Bases para la Aplicación de Medidas de Eficiencia Energética Ahorro en Aires Acondicionados. Abril Dirección de Eficiencia Energética.

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1 Bases para la Aplicación de Medidas de Eficiencia Energética Ahorro en Aires Acondicionados Dirección de Eficiencia Energética Abril Guatemala

2 Introducción Los sistemas de climatización y equipos de aire acondicionado representan los mayores porcentajes de consumo en los edificios de climas como el nuestro. Es importante por lo tanto aprender a gestionar correctamente su utilización de una forma eficiente.

3 Introducción Se estudiará: Principios básicos sobre aire acondicionado. Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados y equipos de climatización. Medidas de conservación de la energía en Sistemas de Climatización. Evaluación de la eficiencia energética en Sistemas de Climatización. Optimización del desempeño energético en equipo de climatización. Evaluación económica en la aplicación de mejoras para equipos de Aire Acondicionado.

4 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Calor: El calor es la energía térmica total de los cuerpos, y es proporcional al movimiento de las moléculas. Se mide en unidades de energía: Joules, kwh, o BTU.

5 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Transferencia de Calor: El calor puede ser transmitido por: Convección. Conducción. Radiación. De forma natural el calor se transmite de una zona de mayor temperatura una de menor temperatura

6 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Temperatura: Es una medición indirecto del nivel de calor contenido en un cuerpo.

7 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Refrigeración: El término refrigeración se usa para incluir tanto el proceso de climatización y confort, así como los procesos de preservación de alimentos.

8 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Refrigeración: La refrigeración es el proceso de remoción de calor, desde un lugar donde no es requerido, el cual es transferido de forma artificial hacia otro donde causa poca o ninguna diferencia en la temperatura circundante.

9 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Refrigeración: La refrigeración es el proceso de remoción de calor, desde un lugar donde no es requerido, el cual es transferido de forma artificial hacia otro donde causa poca o ninguna diferencia en la temperatura circundante.

10 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Como se define la capacidad de enfriamiento de un equipo de Refrigeración?: Los equipos de refrigeración deben contar con una forma estándar para determinar su capacidad de enfriamiento. Tonelada de refrigeración, es el término que se usa para medir dicha capacidad. Es definida como: La cantidad de calor que se requiere para descongelar una tonelada de hielo en un período de 24 horas.

11 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Se requiere: 144 BTU para descongelar una libra de hielo. 1 Ton = 2000 lbs. 144 x 2000 = 280,800 BTU Si se consume esa energía en 24 horas, se dice que el equipo ha consumido a una taza de: 280,800 / 24 = 12,000 BTU/h

12 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El proceso de refrigeración: El equipo de refrigeración tiene que extraer el calor ingresado en el área fría (2 C) y bombearlo hasta la temperatura exterior (34 C). Componente refrigeración. de

13 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El proceso de refrigeración: El proceso de bombeo de calor hacia afuera del refrigerador puede ser comparado con el del bombeo de agua desde un valle hasta la cúspide de una montaña.

14 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Análisis de un equipo de refrigeración de ventana: En el caso de un aire acondicionado, el sistema responde de igual manera que un refrigerador. El calor que entra en la habitación es el que tiene que tiene que ser removido

15 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:

16 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:

17 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Análisis de un equipo de refrigeración de ventana: 1. La temperatura de aire exterior es de 35 C. 2. La temperatura de aire interior es de 24 C. 3. La temperatura del serpentín interior es de 4 C. Este serpentín transfiere el calor de la habitación al sistema de refrigeración. Hay que notar que con una temperatura de habitación de 24 C y la temperatura de 4 C del serpentín se produce una transferencia de calor del aire interior al serpentín interior.

18 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Análisis de un equipo de refrigeración de ventana: 4. Esta transferencia de calor hace que el aire de descarga (saliendo a la unidad) sea de aproximadamente 12 C. 5. La temperatura del serpentín exterior es de 52 C. Este serpentín transfiere el calor del sistema hacia el aire exterior. Notar que cuando la temperatura del aire exterior es de 35 C y la del serpentín exterior es de 52 C el calor se transfiere del serpentín hacia el aire exterior.

19 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Componentes de los equipos de Aire Acondicionado: 1. El Evaporador 2. El Compresor. 3. El Condensador 4. Válvula de Expansión.

20 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Evaporador. El evaporador en sistemas de refrigeración es el responsable de absorber calor del medio que se desea enfriar. Este proceso de absorción de calor es llevado a cabo manteniendo las bobinas del evaporador a una temperatura mas baja que la temperatura del medio que se desea enfriar.

21 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Evaporador. El gas refrigerante circula por las bobinas del evaporador a la temperatura de ebullición, de esta forma absorbe calor latente del aire circundante. En un sistema de aire acondicionado, por ejemplo, sus bobinas operan a 4.4 C y el aire que pasa a través de estas sale a unos 12 C.

22 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Evaporador. Existen diferentes formas y tipos de evaporadores pero su funcionamiento es el mismo, absorber el calor del medio a enfriar y trasmitirlo al gas, llevándolo a su evaporación al aumentar la temperatura.

23 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Condensador. El condensador es el dispositivo intercambiador de calor que transfiere el calor contenido en el gas hacia el medio en donde no causa un impacto apreciable en la temperatura. El condensador opera a mayores presiones y temperaturas que el evaporador.

24 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Condensador. El condensador consiste de una batería de bobinas de cobre o aluminio por la que circula el refrigerante en estado gaseoso y a media que avanza por el condensador (y cede calor al medio) se condensa y su temperatura baja. Al final del recorrido, el refrigerante se condensa completamente.

25 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor. Es considerado el corazón de un sistema de refrigeración, sus dos grandes funciones son: 1. Hacer circular el refrigerante por todo el circuito de tuberías. 2. Comprimir el gas para multiplicar su temperatura y de esta manera expulsarlo al medio ambiente.

26 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor. Existen 5 tipos principales de compresores: Reciprocante De tornillo Rotativo Scroll Centrifugo

27 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor: Reciprocante. Consiste de un compresor de pistones que comprimen el gas como en un motor de combustión. Son los de menor eficiencia y costo y están disponibles en potencias hasta de 50 hp.

28 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor: Rotativo. Es un tipo de compresor en el cual el rotor gira en el interior de un estator cilíndrico. Durante la rotación, la fuerza centrífuga extrae las paletas de las ranuras para formar células individuales de compresión. La rotación reduce el volumen de la célula y aumenta la presión del aire. El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a presión.

29 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor: Scroll. Consiste en un compresor con dos paletas en forma de espiral encajadas perfectamente, de esta manera se logra reducir el ruido y alcanza grandes eficiencias. Actualmente es el mas utilizado en equipos modernos con tecnología inverter que alcanzan grandes eficiencias (arriba de SEER 21).

30 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor: De tornillo. Usa un par de tornillos helicoidales que comprimen el gas entre ellos, son muy eficientes y alcanzan grandes presiones con poco gas. Son mayormente utilizados en la industria para enfriamiento a gran escala, requieren poco mantenimiento, en su contra tienen una menor vida útil con respecto a otros tipos de compresores.

31 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado El Compresor: Centrifugo. El compresor centrífugo se fundamenta esencialmente en una o varias ruedas impulsoras, montadas sobre una flecha (eje) de acero y encerradas en una cubierta de hierro fundido. El número de impulsores (turbinas) que se puede ensamblar depende principalmente de la magnitud de la presión que queremos desarrollar durante el proceso de compresión. Las ruedas impulsoras rotativas son esencialmente las únicas partes móviles del compresor centrífugo y por tanto la fuente de toda la energía impartida al vapor durante el proceso de compresión. La fuerza centrífuga aplicada al vapor confinado entre los álabes del impulsor y que gira con los mismos, origina la autocompresión del vapor en forma similar a la que se presenta con la fuerza de gravedad, que hace que las capas superiores de una columna de gas compriman a las inferiores.

32 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado La Válvula de Expansión Es uno de los componentes más importantes para llevar a cabo el proceso de enfriamiento. Se función es atomizar el liquido refrigerante a la entrada del evaporador, el liquido pasa de alta presión a un estado de baja presión y en finas gotas suspendidas. el gas en este estado es proclive a absorber gran cantidad de calor y lograr evaporarse.

33 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Indicador de Eficiencia Energética: Al igual que la eficiencia energética de un motor eléctrico, un equipo de aire acondicionado cuenta con su propio indicador de eficiencia energética estandarizado.

34 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Indicador de Eficiencia Energética: EER Energy Efficiency Ratio. Es la razón entre la energía o capacidad de enfriamiento y la energía eléctrica requerida para desarrollar esa potencia en un instante cualquiera. requerida para desarrollar esa potencia en un instante cualquiera.

35 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado EER = Q W = BTU/h W Es un parámetro estandarizado que se calcula generalmente en laboratorio y bajo condiciones de 35 C en el exterior y 26 C en el ambiente interior con un 50% de humedad relativa. Mide la eficiencia de ese equipo respecto al momento de operación.

36 Principios Básicos sobre Aire Acondicionado Si bien es cierto las condiciones operativas reales son diferentes a las condiciones de laboratorio o condiciones de operación estándar, el EER es un indicador que nos permite tener un panorama comparativo de eficiencia entre equipos.

37 Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados Tipos de Equipos de A.A. Existen 4 tipos de equipos de sistemas de aire acondicionado de uso domestico y comercial, estos se utilizan dependiendo de varios factores, principalmente del volumen de aire que se desea mover y también de algunos criterios de calidad de aire. Los tipos mas comunes son: Equipos de ventana o paquetes Mini-split Centrales Chillers

38 Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados Equipos de Ventana o Paquete Son sistemas auto-contenidos que encierran en un solo paquete la unidad condensadora, evaporadora, compresor y válvulas. Son de fácil instalación y se utilizan en aplicaciones domesticas desde 6,000 BTU/h hasta equipos de 60,000 BTU/h en aplicaciones comerciales.

39 Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados Equipos mini-split El Aire Acondicionado tipo «Split» es aquel que tiene separadas la unidad condensadora y la evaporadora, conectadas por las tuberías de gas refrigerante. Ampliamente usados en comercio, oficinas, salones de clases y el hogar. Sus tamaños varían desde 9,000 btu/h hasta 60,000 btu/h.

40 Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados Los equipos centrales a diferencia de los split, conducen el aire enfriado a traves de un sistema de ducterías de aire frio. Equipos Centrales Las ducterías de aire son instaladas en los entrecielos de los edificios, descargando aire por un lado y succionando por otro a fin de recircular y reenfriar el volumen total de aire. Sus capacidades varían entre 5 y 20 toneladas.

41 Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados Equipos tipo Chillers Son equipos que enfrían agua para enviarla mediante bombas de circulación hacia unidades manejadoras que hacen circular el aire a través de bobinas en donde circula el agua fría, de esta manera se logra el enfriamiento de grandes espacios como hospitales, edificios, centros comerciales, etc.

42 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Nuevamente, es necesario la aplicación de un proceso sistemático y ordenado para encontrar las mejores oportunidades de ahorro en los sistemas de aire acondicionado.

43 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado CALCULO DE ENERGIA Previo a la etapa de implementación de medidas de conservación de la energía en equipos de climatización es importante aprender a cuantificar la cantidad de energía que estos equipos consumen. Factor de carga. Factor de utilización. EER.

44 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Factor de Carga: es el cociente entre la energía real consumida durante el período de operación y la energía teórica de plena carga durante el mismo período. Factor de utilización: es el porcentaje de horas reales de utilización versus las horas teóricas de utilización de los equipos. EER: es el índice de eficiencia energética para aires acondicionados.

45 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Considerando los términos anteriores es posible sustituir: E = P x t Por la siguiente: E = Q EER (t) (FC)(FU)

46 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Ejemplo Práctico: Calcular la energía mensual de un equipo de aire acondicionado de 12,000 BTU/h de eficiencia estándar (10 EER) el cual se le ha estimado un factor de carga del 0.75% y un factor de utilización de 0.85%.

47 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Las medidas de conservación de la energía pueden evaluarse en: Instalación Adecuada. Mantenimiento. Uso Adecuado.

48 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado (Uso Adecuado) APAGADO UNA HORA Ejercicio: Evaluar el ahorro en consumo de energía por apagar un aire acondicionado de 5 ton media hora antes de retirase del trabajo. Considerar un SEER = 10.5

49 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado (Uso Adecuado) Regulación de Termostato Tiene que ver con la temperatura de consigna y con el confort. forttool Confort Aquella condición mental que expresa satisfacción con relación al ambiente térmico.

50 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado (Instalación) UBICACIÓN DE CONDENSADORA La ubicación del equipo condensador debe ser óptima para mejorar el rendimiento del equipo.

51 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado (Mantenimiento) LIMPIEZA DE SERPENTINES Se recomienda la limpieza periódica de las unidades evaporadoras y condensadoras para evitar mala transferencia de calor.

52 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado (Mantenimiento) LIMPIEZA DE SERPENTINES Se recomienda la limpieza periódica de las unidades evaporadoras y condensadoras para evitar mala transferencia de calor.

53 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado DIMENSIONAMIENTO. El dimensionamiento permite la correcta instalación de capacidades para evitar las pérdidas inherentes a potencia instalada subestimada o potencia constante sin enfriamiento. Pueden existir múltiples vías: - Balance energético. - Uso de Tablas. - Uso de Software.

54 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado DIMENSIONAMIENTO (Balance Térmico) Consiste en analizar las potencias máximas de transferencia de calor de los equipos, personas y condiciones ambientales, con el fín de determinar la capacidad que minimice el consumo de la energía.

55 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado DIMENSIONAMIENTO (Uso de Tablas) Una opción más práctica (pero menos precisa), que debe de servirnos únicamente para una idea inicial de la capacidad de los equipos. El resto deberá de calcularse con la profesionalidad adecuada.

56 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado DIMENSIONAMIENTO (Uso de Software) Método más sofisticado, que consiste en realizar la simulación del desempeño energético eléctrico y termodinámico del edificio durante un año típico. Se requiere el uso de software especializado pero de fácil acceso. Los resultados tienen un alto grado de confiabilidad

57 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN. Basado en la metodología IDAE española, la cual hace referencia en la aplicación de las ecuaciones fundamentales de la física y termodinámica. Consiste en la determinación del EER (Energy Efficiency Ratio) del equipo de aire acondicionado.

58 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.

59 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN. EER = Q W

60 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado PASOS: METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN. 1. Cálculo del Salto Entálpido de la Evaporadora. 2. Cálculo del Flujo Másico. 3. Cálculo de la Energía Térmica Retirada. 4. Medición de la Potencia Eléctrica. 5. Evaluación del EER

61 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso I: Cálculo del Salto Entálpico de la Evaporadora h = h entrada h salida

62 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso I: Cálculo del Salto Entálpico de la Evaporadora Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio Temperatura [ C] Humedad [%] 44.30% 45.80% 47.70% 45.93%

63 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso II: Cálculo del Flujo Másico Donde: P = densidad V = velocidad S = área

64 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso III: Cálculo de la Energía Térmica Retirada Q = m h Donde: m = Flujo másico h = Salto Entálpico

65 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso IV: Medición de la Potencia Eléctrica Tramo Potencia [W] Promedio 4060

66 Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado Paso IV: Evaluación del EER EER = Q W Este indicador es estacional ya que depende de las condiciones ambientales variantes a lo largo del año. Para evitar errores en nuestras estimaciones podemos usar el indicador SEER. Factor de conversión EER = SEER.

67 Evaluación Económica de Medidas de EE para AA Ejercicio Práctico: Que impacto tendrá el cambio de 10 equipos de 5 Ton c/u en un área de una oficina que actualmente posee equipos viejos con eficiencia EER = 7.5 por modernos equipos tipo INVERTER con una eficiencia de SEER = 13. Considerar un FC variable durante el año y un precio de equipo de $1,000 por tonelada.

68 Lecciones Aprendidas en Iluminación Lecciones: Incluir en los términos de referencia de compras, la definición de los criterios de eficiencia energética para aires acondicionados (EER o SEER). Estudiar el mercado para no requerir productos que no están disponibles y que pueden suponer retrasos en la implementación. El mantenimiento debe de estar incluido en los costos de adquisición. Capacitar técnicamente al personal de mantenimiento.

69 Roberto Saravia Especialista en Eficiencia Energética CONSEJO NACIONAL DE ENERGÍA Tel:

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