apunts d`aire condicionat

Climatización
mediante bombas
de calor
1. Introducción
JOAN FERRANDO
i ORIOL
Jefe de Oficina Técnica
de Clima Roca York
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
Múltiples factores inciden en el
desarrollo de la climatización, aire acondicionado para la refrigeración en verano y calefacción en
invierno.
El constante crecimiento de
la demanda de confort en el hogar, en la oficina, en el comercio, en el ocio y en la industria
es debido a que se está transformando la percepción que en general se tiene de que la climatización en verano es un lujo para
ambientes minorita-rios, por la
de que realmente es una necesidad que mejora nuestra calidad
de vida, salud y rendimiento laboral.
El mercado de la climatización
crece constantemente en los países más desarrollados, y nuevos
países se incorporan con fuerza a
la demanda de acondicionadores
y bombas de calor.
Consecuencia de ello es que
cada día cobra mayor importancia el consumo de energía dedicada al confort.
Actualmente, el suministro de
energía depende mayoritariamente de fuentes de carácter limitado, y que, en su generación,
transporte y consumo, afectan
negativamente al medio ambiente.
El estado de la técnica no ha
permitido aún encontrar soluciones suficientemente satisfactorias
que aseguren un desarrollo sostenible, y las consecuencias indirectas de este consumo de energía: el efecto invernadero, el agujero de la capa de ozono, la lluvia
ácida, los residuos radiactivos,
etc. Actualmente, la forma más
eficaz e inmediata es el ahorro de
energía.
2. La eficiencia
energética en la
obtención
de confort,
posibilidades de
ahorro de energía
en la climatización
Generalmente asociamos el confort, en verano o en invierno, a un
sistema productor de frío o calor
que mantiene la temperatura interior a unos niveles entre 22 y 26°C.
No obstante, hay otros factores
que intervienen decisivamente en
la obtención de la sensación de
confort. Estos son:
- La humedad.
- La velocidad del aire.
El manual ASHRAE "Fundamentals", capítulo 8, define perfectamente el confort en función de
estos parámetros y en dependencia
de la actividad que está desarrollando el individuo y su vestimenta.
Finalmente, otro factor cada día
más considerado en la obtención
del confort, por los efectos directos
que tiene sobre la salud es:
- La calidad del aire interior.
En las instalaciones de climatización, considerando todos estos
factores en el proyecto, pueden
conseguirse extraordinarios ahorros de energía con unas pequeñas
inversiones adicionales, normalmente amortizables durante el primer año de funcionamiento.
3. Algunos métodos
para el ahorro
de energía
1. Termostatos de ambiente
127
gonómico, con memoria que retiene la programación aun sin tensión y sin necesidad de pilas, permiten recomendar su aplicación
extensiva en todo tipo de acondicionadores y bombas de calor.
La posibilidad de programar varios períodos de ocupación con
distintas temperaturas, ocupado/
desocupado o día/noche, permite
obtener ahorros de energía de hasta el 20%.
Fig.1.
3.2. Control de la humedad y
velocidad del aire
–––––––––––––––––––––––––––––––
electrónicos y programables.
2. Control de la humedad y velocidad del aire.
3. Utilización de acondicionadores y bombas de calor de alto rendimiento.
4. Zonificación de las dependencias.
5. Aprovechamiento del frío exterior free cooling.
3.1 Termostatos
de ambiente electrónicos
y programables
–––––––––––––––––––––––––––––––
Por su propia concepción los
termostatos electrónicos normalmente tienen una respuesta más
rápida y controlan las temperaturas
con mayor precisión que la mayoría de los electromecánicos convencionales. Ello les permite mantener con márgenes más estrechos
la banda de fluctuación de las temperaturas del ambiente a controlar.
Sólo esta característica puede
representar fácilmente, obtener
ahorros de hasta el 5% en el consumo de energía.
Dentro de los termostatos electrónicos, los de tipos programable
se están introduciendo con fuerza
en el mercado, debido a los ahorros adicionales de energía que
pueden aportar.
Su mayor difusión sólo está frenada por la complejidad de algunos diseños, que los hacen poco
atractivos para los usuarios, debido a que no entienden su funcionamiento y si lo entienden en la
puesta en marcha, muchos lo han
128
Puesto que la humedad, y principalmente la velocidad del aire,
inciden fuertemente en la sensación de confort, si controlamos estos parámetros la mejoraremos
notablemente, reduciendo, además, el consumo de energía.
En la Tabla I se detallan las
temperaturas de confort para diferentes velocidades de aire y humedades relativas.
Podemos tomar como ejemplo
el caso de una oficina (trabajo sedentario) en la estación de verano,
con el personal usando vestido ligeros.
Si consideramos una velocidad
de 0,1 m/seg y controlamos sólo
la temperatura, ésta la tendríamos
olvidado cuando cambia la temporada y han de pasar de temperaturas de invierno a verano, o cuando
hay un corte de tensión y han de
reprogramarlo, o cuando se agotan las pilas.
Los instaladores no suelen recomendarlos para evitar llamadas de
servicio sólo para explicar de nuevo al cliente como funcionan, servicio que genera gastos difíciles de
cobrar.
No obstante, una nueva generación de termostatos de diseño erTabla I
Velocidad
aire
Vestido
Humedad
80% H.R.
Humedad
60% H.R.
Humedad
40% H.R.
Actividad Sedentaria
0,1 m/seg.
Ligero
Medio
25°C
22°C
25,5°C
22,5°C
26°C
23°C
0,2 m/seg.
Ligero
Medio
26°C
23°C
25,5°C
23,5°C
27°C
24°C
0,5 m/seg.
Ligero
Medio
27°C
23,5°C
27,5°C
24°C
28°C
25°C
Actividad Media
0,1 m/seg.
Ligero
Medio
19°C
14°C
19,5°C
15°C
20°C
15,5°C
0,2 m/seg.
Ligero
Medio
20°C
15,5°C
20,5°C
16°C
21°C
16,5°C
0,5 m/seg.
Ligero
Medio
21,5°C
17°C
22°C
17,5°C
22,5°C
18°C
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
que regular a 25,5°C.
Si se modifica la velocidad del
aire a 0,2 m/seg y controlando
también la humedad (40%), tendríamos que regular la temperatura a 27°C para igualar las condiciones de confort.
Esta diferencia de 1,5°C en la
regulación del termostato, cuando
la temperatura exterior es de 32°C,
podría representar un ahorro de
energía de hasta:
Fig.2.
Energía primaria
3,37 kWh
3.3. Utilización de
acondicionadores y bombas
de calor de alto rendimiento
–––––––––––––––––––––––––––––––
La prescripción y utilización de
acondicionadores de alto rendimiento, es un requisito básico para
una política de ahorro de energía.
En particular, el uso de bombas
de calor de alto rendimiento se considera hoy como el sistema más
eficaz para hacer compatible el
confort con el desarrollo sostenible.
Entre las tecnologías que hoy
disponemos para reducir el consumo energético, se considera que
las bombas de calor, al aplicarlas
en la calefacción de edificios, es
una de las mayores reducciones
que se pueden aportar, debido a la
alta incidencia de la calefacción en
el consumo energético global.
Si se usasen extensamente
bombas de calor para calefacción,
podría reducirse significativamente
el efecto invernadero, debido a
que se decrecerían las emisiones
de CO2.
En el esquema de la figura 2 se
indican las emisiones de CO2 que
se producen para obtener 1 kWh
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
Aprovechamiento
1 kWh
Emisiones CO2 por kWh de electricidad
según fuente de energía primaria
27 - 2,5 x 100
–––––––––––––– = 23%
32 - 25,5
Un control preciso de la temperatura y de la humedad sólo es
posible mediante sistemas electrónicos digitales. Estos están en el
mercado suficientemente representados.
Para un control preciso de la
velocidad del aire, vista la importancia que tiene sobre el confort,
es preciso disponer de una buena
distribución de aire, con múltiples
descargas y estudiando minuciosamente la venas de aire y la incidencia de la velocidad de éste sobre las personas que ocupan el recinto.
Producción eléctrica
1,1 kWh (33% eficiencia)
Carbon:
Fuelóleo:
Gas Natural:
Hidráulica:
Nuclear:
según sea la fuente de energía primaria.
La bomba de calor puede ayudar a reducir estas emisiones de
CO 2, principalmente cuando se
aplica en sustitución de sistemas
de calefacción por resistencias
Fig.3.
22 m3 gas
1,14 kg CO2
0,94 kg CO2
0,54 kg CO2
0 kg CO2
0 kg CO2
eléctricas, e incluso cuando hay
que sustituir sistemas de calefacción a gas.
En el esquema de la figura 3 se
muestra gráficamente cómo se reducen en más de 2/3 las emisiones de CO2 al aplicar una bomba
40 kg CO2
100 kWh electr.
100 kWh calor
resistencias eléctricas
18 kg CO2
10 m3 gas
100 kWh calor
caldera a gas
13,5 kg CO2
33,3 kWh electr.
7,5 m3 gas
100 kWh calor
bomba de calor
129
Fig.4.
Fig.5. Tipos de bombas de calor.
de calor en una instalación de calefacción.
La bomba de calor puede suministrar energía para calefacción
con el mínimo consumo de energía y, por tanto, con la mínima
producción de CO2. De todos los
sistemas de calefacción disponible
en el entorno. Aun en los períodos
más fríos del invierno, el aire exterior, el subsuelo y el agua subterránea contienen una considerable
cantidad de energía que la
bomba de calor extrae y
utiliza para calentar el ambiente interior.
Otra razón importante
para la utilización de las
bombas de calor de alto
rendimiento se da para
conseguir una mayor diversificación de las fuentes
de energía, y con ello reducir las puntas de consumo que se producen en invierno en el gasto de gas.
Si se utiliza un sistema
de bomba de calor reversible para refrigeración en
verano, una bomba de calor seleccionada e instalada pensando en el ahorro de
energía también ha de proporcionar considerables ahorros en el
consumo respecto a los sistemas
de climatización, comprados con
urgencia en verano e instalados
muchas veces de forma deficiente, con lo cual normalmente sus
rendimientos energéticos son
muy bajos.
Los sistemas de bomba de calor
deben seleccionarse en función del
clima del país, y de la fuente de
calor disponible. En los países de
clima mediterráneo, las bombas
de calor aire-aire reversibles para
calefacción y refrigeración son las
más populares.
En climas continentales, las
bombas de calor aire-aire para
calefacción se instalan mayoritariamente en edificios comerciales,
donde, debido a los períodos más
largos en los cuales es necesaria
la calefacción, se amortizan rápidamente. En estos climas, un
buen sistema de desescarche es
imprescindible. En verano, la refrigeración va normalmente asociada a un sistema economizador
free cooling. En instalaciones de
viviendas unifamiliares los sistemas aire-agua y agua-agua son
los más aceptados. Otros tipos de
bombas de calor, minoritarios pero de creciente implantación, son
los que usan como fuentes de calor el aire de extracción y el calor
del subuelo (Fig. 5).
El diseño de los equipos
completos y la selección de los
componentes de que consta un
sistema, influyen notablemente en
el rendimiento energético del conjunto. Puesto que en el mercado
coexisten equipos de elevado rendimiento como es el caso de bombas de calor aire-aire con un
C.O.P. Coeficient of performance
de hasta 3,2, con equipos con un
C.O.P. inferior a 2.
Si tomamos como ejemplo un
climatizador Split por bomba de
calor del tipo aire-aire, y estudiamos los componentes principales: compresor, baterías y el
control de desescarche, descubriremos el origen de las principales diferencias de rendimiento.
Compresor
La eficiencia energética
(C.O.P.) de un compresor herméti-
Fig.6.
130
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
co, alternativo o rotativo, puede
tener un valor de entre 2,4 para
compresores de tecnología convencional y 3,3 para compresores
de alto rendimiento.
Los modelos Inertia, en compresores alternativos, y Scroll, en
compresores rotativos, son algunos de las más representativos
de esta nueva generación de
compresores de altas prestaciones.
Sólo por este concepto, escoger una bomba de calor equipada
con un compresor de alto rendimiento puede representar para el
usuario un ahor ro de hasta el
40% del consumo de energía.
Fig.7.
Baterías condensadoras
y evaporadora
El dimensionado suficiente de
las baterias influye considerablemente en el rendimiento de las
bombas de calor y en las presiones de funcionamiento de alta y
baja.
Cuanto más alta es la temperatura de evaporación y cuanto
más baja en la temperatura de
condensación, mayor es el rendimiento de un compresor.
El uso de baterias con aletas
ranuradas y tubos estriados ha
permitido aumentar los rendimientos de las baterías sin aumentar excesivamente sus dimensiones.
En las bombas de calor, el dimensionado de las baterías debe
hacerse evitando que la temperatura de evaporación en la batería
exterior sea inferior a 0°C en las
condiciones nominales de invierno. Con ello se elimina la formación de escarcha en la batería y
se retrasa el inicio del ciclo de
desescarche, que penaliza el rendimiento. También se asegura
que en ciclo de verano el equipo
funcione sin problemas incluso
con temperaturas exteriores superiores a 46°C-48°C.
La figura 6 muestra la tabla de
características de un compresor
tipo, donde se indican las temperaturas de condensación, evaporación, potencia frigorífica y
potencia consumida.
El control del desescarche
En las bombas de calor aireaire, o aire-agua, cuando en invierno se dan temperaturas inferiores a 6°C TH, puede iniciarse
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
131
Fig.8. Esquema de una instalación tipo.
un proceso de congelación del
agua condensada en la batería.
El hielo así formado tendrá tendencia a bloquear totalmente el
intercambiador y con ello reducir
considerablemente su eficacia.
La velocidad de formación de
escarcha en la batería no es
constante ni uniforme. Depende
de la distribución del paso del aire, de su velocidad, de como se
reparte el refrigerante en los circuitos internos, del tipo de tubo
con que está hecha la batería, del
tipo de aleta, etc. también influye
la acumulación de polvo del ambiente.
Por ello, el diseño, la configuración de una bomba de calor y
del sistema de desescarche que
se utiliza determinan la eficacia
de un equipo cuando éste está
trabajando en las condiciones rigurosas de invierno.
Un sistema de desescarche
inadecuado, mal seleccionado o
mal instalado, puede reducir el
rendimiento de una bomba de
calor en más del 50%. Los defectos usuales de un sistema de descarche son:
del compresor, con un exceso de
acumulación de hielo. Ello provoca una excesiva relación de compresión, hasta que éste se avería.
Un sistema de desescarche
optimizado ha de tener en cuenta
que:
- La cantidad de escarcha que
retiene la batería evaporadora está en función del contenido total
de vapor de agua que tiene el aire exterior. A menos temperatura,
menos cantidad de vapor de
agua.
- Cuanto más baja es la tem-
peratura de evaporación, mayor
será la cantidad de agua condensada en la batería y más rápida la
velocidad de escarchado de su
superficie.
Ambos fenómenos juegan un
papel contradictorio. En consecuencia, deben considerarse múltiples combinaciones y optimizar
el sistema teniendo en cuenta todas las posibilidades.
Para conseguir un máximo
ahorro de energía, los tiempos de
consulta para el inicio del desescarche, las temperaturas de detección para el inicio del proceso,
duración del mismo y su finalización, deben ser variables y adaptables al clima y circunstancias
de cada instalación.
Sólo la aplicación de circuitos
electrónicos con microprocesadores permite optimizar estos
procesos en cada tipo de bomba
de calor.
En la figura 7 se detalla en un
diagrama de bloques el funcionamiento de un sistema de desescarche optimizado para una
bomba de calor concreta.
Este circuito electrónico con
microprocesador está incluido en
el conjunto del control integral de
una bomba de calor aire-aire,
que, además del proceso de de-
Fig.9. Esquema de los componentes básicos
- No detecta la acumulación
de hielo hasta que se ha mermado considerablemente el rendimiento.
- Cuando detecta la presencia
de hielo, inicia el ciclo de desescarche, con una duración
excesiva innecesaria.
- El desescarche finaliza antes
de que se haya eliminado el hielo
de la batería.
- Hace ciclos de desescarche
sin necesidad.
- Permite el funcionamiento
132
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
sescarche, permite controlar las
seguridades del compresor, los
sistemas adicionales de ahorro
de energía y el sistema de mantenimiento preventivo.
Fig.10. Esquema instalación en viviendas
3.4. Zonificación de
las dependencias
–––––––––––––––––––––––––––––––
La zonificación de las dependencias, con control individual de
la temperatura de cada una de
ellas, proporciona importantes
ahorros de energía.
En las instalaciones donde se
emplea agua con fluido primario,
el sistema es suficientemente conocido y aplicado es el de Fancoils con válvulas controladas
termostáticamente.
En los sistemas convencionales de aire, con conductos, el
control de temperatura se realiza
casi exclusivamente mediante un
solo termostato, sin posibilidad
de establecer temperaturas distintas para cada uno de los espacios a acondicionar.
Mediante los sistemas Modulpack, además de un ahorro de
energía, se multiplica el confort,
ya que permite a cada ocupante
elegir sus preferencias en temperaturas, puesto que dispone de
su propio termostato. Incluso en
instalaciones con zonas periféricas que tengan cargas opuestas
a las zonas interiores, el sistema
Modulpack realizará ciclos alternativos de frío-calor para satisfacer las demandas de todas las
zonas
El control individual de cada
módulo permite optimizar el diseño de la instalación.
En la inversión también se
consigue un importante ahorro,
ya que permite utilizar la máquina más adecuada, teniendo en
cuenta el factor de simultaneidad, pues normalmente la carga
máxima de los módulos no son
simultáneas, con lo que la potencia de la instalación frigorífica o
calorífica es menor que la suma
de las cargas máximas de cada
zona.
Cada módulo (zona independiente) tiene un termostato y una
compuerta motorizada. El termostato de cada módulo envía
datos al panel electrónico, que
analiza la información que recibe
y decide abrir o cerrar compuertas para satisfacer las diferentes
temperaturas de cada termostato.
Al cerrar las compuertas de
las zonas satisfechas, aumenta
la presión de los conductos de
aire. La sobrepresión es detectada por un presostato de alta sensibilidad, el cual acciona una
compuerta motorizada o de sobrepresión por contrapeso, bypass que hace recircular el aire
en exceso, y lo envía directamente del conducto de impulsión al de retorno, con lo que se
Fig.11. Croquis de una instalación tipo
Funcionamiento
El sistema Modulpack trabaja
con un sistema de volumen de
aire variable (V.A.V.) y básicamente su funcionamiento es el siguiente:
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
133
Fig.12. Curvas de los puntos de ajuste de la entalpía de aire exterior
logra restituir la presión inicial
de diseño.
La expresión más simple y eficaz de este sistema es el SystemMaster, que, aplicado en viviendas, permite zonificar las dependencias de día/noche, con termostatos independientes en cada
zona, que pueden ser programables con varios horarios de ocupación, y con ello ahorrar hasta
el 40% del consumo de energía.
3.5. Aprovechamiento del
frío exterior Free Cooling
–––––––––––––––––––––––––––––––
Tabla II
Sistema Propuesto
Sistema
convencional
Ahorro en
verano, %
Ahorro en
invierno, %
Bombas de calor
C.O.P. de 3
Bombas de calor
C.O.P. de 2,3
24
24
Termostato
electrónico
Termostato
electromecánico
5
5
Termostato
programable
Termostato
convencional
20
20
Desescarche
optimizado
Desescarche
-
20
Control de todos los
parámetros de confort
Control
temperatura
23
-
Zonificación
dependencias
Sin zonificación
40
40
Economizador
free cooling
Sin economizador
-
25
134
El aprovechamiento del frío
del aire exterior para climatizar
los interiores es un sistema ampliamente utilizado en grandes
instalaciones equipadas con
centrales de tratamiento de aire
o unidades de tejado Roof Top.
Las normas IC.IT., en su capítulo 0.4, "Exigencias de rendimiento y ahor ro de energía",
hace obligatoria su instalación
en los sistemas donde el caudal
del climatizador sea superior a 3
m3/seg.
El sistema básico consiste en
un juego de compuertas que permiten escoger el origen del aire
de retorno, entre el retorno del
interior del local climatizado y el
aire exterior.
El objetivo del sistema es usar
aire frío exterior para acondicionar el interior, siempre que sea
posible, para reducir el consumo
del compresor.
El sistema economizador funciona como si fuese una primera
etapa de refrigeración, controlada
por el termostato ambiente interior. Cuando el termostato ambiente pide una primera etapa de
refrigeración, si la entalpía del aire exterior es inferior al punto
ajustado, según curvas A, B, C o
D, la compuerta del aire exterior
abre el porcentaje suficiente, y simultáneamente la compuerta de
aire exterior cierra en la misma
medida para mantener la mezcla
de aire de descarga entre 10 y
14°C.
Durante el funcionamiento del
ciclo economizador, si el termostato ambiente solicita la entrada
de la segunda etapa de refrigeración, el compresor se pone en
marcha.
Cuando la entalpía del aire exMONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
terior está por encima del punto
ajustado (curvas A o B, C, D), la
compuerta del aire exterior cierra
hasta su posición mínima.
Con este sistema de ahorro de
energía pueden obtenerse fácilmente ahorros de hasta el 25%.
El sistema permite además
obtener ventajas adicionales:
- Ventilación de renovación
por aporte de aire exterior al recinto climatizado, mejorando la
calidad de aire interior.
- Posibilidad de regulación del
aporte mínimo de aire exterior
entre el 0 y 100% mediante un
potenciómetro que actúa sobre el
motor y las compuertas.
- Control automático de la
aportación del aire exterior, hasta
eliminarla completamente si se
considera conveniente, cuando el
recinto no está ocupado por personas.
4. Conclusión
La utilización de bombas de
calor de alto rendimiento para
calefacción y las reversibles para
calefacción y refrigeración permiten dar respuestas a las crecientes demandas de confort y, a la
vez, aportar ventajas como sistemas para ahorro de energía que
es imprescindible para combatir
eficazmente el efecto invernadero
debido al CO2.
Las bombas de calor, debido a
su diseño y tecnología, permiten
obtener con los elementos de instalación complementarios que se
han descrito extraordinarios ahorros de energía, que a efectos de
resumen y referencia se detallan
en la Tabla II.
MONTAJES E INSTALACIONES - ABRIL 1996
135