Los sistemas de aire acondicionado consumen entre el 40% y el 65% del consumo total de energía eléctrica en lugares con temperatura ambiente de 35°C (95°F), como: Hospitales, Hoteles, Centros Comerciales, Almacenes de cadena, etc.
- Sólo los compresores nuevos con altas eficiencias y de sistemas de regulación de carga brindan mayores ventajas en el ahorro de energía, permitiendo una reducción del consumo entre un 30% al 40%.
- Tal inversión se recupera en menos de dos años con base a los ahorros alcanzados.
De allí la importancia de socializar los aspectos que pueden hacer más eficiente los sistemas de refrigeración para ahorrar energía y de paso aportar a la mitigación del cambio climático o al impacto de éste sobre la generación hidroeléctrica o al mismo deterioro ambiental y social que genera la construcción de centrales hidroeléctricas por deforestación, cambios en la biodiversidad, distribución inequitativa de beneficios, etc. (estudio concluye que la flora y fauna no se puede recuperar en menos de 200 años y se genera descomposición de materia orgánica con gases efecto invernadero como metano - representando el 1.3% del global). La ONUDI (Organización de las Naciones unidas para el Desarrollo industrial) espera impactar positivamente en un 38% el cambio climático en el año 2050, mediante programas de eficiencia energética; programas considerados de mejor beneficio ante su costo, que la simple implementación de energías alternativas (origen fotovoltaico, eólico, biomasa, mareomotriz, aunque esta última sea considerada de mejor eficiencia, etc.).
Adicionalmente es importante recordar que la eficiencia energética, junto con la calidad de la energía (que permite, entre otros, mitigar reactivos causal de futura penalización) y la seguridad de los sistemas eléctricos tanto para el personal como para los mismos equipos eléctricos interconectados, son tres aspectos que hacen parte de un sistema o proceso de Gestión energética integral.
"Las recomendaciones de los procesos de gestión energética, dentro de una organización, influirán en gran medida con mejor precisión técnica, en las compras de futuros equipos, en las políticas de expansión comercial y en las políticas de presupuesto.
Existen problemas, que sin un proceso de gestión energética, no serían identificados"
Sobre la eficiencia energética en sistemas de aire acondicionado, detallaremos a continuación:
Conceptos técnicos sobre eficiencia de los aires acondicionados.
Eficiencia en algunos de sus principales elementos: Compresor y refrigeración
Factores que incrementan el consumo de energía: OPERATIVOS y de SELECCIÓN/INSTALACIÓN
Mejoras en sistemas de Aire acondicionado: Condensador, Evaporador, Compresor
EFICIENCIA ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO.
1. CONCEPTOS TÉCNICOS
Cuatro componentes principales de cualquier equipo de A.A son:
• Compresor
• Condensador
• Mecanismo de Expansión
• Evaporador
Un compresor y condensador se localiza en el exterior y se conectan por líneas de refrigerantes a un evaporador montado en el interior. Sistema de tubos se usa tanto para la distribución del aire caliente como frío.
Circuito de refrigeración:
Un sistema de enfriamiento tiene una rata de eficiencia energética que especifica cuánta energía es removida por cada vatio de energía utilizado, el cual se denomina el coeficiente de operación (COP) y que se busca sea alto para lograr una mayor eficiencia.
Sistemas evaporativos tienen COPs mayores de 1.5, con frecuencia sobre 3, mientras que en sistemas por absorción el COP está entre 0 y 1.
La diferencia está en que mucha de la energía usada por el último ciclo causante del bajo COP es térmica (por lo que se pueden aprovechar calores residuales de la planta), pero esta puede ser aprovechada y resultar más barata que la energía eléctrica usada por el ciclo evaporativo.
· Para sistemas de aire acondicionado independientes, generalmente se tiene un
rango de 5.500 a 14.000 Btu por hora. Si se está en un clima templado se
recomienda tener COP de 9,0 y en climas cálidos un COP por encima de 10.
· El aire acondicionado centralizado tiene un COP entre 9.7 y 10 e incluso se
pueden encontrar sistemas con COP de hasta 17.
En el caso de los sistemas industriales se pueden hacer las siguientes anotaciones:
En términos de refrigeración la idea fundamental es que existen unas necesidades
de calor de enfriamiento. Para lograr esto, se requiere un suministro de energía en los compresores.
En la relación entre la potencia W y el calor QL, COP o coeficiente de Rendimiento, los equipos para este tipo de aplicaciones deberían tener COP al menos de 1.5, pero se consiguen equipos con COP del orden de 3.
Igualmente se DEBE considerar lo siguiente:
Los equipos de refrigeración trabajan de acuerdo con los puntos de ajuste de las
presiones y temperaturas del refrigerante en su paso por el condensador a alta
temperatura y en su paso por el evaporador a baja temperatura. Estos puntos tienen rangos óptimos que dan lugar a los menores consumos de energía.
Los equipos deben estar instrumentados para medir estos puntos. Se recomienda
instalar manómetros (que a la vez miden temperatura por tratarse de sustancias en puntos de saturación) con el debido cuidado e instrucciones de manejo para evitar fugas de refrigerante.
Con los datos de los instrumentos y el consumo de potencia medido con
amperímetro, se puede estimar el rendimiento de los equipos. Pero ello requiere la intervención de una persona entrenada y que conozca el lenguaje respectivo. Se recomienda contactar una empresa especializada en equipos de refrigeración para instrumentar los equipos y entrenar a alguien de la empresa para interpretar la información en términos de rendimiento.
Por lo anterior el COP DEBE ser igualmente considerado en un Programa de Gestión Energética Integral (GEI).
• COP = Q / W
COP: Coeficiente de operación: Rendimiento del ciclo de frío.
Q: Efecto frigorífico útil en el equipo evaporador.
W: Potencia consumida por el ciclo de frío.
• COP aumenta (consumo eléctrico disminuye) si:
• Se reduce la temperatura de condensación. (Si esta temperatura disminuye 1ºC, se consigue un ahorro eléctrico del 2-4%)
• Se mejora el rendimiento de los elementos del sistema (compresor).
Algunos problemas comunes con estos sistemas resultan de un mantenimiento inadecuado o de una instalación Inadecuada:
Puede resultar en ductos con fugas y bajos flujos de aire, procedimientos pobres de servicio o la carga del refrigerante no está ajustada a las especificaciones del fabricante y por lo tanto, durante la instalación del sistema, se debe hacer una carga adecuada para evitar comprometer la eficiencia y desempeño de la unidad.
2. EFICIENCIA EN ALGUNOS PRINCIPALES ELEMENTOS DEL AIRE ACONDICIONADO
2.1 EFICIENCIA EN COMPRESOR DE CLIMATIZACION
Nuevos compresores con altas eficiencias y de sistemas de regulación de carga brindan mayores ventajas en el ahorro de energía, permiten una reducción del consumo en un 30% a 40%.
Cuando hablamos de qué tan bien se hacen las cosas, nos referimos indirectamente a qué tan eficiente o ineficientemente las hacemos. Una máquina motriz será más eficiente si realiza su trabajo en menos tiempo y con la menor cantidad de energía suministrada.
Las máquinas térmicas motrices requieren una cantidad de energía para poder realizar un trabajo como el combustible que se transforma en energía calorífica en el caso de un motor de combustión interna de automóvil. En el caso de una máquina de refrigeración el ciclo se invierte, se requiere darle una cantidad de trabajo para mover una cantidad de energía térmica o calorífica.
Toda máquina térmica, ya sea motriz o de refrigeración, requiere ceder indudablemente una cantidad de calor al medio ambiente, por lo que su funcionamiento está gobernado por nuestra naturaleza o las condiciones ambientales que la rodean.
Un mismo refrigerador o sistema de aire acondicionado operan muy diferente en Bogotá o en Cali, en la Ciudad de Barranquilla o en la ciudad de Pasto, Inclusive el mismo equipo no funciona igual en diferentes condiciones ambientales o épocas del año (en invierno y en verano).
La eficiencia en una máquina motriz es la relación de la energía de entrada entre el trabajo (energía útil) de salida, entre la energía de entrada (calor).
En una máquina frigorífica o de enfriamiento, es la relación del calor o energía de entrada (refrigeración), entre el trabajo o energía de entrada requerida para producir la refrigeración. Fig. 1. Diagrama de flujo de energías en máquinas frigoríficas
Eficiencia Eléctrica en compresores: Es debida a que las pérdidas suceden en los motores de los Compresores eléctricos, la mayor de éstas está en el cobre, debido a las pérdidas por efecto Joule P=I2R, (proporcional al cuadrado de la corriente de operación del motor por la resistencia eléctrica de sus devanados). Diseños de mejor eficiencia utilizan conductores de mayor diámetro, para acomodarlos dentro del motor se requiere que éste sea de mayor tamaño con ranuras mayores, aumentando también el número de laminaciones.
Otras pérdidas son las Pérdidas en el Hierro y en las Laminaciones, las cuales se dividen en Pérdidas por Corrientes Parásitas o de Foucault, las que se producen proporcionalmente por el efecto inductivo magnetizante de la corriente y su frecuencia eléctrica.
Otras pérdidas son por Histéresis causada por la magnetización y desmagnetización del rotor y el estator del motor, las cuales son función de la frecuencia eléctrica, y de los materiales de las laminaciones.
La disminución del espesor de las laminaciones, aisladas eléctricamente entre ellas, y aleaciones de hierro adecuadas reducen considerablemente estas pérdidas. Rotores más grandes ayudan a disminuir estos problemas, pero las laminaciones son el factor principal para su reducción.
La mayoría de los motores de uso común usan laminaciones de acero al carbón, de espesores del orden de 0.025 pg. con pérdidas aprox. de 6 Watts por kg. Motores de alta eficiencia usan laminaciones de Acero al Silicio con espesores del orden de 0.018 pg. con pérdidas del orden de 3 Watts por kg. Además de reducir las pérdidas magnéticas en los motores de alta eficiencia su temperatura de operación disminuye, y la vida del motor se aumenta: Por cada 10 °F de reducción de temperatura la vida del motor y sus devanados se dobla.
Eficiencia Térmica en compresores: Relacionado con las pérdidas de calor en la compresión del gas en el compresor. La compresión no es perfectamente adiabática (proceso en el cual el sistema termodinámico no intercambia calor con su entorno) . La alta temperatura de la compresión hace disipar calor a través del cuerpo y las paredes del cilindro del compresor, es energía o calor perdido al medio ambiente.
2.2 EFICIENCIA EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN:
Ante sus características presión-temperatura, su coeficiente de transmisión de calor, su coeficiente adiabático, etc., la eficiencia del ciclo de refrigeración es variable, depende de los parámetros que lo rigen en sus dos temperaturas (y correspondientes presiones), como es sabido una máquina térmica debe funcionar siempre entre dos temperaturas, en nuestro caso de la Temperatura de Evaporación y la Temperatura de Condensación, ambas son continuamente variables.
La temperatura de evaporación varía de acuerdo a la aplicación de las condiciones del producto a enfriar, su temperatura de entrada, su frecuencia de rotación, humedad relativa, rapidez de enfriamiento, la carga térmica, etcétera.
La Temperatura de Condensación dependerá de las condiciones ambiéntales de temperatura; verano, invierno, etcétera, y las condiciones ambientales del lugar; Bogotá, Cali, Barranquilla, Pasto Si la temperatura ambiente aumenta 10 °F la temperatura de condensación tenderá a aumentar la misma cantidad de 10 °F, y viceversa: la temperatura (y su presión de saturación correspondiente), son función de la temperatura ambiente.
Eficiencia Mecánica: Es la que toma en cuenta las pérdidas de potencia mecánica, (pérdidas por fricción interna, de lubricación, bomba de lubricación, etc.). El uso de aceite especificado, con sus características adecuadas de viscosidad, lubricidad, solubilidad y miscibilidad con los refrigerantes, son determinantes en la reducción de las pérdidas por fricción.
Eficiencia Volumétrica: Es debida principalmente a la re- expansión del gas refrigerante dentro del cilindro, a la fuga del gas por válvulas y anillos de pistones (blowby), obstrucción o pérdida de carga del flujo de gases refrigerantes, estas pérdidas son función de la relación de compresión en la que el compresor opera y las temperaturas de operación del ciclo.
3. FACTORES QUE INCREMENTAN EL CONSUMO DE ENERGÍA
3.1 FACTORES OPERATIVOS
3.1.1 HORAS DE UTILIZACIÓN: La falta de control operacional en el apagado y encendido de estos equipos genera un mayor tiempo de utilización, por ende, un alto consumo de energía. Para evitar esto se recomienda:
- Realizar una programación diaria del encendido y apagado del equipo. Generalmente, las unidades se deben encender 30 o 15 minutos antes de iniciar labores.
- La reducción de energía eléctrica que se puede alcanzar con este control es de un 10%.
3.1.2 CONDICIONES DE OPERACIÓN
Las condiciones de operación que generan altos consumos de energía eléctrica en las unidades de refrigeración son :
3.1.2.1 Bajas temperaturas de evaporación debido a:
- Falta de aislamiento térmico en tuberías de succión (tubería fría).
- Válvulas de expansión descalibradas.
- Falta de fluido refrigerante.
- Fugas de refrigerante.
- Suciedad de los filtros y de los paneles de los evaporadores.
- Bajo flujo de aire a través del evaporador.
3.1.2.2 Altas presiones de condensación causa de
- Deterioro de los paneles condensadores.
- Exceso de suciedad de paneles.
- Inadecuado flujo de aire de los ventiladores.
- Condensadoras mal ubicadas.
- Sobre carga de refrigerante.
- Disminución de la eficiencia isentrópica de los compresores ocasionando altas temperaturas de descarga.
3.1.3 CONTROL
La no existencia de control de temperatura para un lugar ocasiona el trabajo continuo de las unidades de refrigeración.
- Termóstatos descalibrados, de lenta respuesta o que estén deshabilitados generan sobre consumos de energía eléctrica.
- La falta de presóstatos en las líneas de succión y de descarga del compresor, genera la falta de control de las presiones y esto aumentan el consumo de energía.
- La falta de controles de temperatura del agua fría, o su mal funcionamiento genera pérdidas de energía eléctrica en los CHILLERS.
3.1.4 GRADO TECNOLÓGICO Y DE AUTOMATIZACIÓN
3.2 FACTORES DE INSTALACIÓN
Los factores de instalación que incrementan el consumo de energía son:
- Sistemas de distribución ineficientes o mal diseñados, rejillas de suministro y de retorno obstruidas reducen la capacidad de enfriamiento ocasionando un mayor tiempo de trabajo de las unidades de refrigeración.
- Fugas de aire frío en ductos, por zonas no climatizadas generan pérdidas considerables de energía eléctrica.
- Falta de aislamiento térmico de ductos de distribución y de los cuartos en donde se ubican las unidades manejadoras, y en tuberías de agua fría y de intercambiadores en unidades CHILLER
- Lo anterior genera un aumento considerable en la temperatura del aire que sale de las rejillas, ocasionando un mayor trabajo para las unidades de refrigeración.
3.2.1 Selección de aire acondicionado: Oportunidades de ahorro en Variadores de velocidad
- Bombas centrifugas
- Ventiladores en las torres de enfriamiento
- Unidades manejadoras de aire en sistemas de volumen variable
En nuevas tecnologías.
- Tecnologías de nuevos compresores con altas eficiencias y de sistemas de regulación de carga brindan mayores ventajas en el ahorro de energía, permiten una reducción del consumo en un 30% al 40%.
- Su inversión se recupera en menos de dos años con base a los ahorros alcanzados.
3.2.1 Selección de unidades y sistemas de aire acondicionado:
Para mayor eficiencia energética, la consideración más importante sobre la selección de los equipos es la elección de un equipo de aire acondicionado con EER (o SEER) tan alto como sea posible, teniendo en cuenta el presupuesto disponible. La eficiencia de un acondicionador de aire central queda afectado por las características y componentes elegidos por el fabricante. El SEER de un acondicionador de aire central tiene un rango que va de 10.0 a un máximo de aproximadamente 17.00.
Los compresores más eficientes y efectivos son los que tienen superficies de intercambio de calor más grandes, flujo de refrigerante mejorado y otras características tecnológicamente avanzadas.
Los compresores recíprocos avanzados, scroll y de velocidad variable o dos velocidades, cuando se combinan con los mejores intercambiadores de calor y controles, permiten que el SEER sea tan alto como 17.0. Los equipos de aire acondicionado con SEERs más altos usan compresores de alta eficiencia de dos velocidades o de velocidad variable
Rendimiento del equipo:
En el aire acondicionado es común referirse al rendimiento del equipo en términos de la cantidad de BTU’s por watt que es capaz de entregar. A este parámetro se le conoce como Eficiencia Energética de Refrigeración (EER = BTU/W).
En la selección del equipo de aire acondicionado es muy importante hacerlo en términos del mayor rendimiento que los requerimientos permitan, por ejemplo, un equipo de tornillo de alto desempeño tendrá un rendimiento del orden de los 20 BTU/W, mientras que uno de ventana convencional estará en el orden de los 6 a 8 BTU/W.
Refrigerantes:
A lo largo de la historia del aire acondicionado se han desarrollado una gran cantidad de refrigerantes, cada uno de ellos con diferentes características, sin embargo, a partir de los problemas detectados en la capa de ozono por la utilización de gases “Freon” como refrigerante, los desarrolladores han sacado al mercado refrigerantes cuyo impacto ambiental sea menos dañino. En algunos casos, particularmente con algunos refrigerantes hidrocarbonatados, además de no ocasionar daños ambientales, se tiene la particularidad de tener un efecto de refrigeración mayor, por lo que el consumo de energía en los equipos que utilizan este tipo de refrigerante es menos que en aquellos que usan Freones.
Hoy en día, una alternativa de ahorro de energía altamente rentable en la utilización de aire acondicionado, es la sustitución del refrigerante Freon 22 por HC-22, con la particularidad de que no se necesita realizar ninguna modificación a los sistemas para hacer la sustitución.
Aceite lubricante:
En la mayoría de las máquinas de aire acondicionado, este aceite circula por el mismo circuito de refrigeración. El refrigerante va arrastrando al lubricante por todo el circuito. Esta situación ocasiona que en lugares de baja turbulencia del refrigerante, el aceite se acumule y forme una gruesa capa en el interior de la tubería. El problema es que el aceite es un bajo conductor del calor y cuando éste se acumula en el evaporador, dificulta la transferencia de calor y provoca una caída de eficiencia en la máquina y por consiguiente un incremento en el consumo de energía.
Una buena alternativa de ahorro de energía consiste en instalar turbuladores antes del evaporador, de manera que se incremente la turbulencia del refrigerante, se mejora el arrastre del aceite lubricante, mejora la transferencia de calor en el evaporador y se mejora la eficiencia del ciclo logrando con ello un importante ahorro de energía.
Carga térmica:
La carga térmica de un local a acondicionar está basada en cuatro conceptos.
a)Las personas. Dependiendo de la intensidad de las actividades físicas que desarrolle una persona y su peso, será la cantidad de calor que despedirá su cuerpo hacia el local.
Conocer las características de las actividades a desarrollar en el sitio, permitirá dimensionar adecuadamente un equipo.
b) Las cargas eléctricas. Este tipo de cargas generan una considerable cantidad de calor, la más importante es la iluminación, por lo que implementar medidas de ahorro en iluminación, redundarán en una disminución de la carga térmica del área que se transformarán de manera directa en ahorros de energía eléctrica en el sistema de aire acondicionado.
c) Radiación Solar. Una importante cantidad de calor penetra a los locales por este concepto. Debido a que esta carga es muy grande, se recomienda evitar que los rayos solares penetren en las áreas acondicionadas, ya sea a través de efectuar modificaciones al diseño arquitectónico, la instalación de vidrios con características reflejantes para la radiación solar, así como la instalación de cortinas; son las principales estrategias de ahorro de energía. La intensidad de la radiación solar depende de la zona geográfica en la que se encuentre el área acondicionada. En el territorio nacional, esta puede andar en promedio; durante las horas de insolación, entre 250 y 500 W/m2.
d) Ganancias de calor por elementos arquitectónicos. Se refiere a la cantidad de calor que entra a través de paredes, puertas, ventanas, techos, etc. Se tienen dos formas de ganancia o pérdidas de calor a través de las paredes y estructuras del edificio: primero, por transmisión a través de la pared de un lado hacia el otro, y, segundo, por fugas de aire caliente o frío que está dentro de la zona, así para que la transferencia de calor sea reducida, la cantidad de aislamiento en las paredes del local debe mejorarse o hay que dejar espacios de aire entre las paredes y entre los techos y cielos falsos. Las fugas de aire pueden reducirse usando ventanas y puertas dobles o por algún otro medio, para reducir el flujo de aire a través de las rejillas.
4. MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO
4.1 MEJORAS GENERALES: CONSIDERACIONES DE AHORRO DE ENERGIA EN AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN
Para el diseño de equipos de aire acondicionado tenga en cuenta que una alta REE de los equipos no es garantía de un alto desempeño del sistema.
Un Uso Racional de la Energía de los sistemas de aire acondicionado se obtiene con:
• Seleccionando o diseñando la unidad apropiada (cálculo adecuado de cargas térmicas).
• Minimizando las infiltraciones de aire externo
• Reduciendo el U de paredes
• Mejorando la eficiencia de la iluminación.
• Alta eficiencia de los equipos empleados en aire acondicionado: alto COP o REE.
• Alta eficiencia de ventiladores, compresores y motores eléctricos.
• Usar velocidad variable en ventiladores de manejadora o condensadora.
• Optimización del diseño de ductos y distribución del aire.
• Aplicar un programa de mantenimiento apropiado (preventivo y predictivo).
• Emplear el control automático (PID). con programación de eventos.
• Adoptar Sistemas de manejo de energía.(BMS).
• Emplear sistemas de recuperación de calor.
4.2 MEJORAS DEL CONDENSADOR
• Los condensadores deben instalarse en lugares perfectamente aireados, con sombra y alejados de focos de calor.
• Instalación de los condensadores en fachadas norte: Reciben menor radiación solar directa -> La temperatura del aire es, en los momentos de mayor radiación, hasta 4º C menor que en las fachadas sur.
• Colocación de un elemento protector (celosías de lamas orientables en plástico) para evitar el calentamiento del condensador por exposición directa a los rayos solares -> La temperatura de condensación disminuye 1º C. -> Mayor capacidad de disipar calor.
4.3 EVAPORADORES: CONTROL DEL DESCARCHE
Si se eliminan las capas de hielo adheridas a la superficie de intercambio del evaporador (escarcha):
• Se favorece la absorción de calor por parte del fluido refrigerante.
• Se consume menos energía.
Control de los períodos de desescarche:
• Demasiados ciclos de desescarche -> se está introduciendo un calor adicional en la cámara.
• Pocos ciclos de desescarche -> el evaporador pierde capacidad de enfriamiento debido al aislamiento adicional que supone la capa de hielo existente.
4.4 MEJORA CON CENTRALIZACIÓN Y CONTROL DE GRUPOS COMPRESORES
Sistema Descentralizado: cada cámara o expositor cuenta con su propio grupo compresor.
• Buen control de la carga de trabajo (cada cámara puede encenderse o apagarse en función de las necesidades).
• Las labores de mantenimiento de los equipos se multiplican
• Se obtienen peores rendimientos al tratarse de pequeños grupos compresores.
Sistema Centralizado: Todos los compresores están en una misma sala, desde donde se transporta el fluido refrigerante a los puntos de consumo.
• Mayor eficiencia ya que los compresores son de mayor potencia y obtienen, por tanto, un mejor rendimiento.
