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jueves, 14 de febrero de 2013

Edificios de alto desempeño

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Edificios de alto desempeño

 

La adopción del concepto “edificio de alto desempeño” puede reducir los gastos energéticos y de operación entre 20 y 50 por ciento a lo largo del ciclo de vida de un edificio, que, por lo general, es de 50 a 75 años. Los edificios de alto desempeño utilizan menos recursos, tienen un menor impacto ambiental y ofrecen un mejor lugar para trabajar, visitar y vivir.
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Los conceptos de construcción de alto desempeño crean un ambiente seguro, cómodo y eficaz que permite a ocupantes ser más productivos.
El concepto “edificio de alto desempeño” (HPB, por sus siglas en inglés) ha estado presente desde la década de 1990. Dos décadas después, los principios de alto desempeño se aplican en todo tipo de estructuras, como edificios para hospitales, hoteles, centros de transportación, plantas industriales, edificios históricos, gubernamentales y otro tipo de instalaciones.
En la actualidad, los propietarios de edificios y los operadores han comenzado a adoptar tecnologías de alto desempeño y prácticas de construcción que ahorran energía, reducen los costos operativos y mejoran la relación con el ambiente. Los conceptos de construcción de alto desempeño crean, además, un ambiente seguro, cómodo y eficaz que permite a los ocupantes del edificio ser más productivos y ayuda a las organizaciones a lograr sus objetivos de negocio.
Estudios han demostrado que los edificios de alto desempeño utilizan menos recursos, tienen un menor impacto ambiental y ofrecen un mejor lugar para trabajar, visitar y vivir. Además, este tipo de edificios tienden a tener mejores tasas de ocupación, así como un valor más alto que otros de su mismo tipo en el mismo mercado inmobiliario.
En este sentido, es lógico que cada vez se estén diseñando más edificios nuevos para mejorar su desempeño en dimensiones como la eficiencia energética y de agua, el impacto ambiental y la seguridad de servicio. Mientras tanto, los propietarios y operadores de edificios ya existentes están utilizando nuevas tecnologías y prácticas para convertir sus instalaciones más viejas en edificios de alto desempeño.
En México, particularmente, se está iniciando una fase de documentación y medición de los sistemas de alto desempeño; sin embargo, desde hace años ha habido herramientas disponibles y sistemas instalados en diferentes mercados, como el industrial y el comercial, que son los que muestran mayor conciencia por el desarrollo de proyectos de alto desempeño.
Enfoque sobre los costos del ciclo de vida total
El proceso para diseñar y construir un edificio de alto desempeño representa una fracción pequeña –entre 5 y 10 por ciento– de los costos del ciclo de vida total de una típica construcción, de acuerdo con el National Institute of Building Sciences (NIBS) y la International Facilities Management Association (IFMA).

Los costos de adquisición, renovación y disposición oscilan típicamente entre 5 y 35 por ciento de los costos del ciclo de vida. La operación de un edificio a lo largo de extensas décadas de vida habitada cuenta con la mayor proporción hasta el momento, representando entre 60 y 85 por ciento de los ciclos de vida totales.
Por ello, es importante tener en cuenta todos los costos, no sólo los iniciales, cuando se busca la manera de maximizar el retorno de la enorme inversión pública y privada que las empresas hacen en los edificios, y que son cruciales para el logro de su misión.
De hecho, el costo adicional de la construcción de una escuela perfectamente funcional de alto desempeño o un edificio de oficinas es relativamente pequeño y, en muchos casos, puede que no haya costo de construcción adicional. En nuestro país, por ejemplo, existen algunos casos en los que se ha conseguido un retorno de inversión (ROI, por sus siglas en inglés) de dos años, lo cual es muy bueno, pues a partir del segundo año todo es positivo; sin embargo, cada edificio requiere de un estudio particular y una auditoría energética.
Estos ahorros permiten a las organizaciones reducir su energía, operación y el mantenimiento de sus presupuestos, así como la redistribución de sus recursos financieros, cada vez más escasos, a otras prioridades que benefician directamente a los grupos de interés.
Alto desempeño de por vida
Es un hecho que un servicio eficaz y una estrategia de mantenimiento son esenciales para establecer y mantener altos estándares de desempeño a través de una vida útil del edificio ocupado, que puede llegar hasta 50, 75 o incluso una mayor cantidad de años. En este sentido, las innovaciones y cambios del juego están alterando la forma en que los diseñadores de edificios, los administradores, los propietarios y los proveedores de servicios de energía conciben su trabajo para mantener los sistemas del edificio en funcionamiento efectivo y durante un largo plazo de operación.

Los enfoques de servicio y mantenimiento más efectivos son integrales, basados en tecnología y conocimiento, centrados en algo que va más allá de reparar fallas, con mantenimiento predictivo y estrategias basadas en tareas. La oferta de servicios que apoyan toda la gama de edificios de alto rendimiento utiliza procesos robustos y probados, modelos informáticos, pruebas de diagnóstico, tecnologías predictivas y otras técnicas más avanzadas.
Un servicio eficaz y una estrategia de mantenimiento contribuyen significativamente a la consecución de un mejor desempeño de la construcción en su clase. Mejorar la eficiencia reduce los costos del ciclo de vida, por lo que una organización puede invertir en otras prioridades. En última instancia, un edificio de alto desempeño se convierte en un activo estratégico que ayuda a la organización a cumplir su misión primaria, y se paga muchas veces por sí mismo durante su vida de utilización.
Qué es un edificio de alto desempeño
Los edificios de alto desempeño (HPB, por sus siglas en inglés) son los que cumplen con las normas específicas para uso de energía y agua, tiempo de funcionamiento, cumplimiento ambiental, así como la seguridad y confort de los ocupantes. Este tipo de edificios ayuda a los propietarios y ocupantes a ser más productivos para alcanzar sus misiones empresariales, mediante el uso de diseños y estándares de operación creados, medidos y validados para ofrecer resultados establecidos en de tolerancias específicas.

Ante nuevas regulaciones ambientales para la reducción de gases de efecto invernadero, representantes de Gobierno, académicos, asociaciones de la industria y el sector privado buscan estar alineados con la Nueva Ley General de Cambio Climático, aumentando la eficiencia energética y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Es importante aclarar que: •  Los edificios de alto desempeño tienen normas que se crean, miden y validan continuamente para obtener resultados específicos establecidos dentro de las tolerancias •  Las normas se establecen regularmente para el consumo de energía y agua, la confiabilidad del sistema, el cumplimiento ambiental, la calidad del aire interior y la salud; la seguridad y el confort del ocupante. Además, éstas deben establecer las prioridades de acuerdo con la misión principal de la organización y los factores clave de éxito en mente •   Las normas deben ser suficientemente altas, de manera que el edificio se encuentre entre el mejor desempeño de los edificios de su clase, en comparación con las normas establecidas y puntos de referencia
Aspectos principales
Mientras que la eficiencia energética y las buenas prácticas ambientales son características de los edificios de alto desempeño, es importante reconocer la distinción entre los HPB con programas tales como Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED, por sus siglas en inglés), desarrollado por el Green Building Council de los Estados Unidos (USGBC), y el programa Energy Star, patrocinado por el Departamento de Energía (DOE, por sus siglas en inglés) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés), ambas de EUA.

El LEED es un sistema de verificación de terceros respetado internacionalmente. Como su nombre lo indica, se centra en las prioridades de energía y medioambiente, la medición de la construcción y el rendimiento a lo largo de cinco dimensiones: el desarrollo sostenible del lugar, el uso del agua, la eficiencia energética, los materiales y recursos utilizados, y la calidad del aire interior. De acuerdo con el Green Building Council, alrededor de 3 por ciento de todos los nuevos proyectos de construcción han solicitado ser considerados para la certificación LEED.
Por otro lado, Energy Star es un programa, respaldado por el Gobierno de EUA, que ayuda a las empresas y los consumidores a elegir productos y prácticas eficientemente energéticas. Energy Star comenzó en la década de 1990, como un programa voluntario de etiquetado de producto. Hoy en día, ofrece guías y recomendaciones para el uso de energía en hogares, edificios y productos.
El concepto de los edificios de alto desempeño incorpora elementos de ambos programas; sin embargo, el concepto va mucho más allá de la energía y los parámetros ambientales que definen estos dos programas de gran éxito. Abarca todos los principales atributos de los edificios de alto desempeño, incluyendo la eficiencia energética, la durabilidad, el ciclo de vida y la productividad de los ocupantes.
Es posible decir que un edificio de alto desempeño que está específicamente diseñado, bien construido y operado puede ser uno de los activos más valiosos de una organización, capaz de hacer una contribución significativa a la eficacia y la eficiencia de las personas dentro de él.
Sistemas HVAC para edificios de alto desempeño
Una búsqueda de las palabras “edificios de alto desempeño” en internet muestra más de 10 millones de resultados, incluyendo información útil sobre el tema, referenciada por gobiernos, universidades, industrias y otras fuentes. Pero la construcción de un modelo de negocio convincente para un enfoque de edificios de alto desempeño, con una estructura nueva o existente, requiere la recolección y análisis de los datos específicos del proyecto.

Tipo de edificio Categoría Costo de fallas
Centro escolar Salud y bienestar Costos totales por un día de  invierno ante la falla de sistemas HVAC (salarios de profesores, ingresos por asistencia de estudiantes, costo de transporte, etc.)
Instalación industrial Fiabilidad y tiempo de actividad Costos totales por cierre de una hora en una línea de ensamble (salarios de los trabajadores, incumplimiento de plazos, costos de reanudación, etc.)
Centro comercial Fiabilidad y tiempo de funcionamiento El costo total por hora de cierre de  tienda (pérdida de ingresos, salarios de los empleados, pérdida de clientes, lealtad, etc.)
Edificio de Gobierno Salud y bienestar El costo total por hora del  ausentismo de los empleados debido a la mala calidad del aire interior (salarios de empleados, pérdida de productividad, riesgo de daño a la reputación, etc.)
Tabla 1
Para comenzar a construir un modelo de negocio, se debe identificar lo que es más importante para el éxito de la organización. Es preciso tener en cuenta factores como servicio al cliente, producto o calidad del servicio, productividad del empleado, estudiante o maestro; volumen de producción y otros factores. Se debe considerar cómo un edificio de alto desempeño afecta la capacidad de la organización para tener éxito en cada categoría identificada. Por ejemplo, el impacto financiero de una falla mecánica u otro tipo de problema que irrumpa en las operaciones normales de los sistemas HVAC puede resultar en lo que se expresa en la tabla 1.
Con esta información de cada uno de los factores críticos para el éxito de la organización, los administradores y profesionales de las instalaciones pueden trabajar con expertos experimentados para determinar cómo justificar los costos iniciales ligeramente más altos, asociados a un proyecto de construcción de alto desempeño en un edificio nuevo o existente.
Auditoría de los sistemas de construcción crítica
Una auditoría de los sistemas críticos (CSA, por sus siglas en inglés) es una herramienta valiosa para determinar el nivel actual de rendimiento de los sistemas de construcción críticos, como climatización, agua, luz, electricidad, controles mecánicos y de instrumentación. Se puede contratar a un tercero para ayudar con un CSA a fondo o se puede elegir al personal interno calificado para llevar a cabo una autoevaluación.

Hoy en día los sistemas avanzados de automatización de edificios ofrecen una amplia gama de capacidades, incluyendo una red habilitada para cuadros de mando que facilitan más que nunca al equipo de auditoría la recolección, acceso y la utilización de información pertinente para analizar el rendimiento de los sistemas de construcción.
Las nuevas tecnologías de modelado predictivo permiten comparar el sistema operativo y las características de los componentes con la información agregada de muchos sistemas similares para evaluar su rendimiento. Otras innovaciones permiten a los técnicos buscar más allá de los componentes de HVAC, descubrir problemas potenciales y predecir cuándo se producirá un error en los componentes y con mayor precisión que nunca.
Automatizar la detección de fallas y diagnósticos (FDD, por sus siglas en inglés) en los sistemas de HVAC es otro cambio potencial en el juego de tecnología. La FDD puede detectar y reportar fallas significativas en el tratamiento de aire, sistemas de agua helada, calderas, torres de refrigeración y otros componentes críticos de HVAC para ayudar a encontrar y aislar los problemas en los que actualmente se desperdicia energía, a la vez que proporciona advertencias de posibles fallas.
La autoevaluación o resultados de la auditoría proporcionan una imagen clara de la información sobre la salud y la condición física de la construcción en general, que se puede utilizar para desarrollar un edificio de alto desempeño a partir de la proyección de datos precisos y específicos.
Para un edificio existente, es importante conocer los costos actuales de operación y compararlos con los costos proyectados por operar un edificio de alto desempeño más eficiente. Una compañía de servicios de energía puede ayudar a analizar el uso de ésta durante un período de varios años.
El Green Building Council estima que los edificios de alto desempeño son entre 20 y 50 por ciento más eficientes energéticamente que los edificios convencionales. En el caso de un edificio existente, un especialista en ingeniería de energía puede proporcionar mayor precisión mediante la comparación de las estimaciones de una estructura particular con los puntos de referencia estándares de la industria.
La disponibilidad de esta información y el uso de herramientas de análisis de energía permitirán a los operadores comparar los perfiles de rendimiento energético de su edificio con el promedio de la industria y el mejor desempeño en su clase para edificios comparables. La gráfica 1 muestra el uso real de energía de un edificio en particular, en comparación con el promedio de la industria de los tipos de edificios similares y una instalación de primera clase.
Diseño de herramientas
La eficiencia energética es un objetivo básico de los edificios de alto desempeño. En cada etapa del ciclo de vida de construcción, las tecnologías están disponibles para ayudar en el diseño y construcción de equipos de administración para lograr la mayor eficiencia posible.

El modelo de energía y el análisis de herramientas proporcionan un análisis detallado y preciso de los impactos energéticos y económicos de las características de construcción. Las últimas herramientas de análisis y modelado usan algoritmos sofisticados para rastrear con precisión las demandas más complejas de los proyectos de construcción.
El diseñador del edificio o el ingeniero de energía utilizan el programa de modelado para desarrollar un modelo virtual del edificio. El software analiza las diversas zonas y sistemas para simular patrones de consumo de energía del edificio y, a continuación, crea una imagen total del consumo energético, incluyendo un desglose del consumo por tipo de combustible, tarea y componente de la construcción.
Las herramientas avanzadas de modelos energéticos incorporan, hasta el día de hoy, los códigos de energía y recomendaciones incluidas en la Sociedad de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés). Las últimas aplicaciones también tienen la flexibilidad de manejar los datos para la construcción de sistemas en distintas etapas del ciclo de vida del edificio.
Tecnologías para edificios de alto desempeño
Los avances en las tecnologías de climatización han mejorado en gran medida la comodidad y la flexibilidad en los edificios, disminuyendo su consumo energético. Por ejemplo, la eficiencia de los enfriadores ha mejorado dramáticamente en la última década.

Las tecnologías HVAC también ayudan a ganar puntos LEED que se otorgan para las estrategias como capacidad de control de sistemas del edificio y la comodidad térmica. Las siguientes tecnologías de energías renovables son cada vez más rentables, siendo soluciones viables para muchos tipos de proyectos de construcción:
1. Solar fotovoltaica. Es la tecnología más accesible y eficaz entre la variedad más amplia de aplicaciones de la actualidad. Se trata de una fuente de energía limpia que captura la energía del Sol para generar electricidad.
La integración de paneles fotovoltaicos en los edificios es uno de los segmentos de mayor crecimiento de la industria solar. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés) lleva a cabo investigaciones sobre la integración de paneles fotovoltaicos en los edificios para mejorar la estética y la fiabilidad del sistema, al igual que para reducir los costos y pérdidas de servicios públicos de transmisión.
2. Geotérmica. Es un recurso limpio y renovable que utiliza el calor del interior de la Tierra. Hoy en día, esta tecnología avanza y el conocimiento de aplicaciones de geotermia es una solución altamente eficiente para edificios modernos; además, se ha vuelto más eficiente debido al bombeo mejorado y tecnologías de HVAC.
3. Cogeneración. Llamada también “calor y energía combinados” (CHP, por sus siglas en inglés), implica la generación simultánea de dos formas de energía: calor y electricidad, en una sola. Las plantas de electricidad típicas pierden una gran parte de la energía disponible en forma de calor, y la CHP capta este exceso, incrementando en gran medida la capacidad de potencia.
Las tecnologías de cogeneración, adecuadas especialmente para edificios de gran altura y grandes complejos de departamentos, son utilizadas ampliamente en los países europeos y ahora se están afianzando en América con el fin de disminuir los crecientes costos de energía y ayudar en la creación de edificios sostenibles.
4. Soluciones de almacenamiento de hielo. Son cada vez más utilizadas para diversos tipos de proyectos de edificios, incluso en las zonas urbanas. El sistema produce hielo o agua fría en la noche, durante las horas en que utilizar la energía es más barato, y aprovecha el derretimiento de ese hielo para poder generar el aire fresco durante las horas de mayor actividad. Las soluciones de almacenamiento de hielo son igual de eficientes y competitivas que los sistemas convencionales de aire acondicionado.
Operación y mantenimiento
Las tecnologías para el mantenimiento preventivo y predictivo han recorrido un largo camino para solucionar los posibles problemas e ineficiencias, así como recopilar datos sobre tendencias. Las siguientes tecnologías de diagnóstico y de prueba son ahora muy asequibles y accesibles:

Termografía infrarroja. Crea imágenes que muestran las variaciones de temperatura de la superficie de los objetos. Detecta condiciones o factores de estrés que potencialmente pueden afectar la funcionalidad de componentes. Esto hace que sea posible diagnosticar problemas, como las restricciones de tubos, tuberías, bloqueos de fricción excesiva, el aire y los patrones de descarga de agua.
Análisis ultrasónicos. Permiten identificar problemas relacionados con el desgaste de los componentes, así como con fugas de líquido, fugas de vacío y fallas en trampa de vapor. El ultrasonido es una tecnología simple y de bajo costo que proporciona información de diagnóstico muy útil en equipos, como calderas, condensadores, intercambiadores de calor, tuberías, válvulas, ventiladores, compresores, bombas y mucho más.
Transductores de vibración. Permiten detectar la rugosidad o la suavidad de una máquina que está funcionando, por lo que el técnico puede evaluar el estado de la máquina. El monitoreo de la vibración y el análisis ayudan al técnico a diagnosticar problemas en la rotación del equipo, como una mala alineación, inestabilidad mecánica o puntos débiles.
Logro de un desempeño superior
Las tecnologías que hacen posibles los edificios de alto desempeño han avanzado de manera espectacular en las últimas décadas. Enfocadas en costos, eficiencia energética y sostenibilidad, se han vuelto una forma de vida de las personas involucradas en diseño, construcción y operación de edificios.

El verdadero potencial del edificio de alto desempeño requiere un enfoque integral de construcción y del ciclo de vida. Este enfoque pone mayor énfasis en el costo total de propiedad, sobre el de un edificio ocupado, así como en los costos iniciales.
El costo de operación de un edificio a lo largo de su ciclo de vida total es muchas veces mayor que el costo de diseño y construcción; sin embargo, muchos propietarios de edificios y operadores consideran poco los costos de energía, mantenimiento, servicio y otros factores que pueden elevar hasta en 80 por ciento los costos del ciclo de vida total.
Los edificios nuevos, como los existentes deben tener en la mira el costo total de operación durante la vida útil del edificio. Existen edificios cuyas instalaciones se basan en el costo inicial; sin embargo, los principales costos representan siempre la suma de los generados durante la vida útil. Se cuenta con sistemas de análisis financiero preciso, ligados a sistemas de análisis de energía y de cargas térmicas, que permiten decisiones documentada sobre la tasa de ROI y sus periodos.
Una verdadera operación de alto desempeño se puede lograr si un edificio es reconocido como un sistema integrado muy complejo, que debe gestionarse proactivamente y continuamente, para mantenerlo funcionando al máximo desempeño.
Los edificios de alto desempeño son energéticamente eficientes, duraderos, ambientalmente responsables y mucho más. No son sólo gastos generales para las organizaciones que los ocupan; son activos con potencial para mejorar la productividad de quienes los habitan y contribuir al logro del éxito de su misión.

 

Gas Cooling

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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.

 

lunes, 11 de febrero de 2013

La modelización de sistemas energéticos

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La modelización de sistemas energéticos

 


El diseño de instalaciones energéticas se ha vuelto sencillo en los últimos años por la profusión de herramientas que ayudan al proyectista. El cálculo fácil de proyectos complejos es hoy en día una realidad. Pero cuando es necesario desviarse del diseño convencional comienzan los problemas y aparecen fallos o rendimientos no esperados. El conocimiento de los métodos para estimar el uso de la energía resulta vital para entender los modelos que nos permiten entender los sistemas energéticos y en consecuencia optimizar los diseños. Estos métodos son especialmente interesantes para establecer las líneas generales y calcular los ahorros que podemos conseguir reacondicionando instalaciones existentes.


En este artículo nos vamos a centrar en explicar en los métodos existentes para la modelización de sistemas energéticos. Nos centramos especialmente en los métodos destinados al estudio de los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).

CONSIDERACIONES GENERALES


Modelos y aproximaciones
Un modelo matemático es la descripción del comportamiento de un sistema, y puede hacerse a partir de tres componentes:
1. Variables de entrada: Son las que actúan en el sistema. Hay de dos tipos: controlables por el experimentador, y no controlables (ej. clima).
2. Estructura y parámetros/propiedades del sistema: Proporcionan la descripción física necesaria del sistema (ej. masa térmica o propiedades mecánicas de los elementos).

3. Variables de salida (respuesta o salida dependiente): Describe la reacción del sistema a las variables de entrada. El uso de la energía es a menudo una variable de respuesta.
La ciencia de modelización matemática aplicada a los sistemas físicos implica la determinación de un tercer componente de un sistema cuando se han especificado los otros dos componentes.
Aproximación clásica – El objetivo es predecir las variables de salida de un modelo especificado con estructura y parámetros conocidos cuando están sujetos a variables de entrada especificadas. Para asegurar exactitud, los modelos tienden a llegar a ser cada vez más complejos, algo asumible con la llegada de los poderosos computadores actuales. Esta aproximación presume un conocimiento detallado no solamente de los fenómenos naturales que afectan al comportamiento del sistema sino también de la magnitud de las interacciones (ej. masa térmica efectiva, coeficientes de transferencia de masa y calor, etc.). La principal ventaja de esta aproximación es que el sistema no necesita ser físicamente construido para predecir su comportamiento. Esta aproximación es ideal en la etapa de diseño preliminar y etapa de análisis.
La modelización clásica del uso de la energía comienza con una descripción física del sistema del edificio o componente de interés. Por ejemplo, la geometría del edificio, localización geográfica, características físicas (ej. material y espesor de la pared), tipo de equipo y planificación de la operación, sistema HVAC, perfil de carga del edificio, equipo de planta, etc. El uso de energía promedio y pico del edificio puede predecirse o simularse por el modelo. El beneficio primario de este método se basa en los principios de ingeniería convencionales, y en consecuencia ha ganado aceptación entre los profesionales. Software típico como BLAST, DOE-2 y EnergyPlus se basan en esta aproximación.
Aproximación inversa – En este caso, las variables de entrada y salida se conocen y miden, y el objetivo es determinar una descripción matemática del sistema y estimar los parámetros del sistema. Este modelo es relevante cuando el sistema ya está construido y los datos de rendimiento actual están disponibles para el desarrollo y/o identificación del modelo. Pueden usarse dos tipos de datos de rendimiento: no intrusivos e intrusivos. Los datos intrusivos se consiguen bajo condiciones de experimentos planificados en el sistema para obtener la respuesta del sistema bajo un amplio rango condiciones de rendimiento del sistema que ocurriría bajo operaciones del sistema normal. Estos datos de rendimiento permiten una especificación e identificación del modelo más exacto. Cuando las restricciones a la operación del sistema no permiten que se realicen tales tests, el modelo debe identificarse como datos no intrusivos obtenidos bajo operaciones normales.
La modelización de datos a menudo permite la identificación de modelos del sistema que no sólo son más simples de usar sino también son predictores más exactos del rendimiento del sistema futuro que los modelos convencionales.
CARACTERÍSTICAS DE LOS MODELOS
Modelos convencionales
Aunque los procedimientos para estimar los requerimientos de energía varían considerablemente en su grado de complejidad, todos tienen tres elementos comunes: cálculo de (1) carga de espacio, (2) carga de equipo secundaria, y (3) requerimientos de energía del equipo, y (3) requerimientos de energía de equipos primarios. Los equipos secundarios son los que distribuyen calor, frío o ventilación, mientras que los equipos primarios se refieren a los equipos de planta central que convierten combustible o energía eléctrica para calentar o enfriar.
El primer paso para calcular los requerimientos de energía es determinar la carga del espacio, que si hablamos por ejemplo de HVAC es la cantidad de energía que debe añadirse o extraerse de un espacio para mantener las condiciones deseadas.
El segundo paso es trasladar la carga del especio a una carga en el equipo secundario. Esto puede ser por ejemplo una estimación simple de pérdidas o ganancias en tuberías o una simulación horaria, tal como la utilizada en volumen de aire variable con enfriamiento de aire. Este paso debe incluir los cálculos de todas las formas de energía requeridas por el sistema secundario (ej. energía eléctrica para enfriar agua).
El tercer paso calcula el combustible y la energía requerida por el equipo primario para cumplir estas cargas y la demanda pico. Esto considera las eficiencias de los equipos y las características de carga parcial. A menudo es necesario mantener diferentes formas de energía, tales como electricidad, gas natural o gasóleo.
Mediante un análisis de energía podemos obtener datos intermedios, tales como tiempo de uso de energía y máxima demanda, y también podemos estimar con exactitud los cargos de la compañía eléctrica. Aunque no son partes de los cálculos de energía, los costes de equipos de capital estimados también serán incluidos.
Pero en los sistemas energéticos pueden ocurrir interacciones complejas que a menudo son inesperadas entre sistemas o entre varios modos de transferencia de calor. Por ejemplo, los paneles de calefacción radiante afectan las cargas del espacio elevando la temperatura radiante media del espacio.
Modelos a partir de datos
Data-driven model cumple los requerimientos de una forma muy diferente al modelo convencional forward model. Este modelo puede contener solamente un número relativamente pequeño de parámetros debido a la información a menudo repetitiva contenida en los datos de rendimiento. Se trata por tanto de un modelo mucho más simple que contiene menos términos representativos de parámetros agregados o macroscópicos (ej. coeficientes de pérdida de calor en edificios y constante de tiempo). Debido a que los parámetros del modelo se deducen del rendimiento actual de los edificios, es mucho más exacto predecir el comportamiento del sistema futuro bajo ciertas circunstancias específicas. La colección de datos de rendimiento y la formulación del modelo necesita ser apropiadamente evaluada para las circunstancias específicas, lo cual a menudo requiere un alto nivel de pericia.
Para comprender mejor el uso de estos modelos, debemos entender algunas cuestiones que el profesional puede preguntarse sobre un edificio existente con consumo de energía conocido:
· ¿Cómo se compara el consumo con las predicciones de diseño?
· ¿Cómo cambia el consumo al variar niveles de termostatos, tasas de ventilación, niveles de iluminación interior, etc.?
· ¿Cuánta energía puede ahorrarse trabajando con sistemas como volumen variable o cambios en las configuraciones de sistemas existentes?
· ¿Podemos verificar el ahorro conseguido mediante un proyecto de reacondicionamiento?
· ¿Cómo podemos detectar fallos en los equipos y optimizarlos?




ELIGIENDO UN MÉTODO DE ANÁLISIS

El paso más importante para seleccionar un método de análisis de energía es acoplar las capacidades del método con los requerimientos del proyecto. El método debe ser capaz de evaluar todas las opciones de diseño con suficiente exactitud para tomar las decisiones correctas. Se aplican generalmente los siguientes factores:

· Exactitud: El método será lo suficiente exacto como para permitir la elección correcta. Debido a que muchos parámetros están implicados en la estimación de energía, una predicción absolutamente exacta no es posible.
· Sensibilidad: El método sería sensible a las opciones de diseño que se están considerando. La diferencia en el uso de la energía entre dos elecciones debe ser adecuadamente reflejada.
· Versatilidad: El método permitiría un análisis de todas las opciones bajo consideración. Cuando diferentes métodos deben ser usados para considerar distintas opciones, no puede realizarse una estimación exacta de la energía diferencial.
· Velocidad y coste: El tiempo total (recopilación de datos, preparación, cálculos, y análisis de resultados) hará que el análisis sea apropiado a los beneficios potenciales ganados. Con mayor velocidad, pueden considerarse más opciones en un momento dado. El coste del análisis es en gran medida determinado por el tiempo total del análisis.
· Reproducibilidad: El método no permitirá elecciones vagamente definidas que hagan que diferentes analistas obtengan resultados diferentes.
· Facilidad de uso: Esto afecta tanto a la economía como al análisis y reproducibilidad de resultados.
MODELIZACIÓN DE CARGAS Y COMPONENTES
Cálculo de las cargas sensibles del espacio
El cálculo de la carga sensible del espacio instantáneo es un paso clave a cualquier simulación de la energía de un edificio. Para estos cálculos se usan métodos de balance térmico y factor de ponderación. Un tercer método, el método de red térmica no se usa mucho pero es prometedor.
La carga sensible del espacio instantáneo es la tasa de flujo de calor que entra en la masa de aire del espacio. La cantidad, a veces llamada la carga de enfriamiento, difiere de la ganancia de calor, que usualmente contiene un componente radiactivo a través del aire y es absorbido por otra superficie dura. La carga sensible del espacio instantáneo es enteramente convectiva; incluso cargas desde equipos internos, luz, y entrada de aire por convección de la superficie que ha absorbido el componente de energía emitida de estas fuentes. Sin embargo, se harán algunos ajustes cuando los sistemas de calefacción y enfriamiento radiante son evaluados porque algunas cargas del espacio se compensan directamente por transferencia radiante sin transferencia convectiva a la masa de aire. Sin embargo, la masa térmica (capacidad de calor) del aire en sí mismo es ignorado en el análisis, así que se asume que está en equilibrio térmico. Bajo estas asunciones, la carga sensible del espacio y la retirada de calor son iguales en magnitud pero en signo opuesto.
Los métodos del factor de ponderación y equilibrio térmico usan funciones de transferencia por conducción (o sus equivalentes) para calcular la ganancia o pérdida de calor por transmisión. La principal diferencia está en los métodos usados para calcular la transferencia de calor interna en la habitación.
Método de equilibrio térmico
Su desarrollo depende de la primera ley de la termodinámica y los principios del álgebra de matrices. Requiere menos asunciones que el método de factores ponderados, pero es más flexible. Sin embargo requiere más cálculos en cada punto en el proceso de simulación, por lo que requiere más tiempo de computación. Los factores de peso usados son determinados con el procedimiento de equilibrio térmico. Aunque no es necesario, se usa comúnmente linealización para simplificar la formulación de transferencia radiativa.
El método de equilibrio térmico permite calcular las cargas de enfriamiento y calentamiento sensible instantáneo neto en la masa de aire del espacio.
Método del factor ponderado
El método del factor ponderado de calcular la carga sensible de un espacio es un compromiso entre métodos más simples (ej. cálculos de estado estacionario) que ignoran la capacidad de la masa del edificio de almacenar energía, y métodos más complejos (ej. cálculos de equilibro energético completos). Con este método, la ganancia de calor del espacio a una temperatura constante está determinada por la descripción física del edificio, condiciones climáticas ambientales, y perfiles de carga interna. Junto con las características y disponibilidad de los sistemas de calentamiento y enfriamiento para los edificios, la ganancia de calor en el espacio se usa para calcular las temperaturas del aire y las tasas de extracción de calor. Esta discusión es en términos de ganancia de calor, cargas de enfriamiento, y tasas de extracción de calor. Las pérdidas de calor, cargas de calentamiento, y tasas de adición de calor son simplemente términos diferentes por la misma cuestión, dependiendo de la dirección del caudal de calor.
Los factores de ponderación representan funciones Z-transfer. La Z-transform es un método para solventar ecuaciones diferenciales con datos discretos. Se usan dos grupos de factores de ponderación: ganancia térmica y temperatura del aire.
Los factores de ponderación de ganancia térmica representan funciones de transferencia que relacionan la carga de enfriamiento del espacio a ganancias de calor instantánea. Se calculan una serie de factores de ponderación para cada grupo de fuentes de calor que difieren significativamente en la (1) cantidades relativas de energía apareciendo energía como convección al aire respecto a radiación, y (2) distribución de intensidades de energía en superficies diferentes.
Los factores de ponderación de la temperatura del aire representan una función de transferencia que relaciona la temperatura del aire a la carga de energía neta de la habitación. Los factores de ponderación para una fuente de calor particular se determinan por la introducción de un pulso unitario de energía desde a fuente en la red de la habitación. La red se configura con una serie de ecuaciones que representan el balance térmico de la habitación. En cada intervalo de tiempo (intervalos de una hora), incluyendo la introducción inicial, el caudal de energía al aire de la habitación representa la cantidad del pulso que llega a ser una carga de enfriamiento. De esa forma, puede generarse una larga secuencia de cargas de enfriamiento, de las cuales se calculan los pesos de ponderación. De esa forma, se generan una larga secuencia de cargas de enfriamiento, en la que se calculan los factores de peso.
Se utiliza un proceso en dos pasos para determinar la temperatura del aire y la tasa de extracción de una zona de edificio o habitación para una serie de condiciones dadas. En primer lugar, la temperatura del aire de la habitación se asume sea fija a un valor de referencia, usualmente la temperatura del aire promedio esperada para la habitación sobre el periodo de simulación. La ganancia de calor instantánea se calcula basándose en esta temperatura de aire constante. Se consideran varios tipos de ganancia de calor. Algunos, tales como la energía solar entrando a través de una ventana o la energía de iluminación, personas, o equipos, son independientes de la temperatura de referencia. Otros, tales como los conductores a través de las paredes, dependen directamente de la temperatura de referencia.
Una carga de enfriamiento sensible del espacio para la habitación, se define como la tasa a la que la energía se elimina de la habitación para mantener el valor de referencia de la temperatura de aire, calculado para cada tipo de ganancia de calor instantánea porque algo de energía es absorbida por paredes y muebles y almacenado para más tarde ser liberado en el aire.
Los factores de ponderación son una serie de parámetros que determinan cuanta energía que entra en una habitación es almacenada y con cuanta rapidez la energía almacenada se libera posteriormente. Matemáticamente, los factores ponderados son una función Z-transfer relativa a la ganancia de calor a la carga de enfriamiento.
Los factores ponderados difieren por distintas fuentes de ganancia térmica debido a las cantidades relativas de energía convectiva y radiativa dejando varias fuentes diferentes y debido a que la distribución de energía radiativa puede diferir. Los factores ponderados de ganancia de calor también difieren entre habitaciones porque la construcción de habitaciones afecta la cantidad de energía entrante almacenada por las paredes o muebles y la tasa a la que se libera.
En el segundo paso, se usa la carga de enfriamiento total para calcular la tasa de extracción de calor actual y la temperatura del aire. La tasa de extracción de calor actual difiere de la carga de enfriamiento (1) debido a que, en la práctica, la temperatura del aire puede variar del valor de referencia usada para calcular la carga de enfriamiento, o (2) por las características de los sistemas HVAC.
Dos asunciones se hacen en el método de los factores ponderados. Primero, el proceso modelado es lineal. Esta asunción es necesaria porque la ganancia desde varias fuentes se calcula independientemente y se suma para obtener el resultado total (ej. se usa el principio de superposición). Por lo tanto, los procesos no lineales tales como radiación o convección natural deben ser aproximadamente lineales. Esta asunción no es una limitación significativa debido a que estos procesos pueden ser aproximadamente lineales con exactitud suficiente para la mayoría de los cálculos. La segunda asunción es que las propiedades del sistema influenciando los factores de ponderación son constantes (es decir, no son funciones de tiempo). Esta asunción es necesaria porque sólo una serie de factores de ponderación se usan durante el periodo de ponderación completa. Esta asunción puede limitar el uso de factores de ponderación en situaciones donde propiedades importantes de la habitación varían durante el cálculo (ej. la distribución de radiación incidente solar en las paredes interiores de una habitación, que pueden variar a lo largo del día, y los coeficientes de transferencia de calor de la superficie interior).
Cuando se usa el método del factor de ponderación, se usan coeficientes de transferencia de calor convectivos/radiativos como coeficiente de transferencia de calor de la superficie. Este valor se asume constante incluso aunque, en una habitación real, (1) calor radiante transferido de una superficie depende de la temperatura de otras superficies de habitación (no solamente en temperaturas de aire de la habitación) y (2) el coeficiente de transferencia de calor combinado no es constante. Bajo estas circunstancias, el valor promedio de la propiedad debe usarse para determinar los factores de ponderación.
Métodos de red térmica
Aunque las implementaciones de la metodología de red térmica varían, tienen una discretización común en el edificio en una red de nodos, con trayectorias de interconexión a través de la cual fluye la energía. En muchos aspectos, los modelos de red térmica pueden considerarse refinamientos del método de equilibrio de calor. Donde el modelo de equilibrio de calor generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método de la red térmica generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método de red térmica puede usar múltiples nodos. Para cada elemento de transferencia de calor (paredes, techo, suelo, etc.), el modelo de equilibrio de calor generalmente tiene un nodo de superficie exterior e interior; el modelo de red térmica puede incluir nodos adicionales. Los modelos de equilibrio térmico generalmente usan métodos simples para distribuir la radiación de la luz; los modelos de red térmica pueden modelar las lámparas, balastos, y carcasas de las luminarias separadamente. Además, los modelos de redes térmicas dependen del balance de calor en cada nodo para determinar la temperatura del nodo y el flujo energético entre todos los nodos conectados. El flujo energético puede incluir conducción, convección, y radiación de onda corta y larga.
Para cualquier modo de flujo de energía, pueden usarse un rango de técnicas para modelar la energía entre dos nodos. Tomando la transferencia de calor como un ejemplo, el modelo de red térmica más simple sería resistente a la red de resistencia/capacitancia. Refinando la discretización de la red, los modelos son modelos de diferencia finita o volumen finito.



TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE EL SUELO


El rendimiento térmico desde las cimentaciones del edificio ha sido en gran medida ignorado. Sin embargo, a comienzos de los años 70 se estimó que el 10 % de la energía usada en las casas de Estados Unidos se atribuía a la transferencia de calor a través de sus cimentaciones. Desde entonces, el rendimiento térmico de los elementos del edificio por encima del nivel del suelo ha mejorado significativamente, por lo que la contribución del calor desde el suelo representa un porcentaje superior. Un estudio llevado a cabo en 1983 estimó que la transferencia de calor desde unas cimentaciones no aisladas en Ohio, podía representar hasta el 67 % de la carga térmica de la envolvente del edificio.

Método de cálculo simplificado

La herramienta para calcular pérdidas de calor a través de las cimentaciones fue diseñada por Krarti y Chuangchid (1999). La herramienta de diseño es fácil de usar y ello requiere los parámetros de entrada correctos con valores variables continuamente, incluyendo tamaño de la cimentación, valores R de aislamiento, propiedades térmicas del suelo, y temperaturas de interior y exterior. El método simplificado proporciona una serie de ecuaciones convenientes para estimar las pérdidas de calor estacional y anual de una losa o cimentación como una función de un amplio rango de variables.
Cuando la temperatura interior del edificio se mantiene constante, la transferencia de calor acoplada al suelo q(θ) varía con el tiempo de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde:
qmean= Pérdida de calor media anual /ganancia, W
qmean= Pérdida de calor/amplitud de ganancia, W
θ = tiempo, s
ω = frecuencia angular anual (ω=1.992 x 10-7 rad/s)
ϕ = retraso de fase entre pérdida de calor de placa total

COMPONENTES DEL SISTEMA SECUNDARIO

Los sistemas HVAC secundarios incluyen todos los elementos del sistema de energía del edificio entre un calentador central y una planta de enfriamiento y las zonas del edificio. La definición precisa depende profundamente del diseño del edificio. Un sistema secundario típicamente incluye equipos de manejo de aire; sistemas de distribución de aire con conductos asociados; trampillas; ventiladores; y calefacción, enfriamiento, y equipo de acondicionamiento de humedad. También incluye sistemas de distribución de líquidos entre la planta central y la zona y equipo de manejo de aire, incluyendo tuberías, válvulas y bombas.
Aunque el diseño exacto de sistemas secundarios varía dramáticamente entre los edificios, realmente están compuestos de un número genérico de componentes HVAC. Estos componentes incluyen componentes de distribución (ej. bombas/ventiladores, tuberías/conductos, válvulas/trampillas, cabezales/plenums, accesorios) y componentes de transferencia de masa y calor (ej., serpentines de calefacción, refrigeración, serpentines de deshumidificación, intercambiadores de calor de líquidos, intercambiadores de calor de aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). La mayoría de los sistemas secundarios pueden describirse simplemente conectando estos componentes para formar el sistema completo.
La estimación de energía a través de la simulación del computador a menudo imita la construcción modular de los sistemas secundarios usando elementos de simulación modular. En la extensión que el sistema secundario consume energía y transfiere energía entre el edificio y la planta central, puede realizarse un análisis de energía caracterizando el consumo de energía de los componentes individuales y la energía transferida entre los componentes del sistema. En realidad, pocos componentes secundarios consumen energía directamente, excepto ventiladores, bombas, hornos, paquetes de aire acondicionado de expansión directa con calentadores a gas y calentadores en linea. Los componentes secundarios se dividen en dos categorías: componentes de distribución y componentes de transferencia de masa y calor.

Sistemas de ventiladores, bombas y distribución

El sistema de distribución de un sistema HVAC afecta la consumición de energía de dos formas. Primero, ventiladores y bombas consumen energía eléctrica directamente, basándose en el caudal y presión bajo la cual el dispositivo opera. Conductos y trampillas, o tuberías y válvulas, y las estrategias de control del sistema afectan al caudal y la presión en el ventilador o bomba. Segundo, la energía térmica a menudo se transfiere a (o del fluido) por (1) transferencia de calor a través de tuberías y conductos y (2) entrada eléctrica a ventiladores y bombas. El análisis de los componentes de un sistema, por lo tanto, tendría en cuenta tanto el consumo de energía eléctrica como la transferencia de energía térmica.
El análisis detallado de un sistema requiere el equilibrio de presión y caudal entre los componentes, pero casi todos los métodos de análisis de energía disponibles aproximan el efecto de las interacciones con curvas de rendimiento de carga parcial. Esto elimina la necesidad de calcular la caída de presión a través del sistema de distribución en condiciones fuera de diseño. Las curvas de carga parcial se expresan a menudo en términos de ratio de entrada de potencia (power input ratio o PIR) como una función del ratio de carga parcial, definido como el ratio de caudal con carga parcial respecto al caudal de diseño:
Donde
PIR = Ratio de entrada de potencia
W = Potencia del motor de ventilador a carga parcial, W
Wfull = Potencia del motor del ventilador a plena carga, W
Q = Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm
Qfull =Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm
fplr = Función de regresión, típicamente polinómica
La forma exacta de la curva de carga parcial depende del efecto del control de caudal en la presión y la eficiencia del ventilador y puede calcularse usando un análisis detallado o datos de mediciones de campo. Se obtienen curvas representadas por ecuaciones de regresión polinómica.

Componentes de transferencia de masa y calor

Los sistemas de HVAC secundarios comprenden los componentes de transferencia de masa y calor (ej. serpentines de calentamiento de aire basados en vapor, enfriamiento por agua fría y serpentines de des humidificación, intercambiadores de calor de líquido de tubo y carcasa, intercambiadores de calor aire-aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). Aunque estos componentes no consumen energía directamente, su rendimiento térmico dicta interacciones entre cargas del edificio y componentes primarios consumidores de energía (ej. enfriadoras, calderas). En particular, el rendimiento de componentes secundarios determina las condiciones del fluido entrante para los componentes primarios, los cuales determinan las eficiencias de energía del equipo primario. Los cálculos de energía exactos no pueden realizarse sin modelos apropiados del calor del sistema y componentes de transferencia de calor.
Por ejemplo, la carga en una enfriadora se describe típicamente como la suma de las cargas latentes y sensibles de zona, más cualquier ganancia de calor de los conductos, plenums, ventiladores, bombas, y tuberías. Sin embargo, el consumo de energía viene determinado no solamente por la carga sino también por la temperatura y el caudal del agua de retorno. La condición del agua de retorno viene determinada por el rendimiento del serpentín de enfriamiento y por la estrategia de operación de carga parcial del sistema de distribución de agua y aire. El serpentín de enfriamiento puede típicamente controlarse para mantener una temperatura de aire constante modulando el flujo del caudal de agua a través del serpentín. En tal escenario, el modelo del serpentín de enfriamiento debe ser capaz de calcular la humedad del aire, la temperatura del agua, y el caudal de agua dado según las características de diseño del serpentín de enfriamiento y temperatura de aire entrante y humedad, caudal, y temperatura del agua.
Virtualmente todos los programas incluyen, y requieren, modelos de componentes de transferencia de masa y calor. Estos modelos son generalmente relativamente simples. Mientras que un diseñador puede usar un análisis tubo-a-tubo detallado de transferencia de calor por conducción y convección en las superficies de las aletas para desarrollar una combinación de geometría de aletas y tubos, un análisis de energía está más interesado en determinar cambios en el estado de los fluidos conforme las condiciones de operación varían durante el año. Adicionalmente, el análisis de energía es probable que haya limitado los datos de diseño en el equipo y, por lo tanto, requiere un modelo con muy pocos parámetros que dependen de la geometría del equipo y características de diseño detallado.
Una aproximación típica para modelar los componentes de transferencia de masa y calor para los cálculos de energía se basan en un effectiveness-NTU heat exchanger model.

MÉTODOS PARA ESTIMAR Y MODELAR LA ENERGÍA

Los métodos para estimar y modelar la energía son particularmente apropiados para describir las condiciones de los fluidos cuando se conocen las características de diseño del equipo. Asimismo, este modelo requiere solamente un único parámetro para describir las características del intercambiador: el coeficiente de transferencia total UA, que puede ser determinado a partir de los datos de rendimiento de diseño limitado.

Debido a que los métodos de efectividad clásica se desarrollaron para los intercambiadores de calor sensible en sistemas HVAC. Para serpentines de calentamiento de aire con tubos de aleta típica, la configuración de flujo cruzado con chorros no mezclados es la más apropiada. La misma configuración típicamente se aplica a intercambiadores de calor aire-a-aire. Para intercambiadores de calor líquido-a-líquido, el equipo tubo-en-tubo puede ser modelado en paralelo o contraflujo, dependiendo de las direcciones de caudal. El equipo de tubo y carcasas puede modelarse en contraflujo o flujo cruzado, dependiendo de la extensión del baffling y el número de pasos de tubo. El análisis de energía debe determinar el UA para describir las operaciones de un intercambiador de calor específico. Típicamente hay dos aproximaciones para determinar este importante parámetro: cálculo directo y datos del fabricante. Conociendo la información detallada sobre materiales, geometría, y construcción del intercambiador de calor, los principios de transferencia de calor fundamentales pueden aplicarse para calcular el coeficiente de transferencia de calor total. Sin embargo, el método más apropiado para estimar la energía es usar los datos de rendimiento del fabricante o con mediciones directas de rendimiento. Los fabricantes típicamente proporcionan la tasa de transferencia de calor bajo varias condiciones de operación, con las condiciones de operación descritas en términos de entrada de tasas de caudal y temperaturas del fluido.

Ejemplo de análisis de un sistema de calentamiento de agua

Imaginemos la evaluación de un sistema de calentamiento de agua caliente que incluye un serpentín de calentamiento de agua caliente. El programa de análisis de energía usa un effectiveness-NTU model del serpentín y requiere el UA (coeficiente de transferencia) del serpentín como un parámetro de entrada. Aunque no está disponible información detallada de la geometría del serpentín y las superficies de transferencia de calor no están disponibles, el fabricante afirma que el serpentín de calentamiento de agua de one-row transmite 240 kW de calor bajo las siguientes condiciones de diseño:
Rendimiento de diseño
Temperatura del agua entrante tht = 80ºC
Caudal de la masa de agua mh = 5 kg/s
Temperatura del aire de entrada tci = 20ºC
Caudal de la masa de aire mc = 8 kg/s
Transferencia de calor de diseño q = 240 kW

Solución
En primer lugar debemos determinar la UA, luego usaremos UA para predecir el rendimiento en condiciones fuera de diseño. En ambos pasos se usa Effectiveness-NTU relationships. La asunción clave es que UA es constante para ambas condiciones de operación.

a) Un examen de los caudales y el calor específico permite calcular la capacidad del fluido caliente Ch y la capacidad del fluido frío Cc en las condiciones de diseño, y el ratio de capacidad Z.
Donde cp es el calor específico y cmax y cmin son las capacidades más grandes y más pequeñas, respectivamente.
b) La efectividad puede calcularse directamente de la definición de transferencia de calor.
Donde tCO es la temperatura del aire dejando el intercambiador.
c) La effectiveness-NTU relationships para un intercambiador de calor de flujo cruzado con ambos fluidos sin mezclarse permite calcular la efectividad en términos de ratio de capacidad Z y la NTU (esta relación está disponible en libros de texto). El valor de la efectividad y ratio de capacidad, NTU = 0,804.
d) La transferencia de calor UA viene determinada por la definición de NTU.

COMPONENTES DEL SISTEMA PRIMARIO

Los sistemas HVAC primaria consumen energía y transmiten calor y frío al edificio, usualmente a través de sistemas secundarios. Los equipos primarios generalmente incluyen enfriadoras, calderas, torres de refrigeración, equipos de cogeneración y equipos de almacenamiento térmico a nivel de planta.


Estrategias de modelización

Las características de consumo de energía del equipo primario generalmente dependen del diseño del equipo, condiciones de carga, condiciones ambientales, y estrategias de control del equipo. Por ejemplo, el rendimiento de la enfriadora depende de las características de diseño del equipo básicas (ej., superficies de intercambio de calor, diseño del compresor), temperaturas y caudal a través del condensador y evaporador, y métodos para controlar la enfriadora a diferentes cargas y condiciones de operación. En general, estas variables varían constantemente y requieren cálculos sobre una base horaria.

Modelos de regresión

Aunque muchos componentes secundarios (ej. intercambiadores de calor, válvulas) están descritos por los principios de ingeniería, la naturaleza compleja de la mayoría de los equipos primarios ha aconsejado el estudio de las características de consumo usando ecuaciones de regresión simples publicadas a partir de datos del fabricante.

La aproximación habitual para modelar equipos primarios en los programas de simulación es asumir las siguientes formas funcionales para el consumo de energía de los equipos:


Donde:
P = Potencia del equipo, kW
PIR = Ratio de entrada de energía
PIRnom = Ratio de entrada de energía bajo condiciones a plena carga nominal
Load = Potencia transmitida a la carga, kW
Cavail = Capacidad del equipo disponible, kW
Cnom = Capacidad del equipo nominal, kW
f1 = Función relacionada con la potencia a plena carga en condiciones off-design (ta,tb,…) a potencia a plena carga en condiciones de diseño
f2 = Función de potencia a plena carga de fracción, relacionando la potencia a carga parcial respecto a la potencia a plena carga
f3 = Función relacionando la capacidad disponible en condiciones off-design (ta,tb,…) respecto a la capacidad nominal
ta,tb = varias temperaturas de operación que afectan a la potencia.
PLR = Ratio de carga parcial
El ratio de carga parcial es la relación de la carga respecto a la capacidad del equipo disponible en unas condiciones de operación fuera de diseño. Como la potencia la capacidad a plena carga es una función de las condiciones de operación.
Las formas particulares de las funciones off-design f1 y f3 dependen del tipo específico del equipo primario. Por ejemplo, para las calderas de combustibles fósiles, la capacidad y potencia a plena carga puede ser afectada por las pérdidas térmicas a temperatura ambiente. Para las enfriadoras, tanto la capacidad como la potencia pueden ser afectadas por las temperaturas del evaporador y del condensador, que a menudo están caracterizadas en términos de sus fluidos secundarios. Para las enfriadoras enfriadas por aire de expansión directa, las temperaturas de operación son típicamente las temperaturas del bulbo húmedo del aire entrando en el condensador. Para las enfriadoras de líquidos, las temperaturas son usualmente la temperatura del agua dejando la enfriadora y la temperatura del agua entrando en el condensador.
Ejemplo
Consideremos el rendimiento de una unidad de techo de una zona simple. El rendimiento nominal de estas unidades es dada típicamente para temperaturas de aire exterior de 35 ºC y evaporador entrando en las condiciones del serpentín de 26,7 ºC db y 19,4 ºC wb.

Las constantes están tabuladas (ver bibliografía)

La función f2 de potencia a plena carga fraccional representa el cambio en la eficiencia del equipo en condiciones de carga parcial y depende profundamente de las estrategias de control usadas para acoplar carga y capacidad.
Modelos First-Principle
Como con los componentes secundarios, los principios de ingeniería pueden usarse para desarrollar modelos de equipos primarios.
Por ejemplo, un modelo de caldera complejo no es apropiado si la caldera opera virtualmente a eficiencia constante. Similarmente, un modelo de regression puede ser apropiado cuando el usuario dispone de datos fiables medidos en planta. Sin embargo, los modelos físicos first-principle tienen varias ventajas sobra los modelos de regresión puros:
· Los modelos físicos permiten la extrapolación de la confianza fuera del rango de los datos disponibles.
· La regresión es aún requerida para obtener valores para parámetros físicos no conocidos. Sin embargo, los valores de estos parámetros usualmente tienen significado físico, que puede ser usado para estimar valores de los parámetros default, errores de diagnosis en el análisis de datos a través de controles para valores de parámetros realistas, e incluso evaluar el potencial de las mejoras de rendimiento.
· El número de parámetros desconocidos es mucho más pequeño que el número de coeficientes desconocidos en el modelo de regresión típico. Por ejemplo, el modelo de compresor ARI estándar requiere tanto como 30 coeficientes, 10 para regresión de capacidad, potencia, y caudal de refrigerante. Por comparación, un modelo de compresor físico puede tener tan pocos como cuatro o cinco parámetros desconocidos. Así, los modelos físicos requieren menor medición de datos.
· Los datos de operación de carga parcial de enfriadoras y calderas son notoriamente difíciles de obtener. Las correcciones de carga parcial a menudo representan la mayor incertidumbre en los modelos de regresión, ya que causan el mayor efecto en las predicciones de energía anuales. Por comparación, los modelos físicos de operación en carga parcial a menudo permiten extensión directa a operación con carga parcial con pocos datos requeridos adicionales.
Los modelos físicos de equipos HVAC se basan fundamentalmente en los análisis de ingeniería y están disponibles en muchos libros de texto.
Aunque los modelos físicos se basan en las características físicas, los valores obtenidos a través del análisis de regresión de los datos del fabricante no son representativos.

( de Modelización de sistemas energéticos en detalle)

El modelo energético de una caldera



Los modelos dinámicos de una caldera describen el comportamiento transitorio del equipo. En consecuencia, estos modelos necesitan capturar con exactitud datos del proceso de combustión y el intercambio de energía que ocurre en el interior de la cámara de combustión. Estos modelos solamente se consideran en los casos más complejos.


Aunque todas las variables principales de una caldera pueden variar con las condiciones de carga y ambientales, asumiendo condiciones de estado estacionario durante los momentos en los que el quemador está encendido y apagado da como resultado una relación entre las variables de entrada y salida que son mucho más simples que las de los modelos dinámicos. La evaluación de modelos contra mediciones actuales muestra que el modelo en estado estacionario puede ser suficientemente exacto como para calcular la energía sobre periodos relativamente largos (ej. semanas o meses) con respecto a la exactitud de la medición.
En la modelización del estado estacionario, se asume que, durante la operación continua, la caldera puede ser desagregado en una cámara de combustión adiabática y dos intercambiadores de calor.
· Cámara de combustión (CC): Chorro de aire y combustible a la entrada, y gas de combustión a la salida.
· Primer intercambiador de calor (HEX1): Salida del gas de combustión y chorro del agua de alimentación.
· Segundo intercambiador de calor (HEX2): Chorro de agua caliente y un fluido representando el medio ambiente.
El modelo de la caldera se caracteriza por tres parámetros, que representen los siguientes coeficientes de transferencia de calor:
· UAge: Entre el gas de los hymos y el medio ambiente en CC,
· UAge: Entre el gas de los humos y el agua en HEX1
· UAwe: Entre el agua y el ambiente en HEX2
Modelo de la cámara de combustión
La descripción matemática de este modelo permite calcular el caudal del gas de los humos y entalpía hfg,in1 (en J/kgfg) en la entrada del intercambiador de calor agua/gas de los humos (HEX1). La siguiente relación empírica se usa para ajustar el valor de este coeficiente al caudal del gas.

Donde:
hfg,in1 = Función conocida de composición de los productos de la combustión y la temperatura del gas de los humos en la entrada del intercambiador de calor del gas/agua, J/kgfg
hfg,in = Entalpía del gas a la salida del intercambiador agua/gas, J/kgf
Caudal másico del gas de los humos asociado con el valor especificado del producto de coeficiente/área de transferencia de calor gas/agua.

Modelo de intercambiador de calor agua-gas de los humos


El primer paso es calcular la tasa de transferencia de calor qgw a través de HEX1:


Donde:


Para un intercambiador de contraflujo,
Donde:

La temperatura del gas de los humos dejando HEX1 (Tfg,out) puede calcularse de:

Otras necesidades también serán calculadas. En HEX1, el calor se transfiere del gas de los humos calientes al agua

De donde la temperatura del agua dejando HEX1 y entrando HEX2 es:

Modelo de intercambiador de calor en ambiente agua


Donde:

Luego la temperatura del agua a la salida del HEX2 es:
Consecuentemente, la pérdida de calor del agua caliente en HEX2 es

El calor útil proporcionado al chorro de agua es

Finalmente, la eficiencia de la caldera viene dada por
Donde FLHV es el valor calorífico inferior. Los resultados principales de este modelo son:
· Producción útil de la caldera: La temperatura del agua a la salida (se compararía con el punto de ajuste), o la potencia útil correspondiente (ej. tasa neta de transferencia de calor qb por el agua caliente).
· Su consumo energético: Caudal del combustible del quemador mf o eficiencia correspondiente η.
La producción del modelo secundario incluye
· Temperatura del gas de los humos, calor específico, y caudal de entalpía correspondiente en la chimenea.
· Pérdida ambiental qwe en la sala de caldera.

Modelos de enfriamiento por compresión de vapor

Los componentes de una enfriadora incluyen dos intercambiadores de calor, una válvula de expansión, y un compresor con un motor y transmisión. Los componentes de una enfriadora están unidos por el refrigerante. Para estimar la energía, una aproximación simplificada es suficiente para representar el refrigerante como un fluido perfecto con valores apropiados de fricción. Es decir, el líquido es modelado como incompresible, y las propiedades del vapor son descritas por las leyes de los gases ideales con valores promedio efectivos de parámetros de la propiedad, tales como el calor específico.
Modelando evaporador y condensador. Ambos condensadores y evaporadores son modelados como intercambiadores de calor clásicos. Los dos intercambiadores de calor se asume tienen un coeficiente de calor constante. Adicionalmente, los modelos usados en los sistemas de enfriadoras sufren de una asunción adicional: el fluido refrigerante se asume es isotérmico para ambos intercambiadores de calor, lo cual efectivamente ignora las regiones de sobrecalentamiento y enfriamiento del intercambiador de calor. Esta asunción de un refrigerante isotérmico es particularmente crudo para el condensador, donde llegan temperaturas muy altas del refrigerante desde la descarga del compresor; así, la diferencia de temperatura media entre refrigerante y agua en el intercambiador de calor queda significativamente desestimada. Afortunadamente, este error sistemático es compensado por una sobreestimación del coeficiente de transferencia de calor correspondiente.
Modelando el compresor general. La modelación de compresores requiere una descripción de muchas pérdidas termodinámicas (ej. pérdidas de calor, fricción de fluidos, pérdidas de estrangulamiento en válvulas, ineficiencias de transmisión y motor) dentro del compresor, pro otros son demasiado complejos o desconocidos para describir en un modelo para el cálculo de energía.
El compresor se describe por dos elementos internos distintos: un compresor interno idealizado y un elemento de transmisión que tenga en cuenta pérdidas desconocidas. Esquemáticamente, el subsistema de transmisión del motor representa una ineficiencia de conversión representa una ineficiencia de conversión de energía. Las pérdidas de estas ineficiencias se asume calientan el fluido antes de la compresión. Matemáticamente pude ser modelado por la siguiente relación lineal:
Donde:
· W = Potencia eléctrica de un compresor hermético o semihermético, o potencia del eje para un compresor abierto.
· Wlo = Pérdidas electromecánicas constantes.
· Wint = Potencia de compresor interno idealizado.
· α = Factor de pérdida de potencia proporcional
Wlo y α son parámetros empíricos determinados por el rendimiento de un análisis de regresión de los datos del fabricante. Otros parámetros también son requeridos para modelar Wint, dependiendo del tipo de compresor.
Modelando compresores recíprocos: El refrigerante entra en el compresor en el estado 1 y se calienta al estado 1ª por las pérdidas termodinámicas del modelo de transmisión del motor. El refrigerante sufre compresión isentrópica a un estado 2s, seguido por un estrangulamiento a la descarga del compresor en un estado 2. La válvula de estrangulamiento es una aproximación simplificada para modelar pérdidas dentro del compresor causadas por las caídas de presión a través de las válvulas de descarga y succión. Un modelo más exacto puede incluir pérdidas de presión tanto a la salida como a la entrada del compresor. En realidad, muchos compresores pueden modelarse adecuadamente sin válvula de estrangulamiento en absoluto.

El caudal de refrigerante a través del sistema debe determinarse para predecir el rendimiento de la enfriadora y el compresor. El caudal de refrigerante del compresor es una función decreciente del ratio de presión debido a la re-expansión del vapor en el volumen hueco. Cuando el refrigerante se modela como un gas ideal, el caudal volumétrico viene dado por:

Donde:
V= Caudal volumétrico
Vs = Caudal volumétrico barrido (desplazamiento geométrico del compresor).
Cf = Factor de espacio = Vclearance/Vs
Pex/psuc = ratio de presión del cilindro
γ = Ratio de calor específico
Vs y Cf deben identificarse usando datos para los compresores recíprocos actuales.

( de Modelización de sistemas energéticos en detalle)

En el desarrollo de un modelo de simulación para construir predicciones de energía, deben considerarse dos asuntos básicos: (1) Componentes de modelización o subsistemas y (2) estrategias de modelización total. Los componentes de modelización comprenden una serie de ecuaciones describiendo los componentes individuales. La estrategia de modelización total se refiere a la secuencia de procedimientos usados para solventar estas ecuaciones. La exactitud de resultados y recursos computerizados para alcanzar estos resultados se depende de la estrategia de modelización.

En la mayoría de los programas de energía de los edificios, los modelos de carga se ejecutan para cada espacio por cada hora de periodo simulado. El modelo de carga es seguido por el modelo de funcionamiento de cada sistema secundario para cada hora de simulación. Finalmente, el modelo de simulación de planta se ejecuta de nuevo en el periodo completo.

Debido a la secuencia cargas-sistemas-plantas, ciertos fenómenos no pueden modelarse con precisión. Por ejemplo, si se usa el método de equilibrio térmico para computar cargas, y algún componente en el modelo de simulación del sistema no puede cumplirse con la carga. En la actualidad, la temperatura del espacio se reajustaría hasta que la carga se acopla con la capacidad del equipo, pero esto no puede modelarse debido a que las cargas tienen que ser precalculadas y fijadas.

MÉTODO GRADOS-DÍA

Los métodos de grados días son los más simples para análisis de energía y son apropiados si el edificio usa un equipo HVAC eficiente y constante. Donde la eficiencia o condiciones de uso varían con la temperatura exterior, el consumo puede calcularse por diferentes valores de temperatura exterior y multiplicando por el número correspondiente de horas; esta aproximación se usa en varios bin methods. Cuando se permite que la temperatura exterior fluctúe o cuando las ganancias interiores varían, no deben usarse modelos simples de estado estacionario.
Aunque los computadores pueden calcular fácilmente el consumo energético de un edificio, los conceptos de grado-día y temperatura del punto de equilibrio son herramientas valiosas. La severidad del clima puede ser caracterizado concisamente en términos de grado-día. También, el método de grado-día y su generalización puede proporcionar una estimación simple de cargas anuales, que pueden ser exactas si la temperatura interior y las ganancias internas son relativamente constantes y si los sistemas de calefacción o enfriamiento operan durante una estación completa.
Temperatura del punto de equilibrio
La temperatura del punto de equilibrio tbal de un edificio se define como el valor de la temperatura exterior to a la cual, para un valor especificado de la temperatura interior ti, la pérdida de calor total qgain es igual a la ganancia de calor del sol, ocupantes, iluminación, y así sucesivamente.

Donde Ktot es el coeficiente de pérdidas de calor total del edificio en W/K. Para cualquier método de estado estacionario descrito en esta sección, la ganancia de calor debe ser el promedio para el periodo en cuestión, no para los valores pico. En particular, la radiación debe basarse en promedios, no en valores pico. La temperatura del punto de equilibrio es por lo tanto:
Se necesita un calentamiento solo cuando to cae por debajo de tbal. La tasa del consumo de energía del sistema de calefacción es:
Donde ηh es la eficiencia de los sistemas de calefacción, también designado en una base anual como la eficiencia de uso de combustible anual (AFUE), θ es el tiempo, y el signo más encima del paréntesis indica que solamente se cuentan valores positivos. Si tbal, Ktot, y ηh son constantes, el consumo de calentamiento anual puede escribirse como una integral:
Esta integral de la diferencia de temperatura convenientemente resume el efecto de las temperaturas exteriores en el edificio. En la práctica, esto se aproxima sumando promedios sobre intervalos de tiempo cortos (días u horas); los resultados son llamados grados-día o grados-hora.
Método del grado-día anual
Grados-día anuales: Si se usa el valor promedio diario de la temperatura exterior para evaluar la integral, los grados día para calentamiento se obtienen DDh(tbal) como:
Con dimensiones de kelvin x día. Aquí la suma se extiende en todo el año o sobre la estación de calentamiento. Es una función de tbal, reflejando los papeles de ti, ganancia de calor, y coeficiente de pérdidas. En términos de grado-día, el consumo de calefacción anual es:
Los grados días de calefacción o grados-hora para una temperatura del punto de equilibrio de 18,3 ºC han sido ampliamente tabuladas (esta temperatura representa condiciones promedio en construcciones típicas en el pasado). La base de 18.3 ºC se asume cuando tbal no se indica explícitamente.
Los grados día de enfriamiento pueden calculares usando una ecuación similar a los grados día de calefacción:
Aunque la definición de la temperatura del punto de equilibrio es la misma que para la calefacción, en un edificio dado su valor numérico para enfriamiento es generalmente diferente del de calefacción debido a que qi, Ktot, y ti pueden ser diferentes.
El cálculo del consumo de energía de enfriamiento usando grados-día es más difícil que el calentamiento. Para enfriamiento la ecuación es
Para una construcción con Ktot estática. Esa asunción se acepta generalmente durante la estación de calentamiento, cuando las ventanas se cierran y la tasa de intercambio del aire es bastante constante. Sin embargo, durante la estación fría o intermedia, la ganancia de calor puede eliminarse, y el comienzo del enfriamiento mecánico puede postponerse abriendo ventanas o incrementando la ventilación. (En edificios con ventilación mecánica, a esto se llama modo economizador). El acondicionado de aire mecánico se necesita solamente cuando la temperatura del exterior exceda el umbral tmax. Este umbral es dado por la siguiente ecuación:
Kmax varía considerablemente con la velocidad del viento, pero un valor constante puede asumirse para los casos simples.

 

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