ANÁLISIS COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE OPERACIÓN EN SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS POR AGUA HELADA
MSc. Juan C. Armas Valdés, Dra. Margarita Lapido Rodríguez, Dr. Mario A
Álvarez Guerra Plasencia, Sergio Montelier Hernández. Centro de Estudios de Energía y Medioambiente (CEEMA), Cuba
RESUMEN
Se presenta un análisis comparativo de las estrategias de operación de un
sistema de climatización centralizada por agua helada con el objetivo de reducir el
consumo de energía eléctrica, exponiéndose las ventajas y desventajas en cada
alternativa. En particular se aborda el análisis de la conexión de las enfriadoras en
serie o en paralelo así como la utilización de válvulas de dos o tres vías a la
entrada del fan-coil en función de la variación del volumen de agua movido por
las bombas o la operación a volumen constante.
Por último se exponen las ventajas de la inclusión de variadores de velocidad para
el accionamiento de las bombas de circulación y su repercusión en el ahorro de
energía eléctrica de la instalación de climatización.
INTRODUCCIÓN Dentro de los sistemas de climatización centralizados las enfriadoras de agua
(chillers o sistemas todo agua como también se les conoce), son de los más
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, fan–coil) se logra intercambiar calor entre el aire de los
locales y el agua helada. Una vez realizado el intercambio de energía, 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 opción será la más adecuada, dependiendo de
diversos factores como las características del local a climatizar, la disponibilidad y
costo del agua, así como las tarifas de energía eléctrica en el lugar de la
aplicación. Cuando se realiza la selección del equipo de refrigeración puede
considerarse que los equipos enfriados por agua son más eficientes que los
enfriados por aire (12), debido a que las temperaturas alcanzadas para la
condensación del refrigerante, son menores con agua que con aire. A pesar de lo
anterior, no hay que olvidar que si analizamos globalmente la situación, en la
opción de condensación por agua, habría que involucrar los costos de agua, del
tratamiento de la misma y del consumo eléctrico de las bombas de agua de
condensación y de los ventiladores de las torres de enfriamiento.
Desarrollo
El componente que consume la mayor parte de la energía 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 índice de
consumo promedio (Kw. por Tonelada de Refrigeración) al 100% de su capacidad,
de acuerdo al medio de condensación:
Tabla 1.1
Tipo de
Compresor
Medio de
Condensación
Kw./T.R. Kw./T.R.
Promedio
Tornillo Agua 0.65 0.575
Centrífugo Agua 0.55 0.523
Centrífugo
c/Variador
Agua 0.55 0.460
Tabla 1.2
Los datos de Kw/T.R. están 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 diseño, las cuales son las condiciones más críticas y ocurren
solo el 1% del tiempo total de operación del equipo durante un año. 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 razón 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 años de explotación son reciprocantes
o centrífugos. En el caso de una unidad enfriadora tipo reciprocante enfriada por
aire con 15 años de operación, su índice de consumo de energía es de alrededor
de 1.7 Kw/T.R. y el de un centrífugo enfriado por agua de la misma edad estará
alrededor de 0.9 Kw/T.R. Lo anterior demuestra que las nuevas tecnologías
pueden disminuir considerablemente las facturas de energía eléctrica.
Tipo de
Compresor
Medio de
Condensación kW/T.R.
Reciprocante Aire 1.1
Rotativo
(Scroll)
Aire 1.1
Tornillo Aire 1.1
Reciprocante Agua 0.9
1.2. Estrategias de operación en Sistemas de Climatización Centralizados por agua helada.
1.2.1 Máquinas múltiples. La selección de maquinas múltiples para una carga común se basa normalmente
en la disponibilidad, confiabilidad y versatilidad: disponibilidad a causa de las
limitaciones de tamaño por razones económicas de producción (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 reparación; y versatilidad a causa de aptitud
para la eficiente adaptación de la capacidad del compresor a los requisitos de
carga parcial.
Las maquinas múltiples se emplean pocas veces con cargas de
acondicionamiento de aire normales menores de 1.200.000 frigorías por hora.
Cuando se requieren dos o mas maquinas centrifugas para trabajar con una
carga, pueden ser utilizadas con disposición en paralelo o en serie de las
enfriadoras. Estas disposiciones se controlan de manera análoga a la de las
maquinas simples o únicas.
• Disposición en serie.
Cuando se consideran maquinas múltiples, puede ser ventajoso el flujo de agua a
través de enfriadoras en serie (Fig1.1). Generalmente, cuanto mas largo sea el
sistema de distribución de tuberías, 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 económicamente
optimo 4.4 - 4.5 oC, mientras los sistemas de distribución de agua enfriada a
serpentines muy separados deben tener normalmente un aumento óptimo
económicamente de unos 8.3 - 11.1oC. Para aumento de temperaturas mas
elevados, el flujo en serie de agua a través de los enfriadores puede reportar una
economía de funcionamiento. La primera maquina puede funcionar a una
temperatura de aspiración mas alta por requerirá menos potencia.
Fig1.1. Disposición de enfriadora en serie
Cuando las enfriadoras están conectadas en serie el mejor consumo de potencia
se obtiene con una igual reducción de la carga en cada maquina. El margen de
estrangulación 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 selección de montaje en serie el margen de estrangulación necesario
en la maquina de etapa alta es igual a la caída de temperatura del agua enfriada
en la maquina de etapa baja mas el margen de estrangulación de esta maquina de
etapa baja.
Con flujo en serie de agua enfriada, la caída de presión en el enfriador es
acumulativa y puede llegar a ser excesiva si se instalan en serie mas de dos
maquinas.
• Disposición en paralelo.
Cuando se instalan dos o mas máquinas con las enfriadoras conectadas en
paralelo en el circuito de agua enfriada, cada maquina debe controlar la
temperatura de su salida de agua enfriada para que se mantenga igual a la de
proyecto, lo mismo que en una instalación de maquina simple.
Para cada maquina se utilizará el mismo margen de estrangulación. Cuando se
reduce la carga del sistema, ambas maquinas reducen simultáneamente su
capacidad, produciéndose así 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. Disposición 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 fría que la proyecto a fin de que sea ésta la temperatura de la mezcla.
Cuando se requieren temperaturas bajas, se deben instalar controles apropiadas
para impedir el funcionamiento a cortas intermitencia de la maquina cuando actúa
el interruptor de corte de agua enfriada a baja temperatura.
En las disposiciones serie o paralelo de las máquinas centrifugas herméticas,
reduciendo la carga hasta el 35% aproximadamente, la potencia total necesaria
para que funcionen simultáneamente ambas maquinas es menor para que
funcione una sola con reducción de carga. La razón que esto ocurra es que el área
de la superficie del enfriador y del condensador es mayor con cargas ligeras en
proporción a la carga.
1.2.2 Sistemas de Climatización con Válvulas de Tres Vías Este sistema es el más usado en nuestras instalaciones actualmente. El esquema
se muestra en la figura. 1.3.
Figura 1.3. Sistema con válvulas de tres vías.
Actualmente el desarrollo de nuevas técnicas lo ha hecho obsoleto (11), porque
ocasiona gastos energéticos innecesarios. Sus desventajas se derivan de:
1. El sistema mueve con sus bombas el volumen total de agua fría
constantemente. Para demandas inferiores a la máxima no es necesario utilizar
todo el volumen de agua disponible, sin embargo, este sistema no lo tiene en
cuenta, gastando una cantidad considerable energía en el trasiego de toda el
agua constantemente por las tuberías.
2. Las unidades enfriadoras deberán enfriar toda el agua aunque la demanda no
lo exija así, provocándose un gasto innecesario.
3. Como consecuencia, los dispositivos del sistema, bombas, válvulas, etc.,
trabajan continuamente a máxima capacidad, sufriendo un desgaste
innecesario.
4. Los costos de mantenimiento y reposición aumentan por el trabajo excesivo.
5. Para niveles de carga de las instalaciones menores a los máximos el sistema
se está obligado a operar como en el caso de máxima carga para no deteriorar
el confort, lo que ocasiona elevados gastos sin un respaldo en los ingresos,
bajando aún más, hasta niveles insostenibles, la rentabilidad de la instalación.
La operación básica que no permite aumentar la rentabilidad de este sistema, es
el uso de un flujo de agua fría constante, que provoca el uso obligado de válvulas
de tres vías. A continuación se analizaran otros sistemas hasta llegar a los que
permiten un flujo de agua, que varía acorde con los niveles de ocupación.
1.2.3 Sistema de Climatización 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 están calculadas para satisfacer las necesidades del flujo
primario y el secundario.
Figura 1.4
El lazo primario de ser lo más pequeño 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 energéticos del flujo constante de las
bombas del primario.
Una desventaja de este sistema con válvulas de dos vías y flujo total constante, es
que cuando disminuya la demanda en el Sistema Secundario, inevitablemente, al
derivarse hacia el primario, el agua se enfriará rápidamente por debajo de la
temperatura prevista si las unidades enfriadoras no son capaces de desconectar
los compresores a la misma velocidad, esto provocará disparos de las
protecciones antihielo y la necesidad de una nueva activación manual. Este
sistema no es apropiado para cambios bruscos en la demanda, lo cual es típico en
instalaciones hoteleras.
Mediante válvulas de mariposa en las bombas del circuito primario se da una
solución al problema buscando un balance en el flujo a costa de un gasto
energético 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 presión de flujo mínimo, por
la estabilidad que introduce el lazo primario debido al desacople con el secundario.
1.2.4 Sistema de Climatización con Bombeo Primario Secundario con Flujo Variable y Válvulas de dos Vías.
En este sistema es conveniente separar las acciones para disminuir los gastos
energéticos 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 utilización de variadores de velocidad permite
disminuir apreciablemente los valores de consumo.
Esta forma de operación compensa automáticamente 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 varía la velocidad de las bombas en vez variar
presiones ajustando válvulas, lo que se traduce en un ahorro importante de
energía. El controlador PID de los variadores de velocidad se encarga de operar el
sistema eficientemente.
Normalmente las bombas se calculan para una potencia que está 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 válvula de mariposa, con
la utilización de estos se disminuye la velocidad de la bomba y se ahorra esa
potencia.
La relación entre la velocidad y la potencia consumida es cúbica, razón por la cual
cuando ajustamos el sistema disminuyendo el caudal con variadores de Velocidad,
se logra un considerable ahorro de energía.
Adicionalmente se consiguen ahorros porque no son necesarias válvulas 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 diseñado especialmente para estos usos, lo que elimina la
necesidad de instalar equipos adicionales para el control de la operación.
El cálculo del tiempo de recuperación de la inversión para el ejemplo anterior es
de 0 a 0.5 años:
[Costo del Variador + Costo de los Flujómetros – costos de: (válvulas de mariposa
+ arrancador suave + cableado + regulador del factor de potencia) – ahorro en
montajes] / [Energía ahorrada + costo mantenimiento anual] = recuperación de 0 a
0.5 años.
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 mínima presión necesaria para
reducir el ruido en el sistema y mejorar la eficiencia.
La figura 1.5 muestra el nuevo estándar primario secundario con variadores de
velocidad, con este se consigue un considerable ahorro de energía y una
sustancial disminución 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 través de variadores de velocidad, estos facilitan que las
bombas varíen su velocidad respondiendo a la curva de requerimientos del
sistema. Se consigue un ahorro de energía importante en las bombas y las
enfriadoras al bombearse solamente la cantidad de agua necesaria para cubrir la
Carga Térmica instantánea. La sobre presurización de las válvulas de dos vías 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, razón 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 sólo la energía estrictamente necesaria para satisfacer la
demanda.
Cuando se alcanza en las habitaciones la temperatura deseada, el control de
habitaciones cierra la válvula de dos vías, aumenta la presión en el sistema, los
presostatos diferenciales envían la señal a los variadores de velocidad que
disminuyen la velocidad de las bombas para mantener el diferencial de presión
fijado. Al reducirse la velocidad de las bombas estas trabajan más
desahogadamente y su desgaste es menor, aumentando su tiempo de vida y
disminuyendo los gastos de mantenimiento. De igual forma al controlarse la
presión a través de las válvulas de dos vías estás nunca se ven sometidas a una
sobre presurización, sufriendo menos desgaste y evitándose aperturas
indeseadas.
Consumo específico de energía:
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
operación que son la presión diferencial mínima necesaria para garantizar un
trabajo adecuado de las válvulas. La curva de control representa la presión
mínima 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 energético con el uso de variadores de velocidad es evidente, sin
embargo, la posición donde se coloca el sensor es crítica. El ahorro de Energía
que se consigue con el sensor puesto junto a la descarga de las bombas
secundarias se muestra en la figura1.7.
Figura1.7
La razón es obvia, cuando se sitúa el sensor junto a la descarga de las bombas el
set point de presión debe ser mayor porque hay que considerar las perdidas en la
tubería para que en las válvulas de dos vías la presión sea adecuada. Este valor
de presión habrá que mantenerlo como set point en todo el rango del flujo.
En el caso que el sensor se sitúa junto a las válvulas de dos vías el valor de
presión a la que se ajustará el set point será a la mínima, para que las válvulas
operen adecuadamente y en este valor estarán consideradas las pérdidas en las
tuberías. En este caso, al disminuir el flujo y las pérdidas, la velocidad del variador
disminuirá para mantener la presión prevista en las válvulas y por ende el
consumo del motor de la bomba.
Conclusiones
1. Los sistemas de climatización centralizados según el esquema de conexión
de las unidades enfriadoras pueden clasificarse en serie o en paralelo. La
conexión más idónea será en función de las condiciones a la que deberá
operar el sistema.
2. Los sistemas de climatización centralizados con volumen de agua
constante y válvula de tres vías, se han vuelto obsoletos en la actualidad
por el alto consumo de energía eléctrica que implica su operación. Además
tienen como inconveniente el aumento de los costes de mantenimiento por
el trabajo excesivo al que están sometidos los componentes del sistema.
3. Los sistemas de climatización centralizados con bombeo primario
secundario con flujo variable y válvulas de dos vías 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 energía eléctrica, obteniendo periodos de recuperación de la
inversión atractivos ( un año).
4. El uso de variadores de velocidad en las bombas de los sistemas
centralizados de climatización por agua helada, se torna una alternativa
atractiva para el diseño de sistemas eficientes por los beneficios que
reportan.
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