ERED ETOT ECOM QU CS EERINST
kWh kWh kWh kWh kWh % %
11/09/2012 2,69 1,05 3,74 3,18 13,40 72,0% 12,76
12/09/2012 2,69 1,24 3,93 3,34 14,06 68,5% 11,37
13/09/2012 2,45 1,57 4,02 3,42 14,39 60,9% 9,16
14/09/2012 2,63 1,34 3,96 3,37 14,18 66,3% 10,62
17/09/2012 3,02 1,74 4,76 4,05 17,04 63,5% 9,80
18/09/2012 2,39 1,84 4,23 3,60 15,14 56,6% 8,24
24/09/2012 2,32 1,36 3,68 3,13 13,16 63,1% 9,71
PROMEDIO 2,60 1,45 4,05 3,44 14,48 64,3% 10,01
Eficiencia de la máquina de septiembre: EERMAQ=3,578 (correspondiente al día 13/09)
Tabla 12. Parámetros de Eficiencia Energética de octubre de 2012.
OCTUBRE EPV ERED ETOT ECOM QU CS EERINST
kWh kWh kWh kWh kWh % %
01/10/2012 2,22 0,90 3,12 2,65 10,73 71,2% 11,94
02/10/2012 2,37 0,94 3,32 2,82 11,41 71,5% 12,08
03/10/2012 2,41 1,06 3,47 2,95 11,93 69,5% 11,29
04/10/2012 2,55 3,02 5,57 4,74 19,18 45,7% 6,34
08/10/2012 2,42 1,15 3,57 3,04 12,30 67,8% 10,70
09/10/2012 2,42 1,21 3,63 3,09 12,49 66,7% 10,33
10/10/2012 2,36 1,23 3,59 3,05 12,36 65,7% 10,03
11/10/2012 1,78 1,80 3,58 3,04 12,31 49,8% 6,85
12/10/2012 1,55 1,61 3,16 2,69 10,88 49,0% 6,75
PROMEDIO 2,23 1,44 3,67 3,12 12,62 60,8% 8,79
Eficiencia de la máquina de octubre: EERMAQ=3,442 (correspondiente al día 9/10)
Tabla 12. Parámetros de Eficiencia Energética de verano de 2012.
VERANO EPV ERED ETOT ECOM QU CS EERINST
kWh kWh kWh kWh kWh % %
JULIO 3,61 4,11 7,72 6,57 23,13 46,8% 5,63
AGOSTO 3,42 5,11 8,53 7,25 24,42 40,0% 4,78
SEPTIEMBRE 2,60 1,45 4,05 3,44 14,48 64,3% 10,01
OCTUBRE 2,23 1,44 3,67 3,12 12,62 60,8% 8,79
PROMEDIO 2,90 2,74 5,64 4,79 17,90 55,1% 7,81
Eficiencia energética estacional de la instalación con horario de 8 a 20 h.
Los valores promedio mensuales se han obtenido directamente como la media de los valores promedio diarios. El coeficiente de eficiencia energética estacional se ha determinado a partir de la siguiente expresión:
152EER152EER302EER31EER31EER POCTSEPTAGOSTOJULIO
M
(20)
Obteniéndose un valor de EERM=7,81.
Si se trabaja con los datos obtenidos con horario de 8 a 20 h para simular la demanda de energía si la máquina funcionara de 9 a 17h, se llega a la conclusión que la Eficiencia Energética de Refrigeración Medida EERM será superior a 10.
5. CONCLUSIONES
Se ha monitorizado una máquina de aire acondicionado “inverter” con conexión directa de paneles fotovoltaicos entre julio y octubre de 2012.
Los resultados sobre el rendimiento de la máquina de trabajo de 8 a 20h (12 horas) se han obtenido en varios días de estudio.
Cuando la carga del equipo (C) es muy alta, el factor de producción (F) aumenta. Sin embargo, en los mismos días, hay también un mayor consumo de energía de la red (ERED), por lo que la contribución solar (CS) disminuye
Es posible obtener contribuciones solares superiores a 50% en los meses de verano La utilización de la energía producida por los paneles depende en gran medida de la demanda y su rendimiento puede ser optimizado para obtener contribuciones solares más alto que 60%
El EER estacional evaluadas por la relación entre la energía térmica útil y la electricidad consumida de la red es de aproximadamente 8, y puede ser superior a 10 si el horario de trabajo es de 9h (de 9 a 17h)
6. REFERENCIAS
[1] K.F. Fong, C.K. Lee, T.T. Chow. Comparative study of solar cooling systems with building-integrated solar collectors for use in sub-tropical regions like Hong Kong. Applied Energy 90 (2012) 189-195.
[2] J. Jie, L. Keliang, C. Tin-tai, P. Gang, H. Wei, H. Hanfeng. Performance analysis of a photovoltaic heat pump. Applied Energy 85 (2008) 680-693.
[3] H.A. Zondag. Flat-plate PV-Thermal collectors and systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 891-959.
[4] K.F. Fong, T.T. Chow, C.K. Lee, Z. Lin, L.S. Chan. Comparative study of different solar cooling systems for buildings in subtropical city. Solar Energy 84 (2010) 227-244
[5] T. Otanicar, R. Taylor, P. Phelan. Prospect for cooling – An economic and environmental assessment. Solar Energy 86 (2012) 1827-1299.
