Optimización de un Sistema de Refrigeración

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Optimización de un Sistema de Refrigeración

Optimización de un Sistema de Refrigeración por absorción asistido por Energía Solar utilizando TRNSYS

Resumen:

El aumento del costo de generación de energía eléctrica y el aumento en las restricciones ambientales, han fortalecido en el ámbito científico la investigación de sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeración que utilizan al recurso solar como fuente de energía motriz. Sin embargo, en Chile, la energía solar se utiliza principalmente para aplicaciones de agua caliente sanitaria y producción de energía eléctrica en zonas rurales, no teniendo hasta ahora la refrigeración solar, un escenario favorable de investigación.

Dentro de las tecnologías termo-asistidas, existen los denominados sistemas de refrigeración por absorción, los cuales basan su funcionamiento en la producción de frío mediante el suministro de agua caliente proveniente de colectores solares.

El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un modelo  computacional que permita la simulación en base horaria de un sistema de refrigeración por absorción, asistido por energía solar y gas natural como combustible auxiliar. Este modelo será desarrollado utilizando el programa de simulación dinámica TRNSYS, considerando tres áreas específicas de trabajo: determinación de la carga térmica para una edificación de estudio dentro de la zona central de nuestro país, implementación del modelo computacional del sistema de refrigeración por absorción y finalmente, la optimización paramétrica de componentes, que hará posible un acercamiento al dimensionamiento óptimo del sistema de absorción solar.

Los resultados del proceso de optimización del sistema de refrigeración de absorción asistido por energía solar, indican que con un área de 110m2 de colectores de placa plana con una inclinación de 33° y 7m3 de estanque de almacenamiento se obtiene una fracción solar anual de un 70%, consiguiendo cubrir la demanda de aire acondicionado de una vivienda de 149 m2 localizada en Santiago, maximizando la ganancia de energía útil del sistema y minimizando el consumo de energía auxiliar.

1. Introducción

En general, en aplicaciones residenciales y comerciales, la demanda de refrigeración y acondicionamiento de aire es cubierta por energía convencional, lo cual ocasiona una sobrecarga considerable en las redes de distribución eléctrica. En Chile, durante la temporada primavera/verano el uso de los equipos convencionales de aire acondicionado está aumentando significativamente y en el sector de oficinas puede llegar a constituir entre un 30% y 60% del consumo energético total. A esto podemos agregar, que la demanda de estos equipos en Chile ha tenido un importante crecimiento en los últimos años: entre 1997 y 2007 se importaron cerca de 240.000 aparatos. Sin embargo, hoy en día existen tecnologías de producción de frío accionadas por fuentes térmicas, entre las cuales se destacan los sistemas de refrigeración por absorción que además presentan la ventaja de obtener la energía necesaria para su funcionamiento de fuentes de suministro de calor a bajas temperaturas como ser por ejemplo: la energía solar. Como la mayor parte de la demanda de aire acondicionado en Chile ocurre en regiones del centro y norte del país, este consumo está asociado con una alta disponibilidad de irradiación, lo cual ofrece un escenario óptimo para la aplicación de la refrigeración solar.

El sistema de refrigeración por absorción basa su principio en la afinidad de ciertas sustancias que, al entrar en contacto, una absorbe a la otra. Así, dos pares de sustancias son utilizados comúnmente en este tipo de instalaciones: bromuro de litio-agua (LiBr-H2O) y amoniaco-agua, donde la primera de ellas es mayormente utilizada para aplicaciones asistidas por energía solar debido a las propiedades no tóxicas y no inflamables del agua como refrigerante.

La incorporación de energía solar a la producción de frío no es reciente, ya que sus primeros antecedentes datan de hace más de un siglo. Por otro lado, la investigación de estos sistemas se ha venido desarrollando en dos frentes: estudio de instalaciones experimentales y simulación computacional. A la fecha existen solo en Europa, 54 instalaciones de aire acondicionado solar en operación, de las cuales 33 de ellas están utilizando la tecnología de chillers de absorción bromuro de Litio-Agua (Balaras et al., 2007). En Puerto Rico, Meza et al. (1998) describen una instalación experimental compuesta de un chiller de absorción 35 kW (10 TR), movido por un arreglo de 113 m2 de colector de placa plana de superficie selectiva, un estanque de almacenamiento de 5,7 m3 y una torre de refrigeración de 84 kW de capacidad. La eficiencia del arreglo de colectores fue de 30,5%, la capacidad de refrigeración nominal fue medida en 25 kW con un COP de 0,63%. Best y Ortega (1999), resumieron los resultados de un proyecto de refrigeración solar en Méjico. El sistema incluía 316 m2 de colector solar de placa plana, 30 m3 en estanques de almacenamiento, un chiller de absorción bromuro de Litio-Agua con una capacidad máxima de 90 kW y una torre de 200 kW. El sistema alcanzaba una fracción solar anual de 75%, valores de COP entre 0,53 y 0,73 cuando el agua caliente era proporcionada al chiller a temperaturas entre 75 y 95°C, temperaturas de agua de enfriamiento de 29-32°C y temperaturas de agua helada entre  8 y 10°C. En Syed et al., (2005), se muestra un sistema para una casa típica en Madrid (España) operando con 49 m2 de colectores planos, 2 m3 de reservatório térmico y un chiller de absorción del tipo LiBr-H2O de 35 kW de capacidad. Como este sistema fue originalmente diseñado para una capacidad de 10 kW, el chiller de absorción entregó una capacidad máxima de solo 7,5 kW con valores de COP diarios de 0,42 y promedios de 0,34. Zambrano et al., (2007), presentan resultados de un sistema de absorción solar de 35 kW de capacidad de refrigeración instalado en la ciudad de Sevilla (España). La instalación consta de 151 m2 de colectores de placa plana, un estanque de almacenamiento de 2,5 m3 y un sistema de calentamiento auxiliar con gas natural. Todas las instalaciones citadas, utilizan colectores solares de placa plana. Sin embargo, en la literatura también se pueden encontrar instalaciones de refrigeración por absorción solar que utilizan captadores de tubo evacuado. En Pongtornkulpanich et al., (2007), fue diseñado e instalado un sistema de absorción solar con una capacidad de 35 kW.  El sistema consta de 72 m2 de colector de tubo evacuado y un volumen de 0,4 m3 para el estanque térmico, lo cual produce una fracción solar anual de 81% para Tailandia. Ahmed et al., (2008), presentan la evaluación del rendimiento de una instalación real integrada de refrigeración. Esta instalación se encuentra en operación desde el año 2002, en Oberhausen, Alemania (latitud 51°, norte). El espacio a acondicionar incluye una planta de 270 m2, para el cual se ha dimensionado el sistema con un chiller de absorción de bromuro de litio y agua con capacidad de 35 kW, 108 m2 de área de captación solar de colectores de tubo evacuado con una inclinación de 32° y estanques de almacenamiento de 6,8 m3 para agua caliente y 1,5 m3 para agua fría.

En relación a las contribuciones realizadas en el área de simulación, el estudio realizado en K4RES-H. (2006), menciona que una de las recomendaciones para derribar una de las principales barreras que impiden la penetración de la refrigeración por absorción solar en el mercado (su alto costo inicial), es desarrollar nuevos modelos y herramientas de simulación dinámica de estos sistemas, lo cual permitirá realizar un dimensionamiento óptimo del sistema, estudios de desempeño a largo plazo y el análisis de viabilidad económica de los proyectos. Assilzadeh et al. (2005), desarrollaron un modelo de simulación TRNSYS de un sistema de refrigeración por absorción solar para Malasia. La carga de refrigeración estimada para la edificación de estudio en este trabajo es de 3,5 kW, la cual es cubierta con un chiller de absorción de simple efecto, con mezcla de bromuro de litio y agua, con capacidad 1 TR. El arreglo de colectores para este sistema es de tubos evacuados, los cuales después de un proceso de optimización paramétrica arrojan un óptimo de 35 m2. La inclinación óptima del mismo arreglo se ha determinado en 20°. En cuanto al volumen del reservatorio, el desarrollo del modelo concluye que debe tener una capacidad de 0,8 m3. Florides et al. (2002), presentan un modelo TRNSYS para la optimización de un sistema de absorción solar LiBr-H2O para la ciudad Nicosia. El sistema final optimizado consiste de un estanque de 0,6 m3 y un set-point de agua caliente de 87°C, un arreglo de colector parabólico, inclinados  30° y cuya área óptima de 15 m2 fue obtenida a través de un análisis económico. Sridhar (2002), construye también un modelo TRNSYS que permite la optimización paramétrica de un sistema de refrigeración por absorción solar con capacidad de 100 kW (Yazaki WFC-30). Se obtiene para la ciudad de Hyderabad (India) y una edificación comercial de 650 m2, un valor óptimo de 500 m2 de colectores de placa plana con una inclinación de 30°, 6 m3 de volumen de reservatorio y set-point de agua caliente y enfriada de 80°C y 15°C, respectivamente.

El principal objetivo del presente  trabajo, es desarrollar un modelo computacional que permita llevar a cabo la simulación en base horaria de un sistema de refrigeración por absorción solar mediante la utilización del software TRNSYS, considerando como región de estudio a la ciudad de Santiago. Se pretende que la simulación permita determinar el dimensionamiento adecuado de parámetros y componentes del sistema, en búsqueda de la optimización del mismo y la minimización de la energía auxiliar requerida.

2. Descripción del Sistema

La Fig. 1 muestra el esquema de un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto asistido por energía solar y gas natural, que ha sido el concepto básico utilizado en la mayoría de las investigaciones sobre este tema. Sus principales componentes son: colectores solares de placa plana, un estanque de almacenamiento de agua caliente, el chiller de absorción, una torre de enfriamiento y un calentador auxiliar. El funcionamiento de este sistema comienza almacenando en un reservatorio térmico de agua la energía que es recibida por los colectores solares. A seguir, el agua caliente acumulada en el estanque es suministrada al generador de vapor del chiller de absorción para producir la separación entre el absorbente y el refrigerante lo cual se logra a través de un proceso endotérmico de mezcla de bromuro de litio-agua. El generador del chiller de absorción exige una temperatura mínima de entrada de agua caliente para evitar el fenómeno de cristalización. Cuando la energía solar no es capaz de elevar la temperatura del agua hasta ese punto, el calentador auxiliar proporciona el déficit energético para la correcta operación del chiller. Posteriormente, el refrigerante (agua) se evapora y pasa directamente al condensador, quedando en el generador una solución fuerte de absorbente, la cual se deposita posteriormente en el absorbedor.
En el condensador, el vapor de refrigerante es enfriado por la incorporación de serpentines de agua de enfriamiento provenientes de una torre de refrigeración externa al sistema y luego depositado en el evaporador, pasando previamente por una válvula de expansión para disminuir aún más su temperatura. Una vez en el evaporador, el refrigerante se evapora a muy baja temperatura ya que el dispositivo se encuentra a presiones cercanas al vacío, extrayendo el calor de un circuito externo de líquido con la finalidad de producir posteriormente aire acondicionado. En el absorbedor, debido a la enorme afinidad absorbente - refrigerante, la solución fuerte de absorbente atrae al vapor de refrigerante proveniente del evaporador, transformándose nuevamente en una solución débil, la cual es bombeada a continuación hacia el generador para comenzar nuevamente el ciclo.

En particular, el sistema de refrigeración por absorción solar funciona con cuatro circuitos principales: un circuito de captación solar, el cual se encarga de absorber la energía solar mediante un fluido de trabajo que es posteriormente almacenado en un reservatorio térmico; un circuito de abastecimiento al chiller de absorción, que constituye el corazón del sistema y que, gracias a la energía contenida en el agua del reservatorio produce las reacciones químicas necesarias para la producción de agua fría; un circuito de agua de enfriamiento, que es necesario para disipar la energía de los procesos de absorción y condensación que ocurren al interior del chiller y, finalmente, un circuito de carga que entrega la demanda de refrigeración requerida para la producción de aire acondicionado.

3. Descripción de la simulación computacional

Para realizar la simulación dinámica de una instalación de refrigeración solar por absorción, deben ser considerados algunos aspectos básicos. El primero de estos, se refiere al tipo de información meteorológica y de irradiación solar disponible para la zona en estudio.

A. Base de datos climática y de irradiación solar

Si se requiere estimar el desempeño térmico del sistema a largo plazo, se sugiere contar con una base de datos correspondiente a un año meteorológico típico (TMY) de la localidad en estudio. En este trabajo, la base de datos climática fue construida gracias a la información facilitada por la Dirección Meteorológica de Chile y el software Meteonorm (Remund et al., 2004). En la Fig. 2, se presentan gráficamente los datos de los valores medios mensuales de la irradiación solar diaria sobre superficie horizontal y la temperatura ambiente.

Fig. 2.  Irradiación solar diaria media mensual y temperatura ambiente media mensual para la ciudad de Santiago (Lat. 33,4°, S)

B. Modelación de la demanda de aire acondicionado

La edificación en estudio está localizada en las inmediaciones de la ciudad de Santiago. Es una vivienda de veraneo con un área de 149 m2 y que consta de 3 dormitorios, dos baños, un living comedor, una cocina y un hall, el cual contiene una pequeña sala de estar y una oficina. Lo anterior, permite definir 8 zonas térmicas cuya información es mostrada en la Tabla 1.  






Para una correcta determinación de las cargas de refrigeración en la edificación considerada, es requisito fundamental la adecuada consideración de los componentes de carga en el espacio que va a ser acondicionado, (Dorota, 2008). Para ello, resulta indispensable considerar los siguientes parámetros:
a.  Orientación del edificio 
b.  Iluminación
c.   Dimensiones de la edificación   
d.  Artefactos
e.  Materiales de construcción       
f.   Ventilación e infiltraciones
g.  Puertas y ventanas       
h.  Condiciones meteorológicas
i.   Ocupantes y actividad

La orientación del edificio, sus dimensiones y materiales, además de su configuración de puertas y ventanas contribuyen principalmente a determinar la cantidad de energía que entra o sale en forma externa a la edificación (cargas exteriores). Por otro lado, la cantidad de ocupantes y su actividad, el alumbrado y los artefactos también contribuyen energéticamente al recinto en forma interna (cargas interiores). Así pues, un balance térmico sobre el recinto determinará la cantidad de energía que se necesita remover en forma horaria para mantener las condiciones de confort al interior de la edificación, mostrada en la Fig. 3.

Los parámetros anteriores son incorporados al componente Type 56 de TRNSYS (Klein et al., 2007), para proyectos térmicos de multizona, a través de una interface gráfica llamada TRNBuild, que facilita el ingreso de los mismos. TRNBuild permite disponer de resultados de distribución de la temperatura del aire interior para cada una de las zonas (con y sin aire acondicionado) en el periodo de análisis establecido, además de la carga de aire acondicionado requerida para disminuir la temperatura del aire interior hasta las condiciones de  temperatura de confort definidas en el modelo.

C. Construcción del modelo de refrigeración solar por absorción usando TRNSYS

Para dimensionar y conocer el comportamiento operativo del sistema de enfriamiento solar, se utilizó TRNSYS 16. Este programa de simulación cuenta con una estructura modular que divide el sistema en una serie de componentes (“types”) que son interconectados entre si y compilados a través de la interface TRNSYS Studio. Cada componente es modelado usando ecuaciones matemáticas programadas en FORTRAN. Consecuentemente, si algún componente del sistema no está incluido dentro de la librería de TRNSYS, su modelo físico puede ser programado en FORTRAN, MATLAB, C++ o EES. Una descripción detallada de los modelos matemáticos utilizados en cada componente TRNSYS puede ser encontrada en (Klein et al., 2007).

El sistema de absorción, en su dimensionamiento inicial, consiste de:

a) 130 m2 de área de captación de colectores solares de placa plana. Éstos, se encuentran orientados 35° hacia el norte geográfico y el ecuador terrestre. Para el desarrollo de la modelación se utilizan dos colectores de diferente calidad: el colector tipo I, con parámetros de la curva de eficiencia:  FR UL = 3 W/ m2 K,  FR(ta)n = 0,74 . Y el colector tipo II, con parámetros de eficiencia: FR UL = 3,33 W/ m2 K, FR(ta)n = 0,72, ambos con modificador de ángulo de incidencia 0,2.

b) 6 m3 de reservatorio térmico, con una forma geométrica cilíndrica y una altura de 2m.

c) Una bomba de circulación con una capacidad máxima de flujo variable dependiente del área de captación y del flujo de testeo del colector recomendado por el fabricante, el cual tiene un valor de 50 kg/hr m2.

d) Un controlador  ON - OFF que actúa sobre la bomba del sistema para controlar el encendido y apagado del circuito. Posee un corte por alta temperatura, el cual es activado si la temperatura de entrada al colector es mayor a 98°C. Se han considerado 2°C y 0,15°C como valores de upper dead-band y lower dead-band, respectivamente.

e) Una válvula de alivio de presión, que actúa sobre temperaturas de 98°C.

f) Un chiller de absorción de simple efecto de la marca comercial YAZAKY, modelo WFC-SC10 que emplea la solución LiBr-H2O como fluido de trabajo y es energizado por un flujo de agua caliente entre 75 y 105°C. Posee una capacidad nominal de 35 kW, y un COP nominal igual a 0,7, el cual es suficiente para los requerimientos de carga del sistema.

g) Un calentador auxiliar con gas natural como combustible, el cual posee una capacidad máxima de 125kW, con una eficiencia en promedio del 85% y un setting de temperatura en 80°C para suplir el déficit energético.

Cada componente es representado por un número de parámetros constantes, datos de entrada y de salida dependientes del tiempo de simulación.  Un dato de salida de un componente puede ser usado como dato de entrada para cualquier otro (u otros) componente (s). El sistema final es montado conectando todas las entradas y salidas de forma apropiada para simular el sistema real de refrigeración por absorción solar. Finalmente, se realiza la construcción del modelo que será utilizado para simular el sistema de refrigeración solar por absorción. El modelo obtenido con los principales componentes TRNSYS y todas las interconexiones del sistema, se muestra en la Fig. 4. (ver figura en página siguiente.)

4. Análisis y discusión de resultados

El caso de estudio considerado en el presente trabajo, corresponde a un sistema de refrigeración solar por absorción que atiende una demanda de aire acondicionado sujeta al clima de la ciudad de Santiago, Chile. A partir de la simulación realizada en el entorno TrnBuild (Type 56) de TRNSYS para determinar la demanda de aire acondicionado de la vivienda en estudio, se obtuvieron resultados que indican que esta demanda se inicia a partir de agosto y hasta el mes de abril, con periodos críticos para los meses de diciembre y enero en los cuales se produce la carga máxima de 23 kW (6,55 TR).
Se debe recordar, que el proceso de optimización paramétrica está orientado a encontrar un adecuado dimensionamiento de los componentes y condiciones de operación del sistema (Vidal y Colle, 2006), comenzando con un dimensionamiento inicial del mismo, el cual ha sido definido en base a instalaciones reales e investigaciones encontradas en la literatura.
Son efectuadas múltiples simulaciones con el modelo TRNSYS para evaluar los factores más relevantes que hagan posible tener una idea del tamaño óptimo del sistema de aire acondicionado solar y analizar los efectos de las principales variables que influyen en el desempeño del mismo. Entre los factores investigados se encuentran el efecto del área, inclinación y tipo de colector solar, volumen del reservatorio térmico, la ganancia de calor útil y el consumo de energía auxiliar (ajuste del termostato del calentador auxiliar).

Inicialmente, la influencia del área de captación solar y el tipo de colector solar serán analizadas. Sin embargo, el proceso de optimización del área de captación solar requiere de un análisis de tipo termo-económico, motivo por el cual este factor es analizado posteriormente con mayor detalle. El rango de análisis comprendido para la variable área de captación abarca desde los 30 m2 hasta 150 m2, con variaciones de 20 m2.

La Fig. 5 muestra la influencia del tamaño del arreglo de colectores sobre la energía auxiliar del sistema. Es posible apreciar que un aumento del área de captación solar produce una disminución del requerimiento energético del calentador auxiliar. El efecto es amplificado cuando se utiliza un colector solar de mayor rendimiento (Colector Tipo I).

La influencia del área de captación solar sobre la fracción solar del sistema se muestra en la Fig. 6. en la cual se observa, que un aumento del área de captación aumenta el valor de la fracción solar anual, efecto que también se incrementa si se considera en la simulación un colector de mayor eficiencia.

La ganancia de calor útil en el colector solar para diferentes volúmenes de reservatorio se muestra en la Fig. 7. Aquí se observa que aumentos progresivos en el tamaño del estanque resultan en leves aumentos en la ganancia de energía útil del colector, situación que es positiva pero que no permite la optimización del estanque de almacenamiento.

Debido a lo anterior, se elige investigar cuál es el efecto del tamaño del volumen del estanque de almacenamiento sobre el consumo de energía auxiliar del sistema. Los resultados de esta simulación son mostrados en la Fig. 8, donde es posible apreciar que la energía auxiliar utilizada alcanza un valor mínimo para un reservatorio de 7 m3 de volumen.

Otro parámetro que afecta el rendimiento del sistema, es el ángulo de inclinación de la superficie colectora con respecto a la horizontal.  En la Fig. 9, se muestra la influencia que tiene la inclinación de la placa colectora sobre la ganancia de energía útil del sistema, la cual se ve maximizada para un ángulo de inclinación de 33°.

Como se había mencionado anteriormente, la optimización del área de colector solar requiere de un análisis termo-económico que será realizado utilizando la metodología  LCS (Lyfe Cycle Savings), combinada con el Método P1-P2 (Duffie y Beckman, 1991). El funcional económico que representa las ganancias obtenidas durante el ciclo de vida de un sistema de refrigeración solar por absorción, puede ser encontrado en (Colle y Vidal, 2004).  Los resultados de esta optimización económica son mostrados en la Fig. 10.

Se puede observar que el funcional económico LCS, alcanza un valor máximo para un área óptima de colector solar de 110 m2. Sin embargo, se aprecia que dicha solución óptima se encuentra para un valor negativo de LCS, lo cual se debe principalmente al bajo costo de la electricidad en Chile, que al momento de realizar el presente trabajo era de 0,22 US$/kWh.

5. Conclusiones y Recomendaciones

El principal objetivo de este trabajo fue simular un sistema de refrigeración por absorción asistido por energía solar y gas natural, a través de un modelo computacional que permitiera realizar un proceso de optimización paramétrica en busca del adecuado dimensionamiento del sistema.  Este objetivo fue alcanzado satisfactoriamente, pues con el modelo no solamente fue posible dimensionar algunos parámetros de diseño, sino también dar la posibilidad futura de simular nuevos tamaños y configuraciones.

En la modelación de la demanda de aire acondicionado fue utilizado el módulo TRNBuild de TRNSYS,  lo cual permitió simular en forma dinámica los requerimientos de aire acondicionado de la edificación, en vez de limitarse a admitir ciertos modelos de perfiles de carga con hipótesis simplificadoras encontrados en la literatura.

Los resultados del proceso de optimización paramétrica del sistema de refrigeración de absorción asistido por energía solar, indican que con un área de 110 m2 de colectores de placa plana con una inclinación de 33° y 7 m3 de estanque de almacenamiento se consigue cubrir la demanda de aire acondicionado de una vivienda de 149 m2 localizada en Santiago, maximizando la ganancia de energía útil del sistema y minimizando el consumo de energía auxiliar. Con base en estos resultados, se obtiene una fracción solar promedio de un 70% anual,  para el sistema de refrigración solar por absorción propuesto.

Finalmente, el modelo desarrollado puede ser utilizado en trabajos futuros para realizar una optimización termo-económica del sistema, lo cual permitirá evaluar el desempeño y la viabilidad económica del sistema a largo plazo. Adicionalmente, alternativas diferentes a las examinadas en la presente investigación pueden ser evaluadas, por ejemplo:

· Diferentes tamaños de chiller de absorción.
· Bombas de flujo variable.
· Climas diferentes

 

 

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