Eficiencia energética en instalaciones de aire acondicionado
Eficiencia energética en instalaciones de aire acondicionado
Los equipos de aire acondicionado son uno de los elementos de mayor consumo energético de viviendas y edificios de uso residencial o comercial. Si prestamos atención al consumo de estos equipos y analizamos en detalle las posibilidades de mejora de una instalación descubriremos que podemos conseguir ahorros realmente espectaculares.
Nuestra experiencia con estos equipos es que existen dos problemas esenciales. Por una parte tenemos que aún permanecen activos equipos fabricados hace años, cuando la eficiencia energética no había aún llegado a estos aparatos. Es por ello que en muchos países son comunes aparatos con consumos tan desproporcionados como 1.800 vatios. Pero además existe otro problema añadido y es que estas instalaciones tienden a estar sobredimensionadas, lo cual conlleva un derroche aún mayor.
Comenzamos una serie de artículos donde vamos introducir los conceptos de eficiencia energética de las instalaciones de aire acondicionado y vamos a hablar someramente algunas de las tecnologías más interesantes que han permitido algo insólito, por 500 vatios podemos tener operativo un equipo de aire acondicionado. Ello se ha conseguido integrando diferentes tecnologías de ahorro, algunas tan interesantes como los compresores inverter y las válvulas de expansión electrónica.
La importancia del aislamiento del edificio
Si bien los tratados sobre tecnología de acondicionamiento de aire no suelen hablar mucho de ello, vamos a comenzar exponiendo lo que a nuestro juicio es lo más importante que cualquiera debe considerar a la hora de adquirir un nuevo equipo: En qué condiciones está el local. En la siguiente figura vemos cómo varía el coeficiente de transmisión de calor según los materiales. Como podemos comprobar el uso de materiales como el vidrio aumenta la transmisión de calor y penaliza el consumo de aire acondicionado.
Cálculo de cargas
Los cálculos de cargas son cruciales tanto para nuevos proyectos como para rehabilitaciones pues asegurarán tanto el confort como una operación eficiente, además de prevenir el costoso sobredimensionamiento de equipos o problemas debidos a capacidad insuficiente. Al menos el 25 % de las instalaciones están sobredimensionadas, lo que supone un incremento en los costes de instalación y un mayor consumo durante toda la vida útil del equipo. La eficiencia de los equipos sobredimensionados puede caer hasta un 50 % debido a operación en carga parcial y a ciclos excesivamente cortos. El sobredimensionamiento también incrementa el desgaste de los equipos y hace decrecer la capacidad de deshumidificación. Un estudio llevado a cabo en Estados Unidos de 15 sistemas comerciales ligeros encontró que el 66 % de los sistemas ensayados operaban una porción de tiempo con ciclos inferiores a diez minutos y un 33 % nunca tenían ciclos que excediesen de 10 minutos.
Los cálculos de carga son necesarios en proyectos de rehabilitación en orden de evaluar la adecuación de equipos existentes y/o especificar el reemplazamiento de equipos. La sustitución de equipos basándonos solamente en la experiencia es común en pequeños establecimientos comerciales pero ello puede resultar una selección de equipos incorrecta y uso de energía ineficiente.
No entramos en detalles sobre el cálculo de cargas porque todos los fabricantes ofrecen software que nos permite realizar el análisis de forma sencilla. Para estudios independientes existe software no de propietario, como DOE-2 y ASEAM, basados en métodos ASHRAE o ACCA.
Reducción de la carga pico
Reduciendo la carga pico obtendremos un sustancial ahorro a lo largo del año debido a un uso de energía de enfriamiento reducido, tamaño de equipos más pequeños y operación más eficiente de los equipos. Las siguientes estrategias pueden reducir las cargas de enfriamiento:
• Adaptar los locales de forma que tengan suficiente aislamiento.
• Procurar disminuir el número de cargas de uso simultáneo.
• Calcular las necesidades de ventilación para cada tipo de ocupación procurando evitar excesivo aire exterior. Aplicar factores de diversidad para tener en cuenta ocupación no simultánea.
• Para locales con alta humedad como cocinas o gimnasios deben aplicarse factores para la reducción de la carga de enfriamiento latente debida a la ventilación (sólo en climas secos). Algunos software de cálculo no consideran esto y resultan equipos sobredimensionados.
• Calcular las cargas con exactitud y no sobredimensionar los equipos.
Seleccionar unidades adecuadas para las cargas calculadas
En instalaciones comerciales la selección del equipo unitario se basa usualmente en la carga de enfriamiento pico. Algunas recomendaciones de eficiencia energética son las siguientes:
• Carga sensible pico: Seleccionar unidades con una capacidad sensible no inferior al 100 % de la carga de enfriamiento sensible pico calculada.
• Carga latente pico: La capacidad de enfriamiento latente de la unidad será igual o excederá a la carga de enfriamiento latente calculada.
• Compresores múltiples: El uso de compresores múltiples, que pueden ser descargados para acoplarse a requerimientos de carga parcial, son altamente recomendables. Ya que las condiciones pico son infrecuentes, la mayoría de las unidades funcionan con cargas parciales casi todo el tiempo. Los compresores múltiples son opcionales para las instalaciones pequeñas e imprescindibles en los de mayor capacidad (> 10 ton). Estos equipos son especialmente variables cuando las cargas son variables, en climas con grandes fluctuaciones de temperatura o cuando son esperables otras condiciones de operación parcial.
Beneficios en la selección de equipos
Seleccionando equipos de alta eficiencia energética ahorraremos entre un 20 y un 30 % de la energía. Y dado el alto consumo de estas instalaciones estamos hablando de una importante cantidad de dinero. En las instalaciones de mayor consumo resultará siempre bien rentable sustituir los viejos equipos por una instalación eficiente. En estas instalaciones el ahorro energético que puede obtenerse supera el 40 – 50 %.
Evaluación/sustitución de equipos existentes
Dado que la vida útil de los equipos de aire acondicionado es prolongada la evaluación de los equipos de aire acondicionado existentes y su posible sustitución suponen una oportunidad de ahorro económico que puede ser muy interesante. Para evaluar los equipos de aire acondicionado existentes recomendamos proceder de la siguiente forma:
• Examinar cada uno de los componentes de la unidad para valorar el rendimiento y vida útil restante. Nos interesa sobre todo conocer el consumo actual de los equipos.
• Realizar el cálculo de cargas de enfriamiento necesarias para el local.
• Considerar reducción de cargas pico.
• Evaluar las capacidades de nuevos equipos más eficientes.
Configuración y localización de la unidad
La configuración y localización de las unidades de refrigeración y la minimización de la red de tuberías consigue reducir el uso de energía, costes de instalación y costes de mantenimiento. Las prácticas que recomendamos para conseguir ahorros son las siguientes:
• Planificar esquemáticamente la disposición de la red de distribución de aire acondicionado. Donde sea posible localiza las unidades de manejo de aire centralizados en zonas para minimizar el tamaño de los conductos y su longitud.
• Si se planifica un sistema de retorno central, la unidad se localizará cerca del retorno.
• Para unidades sobre techo con tuberías empotradas, se especificará la configuración del caudal para reducir giros, pérdidas de carga y pérdidas de aire.
• Si es posible, las unidades exteriores de sistema Split deben estar en áreas sombreadas o proporcionar pantallas para evitar el sol directo.
• Localizar las unidades lejos de fuentes de residuos tales como hojas o grasas, que puedan inhibir el rendimiento de la unidad y los costes de mantenimiento.
• Localizar las tomas de aire exteriores alejadas de vientos constantes y fuentes de polución u olor tales como parkings, áreas de fumadores, salidas de humos, venteos de fontanería, residuos o partículas finas.
• Localizar tomas de aire exteriores alejadas de fuentes de calor, frío, humedad o viento, tales como torres de refrigeración o calderas.
• Asegurar que hay un drenaje adecuado en la localización de equipo para evitar encharcamiento de agua.
• No localizar equipos donde sean vulnerables a las caídas de nieve o hielo. Proporcionar una plataforma elevada y equipo de soporte.
• Evitar distancias excesivas entre el condensador del sistema Split y a los componentes del evaporador.
Instalación de unidad
Las pérdidas de aire son comunes en las conducciones. Estas conducciones deben ser selladas durante la instalación cuando están más accesibles. Se instalarán todos los accesorios recomendados por el fabricante.
Los fabricantes a menudo recomiendan conectores flexibles de 3” desde la unidad al conducto para minimizar la transferencia de vibraciones.
Para sistemas Split, las líneas de refrigeración se instalarán con la menor longitud posible para minimizar la caída de presión y pérdidas de eficiencia.
Las tuberías de refrigerante estarán aisladas siguiendo las indicaciones del fabricante y el aislamiento estará protegido contra degradación por humedad y solar.
Economizadores
En climas secos, los economizadores tienen el potencial de ahorrar entre el 15 y el 80 % de la energía de enfriamiento, pero solamente cuando están correctamente sellados y cuidadosamente instalados. La energía de enfriamiento se ahorra cerrando automáticamente las unidades de condensación y usando aire del exterior para enfriar cuando la temperatura de aire exterior es lo suficientemente fría, u operando las unidades de condensación con un 100 % de aire exterior cuando la entalpía de aire exterior es más baja que la entalpía de aire de retorno.
Los economizadores requieren ser mantenidos para que funcionen correctamente. Al respecto indicamos que se estima que el 75 % de las unidades de aire acondicionado sobre techo sufren de disfuncionamientos en el economizador, lo cual origina que el uso de energía sea más alto del que tendría lugar si el economizador no estuviese instalado. Cuando el aire exterior se lleva en momentos equivocados, debe usarse energía extra para acondicionar el aire. En algunos casos, la energía derrochada puede ser diez veces mayor que el ahorro potencial.
Otra recomendación sobre los economizadores es que normalmente no son efectivos en los climas húmedos y pueden incrementar el uso de la energía.
Retrofit del economizador
Grandes instalaciones con economizador pueden requerir un reacondicionamiento para poner a punto el sistema. Veamos cuales son las medidas a tener en cuenta.
a. Evaluar si los tamaños de los conductos de aire y retorno y aperturas son adecuados para el 100 % del caudal de aire de alimentación.
b. Ensayar la operación de todos los componentes. Los componentes de calidad son esenciales para una operación apropiada. Conexiones, reguladores de tiro y actuadores congelados, rotos o desconectados son problemas comunes. Los equipos más nuevos están mejorados y son más fiables. Deben instalarse nuevos filtros antes de los ensayos.
c. Si los puntos anteriores no son efectivos en costes, debe considerarse el bloqueo permanente del economizador en posición de aire exterior mínima para proteger contra pérdidas no controladas. Los economizadores son menos efectivos en costes con unidades más pequeñas y en ambientes húmedos o corrosivos.
Componentes del economizador
a. Se recomiendan controles de entalpía diferenciales en climas húmedos. Aunque son más costosos y requieren un mantenimiento más alto, se ha demostrado que consiguen el doble de ahorro energético que los controles de temperatura o entalpía fija. Los controles de entalpía de bulbo seco no se instalarán en climas húmedos.
b. Los controles de entalpía diferenciales o de bulbo seco se recomiendan para climas secos. Los controles de entalpía fijos no se instalarán en climas secos.
c. Los sensores de aire exterior se alejarán del sol directo, viento, o fuentes de calor y fríos.
Ventilación eficiente
Una parte importante de la energía consumida por los equipos de aire acondicionado es la requerida para ventilación. En instalaciones con altos requerimientos de ventilación, los costes de energía pueden en gran medida reducirse controlando la ventilación, separándolo del sistema de aire acondicionado, o recuperando energía residual del aire.
La metodología que debemos emplear es la siguiente:
a. Realizar cálculos exactos de ventilación: Deben realizarse para cada tipo de ocupación para eludir especificar excesivo aire del exterior.
b. Ventilador de demanda controlada: Los controles varían la capacidad de ventilación para limitar los niveles de CO2. Esto ahorra cantidades de energía excepcionalmente grandes en instalaciones que normalmente operan con ocupación ligera. Estos sistemas son también efectivos en instalaciones con fuentes de polución intermitentes.
c. Equipos de ventilación dedicados: Proporcionan sistemas de aire fresco o sistemas de escape que están separados de los sistemas de aire acondicionado. El aire fresco puede acondicionarse con sistemas evaporativos directos/indirectos. Esto elimina una parte de la carga sensible del equipo unitario y puede permitir la especificación de tamaños más pequeños. El enfriamiento evaporativo directo incrementa la carga latente.
d. Ventilación de recuperación de energía: Usa un intercambiador de calor para recuperar calor/frío del aire de salida. Esta opción puede ser efectiva en costes cuando se trata de grandes sistemas de aire acondicionado que trabajan de forma continua. Los costes del equipo son parcialmente compensados por el ahorro conseguido.
e. Termostatos programables con control del ventilador separado: Permiten planificar la operación del ventilador para estrategias de ventilación tales como la ventilación nocturna o ventilación de aire exterior durante periodos no acondicionados.
ZONIFICACIÓN
Una apropiada zonificación proporciona un mayor confort, reduce el uso de energía debido a sobre-acondicionamiento, y reduce el desgaste del equipo. Las condiciones de utilización son las siguientes:
a. Cuando sea posible, se proporcionarán zonas separadas para áreas con diferentes ocupaciones y perfiles de demanda. Esto tiene un mayor coste inicial, pero proporcionará mayor confort y ayudará a eludir retrofits.
b. Las áreas se agruparán con perfiles de demanda y ocupaciones similares en zonas comunes. Los factores que afectan al perfil de la demanda están expuestas a superficies exteriores (especialmente ventanas), orientación con respecto al sol, carga de equipos y personas, actividades, y requerimientos de ventilación.
c. Se aislarán las áreas con requerimientos de acondicionamiento específicos y se proporcionarán zonas o unidades de manejo de aire separados si son necesarios.
d. Para sistemas grandes, se recomienda volumen de aire variable cuando se utiliza un método para reducir la potencia del ventilador y/o compresor.
TIPOS DE SISTEMAS DE VENTILACIÓN
Sistemas de volumen constante
Este tipo de sistema de ventilación proporciona una cantidad constante de aire a la zona que sirve. Como la demanda siempre es variable estos sistemas están derrochando energía una significativa parte del tiempo en la que están trabajando.
Si se opta por instalar estos sistemas simples recomendamos las siguientes medidas:
• Evitar terminales ineficientes en sistemas de volumen constante. Cuando se suministra con reset de temperatura, este tipo de sistema es un CVVT. La eficiencia se incrementa algo pero pueden producirse problemas de humedad. Para evitar problemas de humedad, se proporcionará un sensor de humedad relativa en el conducto de aire de retorno. El sensor indicará cuando la temperatura del aire de enfriamiento no debe superarse.
• Cuando el tamaño de los edificios lo permite, se sirvirán zonas con exposición solar y cargas similares, y en una proximidad razonable de la misma unidad de manejo de aire. Por ejemplo, se servirá a las zonas perimetrales orientadas al sur/oeste desde una unidad, y a las zonas perimetrales orientadas al norte/este desde una segunda unidad, y una tercera unidad para los espacios centrales.
Sistemas de volumen de aire variable
Los sistemas de volumen de aire variable se adaptan a cargas cambiantes ajustando la cantidad de aire a las distintas zonas. El caudal de aire se modula mediante reguladores de tiro por zonas y variando la capacidad de los ventiladores. Los sistemas VAV pueden reducir sustancialmente la energía de ventilación y enfriamiento.
• Los ventiladores con potencias superiores a 1 HP, usan variadores de velocidad ajustable o aspas del ventilador de paso variable para una mayor eficiencia.
• En ventiladores con potencias por debajo de 1 HP, se seleccionan motores conmutados electrónicamente (ECM).
• Los motores multi-velocidad son menos eficientes y menos efectivos que los variadores de velocidad ajustable o las aspas de ventiladores de paso variable. Se evitarán los reguladores de tiro y bypass en conductos para el caudal variable.
• Se evitarán ventiladores centrífugos emparejados ventiladores curvados hacia adelante con aspas de guía de admisión variable.
• El control reset de presión estática puede mejorar la eficiencia de sistemas VAV reduciendo la presión estática durante operaciones de carga parcial. Se colocará el sensor de presión estática a dos tercios del camino al difusor más lejano.
• Se usarán cajas VAV con reguladores de tiro de respuesta lineal, control DDC y apertura mínima ajustable.
Sistemas de temperatura y volumen variable (VVT)
Los sistemas VVT varían el volumen y temperatura de suministro de aire para responder a cargas de zonas con mínimo recalentamiento. Cuando las cargas de enfriamiento caen, el volumen de aire de suministro baja y la temperatura se eleva, reduciendo la potencia de condensador, recalentador y ventilador. Los sistemas VVT son muy eficientes energéticamente y son efectivos en costes en sistemas grandes (20 – 30 ton).
Diseñando sistemas de distribución para evitar longitudes de conductos largos, excesivos accesorios, altas velocidades del aire, y caídas de presión pueden tener un alto impacto en la energía. Para un caudal de aire dado, doblar el diámetro del conducto reduce la caída de presión en un 75 %. El diseño de conductos eficientes en energía también incluye localizar los conductos de forma que se minimicen las pérdidas de aire y térmicas. Estas prácticas promueven una distribución de aire apropiada a la vez que se reduce el ruido y el uso de la energía.
Localización de conductos
• La localización de conductos en el espacio acondicionado es la forma más eficiente de ubicar los conductos. Las ganancias y pérdidas se minimizan y van directamente al espacio acondicionado.
• Los conductos en espacios no acondicionados se localizan fuera de la barrera térmica del edificio. En lugares tales como áticos, cimentaciones o áreas de parking. Los áticos están a menudo más calientes que el exterior, por lo que tiene lugar una alta transferencia de calor conductiva a través de los conductos y pérdidas. Cuando los conductos se localicen en un ático, debe instalarse aislamiento siempre que sea posible.
• Conductos en el exterior de los edificios: Incurren en mayores pérdidas térmicas y penalidades de energía, especialmente cuando se exponen a ganancia solar. Los factores que afectan a las pérdidas incluyen pérdidas de aire, conducción de calor, radiación solar, y efectos de la reflexión solar.
Selección de accesorios y conductos
• Conductos redondeados – Los conductos de acero galvanizado redondeados son recomendados para una capacidad de transporte de aire máxima con mínima pérdida de presión. Los conductos redondeados requieren un 27 % menos de metal por unidad de capacidad de manejo de aire que los conductos rectangulares y tendrán costes de instalación más bajos, lo cual resultará en ahorros de costes de capital sustanciales. Son también más silenciosos durante la operación y más fáciles de fabricar y sellar que los conductos rectangulares.
• Conductos rectangulares – Cuando los conductos rectangulares se usen por limitaciones de espacio, debe mantenerse un ratio de anchura-a-altura de 1:1 para disminuir la caída de presión.
• Conductos flexibles – El uso de conductos flexibles debe minimizarse, ya que se incrementa la caída de presión en un 63 % en comparación con los conductos de acero galvanizado. Su uso se limitará a la conexión de un difusor con una longitud máxima de 10 ft. Si se usan conductos flexibles, se instalarán procurando se produzcan bajas caídas de presión.
• Conductos de fibra de vidrio – Se evitarán conductos de fibra de vidrio o conductos revestidos de fibra de vidrio ya que incrementan la caída de presión un 28 y 41 % respectivamente, comparado con los conductos de acero galvanizado. Las fibras pueden también entrar en el chorro de aire o/y proporcionar un medio para crecimiento bacteriano.
• Terminales de aire – Seleccionar el ratio longitud:anchura de salida próximo a 1:1 para minimizar la caída de presión.
• Collares de salida: Se usarán collares de 4” en techos, paredes bajas y conexiones de conductos expuestos en las salidas de alimentación. Este collar hace decrecer la caída de presión aproximadamente un 20 %
• Silenciadores: Se evitarán los silenciadores ya que añaden una sustancial caída de presión, y ello origina un aumento de la energía del ventilador. Donde sea necesario, se seleccionarán silenciadores pasivos con mínimas restricciones al caudal. Puede integrarse un silenciador formando secciones concéntricas y rellenando el espacio interior con material absorbedor del sonido tal como la fibra de vidrio encintado con bario u otro elemento que incremente la densidad. La superficie interior se perforará para permitir que el sonido penetre el material absorbente.
Distribución en planta de conductos
La distribución en planta debe minimizar las longitudes de conductos, a la vez que proporciona una buena distribución de aire.
En muchas ocasiones no se le da a la distribución de los conductos la enorme importancia que tiene en eficiencia energética
Los criterios de diseño a considerar son los siguientes:
• Instalar codos con giros > 45º.
• Instalar paletas de giro en los conductos de suministro que giran inmediatamente bajo una penetración del techo. Se usarán paletas con forma aerodinámica para reducir la caída de presión en esquinas. Una configuración inapropiada de las paletas puede originar caídas de presión tan altas como un 200 % de lo normal.
• En las dependencias acondicionadas, se proporcionarán rejillas desde la habitación al área de aire de retorno general. Una alternativa es asegurar que las puertas de corte proporcionen suficiente área libre para enfrentarse a velocidades bajo la puerta de 100-300 fpm.
• Evitar diseños que requieran que el caudal de aire gire inmediatamente antes/después de una salida de retorno/suministro. Instalar aspas de entrada en las salidas de retorno para reducir pérdidas de presión y corregir caudal de aire en giros pronunciados.
• El primer codo en la conducción que sale de la unidad estará al menos a 70 cm de la misma, para minimizar resistencia y ruido.
• Consideraciones de costes de operación dictan que los sistemas de conducciones estarán diseñados para operar a la presión estática más baja posible.
• Las prácticas de instalaciones de eficiencia energética pueden tener un gran impacto en los costes de energía. Estudios llevados a cabo por Lawrence Berkeley National Labs muestra que las pérdidas en conducciones en los edificios comerciales pueden ser un 26 % del caudal del ventilador. Estudios llevados a cabo con simulación demostraron que en grandes edificios comerciales, un 20 % en pérdidas en el suministro a espacios acondicionados originaban un incremento de un 60 – 70 % de incremento en la energía de ventilación en la energía de ventiladores de volumen constante, lo cual equivalía aproximadamente a 1 kWh/yr-ft2 de energía derrochada.
Los automatismos se han incorporado en los últimos años a las instalaciones de climatización y pueden de gran manera reducir los costes de energía optimizando la programación de la operación del equipo, variando la capacidad del equipo con la carga, gestionando cargas pico, permitiendo modos de conservación de energía y previniendo operación inapropiada del equipo.
Los controles más interesantes desde el punto de vista de la eficiencia energética son los siguientes:
• Controles termostáticos programables.
• Controles de encendido y apagado automático. Pueden proporcionarse relojes o sensores que planifiquen el encendido y apagado en múltiples zonas. Son útiles para instalaciones con periodos no ocupados frecuentes.
• Sistemas de gestión de la energía (EMS) y sistemas de control digital directa (DDC).
• Calor auxiliar de bombas de calor.
• Humidificación y deshumidificación.
• Protección contra congelación.
• Controles de ventilación para áreas de alta ocupación. Los dos métodos más comunes son los variadores de velocidad ajustable y los motores múlti-velocidad
• Economizadores.
• Limitaciones de calentamiento y enfriamiento simultáneos.
• Limitación de la potencia del ventilador.
• Control del ventilador de volumen de aire variable.
• Control de velocidad del ventilador del condensador.´
• Ventilación nocturna. Las estrategias de ventilación nocturna usan controladores de aire y economizador para introducir en el edificio aire frío del exterior durante la noche. Análisis computerizados han demostrado la efectividad de esta medida. En climas secos el ahorro que puede conseguirse va de un 5 % a un 18 %.
