Nuevos requisitos europeos sobre eficiencia energética para equipos de aire acondicionado Autores: André Pierrot, Pilar García, Julio Conde Laboratorio de Bomba de Calor, Centro de Ensayos, Innovación y Servicios (CEIS)
1. Introducción La Comisión Europea publicará en breve la Directiva sobre los requisitos de diseño ecológico para los aparatos de aire acondicionado, que desarrollará las directrices generales indicadas en la Directiva Europea 2009/125/EC 1 Marco para el establecimiento de requisitos de diseño ecológico aplicables a los productos relacionados con la energía para estos productos. Se han difundido varios borradores de dicho documento, así como de la norma armonizada EN 14825 2 describiendo los ensayos y los cálculos necesarios para aplicar la Directiva. La presente ponencia pretende dar una visión detallada de lo que va a ser el futuro del marcado CE para los acondicionadores de aire y bombas de calor con potencias frigoríficas o caloríficas inferiores a 12 kw. 2. Campo de aplicación de la directiva La Directiva contempla tres tipos de equipos de aire acondicionado: - los equipos de doble conducto - los equipos portátiles de conducto único - Los demás aparatos Los aparatos pueden ser solo frío, solo calor o reversibles Se contemplan únicamente los aparatos aire/aire Solamente se contemplan los aparatos con compresor accionado eléctricamente En todos los casos, la potencia frigorífica o calorífica es inferior a 12 kw La Directiva incluye pero no diferencia los aparatos con conducto o multisplit 3. Métodos de cálculo, condiciones y procedimientos de ensayo La directiva define principalmente y como novedad el SEER y el SCOP de referencia. Para llegar a estos rendimientos estacionales, el proceso es bastante complejo y requiere numerosas definiciones, ecuaciones y explicaciones. En la presente ponencia, nos limitaremos a exponer de manera resumida el proceso de cálculo. 3.1. Definiciones imprescindibles Modos de funcionamiento de los equipos Tabla 1: Definiciones de los modos de funcionamiento MODO Activo (ON) Inactivo (Thermostat off) Descripción Existe una carga térmica. El compresor puede estar en funcionamiento o ciclando para mantener la temperatura de consigna Aparato con la función de refrigeración o de calefacción activa y con el 1 DOUE L 285 de 2009-10-31, p. 10-35 2 pren 14825 :2010
Espera (Standby) Apagado (OFF) Resistencia de cárter compresor apagado. Corresponde a situaciones donde no hay carga térmica y la operación se reanudará cuando se produzca nuevamente una carga térmica Unidad conectada al suministro eléctrico pero no operativa, el aparato está a la espera de encendido por medio de control manual o temporizador Unidad no operativa y sin posibilidad de encendido por medio de control manual o temporizador Actúa cuando el compresor está apagado y la temperatura exterior desciende de un valor determinado Temperatura de diseño de referencia temperatura exterior para el modo frío (Tdesignc) o el modo calor (Tdesignh) para las condiciones de referencia. En modo calor, depende del tipo de clima. El coeficiente de carga parcial es igual a 1 para esta temperatura exterior Potencia de diseño demanda máxima de refrigeración (Pdesignc) o de calefacción (Pdesignh) [kw] a Tdesignc o Tdesignh 'Rendimiento estacional en modo frío (SEER) rendimiento representativo de todo el periodo de refrigeración, calculado como la demanda energética de refrigeración para todo el periodo de refrigeración dividida por la energía eléctrica absorbida durante el mismo periodo, ambas en kwh/a Rendimiento promedio en modo activo (SEERon) rendimiento para el modo activo durante la estación de refrigeración, calculado con los rendimientos específicos para cada temperatura bin (EERbin(Tj)) y ponderados con la horas bin 'Rendimiento estacional en modo calor (SCOP) rendimiento representativo de todo el periodo de calefacción, calculado como la demanda energética de calefacción para todo el periodo de calefacción dividida por la energía eléctrica absorbida durante el mismo periodo, ambas en kwh/a Rendimiento promedio en modo activo (ON) (SCOPon) rendimiento para el modo activo durante la estación de calefacción, calculado con los rendimientos específicos para cada temperatura bin (SCOPbin(Tj)) y ponderados con la horas bin Temperatura bivalente (Tbiv) temperatura exterior [ C] declarada por el fabricante por debajo de la cuál es necesario utilizar una resistencia de apoyo para cubrir la diferencia entre la carga parcial de calefacción y la potencia calorífica suministrada por la bomba de calor Temperatura inferior de operación (Tol) temperatura exterior [ C] declarada por el fabricante por debajo de la cuál el ciclo termodinámico de la bomba de calor no puede funcionar. En este caso, la potencia calorífica del aparato es igual a cero 3.2. Medidas y cálculo del SEER y del SEER on de referencia El SEER se calcula de la siguiente forma: QCE SEER = (1) QCE + HTO PTO + HSB PSB + HCK PCK + HOFF POFF SEER on
donde Q CE = necesidades energéticas anuales de refrigeración en kwh (Pdesignc multiplicado por el número de horas equivalentes de refrigeración Hce = 350 horas); H TO, H SB, H CK, H OFF = número de horas para los modos Inactivo, Espera, Resistencia de cárter y Apagado; P TO, P SB, P CK, P OFF = energía eléctrica absorbida durante los modos Inactivo, Espera, Resistencia de cárter y Apagado en kw. El SEERon de referencia se calcula con el método bin, es decir utilizando el EER para cada temperatura exterior, el número de horas al año con dicha temperatura exterior y la necesidad de energía de refrigeración Pc(Tj) del local para la temperatura exterior Tj. Pc(Tj) se determina multiplicando Pdesignc por el coeficiente de carga parcial, que a su vez se calcula como: Carga parcial % = (Tj-16) / (35-16) (2) Para determinar los EER para cada temperatura exterior, se definen primero 4 condiciones de carga parcial, indicadas en la tabla 2 y luego interpolando entre estos valores. Tabla 2 Condiciones de carga parcial para SEER y SEER on de referencia Carga parcial % Temperatura exterior C Temperatura interior de bulbo seco (húmedo) C A 100 % 35 27(19) B 74 % 30 27(19) C 47 % 25 27(19) D 21 % 20 27(19) Para las medidas en laboratorio, el procedimiento de ensayo está descrito en la norma UNE-EN 14511-3:2008 3. En el caso de los equipos con capacidad variable (control tipo inverter), el EER se declara o se mide en las condiciones de carga parcial, por lo que este valor se puede utilizar directamente para el cálculo del SEERon. En el caso de los aparatos con control todo/nada, el aparato debe funcionar cíclicamente para suministrar la carga parcial indicada. En este caso, se debe declarar o medir la potencia frigorífica y el EER con la temperatura exterior indicada en la Tabla 3 y con el compresor funcionando ininterrumpidamente. Se obtiene así un valor de potencia frigorífica declarada (DC) superior o igual a la necesidad de energía (Pc). Un coeficiente de degradación Cd es utilizado para calcular el EER correspondiente a la carga 3 UNE-EN 14511-3:2008
parcial requerida. Cd refleja la energía perdida con un funcionamiento cíclico del compresor. El valor de Cd puede ser determinado mediante dos ensayos con evaporador seco, el primero con funcionamiento continuo del compresor, y el segundo con funcionamiento cíclico del mismo. Si no se hacen estos ensayos, se utiliza el valor por defecto Cd = 0,25. 3.3. Medidas y cálculo del SCOP y del SCOP on de referencia El SCOP se calcula de la siguiente forma: QHE SCOP = Q (5) HE + HTO PTO+ HSB PSB+ HCK PCK+ HOFF POFF SCOPon donde Q HE = necesidades energéticas anuales de calefacción en kwh (Pdesignh multiplicado por el número de horas equivalentes de calefacción Hhe); H TO, H SB, H CK, H OFF = número de horas para los modos Inactivo, Espera, Resistencia de cárter y Apagado; P TO, P SB, P CK, P OFF = energía eléctrica absorbida durante los modos Inactivo, Espera, Resistencia de cárter y Apagado en kw. El SCOPon de referencia se calcula con de una manera parecida al SEERon, utilizando las condiciones de la tabla 3. La mayor diferencia consiste en considerar para las temperaturas exteriores inferiores a TOL un COP igual a 1 para la Resistencia de apoyo, y entre TOL y Tbivalent el COP de la bomba de calor y un COP de 1 para la parte de la necesidad de energía que no puede suministrar la bomba de calor. Tabla 3 - Condiciones de carga parcial para SCOP y SCOP on de referencia para el clima promedio (A) Carga pracial T exterior T interior Carga parcial % C C A (-7-16)/( TDesignh -16) 88 % - 7(- 8) 20 B (+2-16)/( TDesignh -16) 54 % 2(1) 20 C (+7-16)/( TDesignh -16) 35 % 7(6) 20 D (+12-16)/( TDesignh -16) 15 % 12(11) 20 E (TOL-16)/(TDesignh-16) TOL 20 F (Tbivalent-16)/( TDesignh -16) Tbivalent 20 Para el modo calor, 3 tipos de clima han sido definidos: El clima promedio (A por Average ), el clima caluroso (W por Warmer ) y el clima frío (C por Cooler ). 3.4. Medida de los niveles de potencia acústica
Los niveles de potencia acústica se miden en las condiciones nominales, tanto en modo frío como en modo calor, para el lado exterior y el lado interior. Se utiliza la norma UNE EN 12102 4 para realizar las medidas. Los ensayos se realizan en las condiciones nominales indicadas en la Tabla 4. Tabla 4: Condiciones nominales (temperaturas en ºC bulbo seco / bulbo húmedo) Tipo de aparato Modo Temperatura interior Temperature exterior Tin Tj Acondicionadores de Frío 27 / 19 35 / 24 aire y aparatos de doble Solo calor: 2 / 1 Calor 20 / max. 15 conducto Reversibles: 7 / 6 Aparatos de conducto Frío 35 / 24 35 / 24 único Calor 20 / 12 20 / 12 4. La nueva etiqueta energética La información estrella de la nueva etiqueta energética será la clase de eficiencia energética al SEER y al SCOP para la mayoría de los productos, y no al EER o al COP como hasta ahora. La Tabla 5 indica los límites de cada clase en función de los valores de SEER y SCOP. Tabla 5: Clases de eficiencia energética Clase de eficiencia energética SEER/EER SCOP/COP A+++ > 7,0 > 5,1 A++ > 6,4 > 4,6 A+ > 5,9 > 4,0 A > 5,2 > 3,4 B > 4,3 > 3,1 C > 3,6 > 2,8 D > 3,1 > 2,5 E > 2,7 > 2,2 F > 2,3 > 1,9 G < 2,3 < 1,9 Para bombas de calor declaradas para más de un tipo de clima (A, W, C), aplica el valor del SCOP más bajo. En el caso de los aparatos reversibles, se deberá elaborar dos etiquetas por separado, correspondientes a los modos frío y calor. 4 UNE EN 12102:2008
Figura 1: Ejemplos de nueva etiqueta energética para los modos frío y calor 5. Documentación que debe suministrar/facilitar el fabricante Los fabricantes deberán cumplir con los siguientes requisitos: Documentación técnica del producto Acceso libre a sus webs Datos de configuración de la unidad para la medida en laboratorio de los valores declarados por el fabricante Declaración de los valores de SEER y SCOP para cada condición de carga parcial Los fabricantes tendrán que facilitar a los centros de ensayo, toda aquella información que se les solicite para la adecuada realización los ensayos Ficha técnica.
6. Requisitos y plazos de entrada en vigor Una de las grandes novedades de la Directiva es fijar unos valores mínimos para los rendimientos energéticos de los aparatos. Si un aparato no cumple con estos valores mínimos, no podrá ser vendido en Europa. Está previsto que este requisito se aplique en dos etapas, con niveles de exigencia crecientes. La Tabla 6 indica estos requisitos mínimos. La entrada en vigor de la Directiva está prevista para medidos de 2001. Los requisitos para el SCOP aplican solamente al clima promedio (A) Tabla 6: Requisitos mínimos para los rendimientos energéticos Tiempo desde la entrada en vigor de la Directiva Acondicionadores con capacidad 12kW y doble conducto con potencia absorbida >1kW Doble conducto con potencia absorbida 1kW Conducto único con capacidad 12kW SEER SCOP(A) EER COP EER COP 2 años 3,60 3,20 2,10 2,36 2,30 1,80 4 años 4,30 3,50 2,45 2,60 2,60 2,04 Hasta hace muy poco, estaba previsto favorecer los aparatos que utilicen refrigerantes con efecto invernadero pequeño, mediante valores mínimos más pequeños, pero esta idea parece abandonada de momento. También está previsto definir unos requisitos máximos para los niveles de potencia acústica. La Tabla 7 presenta estos valores. Tabla 7: Nivel de potencia acústica Acondicionadores de aire Pdesignc/h 6 kw 6 < Pdesignc/h 12 kw Conducto único y doble conducto Pdesignc 6 < Pdesignc 6 kw 12 kw Indoor Outdoor Indoor Outdoor Indoor Outdoor db(a) 60 65 65 70 65 70 7. Procedimiento de verificación para el control de mercado Los controles de mercado serán responsabilidad de las autoridades competentes para cada estado miembro. Para equipos de aire acondicionado consistirán en una primera toma de muestras (1 equipo), en la que se evaluarán SEER y SCOP con una tolerancia admitida de conformidad de un ±8% respecto al valor declarado por el fabricante.
En caso de incumplimiento, se realizará una segunda toma de muestras (3 equipos del mismo modelo), en la que la tolerancia admitida para declarar su conformidad, se situará en un ±5% del valor promedio para SEER y SCOP obtenido de las tres unidades. Por primera vez, la verificación de los niveles de potencia acústica está prevista en la descripción del control de mercado. 8. Conclusión La información presentada en está ponencia es todavía susceptible de modificaciones. En particular, es posible que cambien ligeramente las tolerancias en caso de control de mercado. Para la aplicación de la Directiva, existen dos principales dificultades. La primera afecta al fabricante, que deberá declarar un numero muy elevado de datos para cada modelo de su catalogo. Además muchos de estos datos solo se pueden conseguir mediante ensayos reales y no solamente con simulaciones, y algunos ensayos pueden ser muy difíciles de realizar con los medios de ensayo de los que disponen actualmente los fabricantes. Para equipos de tipo inverter, el fabricante deberá definir las frecuencias de compresor y de ventiladores para cada condición de ensayo, para dar exactamente la carga parcial requerida. No va a ser fácil. La segunda afecta a los laboratorios, tanto los de los fabricantes como los laboratorios independientes que se encargarán de los controles de mercado. Algunos de los ensayos en condiciones de carga parcial requieren la medida de potencias frigoríficas o caloríficas muy pequeñas. Para un equipo con control inverter con una potencia frigorífica nominal de 2 kw necesitará un ensayo a carga parcial para medir el 21% de esta potencia, es decir 420 W. En la actualidad, la potencia mínima que pueden medir con una incertidumbre decente los laboratorios acreditados Europeos está comprendida entre 1,5 kw y 2 kw. La naturaleza misma de estos ensayos no hace prever una mejora sensible en este aspecto. Para más dificultad, los ensayos previstos actualmente en modo calor para equipos inverter incluyen carga parcial y desescarches en los mismos ensayos. No está claro que los laboratorios actuales pueden realizar dichos ensayos respetando los requerimientos de las normas de ensayo. Por estas razones se está estudiando, por el grupo de trabajo encargado de la revisión de la norma EN 14825, ensayos alternativos para conseguir simplificar los procedimientos de ensayo y poder calcular en vez de medir los rendimientos a carga parcial más conflictivos. Queda muy poco tiempo para conseguir una nueva definición de los ensayos a realizar pero el sentimiento general es que se debe conseguir para que la nueva directiva sea aplicable a todos los aparatos definidos en su campo de aplicación.
La redefinición de los ensayos no cambiaría los métodos de cálculo del SEER y del SCOP presentadas en esta ponencia. Finalmente, seria deseable que la directiva fijase el valor de Tbiv para cada tipo de clima ya que solamente así se obtendrían valores del SCOP comparables de un aparato a otro. Es previsible que la aplicación de esta directiva consiga un ahorro energético muy importante y en muy corto plazo.
Referencias bibliográficas (1) DOUE L 285 de 2009-10-31, p. 10-35 Directiva 2009/125/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por la que se instaura un marco para el establecimiento de requisitos de diseño ecológico aplicables a los productos relacionados con la energía (refundición) (2) pren 14825 de 2010-06 para segunda encuesta Acondicionadores de aire, bombas de calor y enfriadoras de agua con compresor accionado eléctricamente, para acondicionamiento y calefacción de locales Ensayos en condiciones de carga parcial y cálculo de los rendimientos estacionales. Revisión del informe técnico CEN/TS 14825:2003 (3) UNE-EN 14511-3:2008 Acondicionadores de aire, enfriadoras de líquido y bombas de calor con compresor accionado eléctricamente para la calefacción y la refrigeración de locales. Parte 3: Métodos de ensayo (4) UNE-EN 12102 Acondicionadores de aire, enfriadoras de líquido, bombas de calor y deshumidificadores con compresor accionado eléctricamente para la calefacción y la refrigeración de locales. Medición del ruido aéreo. Determinación del nivel de potencia acústica