Aspectos Avanzados en Refrigeración y Aire Acondicionado SISTEMAS DE AHORRO Y RECUPERACION DE ENERGÍA EN INSTALACIONES DE CLIMATIACIÓN

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1 Aspectos Avanzados en Refrigeración y Aire Acondicionado SISTEMAS DE AHORRO Y RECUPERACION DE ENERGÍA EN INSTALACIONES DE CLIMATIACIÓN E.T.S. Ingenieros Industriales Dr. Eloy Velasco Gómez Profesor Titular de Universidad Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica Febrero 2012

2 INTRODUCCIÓN. ADECUAR TÉRMICAMENTE => CONSUMIR ENERGÍA (RELACIÓN CON IAQ) OBJETIVOS: CONSUMIR EL MÍNIMO LOGRAR ADECUADO CONFORT AMBIENTAL

3 REGLAMENTACIÓN. RITE (Anterior): Referencia a la UNE-EN ISO INDICES UTILIZADOS: PMV: Voto Medio Previsto PPD: Porcentaje de Personas Insatisfechas. CONDICIONES INTERIORES: ZONA OCUPADA (Distancias en cm):

4 REGLAMENTACIÓN. RITE (Aprobado 20 de julio publicado el 29 de agosto de 2007): IT Exigencia de calidad térmica del ambiente. Parámetros que definen el bienestar térmico: Temperatura seca del aire y operativa. Humedad relativa. Temperatura radiante media del recinto. Velocidad media del aire e intensidad de la turbulencia. Actividad metabólica 1,2 met. Vestimenta de 0,5 clo en verano y 1 clo en invierno y un PPD entre el 10 y el 20%,. PROCEDIMIENTO DE LA NORMA UNE-EN ISO 7730.

5 REGLAMENTACIÓN. RITE: Continuación IT Exigencia de calidad térmica del ambiente. Para la velocidad del aire se considera: Depende del met, clo, T aire e Intensidad turbulenta. CALCULO T aire (20 27 C) : Difusión por mezcla Int. Turb. 40 % y PPD 15 %: V T aire 100 0,07 [ enm/ s] Difusión por desplazamiento Int. Turb. 15 % y PPD 10 %: V T aire 100 0,1 [ enm/ s]

6 REGLAMENTACIÓN. RITE: Continuación IT Exigencia de calidad térmica del ambiente. Otros valores: UNE-EN ISO 7730 (Octubre de 2006) Ergonomía en ambiente térmico. Determinación analítica e interpretación del bienestar térmico mediante el cálculo de los índices PMV y PPD y los criterios de bienestar térmico local.

7 REDUCCIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO EN EDIFICIOS Disminución de las necesidades energéticas Adecuado aislamiento térmico Sistemas de energía solar pasiva Adecuación del tiempo de funcionamiento Sustitución de fuentes de energía convencionales por fuentes gratuitas Energía solar activa Energía geotérmica Enfriamiento evaporativo Enfriamiento gratuito Optimización de la eficiencia de utilización en los procesos Adecuar producción y demanda (regulación y fraccionamiento de potencia) Acumulación de calor Recuperación de energía residual Energía del aire de extracción Transferencia de calor entre zonas del edificio

8 DISMINUIR LAS NECESIDADES ENERGÉTICAS AISLAMIENTO ADECUADO: Calificación Energética de Edificios ENERGÍA SOLAR PASIVA Ej. Países Escandinavos: Orientación. Efecto invernadero (calor / frío) ADECUAR FUNCIONAMIENTO: Ej Oficinas, viviendas rurales, cines

9 SUSTITUIR FUENTES DE ENERGÍA ENERGÍA SOLAR ACTIVA ENERGÍA GEOTÉRMICA ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO ENFRIAMIENTO GRATUITO: FREE-COOLING

10 ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO. E.T.S. Ingenieros Industriales Dr. Eloy Velasco Gómez Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica

11 SISTEMAS EVAPORATIVOS FUNDAMENTOS DE LA TÉCNICA: Proceso de humidificación del aire con agua Calor sensible de enfriamiento = Calor latente de humidificación Ejemplo: Proceso de Saturación Adiabática

12 SISTEMAS EVAPORATIVOS 2500 A. de C. (Grabados con enfriamiento evaporativo) Muy utilizada hasta compresión mecánica. Sistema de enfriamiento natural.

13 SISTEMAS EVAPORATIVOS COMENTARIOS VENTAJAS: Enfriamiento hasta T SatAd. Agua como refrigerante. Posible enfriar: Agua Coeficiente de película Aire Zona de confort.

14 SISTEMAS EVAPORATIVOS COMENTARIOS INCONVENIENTES: Legionella Pnemophila Existencia de cepa virulenta de Legionella en una instalación de riesgo. TRATAMIENTOS Condiciones incontroladas permiten la multiplicación de la Legionella. LIMPIEZA CONTAGIO POR LEGIONELLA Corriente de aire contaminada descarga en el ambiente. Aerosoles en cantidad suficiente son inhalados por personas susceptibles. DISEÑOS MEJORES Real Decreto 865/2003

15 SISTEMAS EVAPORATIVOS: EVOLUCIONES IDEAL REAL Depende de la temperatura del agua

16 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO DIRECTO SISTEMAS DIRECTOS Muy eficaces Problemas: legionelosis El agua se evapora directamente al aire de suministro, produciendo una refrigeración y aumentando su contenido de humedad en un proceso de cambio adiabático de calor.

17 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO DIRECTO Paneles Evaporativos Medio Rígido Rotativos

18 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO DIRECTO Características Funcionales: T11 T12 Efectividad de saturación: s T11 T1 h Velocidad de flujo de aire: Q M a Cp Razón Agua/Aire / a R M M Configuración superficie húmeda t t F Cp t W a 11 t12 a TIPO ε s (%) VELOCIDAD (m/s) P primario (kpa) OBSERVACIONES Paneles. Evap 80 0,5-1,0 25 Ancho panel 0,05 m Medio Rígido ,0-2, Espesor 0,2-0,3 m Rotativos ,50-3,0 70 -

19 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO DIRECTO Ventajas: Muy eficientes. Apropiados zonas cálidas y desérticas. Aplicaciones en edificios pequeños. Inconvenientes: Consumo de agua. Legionella. Cuidado sustratos orgánicos. Tratamientos bactericidas.

20 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO DIRECTO

21 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO INDIRECTO SISTEMAS INDIRECTOS Reducción n de eficacia (intercambiador) Sin legionelosis No hay intercambio directo entre las corrientes de aire. No hay adición de humedad en el aire de renovación ni riesgos de contaminación.

22 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO INDIRECTO Convencional Regenerativo Recuperativo

23 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO INDIRECTO Tubular Placas

24 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO INDIRECTO Enfriador evaporativo Indirecto (Pescod) Efectividad de bulbo húmedo: s m 1( T11 T12) m ( T T ) h Ventajas: No humidifica el aire Bastante efectivo No legionellosis (primario) Inconvenientes: Legionellosis (secundario) Menos efectivo que directos

25 SISTEMAS EVAPORATIVOS: TIPOS DE SISTEMAS REFRIGERADOR EVAPORATIVO MIXTO: Indirecto / Batería de expansión / Directo

26 SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO GRATUITO O FREE- COOLING

27 FREE COOLING El RITE establece en la IT Recuperación de energía IT Enfriamiento gratuito por aire exterior: 1. Los subsistemas de climatización del tipo todo aire, de potencia térmica nominal mayor que 70 kw en régimen de refrigeración, dispondrán de un subsistema de enfriamiento gratuito por aire exterior. 2. En los sistemas de climatización del tipo todo aire es válido el diseño de las secciones de compuertas siguiendo los apartados 6.6 y 6.7 de la norma UNE-EN y UNE- EN 1751: a) Velocidad frontal máxima en las compuertas de toma y expulsión de aire: 6 m/s. b) Eficiencia de temperatura en la sección de mezcla: mayor que el 75%.

28 FREE COOLING El RITE establece en la IT Recuperación de energía IT Enfriamiento gratuito por aire exterior: 3. En los sistemas de climatización de tipo mixto agua-aire, el enfriamiento gratuito se obtendrá mediante agua procedente de torres de refrigeración, preferentemente de circuito cerrado, o, en caso de empleo de máquinas frigoríficas aire agua, mediante el empleo de baterías puestas hidráulicamente en serie con el evaporador. 4. En ambos casos, se evaluará la necesidad de reducir la temperatura de congelación del agua mediante el uso de disoluciones de glicol en agua.

29 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING RECUPERACIÓN CON FREE COOLING AIRE EXTERIOR RECUPERADOR AIRE IMPULSIÓN AIRE EXTRACCIÓN AIRE EXTERIOR By-Pass AIRE EXPULSIÓN

30 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING Enfriamiento gratuito por aire

31 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING Enfriamiento gratuito por agua

32 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING Control del free cooling por temperatura

33 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING Control del free cooling por entalpía sin humidificación

34 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING Control del free cooling por entalpía con humidificación

35 OPTIMIZAR LA EFICIENCIA DE UTILIZACIÓN Adecuar Producción y Demanda Empleo de acumulación Recuperación de energía residual RECUPERADORES DE CALOR INTERCAMBIO ENTRE ZONAS

36 Intercambio entre zonas RECUPERADORES DE ENERGÍA

37 INTERCAMBIO ENTRE ZONAS: INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA Simulación de zona interior (B) y exterior (A) de un edificio de oficinas en condiciones de invierno. INVERSIÓN TÉCNICA SIMULTÁNEA POTENCIA TÉRMICA (KW) HORA SOLAR ZONA A:CALEFACCIÓN ZONA B: REFRIGERACIÓN

38 INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA: Sistemas agua-agua POTENCIA CALORÍFICA Y FRIGORÍFICA DE LA INSTALACIÓN COINCIDENTES Y SIMULTÁNEAS CIRCUITO REFRIGERACIÓN - + CIRCUITO RECUPERACIÓN SITUACIÓN IDEAL MÁXIMA RECUPERACIÓN

39 INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA: Sistemas agua-agua POTENCIA CALORÍFICA MENOR QUE LA REQUERIDA POR LA INSTALACIÓN APOYO CIRCUITO REFRIGERACIÓN - + CIRCUITO RECUPERACIÓN + NECESITAMOS APOYO, RECUPERACIÓN TOTAL

40 INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA: Sistemas agua-agua POTENCIA CALORÍFICA MAYOR QUE LA REQUERIDA POR LA INSTALACIÓN CIRCUITO REFRIGERACIÓN - + CIRCUITO RECUPERACIÓN - RECUPERACIÓN PARCIAL Sistema adicional de disipación de energía DISIPADOR DE CALOR

41 INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA: Sistemas agua-agua DEMANDAS VARIABLES APOYO CIRCUITO REFRIGERACIÓN - + CIRCUITO + RECUPERACIÓN - RECUPERACIÓN DE CALOR VARIABLE Situación más habitual DISIPADOR DE CALOR

42 INVERSIÓN TÉRMICA SIMULTÁNEA: Sistemas todo refrigerante

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45 IT Recuperación de energía IT Recuperación de calor del aire de extracción: 1. En los sistemas de climatización de los edificios en los que el caudal de aire expulsado al exterior, por medios mecánicos, sea superior a 0,5 m 3 /s, se recuperará la energía del aire expulsado. 2. Sobre el lado del aire de extracción se instalará un aparato de enfriamiento adiabático. 3. Las eficiencias mínimas en calor sensible sobre el aire exterior (%) y las pérdidas de presión máximas (Pa) en función del caudal de aire exterior (m 3 /s) y de las horas anuales de funcionamiento del sistema deben ser como mínimo las indicadas en la tabla

46 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y FREE COOLING RECUPERADORES DE CALOR

47 RECUPERADORES DE CALOR Q C V T P t INTERESANTE RECUPERAR CALOR CUANDO: Mucho caudal en la instalación Mucha diferencia de temperaturas Mucho tiempo de utilización

48 FINALIDAD:: VENTAJAS: RECUPERADORES DE CALOR UTILIZAR EL CALOR RESIDUAL (SENSIBLE Y/O LATENTE) CONTENIDO EN EL AIRE DE RETORNO 1. REDUCIR EL TAMAÑO DE LA CENTRAL ENERGÉTICA (COSTES DE INVERSIÓN) 2. REDUCIR EL CONSUMO DE ENERGÍA DE FUNCIONAMIENTO (COSTES DE EXPLOTACIÓN) INCONVENIENTES: 1. INVERSIÓN EN EL RECUPERADOR 2. POSIBLE AUMENTO DEL CONSUMO ELÉCTRICO.

49 Ventilación Y Ahorro Energético VENTILACIÓN Compromiso: AHORRO ENERGÉTICO RECUPERADORES DE CALOR Calor ENTÁLPICO MAYOR AHORRO Calor SENSIBLE

50 Diagrama Psicrométrico (I)

51 Diagrama Psicrométrico (II)

52 Criterios a considerar en la selección EFICIENCIA PÉRDIDA DE CARGA INSTALACIONES Y LOCALIZACIÓN IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

53 EFICIENCIA EXTERIOR X 1 X 4 X 2 X 3 LOCAL 1. Calor sensible ( T bulbo seco) 2. Calor latente (humedad absoluta) 3. Calor total (entalpía)

54 EFICIENCIA Cantidad de energía recuperada Cantidad de energía recuperable Q Q REN MIN X X 1 1 X X 2 3 Q REN Caudal de aire de renovación (kg/h) Q MIN Caudal de aire menor entre los de renovación y extracción (kg/h) X Puede ser temperatura de bulbo seco, humedad específica o entalpía.

55 Eficiencia de los Recuperadores de Calor RECUPERADOR Rotativo Placas Circulación y Rociado Dos Baterías con Bomba Evaporador- Condensador Tubos de Calor Evaporativo Indirecto CALOR TRANSFERIDO Total Sensible Total Sensible Sensible Sensible Sensible EFICIENCIA (%)

56 PÉRDIDA DE CARGA P flujo 1 a b 2

57 Pérdidas de Presión en Equipos Recuperadores de Calor RECUPERADOR Rotativo Placas Circulación y Rociado Dos Baterías con Bomba Evaporativo Indirecto Tubos de Calor PÉRDIDAS DE PRESIÓN (Pa) VELOCIDAD AIRE (m/s)

58 INSTALACIONES Y LOCALIZACIÓN POSICIONES DE CONDUCTOS Muchos confluir en un punto. Fluido intermedio de circulación. CAUDAL DE AIRE CIRCULANDO POR LA INSTALACIÓN Ej. Recuperador entálpico de papel. NUMERO DE CONDUCTOS DE AIRE DE RETORNO. Sistema de baterías con bomba CALIDAD DEL AIRE NECESARIO: (Vigilar tomas de aire exterior)

59 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ADMINISTRACIONES NO SOLO ANÁLISIS ECONÓMICO. REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO 2 NORMATIVAS PARA AUMENTO DE VENTILACIÓN. NORMATIVAS PARA REDUCIR ENERGÍA POSIBILIDAD: RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Ventajas medioambientales: Reducción de efecto invernadero. (GWP) Reducción del impacto sobre el ozono. (ODP)

60 Clasificación del Equipamiento Según los medios que intercambian energía Según contenido de humedad Según separación de fluídos que transportan energía Seco Sistemas Aire-Aire Sistemas Aire-Líquido Sistemas Líquido-Líquido Húmedo Según el tipo de intercambio Calor sensible Calor total Sistemas de Contacto Directo Sistemas Regenerativos Sistemas Recuperativos Según el tipo de intercambiador Evaporativos Placas Rotativo Termosifón Bomba de Calor Directos Indirectos Circulación y Rociado Dos Baterías con Bomba Tubos de Calor

61 TIPOS DE EQUIPOS A DESCRIBIR: EQUIPOS DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA RECUPERADORES EVAPORATIVOS DIRECTO INDIRECTO RECUPERADOR DE PLACAS RECUPERADOR ROTATIVO RECUPERADOR DE CIRCULACIÓN Y ROCIADO RECUPERADOR DE DOS BATERÍAS CON BOMBA RECUPERADOR DE BOMBA DE CALOR RECUPERADOR CON TUBO DE CALOR TERMOSIFON HEAT PIPE

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73 SENSIBLE O TOTAL

74 Recuperador por Circulación y Rociado

75 Recuperador por Circulación y Rociado válvula auxiliar IMPULSIÓN EXTRACCIÓN CALENTADOR DE LA SOLUCIÓN AIRE EXTERIOR válvula de by- pass Agua de aporte AIRE AMBIENTE

76 Bomba

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78 RECUPERADORES CON BOMBA DE CALOR Compresor 2.- Evaporador 3.- Válvula de expansión 4.- Condensador 5.- Válvula de cuatro vías UNIDAD EXTERIOR EN CORRIENTE DE AIRE DE RETORNO: Más caliente en invierno que el exterior. Más fría en verano que el exterior.

79 RECUPERADORES CON TUBO DE CALOR Q Q Q Q RECUPERADOR TERMOSIFÓNICO: Siempre condensador arriba y evaporador abajo. Obligatorio cambiar posición en cambio de estación.

80 RECUPERADORES CON TUBO DE CALOR Evaporador Zona adiabática Condensador Q Retorno de Líquido Q Evaporación Flujo de vapor Condensación Q Relleno Capilar Q RECUPERADOR HEAT PIPE: Zonas intercambiables. Simetría en la geometría Difícil calcular, y caro de construir

81 RECUPERADORES CON TUBO DE CALOR

82 EJEMPLO PRÁCTICO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RECUPERADOR ENTÁLPICO DE PAPEL RA INTERIOR SA RA SA INTERCAMBIA DOR VENTILADOR 1 Filtros h S + h L h S VENTILADOR 2 OA EXTERIOR EA VISTA EN PLANTA OA EA VISTA LATERAL O A E A S A I R A

83 EJEMPLO PRÁCTICO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RECUPERADOR ENTÁLPICO DE PAPEL

84 EJEMPLO PRÁCTICO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RECUPERADOR ENTÁLPICO DE PAPEL