1. RESUMEN EJECUTIVO Nombre del proyecto. Tecnología frigorífica de absorción LiBr/H 2 O para sustituir los refrigerantes fluorados en climatización

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1 1. RESUMEN EJECUTIVO Nombre del proyecto. Tecnología frigorífica de absorción LiBr/H 2 O para sustituir los refrigerantes fluorados en climatización y facilitar la integración de los sistemas térmicos de energía solar en los edificios. Empresa. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). El problema. En el Sur de Europa hay alrededor de 50 millones de máquinas frigoríficas aire-aire de potencia inferior a 15 kw utilizadas en climatización. Es posible que sean sustituidas al final de su vida útil. Contienen unos kg de refrigerantes fluorados con GWP a 20 años de HT. Un reto de la UE es sustituirlos por otros naturales que no destruyen el ozono y que no generen GWP. El agua es un refrigerante natural y un componente de la disolución LiBr/H 2 O utilizado en máquinas de absorción. La integración de los sistemas de refrigeración y calefacción solar en los edificios es una tarea pendiente. Mercado.No existe un mercado de máquinas frigoríficas de absorción de pequeña-media potencia condensadas por aire. Su creación puede contribuir a la sustitución de los refrigerantes fluorados. El potencial económico es grande. Objetivos. 1) Sustituir las máquinas pequeñas convencionales utilizadas en climatización por otras de absorción (LiBr/H 2 O) aire-agua y/o aire-aire y 2) integrar en el edificio los sistemas térmicos de refrigeración y calefacción solar. Innovación. El CSIC ha desarrollado tres prototipos de absorción LiBr/H 2 O condensados directamente por aire, figuras 1, 2 y 3, con una tecnología innovadora del sistema y de los componentes: absorbedor, condensador, etc.. 1) En ha ensayado un prototipo aire-aire de simple-doble efecto de 3,5 kw de potencia nominal. No necesita bomba de agua fría ni fan-coil. La unidad interior (evaporador de expansión directa) esta separada 2,5 m (Split) de la unidad exterior [6]. Mejora la eficiencia de la máquina convencional, figura 1. 2)Otro prototipo aire-agua de simple-doble efecto (enfriadora de agua híbrida) construido en una unidad [1,2]. El simple efecto (4,5 kw) se activa por energía solar térmica (85-110ºC) y trabaja con COP=0,6; el doble efecto (7 kw) trabaja a ºC e incorpora un quemador de llama directa [5]; COP = 1,2, figura 2. 3) El tercero, es una enfriadora de agua de doble efecto (7kW) condensada por aire, figura 3, de llama directa, [4]. Su volumen es 1 m 3, aproximadamente. El prototipo aire-aire ha trabajado durante 90 horas y la temperatura mínima de producción del aire frío fue 18,4ºC, [6]. Las dos enfriadoras han funcionado durante 320 horas en sesiones de 7-10 horas diarias [3,4,5]. Con temperatura exterior entre 30 y 42ºC producen agua fría a temperatura entre 7ºC y18ºc. La temperatura de condensación máxima fue 55ºC. Han climatizando un espacio de área variable (35-20m 2 ) manteniendo su temperatura interior entre 24-26ºC. El sistema híbrido (vol. 1m 3 ) permite al doble efecto producir la demanda que el simple efecto no puede generar con energía solar. El simple efecto se adapta a la geometría del edificio adoptando el área de colectores posible, figura 4. La demanda de calefacción se genera con la instalación solar y con el quemador. Aplicación. Media potencia(aire-agua, modular); pequeña potencia (aire-aire). Viabilidad técnica. La disolución no cristaliza. Su diseño permite una construcción sencilla con bajo coste. Siguiente paso: comercialización. 2. NOMBRE DEL PROYECTO

2 Tecnología frigorífica de absorción LiBr/H 2 O para sustituir los refrigerantes fluorados en climatización y facilitar la integración de los sistemas térmicos de energía solar en los edificios. 3. PRESENTACIÓN DE LA EMPRESA, AUTOR Y DATOS DE CONTACTO Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, C/ Serrano Galvache Nº 4, Madrid, España, Tel: Marcelo Izquierdo Millán, Tel: , mizquierdo@ietcc.csic.es. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Marisa Carrascoso Arranz; Gestor de Transferencia del Conocimiento. Departamento de Comercialización Tel.: ; macarrascoso@orgc.csic.es. 4. ÁMBITO Y FECHA DE INICIO: Madrid. Fecha de Inicio: Julio de DESCRIPCIÓN 5.1. Introducción El desarrollo de sistemas que trabajen con energía limpia y segura es un objetivo del programa 20/20/20. Otro reto de la Unión Europea es sustituir los refrigerantes CFC, HCFC y HFC utilizados por las máquinas frigoríficas de compresión mecánica de vapor por refrigerantes naturales. El agua es un refrigerante natural que no destruye el ozono estratosférico ni genera Potencial de Efecto Invernadero Directo (PEID, GWP) adicional. Cuando se utiliza energía renovable como fuente de energía también se reduce el Potencial de Efecto Invernadero Indirecto (PEII; GWPI). En el Sur de Europa hay instaladas alrededor de 50 millones de máquinas frigoríficas de potencia inferior a 15 kw en el sector de la climatización, de las que unos 8 millones están en España. Al final de su vida útil gran parte de ellas podrían ser sustituidas. Cada una alberga en su interior, por término medio, 1,5 kg de un refrigerante fluorado. En el caso de los sistemas térmicos de refrigeración y de calefacción solar, otro obstáculo para su desarrollo es la dificultad de acoplar la demanda del edificio a la variabilidad de la fuente de energía, a su geometría, orientación y ocupación, lo que en consecuencia ha impedido la integración. Tampoco existe un mercado de máquinas frigoríficas de absorción (LiBr/H 2 O) de pequeña-media potencia condensadas por aire para competir con las convencionales. Tanto del sistema indirecto (aire-agua) como del sistema de expansión directa (aire-aire), accionadas por energía renovable o fósil. Para que esto sea posible es necesario que trabajen con eficiencia energética similar a la eficiencia de las máquinas convencionales; que su tamaño sea atractivo y que reduzcan el impacto ambiental.

3 El Grupo de Investigación Ahorro de Energía y Reducción de Emisiones en los Edificios del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETCC) tiene centrado su trabajo en el desarrollo de sistemas de calefacciónrefrigeración solar y su integración en los edificios utilizando máquinas frigoríficas de absorción de pequeña-media potencia. El grupo ha desarrollado tres prototipos condensados directamente por aire que utilizan como fluido de trabajo la disolución acuosa de bromuro de litio: un prototipo de simple-doble efecto aire-agua (indirecto) construido en una unidad (enfriadora de agua híbrida); otro prototipo aire-agua (enfriadora de agua) de doble efecto con un quemador modulante de llama directa; y el tercero, aire-aire de expansión directa (Split) de simple-doble efecto construido en una unidad. El prototipo híbrido puede aportar una solución a los problemas de la demanda de refrigeración y calefacción solar mencionados anteriormente Tecnología Los tres prototipos comparten el diseño de algunos componentes. Los tres han sido desarrollados aplicando la tecnología del absorbedor adiabático de lámina plana [1, 2] y el condensador de aire [3, 4, 5, 6]. Estos dos componentes son enfriados directamente por aire [3, 4]. Sin embargo, en función de su aplicación, cada prototipo aporta un diseño particularizado de otros componentes. En general, se ha seleccionado una combinación de cambiadores de calor de placas y aleteados que permite reducir las dificultades de construcción y disminuir su tamaño. La tecnología que se presenta a continuación puede ser útil para la sustitución de las máquinas convencionales y para permitir la integración de los sistemas de calefacción-refrigeración solar en el edificio: 1) Prototipo aire-agua de simple-doble efecto: 4,5kW-7kW; volumen 1m 3. En la figura 1 vemos una enfriadora de agua que puede ser accionada por energía solar térmica o por calor residual en el simple efecto, y por combustible renovable o fósil (Gas Natural, GLP, Gasóleo C, etc.) en el doble efecto. El agua fría se bombea desde el evaporador hasta los puntos de consumo (fancoil). En el modo de simple efecto trabaja con una eficiencia térmica, COP = 0,6, [3]; en el modo de doble efecto el COP es 1,2, [5]. Si tenemos en cuenta el consumo de electricidad de los equipos auxiliares y la eficiencia se refiere a energía primaria, el simple efecto reduce su rendimiento hasta alrededor de 0,4 y hasta 0,75-0,8 en el caso del doble efecto. Produce el agua fría a una temperatura entre 12ºC y 18ºC cuando la temperatura exterior varía entre 30ºC y 42ºC [3, 4, 5]. Ha trabajado unas 150 horas en modo de simple efecto y unas 70 horas en el modo de doble efecto en sesiones de 6-8 horas diarias, de forma continuada. La disolución no cristaliza. Puede competir con la máquina convencional. Como sistema de calefacción puede utilizar la energía solar y completar la demanda con el quemador. El tanque de disolución puede operar como sistema de almacenamiento. Próxima fase: prototipo industrial y comercialización.

4 Enfriamiento directo: condensador y absorbedor Figura 1. Prototipo de enfriadora de agua de simple-doble efecto. 2) Prototipo aire-agua de doble efecto de llama directa: 7kW; volumen 1m 3. En este caso es una enfriadora de agua de llama directa. Utiliza un generador de refrigerante de alta temperatura que absorbe el calor desprendido por los gases de la combustión y lo transfiere a la disolución para conseguir su ebullición a una temperatura comprendida entre 150ºC y 185ºC, [4]; el generador de refrigerante de baja trabaja a una temperatura comprendida entre 85ºC y 110ºC. Un nuevo diseño del generador de alta permite eliminar la chimenea y reducir el consumo eléctrico de los equipos auxiliares. Puede competir con la máquina convencional. Figura 2. Prototipo de doble efecto de llama directa.

5 Ha sido ensayada utilizando un quemador de GLP. Puede trabajar con otros combustibles fósiles como Gas Natural, Gasóleo C, etc., o con combustible renovable. El agua fría se bombea desde el evaporador hasta los puntos de consumo (fan-coil). Su eficiencia energética térmica es del orden de 0,6-1,2 y referida a energía primaria es 0,4 en el simple efecto y 075-0,8 en el doble efecto, aproximadamente, [4]. La temperatura de producción del agua fría fue variable entre 7ºC y 18ºC con temperatura exterior comprendida entre 30ºC y 42,5ºC [4]. La disolución no cristaliza. Ha trabajado durante unas 100 horas en sesiones continuadas de 9 horas diarias, [4]. Como sistema de calefacción puede utilizar el tanque de disolución calentado por el quemador. Próxima fase: prototipo industrial y comercialización. 3) Prototipo aire-aire de simple-doble efecto: 3,5 kw; volumen de la unidad interior 0,4m 3. Es un prototipo de expansión directa. Produce el frío en el recinto que se quiere climatizar. No necesita bomba de agua fría ni cambiador de calor agua-aire, como por ejemplo un fan-coil. Mejora la eficiencia de la máquina aire-aire convencional. Unidad Exterior Unidad Interior Figura 3. Prototipo de simple-doble efecto de expansión directa y Split. El condensador y el evaporador están separados una distancia máxima de 2,5 m (2,1 m entre ejes), mientras que el evaporador y el absorbedor están separados 1,5 m (1,2 m entre ejes). La distancia entre el condensador y la válvula de expansión es 2,0 m. El evaporador y el absorbedor están unidos por un conducto que transporta el vapor de refrigerante para que sea absorbido por la disolución. Las características geométricas y el funcionamiento son las mismas que podemos encontrar en las máquinas convencionales Split.

6 La potencia frigorífica máxima generada ha sido 4,5 kw con temperatura exterior alrededor de 30ºC y 2,5 kw con temperatura exterior 42ºC. La temperatura mínima de impulsión del aire frío fue 18,4ºC [6]. El espacio climatizado fue de área variable entre 35 m 2 y 20 m 2, dependiendo de la temperatura exterior. Durante el verano de 2014 ha trabajado unas 90 horas en sesiones sin interrupción de 6-7 horas diarias con temperatura exterior variable entre 30ºC y 42ºC, sin que aparezca el fenómeno de la cristalización. La temperatura máxima de condensación fue 53ºC. La disolución no cristaliza. La presión de trabajo del evaporador de expansión directa fue variable dependiendo de la temperatura exterior: con temperatura exterior de 30ºC la presión de vapor fue alrededor de 9 mbar; cuando la temperatura exterior alcanza 42ºC la presión asciende hasta 18 mbar. La temperatura de evaporación fue variable entre 6ºC y 15ºC. Está en proceso de optimización. La temperatura interior se mantuvo en un valor de 25,5 ºC con temperatura exterior alrededor de 40 ºC. Como sistema de calefacción puede operar como en el caso 1). Próxima fase: prototipo industrial y comercialización. Estas condiciones de trabajo son propias del clima Mediterráneo y los resultados obtenidos demuestran que utilizando un diseño innovador la disolución no cristalizó en ningún caso [3, 4, 5, 6]. El mayor obstáculo para la aplicación de las disoluciones LiBr/H 2 O en sistemas condensados por aire ha sido superado Ámbito de aplicación Sector de la climatización; edificios; autobuses; barcos; camiones, etc. a) Enfriadora de agua de potencia frigorífica hasta 20 kw. 1. Como máquina frigorífica de simple-doble efecto y organización modular tiene aplicación para la refrigeración y la calefacción de edificios de demanda media que utilicen sistemas térmicos de energía solar. También como equipo individual para el aire acondicionado de algunos sistemas móviles que generen calor residual. 2. Cómo máquina frigorífica de doble efecto de llama directa integrada en sistemas modulares tiene aplicación en aire acondicionado y calefacción de edificios de tamaño medio. 3. Cómo máquina frigorífica de simple efecto, alimentada por el calor residual de motores o de procesos térmicos, para aire acondicionado y calefacción de de edificios de pequeña-media potencia y sistemas móviles.

7 b) Máquina frigorífica de expansión directa, Split: potencia hasta 10 kw. 1. Como máquina frigorífica de simple-doble efecto para la refrigeración y calefacción de espacios pequeños, como por ejemplo habitaciones o viviendas que tengan instalado un sistema térmico de conversión de la energía solar. También para aire acondicionado de sistemas móviles de pequeña potencia que generan calor residual. 2. Como máquina frigorífica de doble efecto de llama directa se puede aplicar para aire acondicionado y calefacción de espacios pequeños. 3. Como máquina frigorífica de simple efecto, alimentada por el calor residual de motores o de procesos térmicos, para aire acondicionado y calefacción de sistemas estáticos y móviles Funcionalidad y utilidad El prototipo presentado en la figura 3 forma parte de un banco de ensayos para evaluar sistemas de simple-múltiple efecto de expansión directa (aire-aire) y Split, enfriados directamente. En este caso, se ha estudiado la viabilidad científica y técnica del simple efecto accionado por energía solar térmica. El frío se produce directamente en el espacio que se quiere climatizar: habitación, vivienda, comercio etc., de carga térmica inferior a 10 kw.. Tanque de aceite térmico Simple efecto: energía solar, 85ºC-110ºC. Doble efecto: aceite térmico, 150ºC-185ºC. Figura 4. Ejemplo de aplicación del prototipo de simple-doble efecto. En la figura 4 tenemos un ejemplo de aplicación del prototipo de simple-doble efecto como sistema indirecto. Fue diseñado para climatizar un edificio de 7 kw

8 de carga térmica. El campo solar genera el calor necesario para accionar el simple efecto, mientras que el doble efecto es alimentado por el calor generado, en este caso, en un tanque de aceite térmico para completar la demanda. Otra posibilidad del prototipo de simple y doble efecto es el funcionamiento simultáneo. 6. ASPECTO INNOVADOR De acuerdo con el CTE y el RITE las condiciones de confort y de salud en el interior de los edificios incluyen, entre otras variables, el control de la temperatura interior, la humedad relativa y la proliferación de la Legionella. Desde el punto de vista de la salud del planeta, de acuerdo con la UNEP, la UE, etc., también es necesario controlar las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (Protocolo de Kioto) y la destrucción del Ozono Estratosférico (Protocolo de Montreal). Las máquinas frigoríficas de compresión mecánica simple condensadas por aire utilizadas en climatización cumplen las tres primeras condiciones pero no cumplen la cuarta, ya que el fluido de trabajo que utilizan (compuesto químico que contiene flúor) tiene un PEID (GWP) unas veces superior al del CO 2 en un Horizonte Temporal (HT) a 20 años, que se reduce hasta cuando el HT es 100 años. Como utilizan la electricidad como fuente de energía, por cada kwhe consumido generan, además, una emisión (en la Península) de unos 0,3 kg de CO 2. También podemos encontrar en el mercado máquinas que utilizan fluidos de trabajo que contienen cloro (R22, por ejemplo) y que son responsables, en parte, de la destrucción del ozono. La recuperación y el reciclado de estos refrigerantes está siendo asumida por la sociedad y existen empresas dedicadas a esta labor. También existen instalaciones para su destrucción. Pero en cualquier caso, el funcionamiento de las máquinas necesita el uso de estos refrigerantes, de forma que el parque de máquinas frigoríficas constituye un gigantesco almacén de gases de efecto invernadero, que supone una amenaza para el clima del planeta. La Unión Europea y otros organismos internacionales llevan alrededor de cuatro décadas intentando resolver este problema. Hasta la fecha no lo han conseguido. La estrategia ha consistido en sustituir los refrigerantes existentes por otros que contengan menos cloro, como por ejemplo la gama de los freones R11, R12, R22, etc., que fueron sustituidos por otros como el R123, R134a, R407C, R 410A, etc., y últimamente se busca la sustitución por la familia R422, por el R32 o el R1234yf. En algunos casos se está consiguiendo reducir la masa de refrigerantes clorados (R11, R12, R22), lo que indudablemente es un éxito parcial, pero en cambio no se ha conseguido reducir la masa de los refrigerantes fluorados, responsables en parte del aumento de la temperatura del planeta. En la mayoría de los casos, la eficiencia del nuevo refrigerante es inferior a la eficiencia del sustituido, incrementando, por este razón, la emisión de CO 2 durante su funcionamiento.

9 La Normativa de la UE (F- gas Regulation (842/2006)) propone la sustitución de los HFC en el próximo futuro por refrigerantes con GWP menor que 150. Uno de los últimos intentos han sido con el HFO R1234yf (GWP = 4). Hasta donde podemos conocer, no se están obteniendo resultados, y por ahora el R1234yf se está utilizando en la refrigeración de vehículos, donde también encuentra dificultades por su característica de sustancia ligeramente inflamable. Excelentes refrigerantes como el amoníaco, el propano, etc., por diversas circunstancias no gozan de la confianza del mercado en Europa. En el caso del ciclo de absorción de bromuro de litio, Carrier desarrolló la primera máquina frigorífica de simple efecto entre las décadas de y la de doble efecto entre Máquinas de triple efecto también existen en el mercado. Todas son condensadas por agua y principalmente son utilizadas en sistemas de trigeneración. Generan contaminación por Legionella en la torre de refrigeración. Por otra parte, las propiedades físicas, químicas y termodinámicas de la disolución acuosa de bromuro de litio para aplicaciones de aire acondicionado son conocidas desde principios del siglo XX. Un problema de esta disolución es la formación de cristales en ciertas condiciones. Esta circunstancia ha retrasado su desarrollo como máquina condensada por aire. Otras razones son la menor eficiencia energética del simple efecto, el mayor volumen y el consumo de electricidad de los componentes auxiliares. Se conocen intentos para desarrollar esta tecnología impulsados por empresas como Carrier, Yazaki, etc.; Centros de Investigación como ITM, Universidades, etc. La realidad es que actualmente no existe un mercado de máquinas condensadas por aire. Los aspectos innovadores aportados por la familia de prototipos que presentamos tienen como objetivo resolver estos inconvenientes. Son los siguientes: a) Se introduce el absorbedor adiabático de lámina plana [1,2] que mejora la transferencia de masa y de calor, respecto a los actualmente comercializados. b) El enfriamiento directo por aire del condensador y del absorbedor [3, 4] permite un diseño compacto y específico del condensador de aire, que reduce el tamaño de forma notable. c) El uso combinado del simple y del doble efecto en una unidad [5], tanto en el sistema aire-agua como en el aire-aire es una solución, que por su versatilidad, resuelve la integración de los sistemas térmicos de energía solar. d) El diseño del sistema aire-aire de expansión directa permite eliminar la bomba de agua fría y el fan-coil: reduce el consumo de electricidad; mejora la eficiencia [6] y disminuye el coste.

10 e) La eficiencia energética del doble efecto es comparable a la eficiencia de la máquina aire-aire convencional. El simple efecto puede activarse con calor residual o con energía solar térmica, lo que no es posible con la máquina convencional aire-aire. f) El agua es un refrigerante natural que puede sustituir a los fluorados en este sector de la climatización VALOR AÑADIDO Los refrigerantes naturales, el amoniaco, los hidrocarburos, el dióxido de carbono, etc., son obtenidos mediante procesos químicos. El agua es el único refrigerante que nos ofrece directamente la naturaleza; el que presenta la mayor facilidad de uso y el más económico. Los resultados de esta investigación se pueden utilizar como punto de partida para sustituir los refrigerantes fluorados en máquinas de pequeña y media potencia y crear un nuevo mercado. Las máquinas se pueden construir enteramente en España. 7. REFERENCIAS [1] Marcelo Izquierdo Millán, Emilio Martín Lázaro y María Esther Palacios Lorenzo (2012): Absorber and absorber-evaporator assembly for absorption machines and lithium bromide water absorption machines that integrate said absorber and absorber-evaporator assembly; Patente Europea EP B1. [2] Marcelo Izquierdo et al (2013): Patente Japonesa No [3] M. Izquierdo, A. González-Gil, J.D. Marcos, M.E. Palacios (2011). Direct air - cooled single effect LiBr/H 2 O absorption prototype using a flat-fan sheets adiabatic absorber: experimental results. Proceeding of the International Sorption Heat Pump Conference (ISHPC2011), Padua, Italy; pp [4] Izquierdo M, Marcos JD, Palacios ME, González-Gil A (2012). Experimental evaluation of a low-power direct air-cooled double-effect LiBr H 2 O absorption prototype. Energy (37): pp [5] M. Izquierdo, A. González-Gil, E. Palacios (2014). Solar-powered single-and double-effect directly air-cooled LiBr-H 2 O absorption prototype built as a single unit, Applied Energy. Volume 130, pp [6] M. Izquierdo, E. Martin, E. Palacios (2014). The directly air-cooled LiBr/H 2 O absorption system: an opportunity for small machines. Proceeding of the International Sorption Heat Pump Conference (ISHPC2014),Maryland University, USA, pp