Eficiencia energética en equipos y sistemas de aire acondicionado

REGISTRATE EN FOROFRIO

 

 

Eficiencia energética en equipos y sistemas de aire acondicionado

Eficiencia energética

La eficiencia energética engloba todas las acciones de mejoramiento que buscan minimizar el consumo de energía requerida, manteniendo o mejorando las prestaciones de servicio y calidad.
Para su registro y control se utilizan indicadores de consumo de energía que mide qué tan bien se está aprovechando la energía disponible en la realización de un resultado. Un indicador de eficiencia energética se define como la razón entre un servicio, función o valor entregado y la energía convertida para proveerlo.
La eficiencia energética y sus componentes usan una métrica física, una definición de ingeniería y no económica.

En un concepto más amplio de eficiencia energética (EE) involucra eficiencia energética propiamente tal, eficiencia económica y la protección ambiental, esta última cada vez más importante (Fig. 1). No siempre estos tres aspectos van de la mano y las acciones de mejora de la EE tienen que dirigirse para compatibilizar los tres objetivos.

Algo muy importante a considerar es que el enfoque del análisis de la EE debe estar puesto en los servicios que presta la energía y no en las fuentes de energía. Cuando encendemos la luz es porque necesitamos visibilidad y no un empalme eléctrico o un motor generador. Este cambio de enfoque no es trivial. Incluso los términos que utilizamos confunden en este aspecto, por ejemplo el término “aire acondicionado” hace referencia a calentar o enfriar aire, sin embargo el objetivo buscado no es tratar el aire sino que brindar confort térmico a las personas.

Otro punto a resaltar es que el foco del análisis debería estar en el sistema como un todo y en el servicio que presta, y no en la eficiencia de cada equipo, pues así se obtienen mejores resultados.

Para esto es importante identificar adecuadamente el producto, servicio o actividad que es el objetivo último de la instalación analizada y que requiere energía para su consecución. Pues los ahorros de energía deben relacionarse con el logro buscado.

Ciclo de vida

Una herramienta metodológica importante a la hora de estudiar los costos que genera un equipo que consume energía es el Análisis Energético del Costo del Ciclo de Vida. Se trata de  una versión restringida del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) que evalúa las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad. El primero sólo considera el análisis de la energía, dejando fuera del análisis las materias primas utilizadas y los residuos originados.

Es una herramienta de decisión que compara los costos de adquisición y operación de sistemas que utilizan energía, tales como generación de vapor, calefacción, enfriamiento, iluminación, envolvente de una edificación, agua caliente sanitaria, etc.
Entrega un método para evaluar diferentes opciones de sistema que utilizan energía y seleccionar aquella más efectiva y menor costo (costo-efectiva).

En la Fig. 2 podemos ver el costo que genera lo largo de su vida útil 3 motores eléctricos de diferente potencia. Como se podrá ver el costo de adquisición representa como máximo un 10% y el costo de energía llega incluso al 90%. Por lo tanto las decisiones de inversión deberían siempre considerar el costo del ciclo de vida de la tecnología y los equipos a adquirir.

Cuando en una obra el constructor o el instalador es diferente del usuario final, se tienen objetivos contrapuestos que dificultan la adquisición e instalación de sistemas eficientes. Los primeros buscan el mínimo costo de adquisición de los equipos, el usuario en cambio busca costos de operación bajos. Es este último el que debe exigir altos estándares de eficiencia energética de lo solicitado, sin embargo usualmente es el que menos conocimientos específicos tiene.

Técnicas de eficiencia energética aplicables a sistemas calefacción y aire acondicionado

Disminución de las necesidades de energía

· Diseño adecuado del sistema y selección de equipos.
· Correcto uso de la aislación térmica.
· Consideración adecuada de la insolación en el diseño del acristalamiento (ventanas) e iluminación.
· Iluminación, equipos y artefactos eficientes.
· Set point y control de temperaturas.

Utilización de energías gratuitas

· Aprovechamiento aire exterior (free-cooling).
· Enfriamiento evaporativo.

Incremento de la eficiencia energética

· Zonificación de los equipamientos para satisfacer sus necesidades particulares.
· Adecuada selección de las temperaturas de evaporación y condensación.
· Empleo de sistemas de distribución de fluidos con motores de velocidad variable.
· Aplicación de equipos de bomba de calor.
· Sistemas de cogeneración.
· Utilización del calor de condensación de equipos de refrigeración o calor de los humos en calderas.
· Recuperación del calor del aire de descarga de ventilación.
· Métodos de acumulación térmica.

Correcta regulación del sistema

· Correcta regulación inicial.
· Regulación periódica para mantener altos niveles de eficiencia en el rango de trabajo.

Selección adecuada del equipo

La selección de equipos de capacidad muy alta o muy baja en relación a lo requerido, hace que los componentes trabajen alejados en su punto de máxima eficiencia, disminuyendo la eficiencia global del sistema. Por ejemplo:

· Ductos o cañería de escaso diámetro producen una mayor pérdida de carga en el sistema necesitándose ventiladores y bombas más grandes. Asimismo ocurre con el tipo y cantidad de las singularidades (codos, derivaciones, válvulas, etc.) del trazado. Un bién diseño del sistema permite ventiladores y bombas de menor tamaño y un menor consumo de energía.

· Un motor eléctrico sub utilizado trabaja con bajo rendimiento y bajo factor de potencia, pudiendo consumir incluso más energía que un motor más pequeño utilizado a altos niveles de carga.

· Serpentines muy pequeños -en relación a una capacidad dada- demandan caudales de líquido mayores para cumplir con la capacidad. Serpentines muy grandes, subutilizados, presentan coeficientes de transferencia de calor bajos.

· Ventiladores seleccionados en un punto de trabajo muy alejado de su punto de máximo rendimiento, demandan más potencia por unidad de caudal desplazado.

Evidentemente el aspecto energético no es lo único a considerar al seleccionar un equipo y no siempre es posible compatibilizar los requerimientos con el máximo rendimiento de un equipo.

Free cooling

Por free cooling (o enfriamiento gratuito) se entiende el aprovechamiento de las condiciones ambientales exteriores para enfriar o calentar, evitando o disminuyendo el consumo de energ ía. En el caso del acondicionamiento de aire, esto es posible realizar cuando la entalpía del aire exterior es menor que la entalpía objetivo para el ambiente a enfriar, y viceversa en el caso de que se quiera calefaccionar. Evidentemente esto se puede hacer dentro de los límites de confort para las personas. La figura 3 muestra un ciclo de free cooling,

Recuperadores de calor aire - aire

Cuando se requiere renovar el aire en un recinto se agrega una carga térmica al sistema (o se pierde si se trata de calefacción). Esa pérdida de energía puede ser importante en especial cuando no es posible recircular parte del aire (clínicas, hospitales, laboratorios) permite reducir la carga térmica. Asimismo en locales que requieren altas tasas de renovación de aire (restaurantes, teatros, etc.).

Los sistemas de recuperación de calor aire-aire permiten la renovación de aire fresco con mínima pérdida y menor consumo en equipos de enfriamiento o calefacción. Se puede distinguir entre recuperadores de calor aire-aire indirecto mediante el uso de serpentines, como se muestra en la figura 4.

En el caso de los recuperadores de calor aire-aire directos (fig. 5), se trata de un equipo de placas que separan dos flujos de aire que circulan a contracorriente o de manera cruzada.

En el caso de los sistemas regenerativos (ruedas regenerativas) puede haber también intercambio de calor latente. Hay pequeñas filtraciones de aire ente un flujo y otro, por lo que no son apropiados donde se requiere condiciones de higiene del aire altas (hospitales, laboratorios).

Los beneficios que se pueden tener con estos equipos son:

· Hasta un 70% de eficiencia.
· Ahorros en energía eléctrica para generar frío (chiller)
y combustible para generar calor (caldera).
· Ahorro energía eléctrica para circulación agua (bombas).
· Al considerarse en el diseño del sistema permiten la disminución del tamaño del equipo necesario para enfriar el ambiente y por ende un menor costo inversión.

Control de caudal de aire y fluidos

Para la movilización del aire y fluidos se requiere la utilización de ventiladores y bombas, pero no siempre se requiere la máxima capacidad, por lo que por lo general los sistemas operan encendiendo y apagando (control on/off) para mantener las condiciones deseadas. Sin embargo esto en relación a un control continúo demanda en el tiempo un mayor consumo eléctrico.

Variando la velocidad de giro de un ventilador o una bomba se puede tener el flujo justo requerido, minimizando el consumo de energía.

En el caso de la ventilación es de particular utilidad la regulación de caudal para:

· Regular de las condiciones de confort mediante el control del caudal de aire.
· Climatización de precisión.
· Mantención del caudal de aire a pesar del ensuciamiento de filtros (hospitales, clínicas, laboratorios).

En la figura 6, se puede ver un diagrama con las pérdidas que se generan en un ventilador de accionamiento indirecto con convertidor de frecuencia. Sólo el 54% de la energía es aportada al aire como velocidad y presión estática, el resto se pierde.

En la figura 7, podemos ver cómo el realizar un control de caudal mediante una compuerta de regulación (damper), restringimos la sección de paso del aire provocando mayor fricción (reflejado en aumento de la presión estática). Lo que se hace es disipar parte de la energía entregada al aire para disminuir la energía útil (en este caso la energía cinética y por ende el caudal de aire). Eso es equivalente a estar cocinando a llama alta y que cuando quisiéramos disminuir el aporte de calor, en vez poner en llama baja el quemador, desviáramos parte de la llama para que se perdiera en el ambiente. Es decir no hemos disminuido el consumo de energía y lo que hacemos es botar parte de la energía, empobreciendo la eficiencia.

En contrapartida variando (en este caso disminuyendo) la velocidad de giro del ventilador lo que hacemos es disminuir efectivamente el aporte de energía, manteniendo alto niveles de eficiencia. La presión estática disminuye y el caudal de aire disminuye, siguiendo la curva del sistema. No se bota energía, se aporta sólo la necesaria.

En la figura 8 podemos ver reflejada la variación de la potencia consumida en el caso de utilizar un control mediante damper en comparación a la utilización por control velocidad giro.

En el caso de los ventiladores existen diversas formas de controlar la velocidad de giro del ventilador. En la figura 9 se aprecia una comparación del consumo de energía para distintas velocidad de giro del ventilador: por regulación de tensión, mediante un convertidor de frecuencia y con motores electrónicamente conmutados (EC). Esta última tecnología combinada con el diseño optimizado del conjunto motor ventilador permiten los mejores niveles de eficiencia para cada estado de carga del ventilador.

Aplicando criterios de eficiencia energética en diseño de las instalaciones, en la selección de equipos, en la modificación de las instalaciones existentes, en el mantenimento, en la configuración y en el control posterior a la puesta en marcha, es posible lograr importantes ahorros en gastos operacionales por concepto de energía. Estos ahorros permiten financiar en corto tiempo los costos adicionales que puedan significar los equipos y las modificaciones necesarias.

REGISTRATE EN FOROFRIO