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Como Mejorar la Eficiencia Energética en Equipos de A/A - Unidades de PaqueteJose CarrenoBME – MMIS - MBA

Como Mejorar la Eficiencia Energética en Equipos de A/A - Unidades de Paquete1

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)


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


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.


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.


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).


Controles Inteligentes ?????


Compresores

Generic Single & Two Stage Operation

• Reduces Energy• Better Space Comfort

Modulación • Mantiene la temperatura deseada• Ahorro de energia • Control de humedad


Compresores

Inverter Technology


Evaluar la mejor opcion:

• Velocidad fija/variable

• Simple o multiples etapas

• Configuraciones tándem

Como Mejorar la Eficiencia Energética en Equipos de A/A - Unidades de Paquete

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.


Compresores tandem

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EJEMPLO PAQUETE 1 COMPRESOR

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EJEMPLO PAQUETE 2 COMPRESORES


EJEMPLO PAQUETE 3 COMPRESORES TANDEM

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EJEMPLO PAQUETE 4 COMPRESORES TANDEM

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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


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.


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).


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.


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.


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.


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)


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




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.



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.


• 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.


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.


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.


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.


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


• Hardware• Software (algoritmos avanzados)• Protocolos de Comunicación• Usabilidad• Diseños Intuitivos

IoT

• Modbus• BACnet

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Recomendaciones



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



Recomendaciones



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.



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


Gracias por su asistencia!

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