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Bases para la Aplicación de Medidas de Eficiencia Energética Ahorro en Aires Acondicionados
Dirección de Eficiencia Energética
Abril - 24
2015 Guatemala
Introducción
Los sistemas de climatización y equipos de
aire acondicionado representan los mayores
porcentajes de consumo en los edificios de
climas como el nuestro.
Es importante por lo tanto aprender a
gestionar correctamente su utilización de
una forma eficiente.
Ahorro en Aires Acondicionados
Introducción
Se estudiará: − Principios básicos sobre aire
acondicionado.
− Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados y equipos de climatización.
− Medidas de conservación de la energía en Sistemas de Climatización.
− Evaluación de la eficiencia energética en Sistemas de Climatización.
− Optimización del desempeño energético en equipo de climatización.
− Evaluación económica en la aplicación de mejoras para equipos de Aire Acondicionado.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Calor:
El calor es la energía térmica
total de los cuerpos, y es
proporcional al movimiento
de las moléculas.
Se mide en unidades de
energía: Joules, kWh, o BTU.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Transferencia de Calor:
El calor puede ser
transmitido por:
Convección.
Conducción.
Radiación.
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“De forma natural el calor se transmite de una zona de
mayor temperatura una de menor temperatura”
Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Temperatura:
Es una medición
indirecto del nivel de
calor contenido en
un cuerpo.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Refrigeración:
El término “refrigeración”
se usa para incluir tanto el
proceso de climatización
y confort, así como los
procesos de preservación
de alimentos.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Refrigeración:
“La refrigeración es el proceso de remoción de
calor, desde un lugar donde no es requerido, el
cual es transferido de forma artificial hacia otro
donde causa poca o ninguna diferencia en la
temperatura circundante”.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Refrigeración:
“La refrigeración es el proceso de remoción de calor, desde un lugar donde no es requerido, el cual es transferido de forma artificial hacia otro donde causa poca o ninguna diferencia en la temperatura circundante”.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
¿Como se define la capacidad de enfriamiento de un equipo de Refrigeración?:
Los equipos de refrigeración deben contar con una forma estándar para determinar su capacidad de enfriamiento.
Tonelada de refrigeración, es el término que se usa para medir dicha capacidad.
Es definida como: “La cantidad de calor que se requiere para descongelar una tonelada de hielo en un período de 24 horas”.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Se requiere:
144 BTU para descongelar
una libra de hielo.
1 Ton = 2000 lbs.
144 x 2000 = 280,800 BTU
Si se consume esa energía
en 24 horas, se dice que el
equipo ha consumido a
una taza de:
280,800 / 24 = 12,000 BTU/h
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El proceso de refrigeración:
El equipo de refrigeración tiene que extraer el calor ingresado en el área fría (2°C) y bombearlo hasta la temperatura exterior (34°C).
Componente de refrigeración.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El proceso de refrigeración:
El proceso de bombeo
de calor hacia afuera
del refrigerador puede
ser comparado con el
del bombeo de agua
desde un valle hasta la
cúspide de una
montaña.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:
En el caso de un aire
acondicionado, el
sistema responde de
igual manera que un
refrigerador.
El calor que entra en la
habitación es el que
tiene que tiene que ser
removido
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:
Ahorro en Aires Acondicionados
Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:
1. La temperatura de aire exterior es de 35°C.
2. La temperatura de aire interior es de 24°C.
3. La temperatura del serpentín interior es de 4°C. Este serpentín transfiere el calor de la habitación al sistema de refrigeración. Hay que notar que con una temperatura de habitación de 24°C y la temperatura de 4°C del serpentín se produce una transferencia de calor del aire interior al serpentín interior.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Análisis de un equipo de refrigeración de ventana:
4. Esta transferencia de calor hace que el aire de descarga (saliendo a la unidad) sea de aproximadamente 12°C.
5. La temperatura del serpentín exterior es de 52°C. Este serpentín transfiere el calor del sistema hacia el aire exterior. Notar que cuando la temperatura del aire exterior es de 35°C y la del serpentín exterior es de 52°C el calor se transfiere del serpentín hacia el aire exterior.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Componentes de los equipos de Aire Acondicionado:
1. El Evaporador
2. El Compresor.
3. El Condensador
4. Válvula de Expansión.
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El Evaporador.
El evaporador en sistemas de refrigeración es el responsable de absorber calor del medio que se desea enfriar.
Este proceso de absorción de calor es llevado a cabo manteniendo las bobinas del evaporador a una temperatura mas baja que la temperatura del medio que se desea enfriar.
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El Evaporador.
El gas refrigerante
circula por las bobinas
del evaporador a la temperatura de
ebullición, de esta
forma absorbe calor
latente del aire circundante.
En un sistema de aire
acondicionado, por ejemplo, sus bobinas operan a 4.4 °C y el
aire que pasa a través de estas
sale a unos 12 °C.
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El Evaporador.
Existen diferentes formas
y tipos de evaporadores
pero su funcionamiento es el mismo, absorber el
calor del medio a enfriar
y trasmitirlo al gas,
llevándolo a su evaporación al
aumentar la
temperatura.
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El Condensador.
El condensador es el dispositivo intercambiador de calor que transfiere el calor contenido en el gas hacia el medio en donde no causa un impacto apreciable en la temperatura.
El condensador opera a mayores presiones y temperaturas que el evaporador.
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El Condensador.
El condensador consiste de una batería de bobinas de cobre o aluminio por la que circula el refrigerante en estado gaseoso y a media que avanza por el condensador (y cede calor al medio) se condensa y su temperatura baja.
Al final del
recorrido, el
refrigerante se
condensa
completamente.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El Compresor.
Es considerado el corazón de un sistema de refrigeración, sus dos grandes funciones son:
1. Hacer circular el refrigerante por todo el circuito de tuberías.
2. Comprimir el gas para multiplicar su temperatura y de esta manera expulsarlo al medio ambiente.
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El Compresor.
Existen 5 tipos principales de compresores:
‐ Reciprocante
‐ De tornillo ‐ Rotativo
‐ Scroll
‐ Centrifugo
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El Compresor: Reciprocante.
Consiste de un compresor de pistones que
comprimen el gas como en un motor de combustión.
Son los de menor eficiencia y costo y están
disponibles en potencias hasta de 50 hp.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El Compresor: Rotativo.
Es un tipo de compresor en el cual el rotor
gira en el interior de un estator cilíndrico.
Durante la rotación, la fuerza centrífuga
extrae las paletas de las ranuras para
formar células individuales de compresión.
La rotación reduce el volumen de la
célula y aumenta la presión del aire. El
calor que genera la compresión se
controla mediante la inyección de aceite
a presión.
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El Compresor: Scroll.
Consiste en un compresor con dos
paletas en forma de espiral encajadas
perfectamente, de esta manera se
logra reducir el ruido y alcanza grandes
eficiencias.
Actualmente es el mas utilizado en
equipos modernos con tecnología
inverter que alcanzan grandes
eficiencias (arriba de SEER 21).
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El Compresor: De tornillo.
Usa un par de tornillos helicoidales que
comprimen el gas entre ellos, son muy
eficientes y alcanzan grandes presiones
con poco gas.
Son mayormente utilizados en la industria para enfriamiento a gran
escala, requieren poco mantenimiento,
en su contra tienen una menor vida útil
con respecto a otros tipos de compresores.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
El Compresor: Centrifugo.
El compresor centrífugo se fundamenta esencialmente en una o varias ruedas impulsoras, montadas sobre una flecha (eje) de acero y encerradas en una cubierta de hierro fundido. El número de impulsores (turbinas) que se puede ensamblar depende principalmente de la magnitud de la presión que queremos desarrollar durante el proceso de compresión.
Las ruedas impulsoras rotativas son esencialmente las únicas partes móviles del compresor centrífugo y por tanto la fuente de toda la energía impartida al vapor durante el proceso de compresión.
La fuerza centrífuga aplicada al vapor confinado entre los álabes del impulsor y que gira con los mismos, origina la autocompresión del vapor en forma similar a la que se presenta con la fuerza de gravedad, que hace que las capas superiores de una columna de gas compriman a las inferiores.
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
La Válvula de Expansión
Es uno de los componentes más
importantes para llevar a cabo el
proceso de enfriamiento.
Se función es “atomizar” el liquido
refrigerante a la entrada del evaporador, el liquido pasa de
alta presión a un estado de baja
presión y en finas gotas
suspendidas. el gas en este estado es proclive a absorber
gran cantidad de calor y lograr
evaporarse.
Ahorro en Aires Acondicionados
Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Al igual que la eficiencia energética de un motor eléctrico, un equipo de aire acondicionado cuenta con su propio indicador de eficiencia energética estandarizado.
Indicador de Eficiencia Energética:
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Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Indicador de Eficiencia Energética:
EER
Energy Efficiency Ratio.
Es la razón entre la energía o capacidad de enfriamiento y la energía eléctrica requerida para desarrollar esa potencia en un instante cualquiera.
Ahorro en Aires Acondicionados
requerida para desarrollar esa
potencia en un instante cualquiera.
Es un parámetro estandarizado que se calcula generalmente
en laboratorio y bajo condiciones de 35°C en el exterior y 26°C
en el ambiente interior con un 50% de humedad relativa. Mide
la eficiencia de ese equipo respecto al momento de
operación.
𝐸𝐸𝑅 =𝑄
𝑊=
𝐵𝑇𝑈/ℎ
𝑊
Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Ahorro en Aires Acondicionados
Principios Básicos sobre Aire Acondicionado
Si bien es cierto las condiciones operativas reales son
diferentes a las condiciones de laboratorio o condiciones de
operación estándar, el EER es un indicador que nos permite
tener un panorama comparativo de eficiencia entre equipos.
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Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados
Existen 4 tipos de equipos de sistemas de aire
acondicionado de uso
domestico y comercial, estos
se utilizan dependiendo de
varios factores, principalmente
del volumen de aire que se
desea mover y también de
algunos criterios de calidad de
aire.
Los tipos mas comunes son:
‐ Equipos de ventana o
paquetes
‐ Mini-split
‐ Centrales
‐ Chillers
Tipos de Equipos de A.A.
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Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados
Equipos de Ventana o Paquete
Son sistemas auto-contenidos que
encierran en un solo paquete la
unidad condensadora,
evaporadora, compresor y
válvulas.
Son de fácil instalación y se
utilizan en aplicaciones
domesticas desde 6,000 BTU/h
hasta equipos de 60,000 BTU/h en aplicaciones comerciales.
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Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados
Equipos mini-split
El Aire Acondicionado tipo «Split»
es aquel que tiene separadas la
unidad condensadora y la
evaporadora, conectadas por las
tuberías de gas refrigerante.
Ampliamente usados en
comercio, oficinas, salones de
clases y el hogar.
Sus tamaños varían desde 9,000
btu/h hasta 60,000 btu/h.
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Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados
Equipos Centrales
Los equipos centrales a diferencia de los split, conducen el aire enfriado a traves de un sistema de ducterías de aire frio.
Las ducterías de aire son instaladas en los entrecielos de los edificios, descargando aire por un lado y succionando por otro a fin de recircular y reenfriar el volumen total de aire.
Sus capacidades varían entre 5 y 20 toneladas.
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Tipos de tecnologías en Aires Acondicionados
Equipos tipo Chillers
Son equipos que enfrían
agua para enviarla
mediante bombas de
circulación hacia
unidades manejadoras
que hacen circular el aire
a través de bobinas en
donde circula el agua
fría, de esta manera se
logra el enfriamiento de
grandes espacios como
hospitales, edificios,
centros comerciales, etc.
Ahorro en Aires Acondicionados
Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Nuevamente, es necesario la aplicación de un proceso
sistemático y ordenado para encontrar las mejores
oportunidades de ahorro en los sistemas de aire
acondicionado.
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
CALCULO DE ENERGIA
Previo a la etapa de implementación de medidas
de conservación de la energía en equipos de
climatización es importante aprender a cuantificar
la cantidad de energía que estos equipos
consumen.
− Factor de carga.
− Factor de utilización.
− EER.
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Factor de Carga: es el cociente entre la energía
real consumida durante el período de operación y
la energía teórica de plena carga durante el
mismo período.
Factor de utilización: es el porcentaje de horas
reales de utilización versus las horas teóricas de
utilización de los equipos.
EER: es el índice de eficiencia energética para
aires acondicionados.
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Considerando los términos anteriores es posible
sustituir:
𝑬 = 𝑷 𝒙 𝒕
Por la siguiente:
𝑬 = 𝑸
𝑬𝑬𝑹(𝒕) (𝑭𝑪)(𝑭𝑼)
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Ejemplo Práctico:
Calcular la energía mensual de un equipo de aire acondicionado de 12,000 BTU/h de eficiencia estándar (10 EER) el cual se le ha estimado un factor de carga del 0.75% y un factor de utilización de 0.85%.
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Las medidas de conservación de la energía pueden evaluarse en:
− Instalación Adecuada.
− Mantenimiento.
− Uso Adecuado.
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(Uso Adecuado)
APAGADO UNA HORA
Ejercicio:
Evaluar el ahorro en consumo de energía por
apagar un aire acondicionado de 5 ton media hora antes de retirase del trabajo.
Considerar un SEER = 10.5
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Tiene que ver con la temperatura de consigna y con el confort.
http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool
Confort
“Aquella condición
mental que expresa
satisfacción con relación
al ambiente térmico”.
(Uso Adecuado)
Regulación de
Termostato
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(Instalación)
UBICACIÓN DE CONDENSADORA
La ubicación del equipo condensador
debe ser óptima para
mejorar el rendimiento del equipo.
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(Mantenimiento)
LIMPIEZA DE SERPENTINES
Se recomienda
la limpieza
periódica de las unidades
evaporadoras y
condensadoras para evitar mala
transferencia de
calor.
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(Mantenimiento)
LIMPIEZA DE SERPENTINES
Se recomienda
la limpieza
periódica de las unidades
evaporadoras y
condensadoras para evitar mala
transferencia de
calor.
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DIMENSIONAMIENTO.
El dimensionamiento permite la
correcta instalación de
capacidades para evitar las
pérdidas inherentes a potencia
instalada subestimada o
potencia constante sin
enfriamiento.
Pueden existir múltiples vías:
- Balance energético.
- Uso de Tablas.
- Uso de Software.
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DIMENSIONAMIENTO
(Balance Térmico)
Consiste en analizar las
potencias máximas de
transferencia de calor de
los equipos, personas y
condiciones ambientales,
con el fín de determinar la
capacidad que minimice el
consumo de la energía.
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DIMENSIONAMIENTO
(Uso de Tablas)
Una opción más práctica (pero menos precisa), que
debe de servirnos únicamente para una idea inicial de
la capacidad de los equipos.
El resto deberá de calcularse con la profesionalidad
adecuada.
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DIMENSIONAMIENTO
(Uso de Software)
Método más sofisticado, que
consiste en realizar la simulación
del desempeño energético
eléctrico y termodinámico del
edificio durante un año típico.
Se requiere el uso de software
especializado pero de fácil
acceso.
Los resultados tienen un alto
grado de confiabilidad
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METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.
Basado en la metodología IDAE
española, la cual hace referencia en
la aplicación de las ecuaciones
fundamentales de la física y
termodinámica.
Consiste en la determinación del EER
(Energy Efficiency Ratio) del equipo de
aire acondicionado.
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METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.
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𝐸𝐸𝑅 =𝑄
𝑊
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.
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METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.
PASOS:
1. Cálculo del Salto Entálpido de la Evaporadora.
2. Cálculo del Flujo Másico.
3. Cálculo de la Energía Térmica Retirada.
4. Medición de la Potencia Eléctrica.
5. Evaluación del EER
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Paso I: Cálculo del Salto Entálpico de la Evaporadora
∆𝒉 = 𝒉𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝒉𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂
Ahorro en Aires Acondicionados
Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
http://www.sugartech.co.za/psychro/
Paso I: Cálculo del Salto Entálpico de la Evaporadora
Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio
Temperatura [°C] 24.5 24.8 24.7 24.67
Humedad [%] 44.30% 45.80% 47.70% 45.93%
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Paso II: Cálculo del Flujo Másico
Donde:
P = densidad
V = velocidad S = área
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Paso III: Cálculo de la Energía Térmica Retirada
𝑸 = 𝒎 ∆𝒉 Donde:
m = Flujo másico
∆h = Salto Entálpico
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Técnicas de Eficiencia Energética para Aire Acondicionado
Paso IV: Medición de la Potencia Eléctrica
Tramo Potencia [W]
1 4100
2 4100
3 4100
4 4200
5 4100
6 4100
7 3900
8 4000
9 4000
10 4000
Promedio 4060
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Paso IV: Evaluación del EER
𝐸𝐸𝑅 = 𝑄
𝑊
Este indicador es estacional ya que depende de las
condiciones ambientales variantes a lo largo del año.
Para evitar errores en nuestras estimaciones podemos
usar el indicador SEER.
Factor de conversión EER = 0.875 SEER.
Ahorro en Aires Acondicionados
Evaluación Económica de Medidas de EE para AA
Ejercicio Práctico:
Que impacto tendrá el cambio
de 10 equipos de 5 Ton c/u en un
área de una oficina que
actualmente posee equipos
viejos con eficiencia EER = 7.5 por
modernos equipos tipo INVERTER
con una eficiencia de SEER = 13.
Considerar un FC variable
durante el año y un precio de
equipo de $1,000 por tonelada.
Ahorro en Aires Acondicionados
Lecciones Aprendidas en Iluminación
Incluir en los términos de referencia de compras, la definición de
los criterios de eficiencia energética para aires acondicionados
(EER o SEER).
Estudiar el mercado para no requerir productos que no están
disponibles y que pueden suponer retrasos en la implementación.
El mantenimiento debe de estar incluido en los costos de
adquisición.
Capacitar técnicamente al personal de mantenimiento.
Lecciones:
Ahorro en Aires Acondicionados
Roberto Saravia
Especialista en Eficiencia Energética
CONSEJO NACIONAL DE ENERGÍA [email protected]
Tel: +503-22337932