Como Mejorar la Eficiencia Energética en Equipos de A/A - Unidades de PaqueteJose CarrenoBME – MMIS - MBA
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Antecedentes
• Las unidades piso-techo o de paquete auto-contenidos conforman el 50% de
todos los espacios en EEUU.
• Los edificios y ambientes evaluados cubren cinco tipos de aplicaciones: Centros
comerciales, Oficinas, Escuelas, Ventas de alimentos y Atención médica.
Estos edificios se localizan en cuatro zonas climáticas:• Clima cálido y costero (3B) • Clima mixto y húmedo (4A) • Clima mixto y marino (4C) • Clima fresco y húmedo (5A)
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Cualquiera sea el tipo de sistema de refrigeración, es fundamental minimizar las incidencias
de calor e impactos ambientales que puedan afectar al sistema a traves de las estructuras
del edificio.
Objetivo: optimizar para evitar efectos colaterales:
• Aislar los ambientes (R-values, heat reflective/low-e glass)
• Aislar los componentes de baja temperatura
• Controlar efectos de infiltración y exfiltración de aire (e.g. apertura de puertas, ventanas).
• Control de fugas de aire y refrigerante.
• Control de humedad (%RH): Part-load requirements of IAQ Standard 62.1-2013 (< 65%rh)
• Diseño / Distribución / Balanceo de Aire (Testing & Balance).
Optimización Ciclo de Refrigeración
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Optimización Ciclo de Refrigeración:
• Reducir el consumo de energia de los componentes (e.g. ventiladores/motores).
• La reducción (TC – Te) se logra maximizando el redimiento de transferencia de calor en
serpentines: aumento área de serpentínes, materiales, geometría, configuración,
conjugación de factores de sincronizacion: ventiladores-motores.
• Minimizando las caidas de presión en las lineas de succión y descarga del sistema.
• Considerar controles inteligentes (Smart Controls) para maximizar la eficiencia del ciclo.
• IoT: Intregración inteligente a nuevas tecnologías (Internet, BMS: Modbus, BACnet).
Refrigerantes
No existe un refrigerante ideal. Su selección es un compromiso de muchos factores:
• De fácil fabricación.
• Factores:
Costos
Toxicidad
Flamabilidad
Impacto ambiental
Corrosividad
Propiedades termodinámicas.
• Todos redundan en eficiencia energética a favor del ciclo.
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Refrigerantes
• Característica clave: relación P-T:
Buenas propiedades de transporte y transferencia de calor: reducen costos de
funcionamiento, permiten que se utilicen diferencias de temperatura más pequeñas en
evaporadores y condensadores.
• En general:
Refrigerantes de bajo peso molecular y baja viscosidad tendrán las mejores propiedades.
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Refrigerantes
R-410A:• De mayor uso en todo el mundo
Beneficios:• Altas capacidades de enfriamiento, presiones y temperaturas• A 77°F, su densidad es 50% mayor que el R-22 y su presion de vapor es 58% mayor.• Bajos niveles de toxicidad• Reconocido por Underwriters’ Laboratory como virtualmente no inflamable• Se ha demostrado que el R-410A incrementa en un 5 a 6% el Energy Efficiency Rating (EER)
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Optimización Ciclo de RefrigeraciónCalidad de Aire: Factores - Puntos de Control
CondicionesAire Exterior
TDBTWB%RH
TDBTWB%RH
Aire de Extracción (Renovación y Calidad de Aire)
Damper (Renovación y Calidad de Aire)
Ventilador de Extracción
Damper (Calidad de Aire)
Filtros (MERV 15 Eficiencia)
Serpentines
Ventilador Suministro
CondicionesAire Suministro
CondicionesAire Retorno
Temperatura del Espacio(Puntos de Control asociados a BMS)
Consumo de Potencia (KW)
Compresores
• Los compresores perderán eficiencia si las temperaturas de descarga y succión
son mayores de lo necesario.
• También perderán eficiencia si hay gotas de líquido refrigerante en la línea de
succión o si el vapor de succión se vuelve demasiado caliente.
• El mantenimiento de compresores y la preservación de la calidad del lubricante
son importantes para retener la eficiencia energética.
• Tecnología Inverter (Hz variable) y sistemas de control mejorados minimizan la
penalización energética (mayor costos iniciales de inversión).
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Controles Inteligentes ?????
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Compresores
Generic Single & Two Stage Operation
• Reduces Energy• Better Space Comfort
Modulación • Mantiene la temperatura deseada• Ahorro de energia • Control de humedad
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Compresores
Inverter Technology
Controles Inteligentes ?????
Evaluar la mejor opcion:
• Velocidad fija/variable
• Simple o multiples etapas
• Configuraciones tándem
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Compresores
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Configuracion
Dos a mas compresores en un mismo circuito de refrigeración:
• Mueve mas carga de regrigerante al mismo tiempo.
• Intercambian operatividad como un solo.
• Que incluyan: switches de presion (low-high pressure switches),
transductores/sensores, resistencias de calentamiento.
• Es recomendable que los valores de presion del sistema se
monitoreen y almacenen en la data de los controladores.
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Compresores tandem
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EJEMPLO PAQUETE 1 COMPRESOR
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EJEMPLO PAQUETE 2 COMPRESORES
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EJEMPLO PAQUETE 3 COMPRESORES TANDEM
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EJEMPLO PAQUETE 4 COMPRESORES TANDEM
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Controles Inteligentes ?????
Consideraciones para incrementar eficiencia
•Máxima eficiencia en todo el diagrama de trabajo y a cualquier régimen de
velocidad.
•Gestión de velocidad controlada en el sistema (HZ, rpm).
•100% Interconectividad: Comunicación/monitoreo de parámetros en tiempo
real (Modbus - Lonkwork- BACnet).
•Amplio régimen de velocidades, e.g.: 30 -117 Hz (inverter)
•Variador VFD y compresor mutuamente sincronizados/optimizados
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Compresores
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Compresores: Velocidad Fija o Inverter?
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Condensadores
• Los condensadores refrigerados por aire son el método empleado.
• Economicos, simples, requieren poco mantenimiento.
• Importante mantener condensador limpio y libre de incrustaciones, polvo.
• Manipular suficiente cantidad de aire fresco, protegidos contra cualquier
posibilidad de recirculación.
• Tratamientos anticorrosivos en ambientes salinos.
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Dispositivos de Expansión• Muchos dispositivos de expansión requieren una diferencia de presión significativa
para permitir un funcionamiento adecuado y eficiente.
• Por lo tanto, la presión de condensación se mantiene a niveles artificialmente altos,
incluso a bajas temperaturas ambiente.
• El mayor responsable a este respecto es la válvula de expansión termostática (TXV)
convencional que a menudo se selecciona debido a su muy bajo costo.
• El dispositivo de expansion empleado con R410A es 15% mas pequeno en
capacidad en comparacion con el R-22.
• Otra opcion: Válvulas de expansión controladas electrónicamente (EXV).
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Evaporadores
• Además del tamaño del evaporador, aspectos tales como:
• Distribución de refrigerante
• Circuitos
• Uso de superficies mejoradas
• Velocidades de aire las cuales pueden afectar
significativamente la eficiencia energética.
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Ventiladores
• Los códigos de construcción requieren que cuando un edificio está ocupado, el
ventilador de suministro debe funcionar continuamente para satisfacer las
necesidades de ventilación.
• Una parte significativa de las RTU en el campo tiene ventiladores de suministro de
velocidad constante.
• Debido a que el ventilador de suministro funciona continuamente durante los
períodos ocupados, el consumo de energía del ventilador puede ser mayor que el
consumo de energía del compresor.
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Ventiladores
• El ahorro de energía se puede lograr modulando la velocidad del ventilador de
suministro de aire.
• Cuando la RTU está en el modo de ventilación, el ventilador de suministro
puede funcionar a una velocidad más baja y todavía proporcionar suficiente
aire fresco al espacio que sirve (inercia termica en serpentin).
• ASHRAE Standard 90.1-2010 permite este tipo de control de flujo de aire del
ventilador con un sistema de volumen de aire variable.
• La modulación del ventilador de suministro (DCV) es la opcion. No sólo
reducirá los consumos de energía (calefacción y refrigeración), sino que
también reducirá la energía del ventilador de suministro.
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Ventiladores• El ahorro total (ventilador y motor) depende de muchos factores:
estrategias avanzadas de control, ajustes automaticos de los
controladores, termostatos, sensores; perfiles de carga térmica
adecuados.
Cuando los paquetes se equipan con estrategias de control avanzadas:
• Ahorros de energía significativos entre 24% y 35%.
• Ahorros de costos entre 28% y 67% del consumo de energía de los
ventiladores.
• Recomendable: tecnología ECM vs PSC (Permanent Split Capacitor)
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Ventiladores
Considerar tipo de acoples: directo / correa
Ejemplo configuración eficiente:
• Motor ECM (brushless)
• Diferentes voltajes y frecuencias
• Señales PWM (pulsos con modulacion)
• Control de Ruido/Vibración
• Diferentes ajustes de flujo de aire = Ajuste automático
de las velocidades de funcionamiento
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Controles Inteligentes ?????
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Ventiladores
Control de Velocidad del Ventilador
Generalmente, una unidad de paquete que sirve una sola zona tiene tres opciones de
control:
• Control de Velocidad Constante (basica):
El motor trabaja a la velocidad de diseno mientras haya ocupacion o demanda termica.
• Control de multi-velocidad:
El motor trabaja a diferentes posiciones de velocidad dependiendo de la demanda y del
modo de operacion de la unidad. Esto es baja velocidad (no hay demanda o modo
ventilacion), o con una unidad multi-etapa la velocidad cambia de manera discrecional segun
las diferetes etapas de enfriamiento o calefaccion, requerimientos de humidificacion, etc.
Controles Inteligentes ?????
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Ventiladores
• Control de velocidad variable:
La velocidad del motor modula en proporcion a la diferencia de
temperatura real y pre-fijada (set point). La demanda es ajustada a traves
de esta modulacion de capacidad con el fin de satisfacer la demanda de
temperatura del aire de suministro (VFD).
Conclusiones
• Mejorar la eficiencia energética de los sistemas de paquete no es difícil y debe
fomentarse para evitar danos ambientales.
• Implica un equilibrio entre los costos iniciales y los costos operativos continuos.
• Hay muchas situaciones en las que la economía motiva al proveedor del equipo a
proporcionar la solución más barata.
• Un sistema de refrigeración con componentes bien diseñados no funcionará
eficientemente a menos que los componentes estén correctamente seleccionados,
ajustados y controlados.
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• Revision permanente de normas/regulaciones para la eficiencia energética de todos
los tipos de sistemas de refrigeración.
• Los gobiernos deben legislar para asegurar que los proveedores sean penalizados
por proveer sistemas que no alcancen estándares aceptables de eficiencia.
• Es razonable suponer que el consumo de energía de los sistemas de refrigeración
podría reducirse en al menos un 20% a corto plazo.
• Meta para el 2020: reducción del 30-50% - dependiendo de las aplicaciones.
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Recomendaciones
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• Las unidades de paquete de alta eficiencia (RTU) tienen la opcion de
retorno de inversion muy rápida, en períodos que son a menudo de
dos años.
• Se recomienda sustitución de unidades por modelos de alta
eficiencia que pueden ahorrar dinero durante los periodos de
demanda máxima (frio/calor).
• Sustitución de equipos deteriorados reduce dramaticamente los
riesgos de falla.
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Recomendaciones
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• Cambiar la unidad de controles de compresor de una etapa a dos etapas
puede producir un ahorro de aproximadamente 9% en climas cálidos,
principalmente por una reducción en el consumo de energía de enfriamiento.
• Uso de unidades de paquete con controles y microprocesador instalados de
fábrica para reducir el consumo de energía del sistema.
• Interfaz de comunicación para conexión a un sistema de gestión de energía o
un sistema de ventilación controlado por demanda.
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Recomendaciones
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• Elegir unidades con capacidades de volumen de aire variable (VAV):
• Acondicionar espacios con diferentes cargas de enfriamiento
• Adaptar los flujos de aire con las diferentes cargas en diferentes espacios.
Consecuencias:
• El control de ventilador de varias velocidades y DCV son las dos estrategias de control
que dominan el impacto en el ahorro de energía HVAC.
• Flujos de aire optimos.
• Se mejora la comodidad de los ocupantes.
• Se reduce el consumo de energía del motor del ventilador y compresor.
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Recomendaciones
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INCREMENTAR LA EFICIENCIA IMPLICA UN GRUPO DE FACTORES:
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Recomendaciones
Comunicación y control
inteligentes entre todos
componentes del sistema
Tecnologia InverterCombinaciones
ECM Ventiladores
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• Hardware• Software (algoritmos avanzados)• Protocolos de Comunicación• Usabilidad• Diseños Intuitivos
IoT
• Modbus• BACnet
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Recomendaciones
Controles Inteligentes ?????
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Valores de eficiencia recomendados en unidades de paquete. Incluyen calificacion ENERGY STAR® para garantizar el control de gastos de energía con bajo costo total de propiedad y altos estandares de IAQ
SEER: Eficiencia Energetica Estacional basada en cargas residenciales representativas. Sólo se aplica a los paquetes con capacidades de refrigeración inferiores a 65.000 Btu / hora (5.4 toneladas).EER: Eficiencia en un solo punto de calificación.
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Recomendaciones
Controles Inteligentes ?????
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Recomendaciones
Controles Inteligentes ?????
Como Mejorar la Eficiencia Energética en Equipos de A/A - Unidades de Paquete38
Recomendaciones
Ahorro de costos de energía a partir del uso del paquete de control de mayor eficiencia energética considerando economizador, control de ventilador de suministro de varias velocidades, control de velocidad de compresor-motor y control de velocidad en dos etapas.
Controles Inteligentes ?????
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Recomendaciones
Ahorro de costos de energía a partir del uso del paquete de control de mayor eficiencia energética considerando economizador, control de ventilador de suministro de varias velocidades, control de velocidad de compresor-motor y control de velocidad etapa simple