8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
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- Patricia Aurora Benítez Agüero
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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 POTENCIAL DE AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO EN LA CIUDAD DE SAN CRISTÓBAL CON LA UTILIZACIÓN DE ECONOMIZADORES AIRE-AIRE Zambrano J. C. 1 ; Fumo N. 2 1 Departamento de Matemática y Física, 2 Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad Nacional Experimental del Tácira. Av. Universidad Paramillo. San Cristóbal. Venezuela 1 jzambra@unet.edu.ve; 2 nfumo@unet.edu.ve RESUMEN Dentro de la conciencia mundial respecto al tema energético y de la preocupación por el incesante crecimiento del uso y consumo de energía se ace necesario investigar sobre las posibilidades de aorro de ésta en los sistemas que la consumen. Por lo tanto, se pretende conocer la potencialidad de lograr aorro de consumo de energía en equipos de aire acondicionado para la ciudad de San Cristóbal por medio de los economizadores aire-aire. Así, se analizan las estrategias de control disponibles para obtener la que brinda mejores beneficios energéticos y de confort térmico, también se utilizan datos ambientales reales de la ciudad que junto con la creación de ambientes de prueba a permitido calcular el potencial aorro en función de varias condiciones térmicas internas ubicadas todas en la zona de confort térmico, también se a calculado el aorro en consumo eléctrico por tonelada de refrigeración considerando equipos con tasa de eficiencia energética de 12. Los resultados muestran que: el sistema más adecuado es el de control de entalpia, existe una correlación entre al aorro obtenido con la época seca y lluviosa de la región y finalmente que si puede ser aplicado el sistema economizador en la ciudad con un significativo energético. PALABRAS CLAVE: Aorro de energía, aire acondicionado, economizador, control de entalpía
2 INTRODUCCIÓN Actualmente el alto costo operativo en edificaciones del tipo residencial, comercial e industrial ace que sea rentable mejorar el funcionamiento de los equipos consumidores de energía para disminuir sus costos de funcionamiento. Igualmente existe la tendencia actual de disminuir o frenar el creciente aumento de uso de energía a nivel mundial lo cual está demostrado en los acuerdos (buscar acuerdos de disminución de energía). En Venezuela particularmente se están aciendo esfuerzos desde el Ministerio de Energía y Petróleo para disminuir la demanda eléctrica, especialmente en las regiones alejadas del oriente del país. Hablando de porcentajes de uso de energía en las instalaciones mencionadas, se tiene que más del 30 % de la energía consumida por éstas proviene del uso de los acondicionadores de aire. También se an desarrollado recientemente equipos adicionales para estos sistemas que permiten mejorar significativamente su desempeño energético entre los que se puede mencionar: economizadores aire-aire, recuperadores, regeneradores, entre otros. Considerando lo mencionado anteriormente, y además, resaltando la relativa ventaja climática que ofrece la ciudad de San Cristóbal con condiciones psicrométricas cercanas a las de confort térmico, se propone el estudio del potencial que existe en la zona para la incorporación de economizadores aire-aire a los equipos de aire acondicionado para disminuir parcial o totalmente el consumo por funcionamiento del compresor. Básicamente un economizador supervisa constantemente las condiciones ambientales y las compara con las condiciones internas y con las del retorno de aire acondicionado para que por medio de actuadores se seleccione la fuente del aire de suministro. En términos generales existen dos parámetros que pueden regir el funcionamiento de los economizadores, los cuales son: control de bulbo seco y control de entalpia. MÉTODO Determinación del tipo de control a utilizar El uso de economizadores en un sistema de aire acondicionado puede conllevar a una disminución en el uso de energía de enfriamiento siempre y cuando el aire exterior presente condiciones de menor contenido de energía total que el aire de retorno. El funcionamiento de los economizadores se basa en la inclusión de 100% de aire exterior cuando las condiciones lo permiten o por el contrario sólo el ingreso de la mínima cantidad de aire requerido para ventilación. En el caso del control de temperatura la operación del economizador es activada por la temperatura del aire exterior, por ejemplo 24 C. Si el aire externo está por debajo de 24 C se inicia la admisión de 100% aire exterior, en el caso contrario, esta situación no es económica y el dámper sólo admite la cantidad requerida por ventilación. Por otra parte, en el control de entalpia se monitorea constantemente la temperatura y umedad relativa, tanto del aire exterior como del retorno para seleccionar la fuente del aire que posee menor cantidad de energía (entalpía). En términos generales las condiciones termodinámicas del aire de retorno depende de la selección eca por los usuarios a través del termostato y cuyos valores oscilan entre 22 C asta 26 C de acuerdo a (Roles, 2007) valores que son tambien presentados en la carta psicrometrica mostrada en la Figura 1 con su respectiva incidencia sobre la umedad relativa.
3 Figura 1 Zonas de Confort Térmico (ASHRAE, 2001) Para comparar los tipos de aorro producido se presenta en la Figura 2 un análisis sobre el efecto producido por la aplicación de control de entalpía y temperatura respectivamente junto con su descripción en la Tabla 1 y Tabla 2. Figura 2 Zonas para el análisis del tipo de control a aplicar en economizadores aire-aire. Izquierda: Control de entalpía. Dereca: Control de temperatura Tabla 1 Análisis de áreas en el control de entalpía Área Análisis Orden del controlador A El aire exterior en esta zona tiene menor energía que el de retorno B El aire exterior tiene mayor energía que el de retorno Mínima ventilación C El aire exterior tiene menos energía que el suministro de aire acondicionado Apagado del ciclo de enfriamiento Tabla 2 Análisis de áreas en el control de temperatura Área Análisis Orden del controlador D El aire exterior en esta zona está por debajo del set point.
4 E E Aunque el aire esté por debajo del set point, no se produce aorro porque el AE tiene más energía que el retorno. F El AE tiene mayor temperatura que el establecido por el set point Mínima ventilación G El aire exterior tiene menos energía que el suministro de aire acondicionado Apagado del ciclo de enfriamiento Recolección y procesamiento de datos para la aplicación del control Para alimentar los controles mencionados se ace necesario conocer las condiciones de temperatura de bulbo seco y umedad relativa para la ciudad de San Cristóbal, esto se ace a través del Centro de Investigaciones Meteorológicas de la Universidad del Tácira, quienes suministran datos ambientales registrados cada 15 min para los años 2004 y 2005 para un total de datos. Como es necesario conocer la entalpía del aire en cada punto, así como en el retorno y en el suministro se elaboró una macro que utilizando las ecuaciones presentadas en ASHRAE, Psycrometrics (2001) agiliza el tratamiento de los datos. Selección de los ambientes de prueba Los ambientes para la aplicación de los controles requieren una ventilación del 20% del caudal de suministrado por el equipo acondicionador de aire, debe aclararse que el caudal de ventilación a sido calculado de acuerdo a ANSI-ASHRAE (2004), de la misma manera se considerarán 2 orarios de uso de los ambientes: uno considerando sólo oras de oficina y otro considerando el uso las 24 r del día. Los sitios corresponde a oficinas de 30 m2 los cuales son servidos por equipos tipo teco y con una red de distribución de ductos de lámina galvanizada. Cálculo del porcentaje de aorro o pérdida El cálculo del aorro o pérdida se realiza a través de una comparación del calor que se extrae del ambiente normalmente (mezcla de 80% de retorno y 20% AE) contra el calor que se extraería si se aplicara el control de entalpía (este control ofrece mejores resultados de acuerdo a lo discutido anteriormente). Entonces, para el acondicionador aire sin economizador, se tiene: = 0,8 + 0, 2 (1) m r ext ( ) Q = m (2) SE m sa Donde: Q SE : Calor retirado por el aire acondicionado sin economizador aire-aire m : Flujo másico de aire que pasa a través del aire acondicionado m : Entalpía de mezcla r : Entalpía del aire de retorno ext : Entalpía del aire exterior sa : Entalpía de suministro de aire a la salida del aire acondicionado Cuando se utiliza el economizador con control de entalpía existen 3 posibilidades: 1. : se ingresa sólo aire exterior y se deseca el aire de retorno, el calor retirado por el aire acondicionado Q es: ( ) CE ( ) Q = m (3) CE ext sa 2. Mínima Ventilación: para el caso estudiado se ingresa 80% de retorno y 20% de AE por requerimientos de Q es: ventilación, entonces el calor retirado por el aire acondicionado ( ) CE
5 ( ) Q = m (4) CE m sa % retorno: cuando la entalpía de retorno es menor a la del AE y además el nivel de CO 2 es adecuado según Q es: ASTM (2002), entonces el calor retirado por el aire acondicionado ( ) CE ( ) Q = m (5) CE r sa Finalmente el porcentaje de aorro o pérdida (%AP) obtenido es: Q SE QCE % AP = 100 QSE (6) RESULTADOS Y DISCUSIÓN El aorro obtenido por el uso de economizador con control de entalpia se presenta en función de la entalpía de aire exterior considerando en cada caso una situación de confort térmico de acuerdo a lo mencionado anteriormente, así en la Figura 3 se presenta el aorro para entalpías de: 62,5 kj kg as para condiciones internas de o C y 59 77% HR 55 kj kg as para condiciones internas de o C y 47 63% HR. 45 kj kg as para condiciones internas de o C y 31 43% HR. Es importante mencionar que el aorro ocasionado en la zona izquierda (descendente de izquierda a dereca) es ocasionado sólo por el ingreso de aire exterior cuando sus condiciones son adecuadas y el aorro en la dereca se produce por el retorno total de aire considerando que los niveles de CO 2 son adecuados. Como puede notarse pueden lograrse aorros de asta 90% respecto a la energía consumida sin economizador. También es necesario recalcar que si se ingresa 100% de aire exterior se tiene el beneficio adicional de mantener una excelente calidad de aire interior ya que todo el aire de suministro es totalmente limpio. Figura 3 Porcentaje de aorro de energía con diferentes entalpías de diseño interior
6 En la Figura 4 se presenta el porcentaje de tiempo en el cual se produce aorro de energía tomando en cuenta un ano, también se compara el porcentaje de tiempo para un uso de 24 r al día y para un uso en orario de oficina (8:00 am a 6:00 pm). Como era de esperarse se obtiene mayor aorro con el uso de economizadores en instalaciones que operen 24 r del día ya que en la ciudad en las oras de la noce y madrugada las temperaturas son bastante bajas con valores de asta 12 o C. Figura 4 Porcentaje de tiempo durante un año en el que se produce aorro con el uso del economizador con control de entalpía En la Figura 5 se presenta el aorro en consumo de energía para equipos de acondicionamiento de aire con una tasa de eficiencia energética (EER por sus siglas en inglés) de 12 Btu W para cada mes del año, se compara el aorro que se tendría entre un equipo que funcione las 24 r del día contra el que se tendría con equipos en aplicaciones de oficina. Es evidente que existen 2 ciclos bien definidos que coinciden con la época seca (entre diciembre y abril) y con la época lluviosa (entre mayo y noviembre), así los meses con mayor aorro son los secos ya que el aire tiene poca umedad relativa destacándose enero con una disminución mayor a 70 y 25 kw por tonelada de refrigeración para equipos que operan 24 r al día y los que operan en orario de oficina respectivamente. Figura 5 Aorro de energía por cada tonelada de refrigeración con el uso de economizador de aire con control de entalpía CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las utilización de economizadores aire-aire en equipos de aire acondicionado bien sea con control de temperatura o entalpía proveen una posibilidad de aorrar cantidades significativas energía y por lo tanto dinero. De los tipos de control disponibles para economizadores se tiene que aorros superiores pueden lograrse a través del uso de control de entalpía ya que considera además de la influencia de la temperatura de bulbo seco también la influencia de la umedad relativa; en el caso del control de temperatura se podrían generar incluso pérdidas en determinados
7 momentos ya que si el aire presenta elevados niveles de umedad relativa se estaría ingresando aire con energía superior al de retorno. El aorro de energía obtenido depende de mucos factores que pueden acer que se incrementen los beneficios o que se vean disminuidos, en términos generales se tiene las instalaciones con mayor posibilidad de uso son aquellas con un alto índice de concentración de personas, donde se realicen actividades pesadas o que funcionen 24 r al día. Debe recordarse que la introducción de aire externo tiene la ventaja de mantener un ambiente saludable para los usuarios siempre que en los alrededores se cuente con aire de buena calidad. Dado que no es el objeto de la investigación, no se estimó el aorro en consumo energético utilizando también un control de CO 2. Dependiendo del set point manejado por los usuarios pueden lograrse mejores resultados, aun con requerimientos de baja temperatura interior se pueden obtener buenos efectos, aunque es conveniente desde el punto de vista de la ética energética manejar un set point cercano al borde superior dereco de la zona de confort en una carta psicrométrica. Finalmente se tiene que existe un gran potencial para el uso de economizadores en la ciudad de San Cristóbal aprovecando sus condiciones climáticas, al igual, es necesario realizar una simulación con un prototipo para realizar la producción comercial de tales dispositivos. REFERENCIAS 1. ANSI-ASHRAE. (2004). Standard Ventilation And Acceptable Indoor Air Quality. Atlanta: ASHRAE. 2. ASHRAE. (2001). Termal Comfort. In Fundamentals Handbook (p. 8.12). Atlanta: ASHRAE. 3. ASTM. (2002). D Using Indoor Carbon Dioxide Concentration to Evaluate Indoor Air Quality and Ventilation. Nueva York: ASTM. 4. Roles, F. (2007). Temperature and Temperament A Pycologist looks at Comfort. ASHRAE Journal, UNIDADES Y NOMENCLATURA as Aire seco ext Entalpía de aire exterior ( kj kg ) m Entalpía de la mezcla de aire de retorno y exterior ( kj kg ) r Entalpía de aire de retorno ( kj kg ) sa Entalpía de suministro de aire a la salida del aire acondicionado ( kj kg ) m Flujo másico de aire que pasa a través del aire acondicionado ( kg s ) Q CE Calor retirado por el aire acondicionado con economizador ( W ) Q Calor retirado por el aire acondicionado sin economizador ( W ) SE %AP Porcentaje de aorro de energía (porcentual)
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