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Gas Cooling

 

El renacimiento de la utilización del gas natural como combustible primario en sistemas de HVACR ofrece obtener gran eficiencia energética, lo que conlleva al desarrollo de una solución amigable que favorece la conservación del medioambiente a través de su aplicación en complejos industriales y edificios sustentables

Por Luis Fraustro

La gran oferta que representa la tendencia a extraer gas no asociado en todo el mundo, así como la drástica reducción en emisiones de CO₂, hace del gas natural el energético de transición para los próximos 20 años.

E l sistema de gas cooling es la generación de agua helada a partir de chillers base gas natural no eléctricos; por tanto, podría decirse que las tecnologías tradicionales eléctricas operan bajo el concepto de electric cooling. Si bien la solución gas cooling ha estado presente en la industria HVACR por mucho tiempo, el objetivo de este artículo es explicar con claridad cómo la solución renace en la industria con un gran impacto y alinea la alta rentabilidad y la sustentabilidad con la edificación inteligente.
Las enfriadoras de líquido tipo gas cooling que se encuentran en la mente de los colegas de la industria, en general, son los chillers de absorción. Se diferencia de otras tecnologías de refrigeración por tres principales características: 1) su ciclo de refrigeración está libre de compresores y su consumo eléctrico es casi despreciable, además de que utilizan calor para la generación de frío mediante el proceso de absorción, en el cual se requiere de una sal, usualmente bromuro de litio, y simple agua, que hace las veces de refrigerante (es preciso recordar que a presiones muy bajas se evapora debido al cambio en su punto de ebullición, con lo que se obtiene el efecto de refrigeración); 2) los coeficientes de desempeño (COP, por sus siglas en inglés) varían entre 0.75 para equipos de una etapa y 1.1 por ciento para equipos de dos etapas con generación simultánea de frío y calor, y 3) su generación de agua helada está limitada a 4 °C (39.2 °F): la sal utilizada en el proceso de refrigeración impide operar por debajo de esta temperatura, en cuyo caso se tiene el riesgo de daño mayor al equipo por cristalización.

Tabla 1
TECNOLOGÍAS DE GAS COOLING	TIPO DE CICLO DE REFRIGERACIÓN	COP NOMINAL/COP MÁXIMO/ COP PROMEDIO	TEMPERATURA MÍNIMA DE AGUA HELADA O GLICOLADA
Absorción 1 etapa – vapor	Absorción	0.72 / 0.75 / 0.72	4 °C (39.2 °F)
Absorción 2 etapas – vapor	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Fuego directo	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Multienergía	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Gas-Engine-Driven (GED)	Compresión de Vapor	1.70 / 3.0 / 2.3	-5 °C (23 °F)*
*Existen aplicaciones de refrigeración con amoniaco @ 20 °F (-6.6 °C)

Existe una tecnología adicional de gas cooling muy poco conocida y hasta un tanto olvidada en el mercado de HVACR en México y Latinoamérica: los chillers tipo gas engine driven o GED, cuya principal característica es la generación de agua helada por el ciclo típico de compresión de vapor mediante la energía mecánica transmitida a través de un motor de combustión interna. Se demostrará en este artículo la viabilidad técnico-económica y sustentable de esta tecnología que está marcando una firme tendencia en la construcción y operación eficiente de edificios. A su vez, se redefinirá el concepto de cogeneración y se explicará cómo puede aplicarse desde una planta de agua helada, no necesariamente desde una planta eléctrica. La tabla 1 muestra las diferentes tecnologías de gas cooling con sus eficiencias respectivas.
Por qué utilizar gas natural para sistemas de HVACR
El gas natural es un energético muy conocido y empleado en México. En tiempos no muy lejanos, su utilización dependía de la no disponibilidad de un combustible más barato, sin importar el impacto ecológico que éste tuviese, del requerimiento energético de la tecnología utilizada y, en muy pocas ocasiones, de su beneficio económico. Su costo estaba asociado directamente con el precio del petróleo y su volatilidad resultaba sumamente problemática cada vez que pasaba un huracán y arrasaba con las plataformas marítimas de extracción, o cada vez que había un conflicto bélico o político en algún país líder en su producción.
Hoy en día, la perspectiva hacia el gas natural ha cambiado drásticamente y habrá que entenderlo para aprovechar todos sus beneficios. La extracción de gas no asociado o shale gas, a través de la recientemente inventada tecnología de fractura hidráulica (EUA 2008), ha disparado las reservas mundiales de gas natural por los siguientes 200 años, provocando un desplome récord en sus precios internacionales. La gran oferta que representa la tendencia a extraer gas no asociado en todo el mundo, así como la drástica reducción en emisiones de CO₂ en pro del medioambiente, comparada con el resto de los combustibles fósiles⁽¹⁾, hacen del gas natural el energético de transición para los próximos 20 años, según los especialistas, tiempo en el que, de acuerdo con las estimaciones, tardarían las energías de generación limpia en volverse económicamente viables. Actualmente, se ubica el precio del gas natural entre 4.5 y 5 dólares por millón de BTUs, costo sumamente competitivo contra los eléctricos y los de otros combustibles.
⁽¹⁾ El Panel Intergubernamental de Cambio Climático de las Naciones Unidas (IPCC) ha incluido entre sus recomendaciones incrementar el uso del gas natural como fuente de energía.
Esto representa una gran noticia para la industria de HVAC, así como para los centenares de usuarios que mes con mes enfrentan los constantes incrementos en energía eléctrica, de altos costos de inversión en infraestructura e interconexión eléctrica, de interrupciones y de mala calidad de energía.
La industria y el comercio, principalmente, han reconocido la oportunidad de utilizar el gas natural con visión a corto, mediano y largo plazo, detonando un sinnúmero de proyectos relacionados con su distribución, utilización en generación eléctrica, cambio de equipos base combustóleo o diesel, así como en sistemas electromecánicos, como el aire acondicionado, la calefacción, la refrigeración y el aire comprimido.
Cogeneración a partir del HVAC

Figura 1. Diagrama cogeneración eléctrica-térmica

Figura 2. Diagrama cogeneración mecánica-térmica

El término cogeneración se refiere, en términos prácticos, a la generación simultánea de dos energías útiles (mecánica y/o térmica y/o eléctrica), a partir de una sola fuente de energía primaria. La mayoría de las veces, se emplea combustible en cualquiera de sus formas: gas natural, gas LP, diesel, carbón, combustóleo, biomasa, etcétera.
Hay que identificar dos tipos principales de cogeneración:
1. Cogeneración Eléctrica-Térmica (Figura 1)
2. Cogeneración Mecánica-Térmica (Figura 2)
La primera y más conocida busca aprovechar el calor de rechazo a partir de la generación eléctrica a través de una turbina o un generador eléctrico. Dependiendo de la tecnología de generación, se obtendrá energía eléctrica en una proporción de entre 25 y 42 por ciento, y energía térmica en una proporción de entre 40 y 60 por ciento.
En el segundo tipo de cogeneración, se busca recuperar el mayor calor de rechazo producido por el aprovechamiento de energía mecánica, la cual es generada por la combustión de un motor, en cuyo caso se transmite su energía motriz a un compresor de vapor de refrigerante, tipo tornillo o centrífugo comúnmente. De esta manera, para un chiller GED de 400 toneladas de refrigeración (T.R.), por ejemplo, se pueden producir 960 galones por minuto de agua helada a 6.6 °C (44 °F) y cogenerar, simultáneamente, 60 galones por minuto a 100 °C (212 °F), calor equivalente a una caldera de 30 caballos.

Figura 3. Eficiencia de un chiller GED de 400 T.R., aprovechando el calor de la chaqueta de enfriamiento del motor

Figura 4. Eficiencia de un chiller GED de 400 T.R., aprovechando el calor de la chaqueta y de los gases de escape del motor

En un balance térmico más sencillo, en la figura 3 se muestra cómo se utilizan 3 mil 52 MBtu/h de energía contenida en el gas natural para producir 4 mil 800 MBtu/h de enfriamiento (400 T.R.); adicionalmente, se obtienen 960 MBtu/h como subproducto en forma de calor, resultando un COP nominal de 1.88. La figura 3 representa el balance termodinámico de un chiller GED, con recuperación de calor de la chaqueta de enfriamiento del propio motor de combustión interna; sin embargo, es posible recuperar aún más calor, en caso de ser necesario, de los gases de escape del motor (65 por ciento adicional, aproximadamente), según se muestra en la figura 4, con lo que se maximiza el rendimiento del equipo a un COP de 2.1 nominal.
Se debe recordar que un motor de combustión interna no alcanza su rendimiento óptimo o de mayor eficiencia a carga plena; al poder operar como variador de velocidad a cargas parciales, encontrará su mejor relación entre el consumo de gas y la generación de frío-calor en rangos de operación de entre 50 y 75 por ciento de su carga, los cuales coinciden con la operación promedio en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado; de esta forma, se pueden llegar a alcanzar COP del orden de 2.5 a 3.1.
El agua caliente resultado de la cogeneración de una planta de agua helada con chillers GED no necesariamente sirve para aquellas aplicaciones con carga constante de calor, como es el caso de hospitales y hoteles en donde el aprovechamiento de calor es directo, sino que el agua caliente, al ser energía útil, puede ser empleada en otras aplicaciones donde no hay un requerimiento de calefacción per se. El calor de rechazo de una planta de gas cooling también se puede utilizar para “jugar” con las presiones de vapor de agua en sistemas de absorción, separando el agua o refrigerante del bromuro de litio para completar el ciclo de refrigeración por absorción, de cuyo efecto se obtendrá más agua helada.

Otra aplicación de recuperación de calor, pero utilizada para deshumidificar el aire, se encuentra en la tecnología de Líquido Desecante, con la que se utiliza el calor para deshumidificar y acondicionar el aire de un complejo. En este caso, el calor es requerido para regenerar el cloruro de litio, un agente desecante que, en su saturación de humedad, necesita elevar la presión del vapor de agua mediante la acción de calor para lograr liberar nuevamente dicha humedad y recuperar su capacidad desecante. En la Figura 5, se muestra el proceso del equipo Ducool con sus dos opciones de deshumidificación: eléctrica y térmica.

Figura 6. Opciones de cogeneración mecánica-térmica con chillers GED

Se puede entender el concepto de cogeneración a partir de una planta de agua helada tipo gas cooling, cuyo calor de rechazo se puede utilizar en tres principales aplicaciones:
1.  Generación adicional de agua helada con chillers de absorción de agua caliente
2.  Deshumidificación y acondicionamiento de espacios con sistemas desecantes líquidos o sólidos (ruedas y cubos entálpicos)
3.  Ahorro de combustible o electricidad precalentando agua

Figura 7. Diagrama de chiller GED con recuperación de calor

Atributos técnicos de chillers GED
Un chiller GED utiliza el mismo ciclo de refrigeración de cualquier chiller eléctrico, con la importante excepción de que, en lugar de utilizar un motor eléctrico para hacer girar un compresor de vapor de refrigerante, utiliza un motor de combustión interna tipo reciprocante o de pistón (ver Figura 7), diseñado especialmente para operar con gas natural. Los más empleados en el mercado de HVAC utilizan un compresor tipo tornillo y operan con refrigerante R-134a. Sus capacidades oscilan en un rango de 150 y 400 T.R., y son enfriados por agua; pueden alcanzar un COP de hasta 3.0 cuando se utiliza el 100 por ciento del calor de rechazo para cogenerar (ver Tabla 2 para especificaciones por capacidad de equipo y sus parámetros de operación).

Tabla 2. Especificaciones técnicas chillers GED Tecogen
SERIE		STX			DTx
MODELO	CH-150X		CH-200X	CH-300X	CH-350X	CH-400x
Eficiencia
Capacidad (T.R.)	150		200	300	350	400
Número de compresores	1		1	2	2	2
IPLV COP	2.6		2.6	2.6	2.6	2.6
COP a carga plena	1.7		1.6	1.7	1.7	1.6
COP con recuperación de calor	2.1		1.9	2	2	1.9
Consumo de gas (Mbtu/h)	1032		1526	2157	2529	2052
Calor de recuperación de chaqueta de motor (Mbtu/h)	323		480	720	840	960
Calor de recuperación con gases de escape (Mbtu/h)	517		768	1152	1344	1536
Presión de gas (in W.C)	7.-28		13-28	7.-28	13-28	13-28
Requerimiento eléctrico
Acometida eléctrica				208-230/1/60
Amperaje		30			40
Potencia requerida para arranque (kW)		2.2			2.7
Niveles de ruido
Sin cubierta acústica (dBa @ 3 ft)	85		89	88	87	92
Con cubierta acústica (dBa @ 3 ft)	92		96	95	96	99
Dimensiones y peso
Largo		13’10’’			14’3’’
Ancho		4’4’’			7’0’’
Alto		6’9’’			7’7’’
Peso de embarque (lb)		10,450			24,675
Peso de operación (lb)		11,250			28,175

El diseño e instalación de una planta de agua helada de gas cooling con chillers GED es prácticamente idéntica a la de una planta de agua helada con chillers eléctricos, como se puede apreciar en la figura 7, con la salvedad de que se puede diseñar un subsistema de recuperación de calor para aprovechar al máximo la energía de rechazo del sistema.
Un factor importante en la producción de agua helada con chillers GED es la presión de gas para operar el equipo, pues prácticamente requiere la misma presión que la estufa de un hogar (hasta 250 milibares: 0.25 kgf/cm²), lo que hace muy versátil y económica su instalación, así como muy segura su operación, comparado con otros sistemas que requieren una presión de al menos 7 kgf/cm² para operar, como es el caso de las turbinas eléctricas.
Una característica de interés para cualquier tipo de inmueble es que el complejo no tiene que lidiar más con arranques eléctricos y cargas eléctricas variables, ya que se aumenta la calidad eléctrica, maximizando el factor de potencia de todo el sistema eléctrico, al tiempo que se genera agua helada con suma eficiencia.
LEED y ventajas ambientales
Respecto del medioambiente, un chiller GED base gas natural puede ser un gran aliado para la reducción de la huella de carbono en la mayoría de los países latinoamericanos. En México, por ejemplo, más de 50 por ciento de la energía eléctrica se genera de manera ineficiente con combustibles fósiles muy sucios, como el carbón o el combustóleo. El gas natural produce dos veces menos emisiones de CO² que el carbón y 2.5 veces menos que el combustóleo, por lo que un complejo que genere su agua helada con chillers GED estará contribuyendo a la reducción de gases de efecto invernadero.

Tabla 3. Emisiones de chillers GED base gas natural
	Nivel 1 sin catalizador [g/bhp-h]	Nivel 2 con catalizador [g/bhp-h]
NOx	1.5	0. 1.5
CO	1.5	0.60
NMHC	1.5	0.15

En la Tabla 3, se pueden observar los dos niveles de emisión de gases de combustión; la marca de chillers GED Tecogen cuenta con dos niveles de emisión de gases, con y sin control de emisiones.
En lo referente a proyectos LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), del USGBC, la tecnología de HVAC GED base gas natural puede aportar muchos puntos en aras de obtener la certificación LEED más alta. Las tecnologías base gas natural ofrecen tres grandes beneficios energéticos y ambientales:
1. Operan con energía más limpia que la recibida por el suministro eléctrico nacional (México)
2. Alta eficiencia operativa y alta recuperación de calor útil (cogeneración mecánica-térmica)
3. Refrigerante ecológico libre de cloro (R-134a)
Además, se complementa perfectamente con otras tecnologías innovadoras de HVACR para maximizar la eficiencia, no sólo energética, sino operacional, e inclusive se maximiza la eficiencia de edificación de un complejo. En sistemas que utilizan vigas frías, por ejemplo, en donde el control de la humedad es determinante para el correcto funcionamiento del sistema, es posible deshumidificar el aire de retorno o de renovación con la tecnología desecante líquido Ducool de Advantix Systems, la cual inclusive purifica el aire a una equivalencia MERV 8 y abate simultáneamente la carga latente y sensible. De manera que, a partir de la recuperación de calor, se abate carga sensible (aire acondicionado), latente (deshumidificación) y se purifica el aire (calidad de aire), todo al mismo tiempo. La combinación de estas tres tecnologías es sin duda uno de los sistemas de HVAC más eficientes del mercado actual.
Para cualquier proyecto LEED, en combinación con otras tecnologías de aprovechamiento de calor residual y distribución de aire aplicados a los diferentes estándares, se pueden alcanzar hasta 25 puntos en las siguientes categorías:

• Energía y atmósfera
• Innovación tecnológica
• Calidad de Ambiente Interior
• Eficiencia de agua

Impacto del sistema HVAC tradicional en el sistema eléctrico
Por increíble que parezca, en la gran mayoría de los proyectos de edificios nuevos o en remodelación, pocas veces se integra dentro de la comparativa de tecnologías de HVAC el impacto que tienen en otros sistemas operativos del complejo, principalmente en la partida eléctrica. Por lo general, no hay sistema dentro de un complejo comercial que impacte más en los costos iniciales y operativos que el aire acondicionado. Es tal su impacto en la partida eléctrica, que la mayoría de los inmuebles dedican una o dos subestaciones sólo a este sistema, e integran el resto de los sistemas que utilizan electricidad en una subestación aparte, la cual suele tener menos de la mitad de tamaño que la del aire acondicionado.
En la medida en que se controlen las cargas eléctricas de un inmueble a través de la reducción de compresores eléctricos, también se estará optimizando sustancialmente la calidad eléctrica del complejo. Los arranques de los compresores eléctricos del aire acondicionado suelen ser los principales causantes de los picos de demanda, distorsiones y ruido eléctrico, armónicas, variaciones en la frecuencia y voltaje en un inmueble.
Por otro lado, ante el evento de una interrupción eléctrica por fallas en el suministro o por catástrofes naturales, son muy pocos los complejos y aplicaciones en los que se invierte en una planta de emergencia para energizar el sistema de aire acondicionado ante falla eléctrica, por lo que el AA queda fuera de operación, sacrificando el confort de las personas. Los chillers con motores de combustión interna pueden ser una gran solución para un sinnúmero de aplicaciones que demandan aire acondicionado ininterrumpidamente, como hoteles, hospitales, data centers, laboratorios, centros de convenciones, auditorios, oficinas corporativas, cines, plantas de procesos industriales, de procesos de deshumidificación, entre otros.

Figura 8. Impacto del AA en el sistema eléctrico de un complejo

Como se observa en la figura 8, solamente los compresores eléctricos de un equipo tradicional pueden llegar a representar hasta 50 por ciento de la carga eléctrica total de un complejo y, por ende, la misma proporción en los costos totales de instalación e interconexión eléctrica. Entonces, ¿Cuántas veces como contratistas, diseñadores o consultores se hace el análisis completo y se evalúa el impacto neto del aire acondicionado sobre los costos de inversión y operativos del sistema eléctrico? La mayoría de las veces ni el contratista ni el ingeniero eléctrico suelen tener experiencia en HVAC para detallar acertadamente sobre el impacto de las diferentes propuestas en los tiempos en los que requeriría un proyecto tradicional, ni el contratista o diseñador de HVAC se encuentra en condiciones de dimensionar realmente cuánto podría estar cargando la partida eléctrica en toda su conformación, dada la tecnología que recomienda (contrato por kVA, acometida eléctrica, subestaciones, interruptores, cableado, etcétera). Esta información “se pierde” en las diferentes fases de la mayoría de los proyectos y comúnmente nadie se cuestiona los sobrecostos ocultos.
El primer paso como expertos en HVAC e inexpertos eléctricos es comprender claramente cómo y dónde repercute el diseño en los costos eléctricos del complejo. Es fácil anticipar que puede haber sistemas de HVAC que aparentemente tienen un costo-beneficio muy atractivo en inversión inicial y eficiencia; sin embargo, al evaluar su impacto en los costos eléctricos de todo el complejo, podría haber una alteración negativa en la concepción del costo-beneficio e inclusive se podrían reevaluar otras alternativas de HVAC que originalmente parecían ser más costosas. Por lo general, un complejo comercial o industrial debe considerar los siguientes costos antes y durante su construcción:
1.         Aportación por subestación reductora (costo por kVA contratado)
2.         Contrato con CFE (acometida eléctrica)
3.         Transformador y cableado secundario
4.         Interruptores termomagnéticos
5.         Instalación eléctrica de alimentación para equipos (cableado, canalización, alimentador)
Los costos totales eléctricos relacionados con el sistema de aire acondicionado para cualquier inmueble pueden variar, dependiendo de su ubicación; sin embargo, la proporción que tiene este sistema respecto de los costos totales eléctricos por lo general se cumple. Se puede observar en la tabla 4 que, usualmente, hay una correlación inversamente proporcional entre la eficiencia de una tecnología eléctrica y su impacto en el costo eléctrico de un complejo; es decir, entre más eficiente sea la tecnología, menos impacto tendrá en los costos totales asociados con su energización. Otro punto importante por destacar en los sistemas de HVAC eléctricos es que no importa su eficiencia promedio o a cargas parciales: la instalación eléctrica siempre considera que el equipo opera a plena carga, por lo que, de entrada, se tiene una porción de “inversión pasiva”, que es vista como algo obligado y que el mercado se ha acostumbrado a restarle importancia; sin embargo, ahora se puede comprender que la inversión pasiva es muy costosa realmente.

Tabla 4. Impacto económico en el sistema eléctrico de un complejo por tecnología de AA
Tecnología eléctrica de HVAC	eficiencia ARI (kW/T.R)	Eficiencia promedio IPLV (kW/T.R.)	Impacto en kVA equivalentes (kVA/T.R.)	Proporción promedio de costo total eléctrico	Costo promedio en impacto eléctrico (USD/KVA)*
Chillers enfriados por agua con variador de frecuencia	0.56	0.45	0.62	30%	$470
Chillers enfriados por aire	1.25	1	1.39	35%	$550
Water-source heat-pumps	1.1	0.9	1.22	60%	$940
Variable Refrigerant Flow, enfriado por aire	1.2	0.85	1.33	45%	$705
* Incluye impacto sólo en compresores de costo por kVA: alimentación eléctrica a equipos (incluye alimentador principal, tubería y cableado), aportación a Comisión por subestación reductora, contrato CFE para infraestructura de suministro, costos asociados a transformadores y cableado secundario e interruptores magnéticos.

Es evidente que evaluar una tecnología sólo por su inversión específica y su proyección en costos operativos con base en su eficiencia no es suficiente; habrá que evaluar cómo está impactando cada alternativa tecnológica en su total magnitud. Un sistema water-source heat-pump, que en apariencia es muy económico en inversión inicial comparado con el resto de las alternativas, tiene un gran impacto en los costos eléctricos asociados, encareciéndolo sustancialmente; por el contrario, un sistema de muy alta eficiencia, como una planta de chillers centrífugos con variadores de frecuencia, podría descartarse de inmediato por el dueño de un edificio si sólo evalúa su inversión sin considerar los costos eléctricos de otras tecnologías; no obstante, es, por mucho, más eficiente y seguramente más rentable. Entonces, se ingresa en el tema de la rentabilidad de un sistema de HVAC y cómo repercute directamente en la rentabilidad de un edificio entero, lo cual se complementará a continuación mediante un ejercicio completo de costos de utilización y retornos de inversión.
Análisis de rentabilidad: gas cooling vs. electric cooling
Una de las mejores herramientas para determinar la rentabilidad de un sistema de HVAC es el análisis de costos de utilización, el cual considera tanto la inversión inicial del sistema llave en mano, así como los costos operacionales totales asociados con dicha tecnología durante todo su ciclo de vida útil, como costos de energía de todo el sistema, costos de mantenimiento y operativos, costos de refacciones y correctivos mayores, costos de agua y químicos para sistemas enfriados por agua, etcétera. La inversión inicial de cualquier sistema de HVAC suele representar usualmente entre 5 y 10 por ciento del costo de utilización (inversión inicial más costo operativo en su ciclo de vida útil); entre mayor sea este porcentaje, mayor rentabilidad se obtendrá de la tecnología adquirida. En una gráfica de línea, es posible ver el tiempo exacto en el que se cruza cada tecnología; dichos cruces representan el tiempo de retorno entre tecnología y tecnología. Para determinar los consumos de cada tecnología de HVAC es preciso contar con un software certificado ARI o ASHRAE.
A continuación, se realiza un ejercicio típico a manera de análisis para conocer los beneficios financieros de la tecnología de chillers GED en el mercado mexicano, comparándola con los cuatro sistemas más representativos de AA: chillers centrífugos magenéticos enfriados por agua (lo más eficiente en tecnología eléctrica), tornillos enfriados por aire a velocidad constante (usualmente los más baratos de instalar), flujo de refrigerante variable (VRF) y water-source heat-pump (WSHP). Los datos de entrada están dados en la tabla 5; se considerará un edificio vertical, con horario operacional de 24/7 y que demanda térmicamente tanto agua helada para aire acondicionado, como caliente para baños, calefacción, piscinas, etcétera. Se consideran tarifas actuales en energía, así como sus inflaciones estimadas, y se utiliza el software de análisis de sistemas HVAC YorkCalc como herramienta de cálculo de consumos energéticos de cada alternativa, en cuya configuración se predeterminan los algoritmos para cálculo de eficiencia y desempeño de cada tecnología a cargas parciales, así como la curva de operación del sistema de HVAC para la Ciudad de México. Resaltado en rojo, se trata de enfatizar una desventaja dada en los parámetros de cada alternativa. Cabe destacar que este análisis es exclusivo y dedicado para la aplicación específica y la ubicación geográfica del edificio en cuestión, así como para variables económicas exclusivas de México. Para cada proyecto, se deben contemplar variables específicas y hacer un “traje a la medida”, por lo que los resultados no deben generalizarse para todos los proyectos y aplicaciones.
Para efectos prácticos, se determinan los costos paramétricos por partida, ya que no se cuenta con un proyecto a detalle. Los valores paramétricos están dados según las referencias de la industria de HVAC en México, considerando para el caso del sistema de aire acondicionado un sistema de distribución de aire convencional con UMA y fan & coils en las alternativas de agua helada, así como los costos promedios relacionados con los sistemas eléctricos, según la configuración electromecánica de cada alternativa.
En importante destacar que los costos por tonelada de refrigeración con los que se está familiarizado se alteran dramáticamente al considerar los costos asociados con el impacto en sistemas eléctricos, así como en sistema de calderas, contemplando para el caso exclusivo de gas cooling la recuperación de calor y el ahorro en inversión de calderas (la recuperación de calor en sistemas electric cooling operando en la Ciudad de México es muy ineficiente y poco rentable por la alta variación de carga en el sistema primario de AA, por lo que no se consideran para no afectar dichas tecnologías). Un ejemplo notable son los sistemas tipo water-source heat-pump, en los que el precio por tonelada de refrigeración resulta atractivo en principio ($2,050 USD/T.R.); pero, al añadir la partida eléctrica y de calderas, su precio por tonelada de refrigeración se dispara 70 por ciento aproximadamente ($3,560 USD/T.R.).
Resultados y conclusiones
Si al dueño de un edificio se le dijera que su sistema de HVAC de 1 mil T.R. le va a costar 50 millones de dólares, seguramente consideraría la propuesta un robo; sin embargo, en términos de Valor Presente Neto (VPN), realmente es lo que se instala y vende diariamente en este mercado. Es claro que hay otros factores de presupuestos y flujos de dinero que seguramente ponderarán a favor o en contra de cualquiera de las alternativas. Al final, el dueño del edificio deberá decidir entre invertir en un sobreprecio en los primeros 2 o 3 años en la inversión de su sistema, o pagar un sobrecosto financiero (llamado pérdida en la tabla 6), durante la vida útil de un sistema más económico.
Los resultados saltan a la vista en la tabla 6, donde se aprecia que para un edificio que considera la tecnología de gas cooling con chillers GED desde su etapa de diseño se puede encontrar una rentabilidad envidiable a lo largo de toda su operación. Se observa que no todo es miel sobre hojuelas, pues los parámetros en rojo marcan los puntos en contra de esta tecnología. Los beneficios se pagan en la inversión inicial, así como en los costos operativos de mantenimiento, correctivos mayores, consumo de agua y químicos. No obstante, estos sobrecostos resultan financieramente irrelevantes, dada la gran rentabilidad en consumo energético. Por otro lado, se debe evaluar siempre en la sobreinversión de un sistema de alta rentabilidad cuál es la diferencia neta entre ella y el futuro sobreahorro. En el ejercicio, si se compara la inversión inicial más económica con la solución de gas cooling, se observa que ésta requiere una sobre-inversión de 569 mil dólares; sin embargo, su ahorro neto en los primeros 10 años es de 5 millones 990 mil dólares, y de 45 millones de dólares al término de la vida útil del sistema; en otras palabras, se observa una escala de 80 a 1 en el costo total de vida útil de los equipos.
En el caso de las alternativas eléctricas, se debe reconocer un gran desempeño de los chillers magnéticos con variador de frecuencia, que es la tecnología que seguiría en rentabilidad, separándose ampliamente de los demás sistemas. Por último, se confirma el valor de cada tecnología al comparar su costo de adquisición contra el costo de utilización, valor que refleja el balance entre lo comprado y su impacto operacional futuro.