Torres

Sistemas primarios acercamiento. Aumentar el acercamiento conlleva una menor inversión inicial, un menor tamaño de torre y menor potencia instalada en ven+ladores, aunque la pérdida de carga en la batería aumenta y también el consumo de la enfriadora. Como indicador sencillo se puede u+lizar que doblar el acercamiento de 3 oC a 6 oC hace cambiar en un factor de 2 cada parámetro (mitad de coste, potencia en ven+ladores, etc.) Diseñar las torres para minimizar la temperatura de retorno a las plantas enfriadoras implica un mayor coste para la torre, pero una disminución del consumo. Debe estudiarse cada caso para determinar la temperatura óp+ma, aunque en general conviene la reducción de la temperatura de retorno a la planta enfriadora Los valores _picos de diseño son de 35 oC para la temperatura de entrada de agua a la torre, retornando a la planta enfriadora a 30 oC cuando el bulbo húmedo exterior es de 26 oC. Al bajar el bulbo húmedo lo hace también la temperatura de retorno y de salida del condensador. Como valores _picos para un bulbo húmedo de 21 oC se puede tomar 33‐27 oC en la torre. b) Otras restricciones del espacio Dado el riesgo de proliferación de legionella y las condiciones de espacios y pesos que requieren las torres de refrigeración, es importante conocer como datos de par+da: ∙ Ubicación exterior: importante para calcular las pérdidas de carga del circuito de condensación. ∙ Cumplimiento de servidumbres de la norma+va frente a la legionella. Hay que cumplir las distancias a paso de personas, ventanas y tomas de aire de otros sistemas (por ejemplo clima+zadoras) según el RD 865/2003, UNE 10003 y otras normas vigentes. ∙ Pesos, dimensiones y alturas. Es importante conocer que el peso y las dimensiones de las torres cerradas duplican al menos las de torres abiertas. 3.3.3 Proceso de diseño Para la selección de torres de refrigeración los pasos a seguir son los siguientes: 1. Analizar la función de la torre: +po de edificio, proceso produc+vo, o equipo para el que se va a des+nar. 2. Seleccionar el número de torres: A par+r del número de equipos y potencias térmicas a disipar, se decide el número de torres a u+lizar. Por ejemplo, puede ser una instalación con 4 enfriadoras y dos torres de refrigeración con variador de frecuencia. Para la elección se manejan criterios económicos y de parcialización. Es común elegir una torre por enfriadora en instalaciones de cierta potencia (a par+r de 600 kW, aproximadamente). Sistemas primarios 3. Seleccionar el +po de torre: conocida la ubicación de las torres, distancias de seguridad necesarias (legionella, ruidos,...), condiciones económicas y de mantenimiento, se selecciona el +po de torre a u+lizar. 4. Definir la temperatura de bulbo húmedo de diseño (máxima de la localidad + 1 ºC). Por ejemplo, en Madrid = 24,6+1 = 25,6ºC. 5. Definir el salto térmico necesario en el proceso (por ejemplo 35‐30 oC ) y comprobar que la diferencia entre la temperatura de salida de torre y la temperatura de bulbo húmedo de diseño es superior al acercamiento mínimo exigido (por ejemplo, 30º‐25,6 oC =4,4ºC superior al criterio de mantener un acercamiento superior a 2,2oC ). 6. Definir otras caracterís+cas como: ◦ Material de la balsa (acero inoxidable, plás+cos, etc) ◦ Material del cuerpo de la torre (acero inoxidable, galvanizados con protección de zinc, etc). ◦ Eficacia del separador de gotas (las pérdidas deben ser menores al 0,01% del caudal de agua del circuito). ◦ Tipo de ven+lador/es: axiales o centrífugos, con variador o constantes, número, etc. ◦ Sistema de purgado automá+co, requerido para disminuir la concentración de forma automá+ca mediante sonda de conduc+vidad y válvula automá+ca. ◦ Sistema de tratamiento del agua: biocidas y an+incrustantes, ClO2, etc ◦ Sistema de filtrado del agua de la balsa. ◦ Resistencias an+congelación. ◦ Lógica de control de funcionamiento en función del salto requerido. 7. Selección del modelo de torre a par+r de los datos anteriores. Se ob+enen así los datos necesarios para el cálculo del circuito hidráulico, los consumos y potencias eléctricas, pesos, dimensiones), costes, etc. 8. Comprobar que las torres seleccionadas cumplen con los requisitos …sicos, hidráulicos y aerodinámicos exigidos. Este proceso se muestra en el diagrama de flujo siguiente: Sistemas primarios Sistemas primarios 3.3.4 Ejemplo de selección A con+nuación se desarrolla un ejemplo de selección de enfriadoras. • Potencia a disipar: calor de condensación de una enfriadora agua‐agua de 1022 kW de potencia nominal de frío • Tipo de edificio: Centro comercial • Localidad: Córdoba • Posible ubicación: cubierta del edificio • Disponibilidad de personal de mantenimiento: si (propio y externo) • Otros: priorizar el ahorro energé+co y limitar la inversión a 45.000 €. A par+r de los datos iniciales se ob+ene: ∙ La ubicación en cubierta cumple las condiciones norma+vas ∙ La potencia térmica a disipar es de 1235 kW ∙ T bulbo seco = 34,7 ºC ; Tbulbo húmedo de diseño = 23,7+1 ºC = 24,7 ºC Se decide por evitar sobre pesos en la cubierta del edificio, u+lizar una torre de refrigeración abierta de +ro inducido. Se propone un acercamiento mínimo de 4oC , sin posibilidad de congelación en la ubicación indicada. Por lo tanto, no habra resistencias de calentamiento y tampoco sistema de filtrado de sólidos en la balsa de la torre al estar en un ambiente limpio. Se selecciona de datos de fabricante la torre que a con+nuación se muestra. Se comprueban los datos de caudal, potencia térmica a disipar, salto térmico de entrada y salida y acercamiento. Sistemas primarios Sistemas primarios 3.3 Recuperación del calor de condensación En este apartado se trata la selección de equipos de producción frigorífica en los que se aprovecha el calor de condensación. La recuperación puede ser total o parcial. En la prác+ca, el calor de condensación sirve para calentar agua para uso sanitario, calefacción, procesos industriales, calentamiento de piscinas u otros usos. La recuperación del calor se puede realizar parcialmente, mediante un intercambiador en la descarga del compresor que aprovecha el calor sensible del gas a la salida del compresor (des‐ recalentador), o totalmente aprovechando el calor del condensador (sensible+latente). El calor recuperado mediante la recuperación parcial es el 20%÷25% del calor total de condensación en condiciones nominales. El resto del calor (no recuperado) se disipa en el condensador principal del equipo. La recuperación parcial del calor de los gases de descarga del compresor permite incrementar el rendimiento global de una planta enfriadora. La energía recuperada dependerá de la producción frigorífica y de la temperatura de aire exterior. Para su cálculo, es necesario hacer una simulación que tenga en cuenta el perfil de temperaturas de la ciudad y el perfil de cargas del edificio, así como los rendimientos en carga parcial según las condiciones de trabajo y el porcentaje de carga. La recuperación parcial de calor no interfiere en el rendimiento de las enfriadoras si comparamos las mismas con su equivalente sin recuperación. Por otra parte, la recuperación total prevé la cesión del calor de condensación a un condensador de aire (batería) o condensador de agua (recuperador). La operación de los compresores siempre depende de la temperatura del agua de retorno del sistema de refrigeración. La recuperación total de calor puede modificar el rendimiento de las enfriadoras si comparamos las mismas con su equivalente sin recuperación, al modificarse las temperaturas de condensación. Puede mejorar o disminuir en función de aquélla. A la hora de simular el comportamiento de los sistemas de recuperación (parcial o total) es necesario relacionar el perfil climá+co con el perfil de demanda de frío y el de demanda de ACS. Cuando se dan perfiles muy diferentes de gasto de ACS y de demanda de frío, los sistemas de desrecalentadores han de ir ligados a depósitos de acumulación. En estos casos, en la evaluación de la eficiencia energé+ca interviene el tamaño de estos depósitos, la combinación con otros sistemas de calentamiento del agua (la existencia o no de placas solares), el salto térmico de diseño considerado en ACS, el número de elementos recuperadores y las secuencias de control decididas. Para la selección de equipos con recuperación del calor de condensación se seguirá el procedimiento indicado en el apartado de plantas enfriadoras. La evaluación de su viabilidad conlleva el uso de programas de simulación. Sistemas primarios 4.‐PRODUCCIÓN DE CALOR 4.1 Calderas Las calderas de agua caliente o sobrecalentadas son tratadas en un documento independiente. Sistemas primarios 4.2 Bombas de calor La bomba de calor es una máquina térmica que extrae calor de un foco frío para cederlo a un foco caliente. En el apartado de los equipos de producción de frío por compresión se muestran los elementos principales de la bomba de calor y el ciclo en un gráfico logp‐h. En este apartado se estudiará su selección pero cuando su efecto ú+l es el calor cedido en el condensador. El aporte energé+co requerido para pasar desde gas frío a baja presión que sale del evaporador a gas caliente a alta presión que entra en el condensador, se realiza en la mayoría de los casos mediante una compresión mecánica accionada eléctricamente. Es posible accionar el compresor mediante motores de combus+ón interna que consumen gas. También es posible sus+tuir la compresión mecánica por el conjunto absorbedor, generador, bomba e intercambiador de solución, que representa a un equipo de absorción. Los focos térmicos pueden ser líquidos, frecuentemente agua, gases, por ejemplo aire, o el terreno en el caso de bombas de calor geotérmicas. En el modo de calor, en el intercambiador exterior de los equipos que evaporan con aire ambiente puede formarse hielo, que reduce la temperatura de evaporación y el COP de la bomba de calor. Puede incluso llegarse a la parada de la máquina por bajas presiones de evaporación. Los equipos +enen un control de desescarche donde se produce un consumo de energía sin aporte de calor ú+l. Este efecto se considera a par+r de las capacidades de calor integradas, que coincidirán con las instantáneas sólo cuando la temperatura exterior sea alta (aproximadamente por encima de los 6 oC). En muchos casos se u+lizan equipos reversibles que combaten, en los periodos requeridos, la demanda de refrigeración. En esos casos sólo se comprueba que la selección del equipo que se ha realizado para refrigeración es capaz de comba+r la carga de calefacción. 4.2.1 Datos de par5da a) Demanda energé+ca anual: b) Accionamiento de la bomba de calor: En primer lugar habría que estudiar la fuente de energía disponible, que podría hacernos decantar por un +po de equipos u por otro. Las fuentes de energía comúnmente u+lizadas son: • Electricidad (compresión mecánica) • Gas natural (absorción o compresión mecánica) • Otras fuentes de energía (absorción o compresión mecánica) Sistemas primarios A veces, la limitación de potencia eléctrica instalada aconseja la instalación de bombas de calor de compresión mecánica movidas con motores de gas. c) Criterios económicos. d) Ubicación. El peso y el volumen ocupado por la bomba de calor son determinantes para su elegir su ubicación. Estos equipos suelen ser equipos pesados y precisan en muchos casos instalarse a la intemperie ya que son normalmente equipos condensador por aire. Existen bombas de calor para interiores con ven+ladores potenciados o con agua en los equipos de intercambio. En los equipos con evaporador en aire exterior, se prefiere ubicarlos a la intemperie, para garan+zar que el aire que llega a los mismos esté en las condiciones para las que han sido diseñados. Además debe respetarse una distancia mínima entre equipos, no sólo por necesidades de mantenimiento, sino también para permi+r el intercambio de los evaporadores con “aire fresco”. Los equipos en su funcionamiento hacen circular el aire ambiente por los condensadores devolviendo aire más frío al exterior. Si están muy cerca entre sí, el aire frío de unos alcanzará a los otros y por tanto, empeora la capacidad para evaporar de cada equipo, disminuyendo su rendimiento y disminuyendo también su capacidad de producción térmica. Las distancias mínimas de separación entre equipos o entre equipos y obstáculos cercanos son proporcionadas por los fabricantes y deben respetarse para evitar que existan pérdidas de rendimiento, o incluso fallos de funcionamiento (paradas del equipo por accionamiento de las protecciones de seguridad de las mismas debidas a temperaturas inadecuadas en el ciclo frigorífico). Por otra parte, el nivel de potencia sonara emi+do también es importante a la hora de selección de uno de estos equipos. Por regla general, el nivel de potencia sonora es elevado, aunque actualmente todos los fabricantes +enen variantes con funcionamientos silenciosos. e) Grado de seguridad requerido: Ver apartado de enfriadoras. f) Temperatura de operación Las temperaturas de condensación y evaporación del ciclo vienen condicionadas por las temperaturas de los focos térmicos de los que se absorbe o cede el calor. Éstas además condicionan la capacidad de la bomba de calor y su rendimiento. Cuando la máquina +ene el evaporador en el aire exterior es importante conocer también la temperatura de bulbo húmedo exterior porque condiciona la formación de escarcha en el evaporador. En el condensador, las temperaturas de impulsión y retorno están condicionadas por las unidades terminales que dan servicio de calefacción y los saltos térmicos previstos en éstas. Sistemas primarios 4.2.2 Parámetros de diseño a) Capacidad nominal, COP: La capacidad de la bomba de calor depende de las condiciones de evaporación y condensación. En condiciones nominales, al igual que ocurre en las enfriadoras y otros equipos, la capacidad térmica está marcada por el cer+ficado Eurovent, que incluye los consumos energé+cos de bombeo o ven+ladores, según la +pología del equipo que se esté seleccionando. Por lo tanto, es imprescindible para la selección de estos equipos conocer las temperaturas exteriores o de agua o terreno para evaporación, así como la de salida del evaporador/condensador y la de retorno al condensador, todo ello en función de la +pología del equipo a seleccionar. Las bombas de calor pueden realizar el intercambio térmico con el exterior de dis+ntas formas: . Con el aire, a través de ven+ladores (equivalente a enfriadoras) . Con el agua de torres, efluentes, pozos,... . Con el terreno, geotermia de baja temperatura de lazo cerrado o lazo abierto. Conocidos los rendimientos en condiciones nominales, y empleando los factores de corrección proporcionados por los fabricante mediante catálogos o so†ware, se pueden conocer los valores de COP para las condiciones de operación. (COP = EER +1) b) Temperaturas de condensación y evaporación La temperatura de evaporación queda determinada por la +pología de bomba de calor. Aire ambiente, agua o terrenos serán los focos fríos cuya temperatura debe conocerse. En el lado del condensador, la temperatura de impulsión viene fijada por la unidad terminal, en el caso de calefacción o por la requerida para el proceso industrial de que se trate. Sistemas primarios 4.2.3 Proceso de diseño 1. Recopilar y analizar los datos de par+da: ∙ Tipo de edificio, proceso produc+vo, o área a la que se va a dar servicio. ∙ Presupuesto es+mado disponible. ∙ Limitaciones establecidas por el cliente (ubicación, ruido, etc). ∙ Grado de seguridad. ∙ Fuentes de energía disponibles. ∙ Unidades terminales a las que se da servicio. 2. Calcular la demanda energé+ca del sistema y cargas punta (proceso produc+vo, edificio, área, etc.) 3. Establecer la +pología del equipo bomba de calor que se adapta a la selección: accionamiento, focos frío y caliente (aire, agua o terreno) 4. Establecer, en función de las necesidades de seguridad de funcionamiento, de la +pología del edificio, de la demanda energé+ca y del presupuesto inicial previsto, el número de equipos que se van a u+lizar. 5. Determinar, en base a la demanda energé+ca, al número de equipos, a las necesidades de seguridad de funcionamiento, etc. la potencia nominal del/los equipo/s. 6. En este punto ya tenemos seleccionado el número de equipos, la +pología del equipo y de accionamiento (electricidad o gas natural), de condensación (aire, agua o terreno), la potencia nominal de la misma y la +pología de compresor. Una vez aquí es necesario proceder a simular el funcionamiento del/los equipo/s para comba+r la demanda anual y determinar el consumo de combus+ble. Además se evalúa el presupuesto inicial, los costes de explotación (consumo energé+co, de mantenimiento, etc.) así como el grado de seguridad de la instalación (número de horas que el/los equipo/s han estado funcionando a pleno rendimiento). Con los valores obtenidos se determina si se cumplen todos los requisitos de par+da, volviéndose a iterar si es necesario. Sistemas primarios 4.2.4 Ejemplo de selección A con+nuación se desarrolla un ejemplo de selección de bombas de calor. A pesar de estar dentro del apartado de selección de equipos de generación de calor, se va a proceder a seleccionar equipos que cubran la demanda durante todo el año, para aproximarse más a la selección que se podría realizar en un caso real. Se supone el caso que se está diseñando la instalación de clima+zación de una residencia de estudiantes. 1. Se determinan los datos de par+da: ∙ el +po de edificio se trata de instalación de clima+zación de residencia de estudiantes. ∙ El cliente indica que el presupuesto disponible es muy limitado. ∙ Por el +po de instalación prevista el grado de seguridad es bajo. ∙ La fuente de energía será electricidad. 2. Se conoce la demanda horaria de calefacción y refrigeración. En la tabla 4.7 se han agrupado por meses. Tabla 4.7. Demanda mensual de refrigeración y calefacción Refrigeración Calefacción (kWh) (kWh) Enero 0 19.257 Febrero 0 13.508 Marzo 0 6.654 Abril 32.599 0 Mayo 54.470 0 Junio 81.670 0 Julio 117.856 0 Agosto 104.359 0 Sep+embre 82.576 0 Octubre 45.148 0 Noviembre 0 8.185 Diciembre 0 15.377 Total 518.677 55.121 Mes Sistemas primarios A par+r de las demandas horarias se construyen los gráficos de frecuencias para refrigeración (figura 4.8) y calefacción (figura 4.9). Figura 4.8. Demanda de refrigeración Figura 4.9. Demanda de calefacción De los cálculos de demanda se ob+enen los datos de la tabla 4.8: Tabla 4.8. Parámetros caracterís+cos de la demanda Refrigeración Calefacción Valor medio (kW) 174 75 Horas equivalentes a plena carga 1343 248 Máxima simultánea (kW) 570 200 Sistemas primarios 3. Por indicaciones de la propiedad, se emplearán equipos de accionamiento mediante electricidad. 4. En este estudio, y debido a las premisas impuestas por la propiedad, se u+lizarán equipos de compresión mecánica con condensación por aire. 5. Por cues+ones de seguridad y vistas las curvas de demanda, se optará por un grupo frigorífico con dos unidades de producción. 6. Se opta por una bomba de calor capaz de producir 200 kW en calefacción a la temperatura exterior de diseño, y una enfriadora capaz de ofrecer la demanda mínima de refrigeración a parcialización mínima, y que conjuntamente con la bomba de calor operando en modo frío, pueda comba+r la demanda máxima de refrigeración para las condiciones de diseño. En este caso, los equipos habrán de funcionar en refrigeración con temperaturas de aire exterior por encima de 42º C (valor obtenido a par+r del perfil climá+co tratado y las exigencias del RITE respecto a las condiciones de condensación). Prestaremos también atención a una selección de compresión que nos ofrezca parcialización adecuada para las demandas mínimas del edificio a la temperatura de producción asignada. 7. A par+r de las opciones de compresión y las limitaciones económicas iníciales impuestas por la propiedad, procederemos a dos estudios energé+cos diferentes: BdC scroll + Enfriadora Scroll y BdC Tornillo + Enfriadora Tornillo. En el caso de producción en frío se podría haber optado por enfriadoras por compresión de tornillo inverter, pero se deses+ma de par+da por cues+ones económicas, al igual que se ha deses+mado el uso del compresor centrífugo de levitación magné+ca condensado por aire por las mismas causas. A con+nuación se muestran los datos principales de los equipos preseleccionados: Opción 1: Bomba de calor Scroll: Enfriamiento Potencia kW 224,39 Potencia absorbida kW 109,25 Absorción A 207,56 E.E.R. W/W 2,05 E.S.E.E.R. W/W 3,82 Temperatura de entrada de°C aire (b.s.) 43,00 Temperatura de entrada de°C agua 12,00 Sistemas primarios Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 7,00 E+lenoglicol % 0 Caudal de agua l/h 38.743 Pérdida de carga kPa 39,48 Calentamiento Potencia kW 196,08 Potencia absorbida kW 89,74 Absorción A 169,55 C.O.P. W/W 2,18 Temperatura ambiente bulbo seco °C 0,00 Temperatura de entrada de agua °C 40,00 Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 45,00 E+lenglicol % 0 Caudal de agua l/h 33.612 Pérdida de carga kPa 30,69 Datos declarados conforme a la norma+va UNE EN 14511:2011 Opción 1: Enfriadora Scroll: Enfriamiento Potencia kW 343,03 Potencia absorbida kW 165,05 Absorción A 314,79 Sistemas primarios E.E.R. W/W 2,08 E.S.E.E.R. W/W 3,84 Temperatura de entrada de°C aire (b.s.) 43,00 Temperatura de entrada de°C agua 12,00 Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 7,00 E+lenglicol % 0 Caudal de agua l/h 59.228 Pérdida de carga kPa 45,43 Datos declarados conforme a la norma+va UNE EN 14511:2011 A par+r de los datos del fabricante y las condiciones reales de operación, se +ene los consumos eléctricos y costes de la tabla 4.9 para la opción 1 (BdC y enfriadora, ambos scroll). Tabla 4.9. Resultados para equipos scrolll Mes Consumo eléctrico (kWh) Coste de la electricidad (€) Enero 591 3.194 Febrero 408 2.204 Marzo 208 1.126 Abril 1870 10.106 Mayo 2994 16.186 Junio 4692 25.360 Julio 7601 41.087 Agosto 6381 34.491 Sep+embre 4849 26.212 Octubre 2319 12.537 Noviembre 250 1.354 Sistemas primarios Diciembre Opción 2: Bomba de calor de tornillo: Enfriamiento Potencia kW 233,72 Potencia absorbida kW 101,45 Absorción A E.E.R. W/W2,30 174,50 Temperatura de entrada de aire°C (b.s.) 43,00 Temperatura de entrada de agua°C 12,00 Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 7,00 E+lenglicol % 0 Caudal de agua l/h 40.327 Pérdida de carga kPa 30,20 Calentamiento Potencia kW 180,26 Potencia absorbida kW 78,65 Absorción A 134,83 C.O.P. W/W 2,29 Temperatura ambiente bulbo°C seco 0,00 Temperatura de entrada de agua °C 40,00 468 2.532 Sistemas primarios Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 45,00 E+lenglicol % 0 Caudal de agua l/h 30.928 Pérdida de carga kPa 19,25 Datos declarados conforme a la norma+va UNE EN 14511:2011 Opción 2: Enfriadora de tornillo: Enfriamiento Potencia kW 355,39 Potencia absorbida kW 144,56 Absorción A 243,14 E.E.R. W/W 2,46 Temperatura de entrada de aire°C (b.s.) 43,00 Temperatura de entrada de agua °C 12,00 Salto térmico de agua °C 5,00 Temperatura de salida de agua °C 7,00 E+lenglicol % 0 Caudal de agua l/h 61.288 Pérdida de carga kPa 28,20 Datos declarados conforme a la norma+va UNI EN 14511:2011 Procediendo de la misma manera para la opción con máquinas de tornillo se +enen los valores de la tabla 4.10. Tabla 4.10. Resultados para equipos de tornillo Mes Consumo eléctrico (kWh) Coste de la electriciad (€) Sistemas primarios Enero 524 2.834 Febrero 362 1.959 Marzo 189 1.020 Abril 1535 8.298 Mayo 2445 13.217 Junio 3717 20.093 Julio 6641 35.895 Agosto 5869 31.722 Sep+embre 4052 21.904 Octubre 2032 10.983 Noviembre 225 1.214 Diciembre 417 2.255 Comparando las dos alterna+vas, se ob+ene un consumo anual de 176.389 kWh para la solución de máquinas scroll y de 151.394 kWh para las de tornillo. Como los costes de mantenimiento son similares para las dos alterna+vas, el coste de explotación queda determinado por el coste de la energía eléctrica consumida. Los presupuestos iniciales de los son los siguientes: ∙ Opción 1, equipos scroll: 94.896 € ∙ Opción 2, equipos de tornillo: 105.404 € Suponiendo un coste medio de la electricidad de 0,185 kWh en el Año 1, un incremento del precio anual de la energía del 3%, estableciendo los precios de los equipos y efectuando la compara+va para un periodo de 10 años se ob+enen los valores de la tabla 4.11. Tabla 4.11. Comparación económica de las dos alterna+vas. Tecnología Inversión (€) Coste de la Ahorro energía en 10 e c o n ó m i c o a l años cabo de 10 años Scroll 94.896 374.089 0 Tornillo 105.704 321.079 53.010 Atendiendo a los resultados obtenidos para el periodo de retorno simple, y teniendo en cuenta una vida ú+l mínima de cada equipo superior a 10 años se establece que la mejor opción es la de equipos de tornillo. Sistemas primarios DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE SELECCIÓN: Sistemas primarios 4.3 Generadores de vapor Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando calor, vaporizan el agua para uso en clima+zación o en la industria. Para el calentamiento pueden emplear combus+bles sólidos, líquidos o gaseosos, o bien resistencias eléctricas. Generalmente constan de un recipiente metálico, que con+ene el agua que se va a ir vaporizando, o bien circula por este recipiente, denominado cámara de agua, así como de una cámara de vapor, espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, situado sobre la cámara de agua. En todo generador de vapor, desde el punto de vista de la transferencia de calor, se dis+nguen dos zonas importantes: 1. Zona de liberación de calor o cámara de combus5ón: es el lugar donde se quema el combus+ble. La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama‐agua). Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico. Las de +po interior se caracterizan porque la cámara de combus+ón se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua. Las de +po exterior, por su parte, poseen la cámara de combus+ón fuera del recipiente metálico, estando parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua. 2. Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combus+ón (humos) transfieren calor al agua, principalmente por convección (gases‐agua). Está cons+tuida por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua. Existen varias formas de clasificación de calderas, entre las que se pueden señalar: a) Según la presión de trabajo: ∙ Baja presión : de 0 ‐ 2.5 bar ∙ Media presión : de 2.5 ‐ 10 bar ∙ Alta presión : de 10 ‐ 220 bar ∙ Supercrí+cas: más de 220 bar b) Según su generación: ∙ saturado (húmedo o seco) ∙ recalentado c) Según la circulación de agua dentro de la caldera: ∙ Circulación natural: el agua se mueve por diferencias de densidad. ∙ Circulación forzada: el agua se hace circular mediante bombas. c) Según la circulación del agua y los gases calientes en la zona de tubos de las calderas. ∙ Pirotubulares. Sistemas primarios ∙ Acuotubulares. Permiten generar grandes can+dades de vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura, se usa en plantas térmicas para generar potencia mediante turbinas. 4.3.1 Datos de par5da a) Producción de vapor requerida: Es un dato de par+da fundamental para la selección de el/los generador/es. Es necesario determinar la can+dad de vapor máxima simultánea que es necesario proporcionar en el proceso. Junto al valor de caudal másico requerido de vapor se debería conocer la presión y la temperatura a la que se requiere. b) Criterios económicos: A mejores prestaciones del equipo (mayor rendimiento nominal, con sistemas de recuperación de energía, etc.) mayor será el coste inicial. Al coste inicial se deberán añadir los costes de operación (combus+ble) y mantenimiento. Los cálculos se realizan para un periodo de vida medio (15 años o el recomendado por el fabricante), calculando el valor actual neto (VAN) y la tasa interna de rentabilidad (TIR). c) Ubicación: Ver apartado de calderas 4.1. Además, habrá que tener en cuenta para la selección de la ubicación de las calderas de vapor, todos los elementos auxiliares que requieren estas calderas: • Depósitos de condensados (si se recircula el fluido condensado). • Depósitos de enfriamiento de purgas. • Sistemas de descalcificación y tratamiento de aguas previos. • Colectores, sistemas de venteo de los depósitos, purgas especiales,..... d) Grado de seguridad requerido: Como en calderas o bombas de calor, la aplicación puede requerir un nivel de seguridad elevado. El cliente comunicará, según la aplicación, qué nivel de redundancia se requiere. e) Nivel de mantenimiento del sistema: Los generadores de vapor requieren vigilancia con+nua. La permanencia de personal de mantenimiento es obligada. Esto supone un coste de explotación importante que hay que incluir en los análisis económicos. f) Fuentes de energía: Las fuentes de energía que pueden u+lizarse son, como en el caso de calderas: Sistemas primarios • Gas natural o propano. • Gasóleo. • Electricidad. • Combus+bles sólidos (en menor medida). 4.3.2 Parámetros de diseño Entre los parámetros de diseño a tener en cuenta en la selección de generadores de vapor, los más importantes son los siguientes: a) Capacidad calorífica nominal, rendimientos: El rendimiento de la caldera va a depender, principalmente del +po de combus+ble que emplea. Además de esto, influirá decisivamente en el rendimiento la temperatura de funcionamiento de la misma y la presión de trabajo a la que opere, de manera que el control electrónico de la instalación se conver+rá en un factor decisivo para sacar el máximo de los equipos seleccionados. 4.3.3 Proceso de diseño 1. Recopilar y analizar los datos de par+da: ∙ Proceso produc+vo, básicamente. ∙ Presupuestos es+mados disponibles. ∙ Limitaciones establecidas por el cliente. ∙ Grado de seguridad y nivel de mantenimiento. ∙ Fuentes de energía disponibles. 2. Determinar las condiciones de funcionamiento requeridas por el proceso: producción de vapor necesaria, caudal másico, temperatura y presión del vapor. 3. Establecer, en un primer paso, la +pología del generador en función de los datos de par+da indicados en el punto anterior y del +po de combus+ble a emplear. Decidir si se dispone de caudal de condensados y vapor flash. 4. Establecer, en función de las necesidades de seguridad de funcionamiento, de la +pología del proceso, de la demanda de vapor y del presupuesto inicial previsto, el número de generadores que se van a u+lizar. 5. Determinar, en base a la demanda de vapor, al número de equipos, a las necesidades de seguridad de funcionamiento, etc. la potencia nominal de cada generador. Sistemas primarios 6. Determinar, en base a los requerimientos de seguridad y al presupuesto inicial, si la selección es adecuada económicamente, iterando en el punto 3 si no se cumple. 4.3.4 Ejemplo de selección Supongamos que se precisa seleccionar un generador de vapor para dar servicio a la lavandería de un edificio des+nado a residencia de ancianos situado en Segovia. Según los datos facilitados por la propiedad, se +ene lo siguiente: 1. El proceso consiste en generación de vapor para el funcionamiento de secadoras y calandra. El presupuesto previsto para el equipo es de 17000 euros. El centro posee personal de mantenimiento propio, mecánicos y electricistas que mantendrán el equipo. El grado de seguridad es normal: si el equipo se avería se contrata un servicio de lavandería externo hasta que se repare el mismo. La fuente de energía disponible es gas natural, por lo que el equipo deberá poder funcionar con quemador a gas natural. 2. Los equipos a los que se van a dar servicio son secadoras y calandra, con una suma total de vapor de 400 kg/h. La presión de funcionamiento a la que operan los equipos es 10 bar y el vapor debe estar saturado. 3. En base a los datos de par+da, el generador de vapor será tal que disponga de quemador a gas natural, presión de vapor mínima de 10 bar y capacidad de producción mínima de 400 kg/h de vapor a 10 bar. 4. Según todos los datos expuestos en los apartados anteriores, se determina que se dispondrá sólo un equipo. 5. Atendiendo a los datos del catálogo del fabricante, se selecciona un generador de vapor capaz de generar 407kg/h a 10 bar con una potencia nominal de 255kW con quemador por pasos de gas natural. 6. El presupuesto del fabricante es 17.500 €, por lo que se concluye que el equipo seleccionado es adecuado para lo previsto. Sistemas primarios DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE SELECCIÓN: Sistemas primarios Sistemas primarios 5.‐CONEXIÓN DE SISTEMAS PRIMARIO‐SECUNDARIO 5.1 SISTEMAS DE CONEXIÓN Los sistemas de conexión de primarios – secundarios pueden ser de distrintos +pos, siendo igual de válidos para todos aquellos acoplamientos entre circuitos hidráulicos que basan en el agua como elemento caloportador. Así, se pueden clasificar en sistemas primario‐secundario: a) ACOPLADOS HIDRÁULICAMENTE Los sistemas acoplados hidráulicamente mueven el mismo caudal entre primario y secundario con los mismos juegos de bombas, es decir, no hay posibilidad de desacople de funcionamiento de los circuitos primarios de los secundarios. Esto se puede hacer de dos formas, ‐ Sistemas acoplados de caudal constante. Aquí no hay posibilidad de ajustar el caudal al consumo real, con lo que los circuitos primarios y las baterías de los circuitos secundarios deberán de tener el mismo caudal: De esta manera, hay que ajustar mucho los caudales de los equipor primarios para que coincida con los caudales de los circuitos secundarios. Se emplean en circuitos de pequeña y mediana potencia. Como en este caso, al ser la bomba de caudal constante, si varía el caudal de paso por los secundarios o las pérdidas de carga en estos, el caudal que pasa por la enfriadora quedará condicionado al secundario, provocando pérdidas energé+cas s e incluso parada de los equipos por falta de caudal. O al contrario, una bajada de pérdidas provocará un sobrecaudal en el equipo empeorando el rendimiento. Sistemas primarios ‐ Sistemas acoplados de caudal mul+ple. En este caso, en función del funcionamiento del número de equipos primarios puestos en marcha, habrá más o menos caudal de paso por el secundario, con lo que las curvas de funcionamiento de los equipos primarios se desajustan en función de cuantos de ellos se encuentren en funcionamiento. b) DESACOPLADOS HIDRÁULICAMENTE En instalaciones de mediano (por encima de 200 kW aproximadamente) o gran tamaño se usan sistemas desacolplados hidráulicamente entre el primario y el secundario. Dentro de estos sistemas se pueden dis+nguir: ‐ Sistemas desacoplados de caudal constante. Es el sistema más empleado hasta hace pocos añs, donde el primario se desacopla a través de un colector de impulsón y otro colector de retorno, conectados o no con respecto a los circuitos secundarios. Presenta la ventaja de independizar los equipos de producción del secundario, lo que implica que se puede pasar el caudal adecuado por cada equipo de producción de forma independiente al funcionamiento de los circuitos secundarios. Sistemas primarios Estos sistemas desacoplados sin embargo presentan las desventajas: • Los caudales de primario y las presiones han de ser equilibradas a través de colectores en H, agujas hidráulicas, etc.... ‐ Sistemas desacoplados de caudal variable en secundario. Es el sistema más diseñado en la actualidad. Los circuitos secundarios se diseñan en caudal variable mientras que se man+ene como fijo el caudal que circula por cada uno de los equipos de producción por medio de bombas individualizadas. Presentan la ventaja de la mejora energé+ca de los circuitos secundarios pero +enen al igual que los desacoplados de caudal constante la desventaja de tener que equilibrar el colector. ‐ Sistemas desacoplados de caudal variable en primario. Estos sistemas u+lizan bombas comunes para primario y secundarios pero considerando los equipos de producción como un elemento más del sistema y en el colector una válvula de by pass normalmente cerrada para equilibrar el circuito. Sistemas primarios Sistemas primarios 5.2 FÓRMULAS PARA EL EQUILIBRADO HIDRÁULICO COLECTOR EN H Actualmente se diseñan colectores +po H para provocar un adecuado equilibrado en contra de las an+guas “agujas hidráulicas” o el uso de válvulas de corte entre colectores de impulsión y colectores de retorno. El esquema del colector en H es el siguiente: Caso 1.Primario de caudal constante y secundario de caudal constante (CC‐CC): • Situación 1: mayor caudal de producción que de secundarios. Por ejemplo funcionan 2 enfriadoras cada una de 100 m3/h y están en marcha 3 circuitos secundarios de 50 m3/h. En este caso la oferta es mayor que la demanda, y parte de ese caudal de primario (sobrecaudal de primario) se mueve por el tramo equilibrador hasta el retorno de las enfriadoras que al mezclarse con el agua de retorno de los secundarios en marcha disminuye la temperatura de retorno a las enfriadoras y por lo tanto éstas regulan la carga (parcialización). • Situación 2: mayor caudal en secundarios que en primario. Sobre el mismo ejemplo, si hay 5 circuitos secundarios del mismo caudal funcionando, habrá un porcentaje de caudal secundario que pasa a través del tramo equilibrador hasta la aspiración de las bombas de secundario con lo que la temperatura de los circuitos secundarios aumenta y por lo tanto las enfriadoras aumentan la carga o si es necesario se podrá en marcha una nueva enfriadora. Caso 2.Primario de caudal constante y secundario de caudal variable (CC‐CV): Las temperaturas de impulsión y retorno del agua en circulación en los circuitos secundarios quedan constantes. Sistemas primarios Al disminuir la demanda disminuye la temperatura del agua de retorno a las máquinas porque se mezcla con agua de impulsión; las máquinas parcializan (la estrategia depende del +po de máquinas). Al aumentar la demanda aumenta el nivel térmico del agua de los circuitos secundarios y, por tanto, aumentará también la temperatura de entrada a las plantas enfriadoras; éstas entregarán más potencia. 5.3 PRIMARIO – SECUNDARIO DESACOPLADOS, AMBOS CON CAUDAL VARIABLE En la actualidad, se comienzan a diseñar circuitos de primario variable. Para ello, los evaporadores de las enfriadoras o de las calderas deben de disponer de un rango de variación de caudal disponible por el fabricante. LÓGICA DE CONTROL Consideramos los siguientes parámetros: T1 = temperatura de salida de las enfriadoras (por ejemplo, 7oC). T2 = temperatura de salida del colector a los circuitos secundarios. T3 = Temperatura de retorno, de los secundarios al colector. T4 = Temperatura de retorno a las enfriadoras, retorno de primario T5 = temperatura en el tubo desacoplador. x1 = fracción en tanto por uno del caudal del secundario por el tubo desacoplador Sistemas primarios Con estos parámetros, se desarrolla la lógica de control de los equipos: CAUDAL DE SECUNDARIO MAYOR QUE PRIMARIO En este caso, la temperatura de entrada a los circuitos secundarios será una mezcla de la temperatura de salida de las enfriadoras y de la temperatura del tubo odesacoplador: T2 = x1 ∙ T5 + ( 1 ‐ x1 )∙ T1 Considerando la temperatura T5 igual a la de retorno de secundarios por su mayor caudal: T5 = T3 Obtenemos, T2 = x1 ∙ T3 + ( 1 ‐ x1 )∙ T1 x1 = (T2 – T1) / (T3 ‐ T1) Es decir, que con la relación de temperaturas del secundario y de salida de primario podemos obtener la fracción de agua de retorno de secundario que circula por el tubo desacoplador. De la misma manera, se define el % de caudal primario como: Caudal en el primario % = 100 ∙ [1 ‐ (T2 – T1) / (T3 ‐ T1)] Si es > 100% significa que habrá mayor caudal de primario que de secundario; si es menor a 100 significará que el caudal secundario es mayor que el primario y si es exactamente 100% el caudal de primario y secundario se igualan. CAUDAL DE PRIMARIO MAYOR QUE SECUNDARIO De la misma manera que en el caso anterior, se define el x2 , como la fracción de caudal de fluido primario en el tubo desacoplador, ya que en este caso el caudal del primario es mayor que el del secundario. Siguiendo la misma lógica que en el caso anterior, T4= x2 ∙ T5 + ( 1 ‐ x2 )∙ T3 Considerando la temperatura T5 igual a la de impulsión de la enfriadora al ser el caudal de primario de mayor caudal: T5 = T1 Obtenemos, T4 = x2 ∙ T1 + ( 1 ‐ x2 )∙ T3 x2 = (T3 – T4) / (T3 ‐ T1) Sistemas primarios Caudal en el secundario % = 100 ∙ [1 ‐ (T3 – T4) / (T3 – T1)] A con+nuación se muestra una tabla donde se representa la estrategia de control real de un sistema de caudal variable en primario y secundario. Con este +po de control, se puede mantener las temperaturas de impulsión y retorno constantes y mejorar la eficiencia del sistema. 5.4 EQUIPOS AUXILIARES DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS En los sistemas hidráulicos habrá que tener en cuenta la presencia de los siguientes elementos: ‐ Bombas y sus elementos accesorios. ‐ Válvulas de corte: mariposa, globo, con volante desmul+plicador, con reductor,.... ‐ Válvulas de retención (disco, doble disco,....) Sistemas primarios ‐ Válvulas de equilibrado y / o control. ‐ Filtros (de malla, centrífugos,....). ‐ Termómetros, manómetros en redes de tuberías. ‐ Dilatadores y an+vibratorios. ‐ Sistemas de expansión (cerrados de membrana, de transferencia de masa,....). ‐ Sistemas de alimentación y mantenimiento de la presión (SAES). ‐ Sistemas de tratamiento de aguas (descalcificación, tratamientos químicos,....). ‐ Elementos de campo (sondas de temperatura, de presión, de humedad, presostatos, interrutores de flujo, medidores de caudal, de energía, ...) y estrategias de los sistemas de control. ‐ Otros elementos necesarios y que influyen a la hora de un correcto diseño, tales como: ‐ Bancadas de soportación de equipos. ‐ Aislamientos térmicos y acús+cos. ‐ Sistemas eléctricos y de control. Sistemas primarios ANEXO I. REFRIGERANTES ANTECEDENTES y DEFINICIONES Actualmente, los principales gases refrigerantes u+lizados en sistemas de compresión mecánica son el R407C, R410 A, R134 a todos ellos perteneciente a la gama de refrigerantes HFC. Refrigerante Rango potencias (kW) ODPr / GWPr Usos [mín‐máx] R407C [0‐50] 0 / 1700 Equipos residenciales de baja potencia, compresores scroll. R410A [50‐1000] 0 / 2100 Compresores scroll, tornillos. Enfriadoras y bombas de calor, VRF. R134a [400‐3000] 0 / 1370 Compresores tornillos y centrífugos en enfriadoras o bombas de calor de alta potencia condensadas por aire o agua E l HFC es un refrigerante que no contribuye a la destrucción de la capa de ozono, aunque sí contribuye al efecto invernadero. HFC es la abreviatura de hidrofluorocarbono y describe el contenido atómico de las moléculas. Para definir medioambientalmente un gas refrigerante se usan los siguientes conceptos: • ODPr (reducción potencial del ozono, ODP por sus siglas en inglés) es un número que indica el efecto del refrigerante sobre la capa de ozono. R12 se u+liza como índice 1.0 y se realizan comparaciones con él. (Valores normales entre 0‐0,2 kg CFC 11/kg r). • GWPr (calentamiento global potencial, GWP por sus siglas en inglés) es un valor que indica el efecto del refrigerante sobre el efecto invernadero. Se u+liza el CO2 como índice 1.0, y se realizan comparaciones con él como valor de referencia. (Valores normales entre 0‐12 kg CO2/kg r). Los valores de ODPr y GWPr para cada refrigerante se ob+enen de las tablas 3 y 4 del capítulo 29 del ASHRAE Handbook‐ Fundamentals. NORMATIVA DE APLICACIÓN A GASES REFRIGERANTES Sistemas primarios E l Protocolo de Kioto de 1997 trataba de limitar las emisiones de seis gases de efecto invernadero, entre los que se encontraban los gases fluorados, o gases F, incluyendo los flurocarburos (HFC), que suelen u+lizarse como refrigerantes. Como antes hemos indicado, los gases F no dañan la capa de ozono. Sin embargo, desempeñan un papel significa+vo en el calentamiento global del planeta. La Unión Europea, que firmó el Protocolo de Kioto, se ha comprome+do 10 años después con e l obje5vo "20‐20‐20" y ha adoptado una norma5va para reducir las emisiones de gases F, creada en 2006 y revisada en el 2014. La revisión de la norma5va F‐Gas de 2014 introduce prohibiciones para determinados equipos que emplean HFC y el establece un plan de reducción gradual de los HFC colocados en el mercado europeo: • Las prohibiciones de equipos están dirigidas a aplicaciones de refrigeración y acondicionadores de aire de muy baja capacidad (residenciales). No hay prohibiciones específicas de enfriadoras de líquido y bombas de calor de agua caliente que u+licen los refrigerantes R134a, R407C y R410A. • E l proceso de reducción gradual se hace por etapas. En ellas, la Comisión Europea reduce progresivamente las can+dades de HFC que se ponen a la venta mediante la asignación de cuotas a los productores e importadores de HFC a granel y a los importadores de HFC contenidos en equipos previamente cargados. Como consecuencia de ese proceso, se reducirá drás+camente el consumo de HFC hasta 2030. Sistemas primarios NUEVOS REFRIGERANTES Los refrigerantes deben de ser evaluados por diferentes criterios: • ODPr • GWPr • Toxicidad • Inflamabilidad • Prestaciones • Impacto tecnológico y de aplicación. Por lo anterior, y con el obje+vo fundamental de disminuir el potencial de los gases de efecto invernadero arrastrado por la norma+va vigente, se emplean nuevos refrigerantes como los HFO‐R1234ze. Adicionalmente, se está volviendo al empleo de “gases limpios” como el CO 2 y el amoniaco (NH3). CÓMO MEDIR LA SOSTENIBILIDAD AMBIENTAL DEL USO DE REFRIGERANTES Una de las posibles formas de medir la influencia del uso de los gases refrigerantes en la sostenibilidad de un edificio o instalación es mediante el crédito en la cer+ficación LEEDv4 , denominado Refrigerant management LEED credit. Recordemos, como en la siguiente imagen, que el efecto medioambiental de una enfriadora medido como huella de carbono equivalente está altamente condicionado por el uso de refrigerantes, no sólo por el consumo de energía primaria o el uso de aceites, etc. Sistemas primarios Los requerimientos para la obtención del crédito son los siguientes: 1. Nuevos edificios: Uso cero de refrigerantes basados en clorofluorocarbonos (CFC) para sistemas de calefacción, ven+lación, aire acondicionado y refrigeración (HVAC & R). 2. Edificios existentes: Proceso de eliminación integral de CFC previo a la finalización del proyecto, a menos que una auditoría de terceros (como se define en la Guía de Referencia LEED para la Construcción Verde de Operaciones y Mantenimiento) muestre que el reemplazamiento o cambio no es económicamente viable. Pequeños equipos de clima+zación existentes (con menos de 228 g de refrigerante) no son considerados parte del sistema base y no están sujetos a estos requerimientos. Existen dos opciones para obtener el punto de este crédito: 1. No usar refrigerantes 2. Seleccionar refrigerantes y equipos de calefacción, ven+lación, refrigeración y aire acondicionado que minimicen o eliminen la emisión de compuestos que contribuyan al deterioro de la capa de Ozono y al cambio climá+co. Los equipos elegidos deben cumplir con la siguiente fórmula, que establece un límite máximo para la contribución de los equipos a estos efectos: 5 LCGWP + LCODP ×10 ≤13 Donde, LCGWP = [ GWPr ×( Lr × Life + Mr )× Rc ] Life LCODP = y [ ODPr ×( Lr × Life + Mr )× Rc ] Life Siendo: • LCGWP: Potencial directo de calentamiento global en ciclo de vida (kg CO2/ (kW/año)). • LCODP: Potencial directo de deterioro de capa de Ozono (kg CFC 11/(kW/año)). Sistemas primarios • GWPr: Potencial de calentamiento global del refrigerante (0‐12 kg CO2/kg r) • ODPr: Potencial de deterioro de la capa de Ozono del refrigerante (0‐0,2 kg CFC 11/kgr). • Lr: Porcentaje de pérdidas de refrigerante (0,5‐2,0%. 2% por defecto). • Mr: Pérdida de refrigerante al final de su vida ú+l (2%‐10%. 10% por defecto) • Rc: Carga de refrigerante (0,065‐0,65 kg de refrigerante por kW según cer+ficación AHRI o capacidad frigorífica cer+ficada por Eurovent) • Life: Vida del equipo (10 años por defecto). Para múl5ples 5pos de equipos, se debe usar la siguiente fórmula: [ ∑ ( LCGWP + LCODP ×10 ) xQunit ] ≤13 Qtotal 5 Siendo: • Qunit: Capacidad frigorífica cer+ficada por Eurovent de un equipo individual de calefacción, ven+lación, refrigeración y aire acondicionado (kW). • Qtotal: Capacidad frigorífica total cer+ficada por Eurovent de todos los equipos de calefacción, ven+lación, refrigeración y aire acondicionado (kW). Sistemas primarios