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PROCEDIMIENTO PARA EVALUAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LOS
SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN Y REFRIGERACIÓN DE EXPANSIÓN
DIRECTA (DX) CON CONDENSADORES DE AIRE Y EVAPORATIVOS
Autor: Dr. José A. Díaz H.
Coautor: Ing. Juan J. Tineo G.
Unidad de Eficiencia Energética y Energías Renovables
Lider: Ing. José G. de Sousa
Caracas 03 de enero de 2011
Tabla de Contenido
1. Sistemas de expansión directa (DX) con condensación por aire y evaporativos .................................. 6
2. Refrigerantes ......................................................................................................................................... 7
3. Coeficientes de comportamiento o rendimiento ................................................................................. 7
3.1 SEER-Razón de eficiencia energética estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio) .................... 8
3.2 IPLV – Valor a carga parcial integrada (Integrated Part Load Value) .......................................... 10
4. Evaluación de la eficiencia energética de equipos y sistemas de refrigeración y climatización
durante su funcionamiento en condiciones reales de explotación ............................................................ 11
a) Determinación de la velocidad promedio ( ) de entrada del aire del local hacia el equipo
acondicionador ................................................................................................................................... 12
b) Masa de aire que atraviesa el evaporador ................................................................................. 12
c) Temperaturas de bulbo seco (BS) y bulbo húmedo (BH) del aire a la entrada y salida del
evaporador del equipo ........................................................................................................................ 13
d) Entalpía (h) del aire en I y II ........................................................................................................ 13
e) Capacidad de enfriamiento real del equipo ................................................................................ 14
5. Indicadores de la eficiencia energética nominal del equipo (datos del fabricante) ........................... 19
6. Comparación de los indicadores reales de la eficiencia energética obtenidos durante el
funcionamiento del equipo de climatización con los valores de diseño del fabricante ............................. 19
7. Ejemplo de implementación del procedimiento expuesto para evaluar el rendimiento de un equipo
o sistema de climatización .......................................................................................................................... 19
7.1 Información obtenida de la placa del equipo y del catálogo del fabricante............................... 20
7.2 Información obtenida por las mediciones realizadas y los cálculos complementarios .............. 20
7.2.1 Medición de las condiciones del ambiente exterior e interior del local ............................. 20
7.2.2 Dimensiones de la sección de entrada del aire de retorno al equipo ............................... 20
7.2.3 Cálculo del área de la sección de entrada de aire de retorno (b*h) ................................... 21
7.2.4 Velocidad media del aire en la sección de entrada ............................................................ 21
7.2.5 Masa de aire que entra a través del retorno al equipo ...................................................... 21
7.2.6 Masa de aire succionada a través de la toma de aire exterior ........................................... 24
7.2.7 Masa total de aire que maneja el equipo ........................................................................... 24
7.2.8 Temperaturas de bulbo seco (BS) y húmedo (BH) del aire a la entrada y salida de la
batería evaporadora del equipo ......................................................................................................... 24
7.2.9 Determinación de la entalpía del aire en la entrada y salida de la evaporadora .............. 24
7.2.10 Cálculo de la capacidad frigorífica para las condiciones reales de trabajo ......................... 25
7.2.11 Cálculo de la capacidad frigorífica real del equipo funcionando en condiciones estándar
(de diseño) .......................................................................................................................................... 25
7.2.12 Determinación de la potencia de input real del equipo a partir de las mediciones
realizadas ............................................................................................................................................ 26
7.2.13 Cálculo de la potencia de input real que demanda el equipo funcionando en condiciones
climáticas estándar ............................................................................................................................. 27
7.2.14 Cálculo del EERre .................................................................................................................. 27
7.2.15 Resultados finales de la comparación de la eficiencia del equipo funcionando en
condiciones estándar con los valores del fabricante. ......................................................................... 28
7.3 Otros aspectos importantes a tener en cuenta en el trabajo ..................................................... 28
7.3.1 Equipos y sistemas de refrigeración ................................................................................... 28
7.3.2 Equipos de climatización y refrigeración con condensadores evaporativos ...................... 29
8. Instrumentos de medición .................................................................................................................. 29
8.1 Instrumentos de medición convencionales ................................................................................ 30
8.2 Instrumentos de medición de avanzada ..................................................................................... 31
ANEXO 1. Valores del rendimiento mínimo medio para equipos y sistemas de aire acondicionado con
condensación por aire y evaporativos ........................................................................................................ 34
ANEXO 2. Corrección de la potencia frigorífica, la potencia de input y los indicadores de rendimiento
energético. .................................................................................................................................................. 36
ANEXO 3. Carta psicrométrica .................................................................................................................... 40
ANEXO 4. Corrección de la presión atmosférica del aire húmedo con la altitud. ...................................... 42
ANEXO 5. Programa Psicro94 ...................................................................................................................... 43
ANEXO 6. Modelo 1 ..................................................................................................................................... 47
ANEXO 7. Variedad de equipos de expansión directa (DX) de climatización y refrigeración utilizados
actualmente en el mercado ........................................................................................................................ 49
ANEXO 8. Evaluación periódica del rendimiento de los equipos de producción de frío en los edificios ... 55
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................. 56
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA ...................................................................................................................... 57
5
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se presenta de forma breve y concisa un procedimiento eficaz para evaluar la
eficiencia energética in-situ, durante la explotación, de los equipos y sistemas de climatización y refrigeración
de expansión directa con condensación por aire y evaporativos instalados en oficinas, centros comerciales,
restaurantes, hospitales, teatros, industrias, etc.
El objetivo esencial del procedimiento es dotar a los técnicos y dirigentes encargados de realizar las
auditorías energéticas a estos sistemas con una herramienta sencilla pero a la vez efectiva que les permita
organizar su trabajo, medir con precisión las variables fundamentales que inciden sobre la eficiencia
energética, calcular los indicadores principales más comúnmente empleados para valorar la eficiencia
durante la explotación y compararlos finalmente con los de diseño del fabricante, de tal manera, que puedan
sacar las conclusiones objetivas y necesarias, así como realizar las recomendaciones correspondientes al
usuario final, que es en definitiva, el que decide cómo emplear y utilizar sus equipos de climatización.
El método propuesto se basa en los principios fundamentales de la termodinámica y la electrotecnia.
Durante su aplicación se determina la capacidad frigorífica de la instalación o equipo in situ a partir de las
leyes de la psicrometría, se halla la demanda de potencia eléctrica y se ajustan los valores hallados a las
condiciones de diseño estándar del fabricante. Finalmente con estos resultados se obtienen los indicadores
de eficiencia real del equipo, que permiten evaluar cuan alejado está el mismo de sus condiciones originales.
Para facilitar y a la vez incrementar la precisión de los cálculos psicrométricos, en el procedimiento
se incorpora, como parte del mismo, el software de cálculo “PSICRO94” que permite hallar de forma rápida y
sencilla las propiedades físicas del aire húmedo. También se ha incluido como parte del procedimiento el
modelo de “Registro de datos y evaluación de la eficiencia energética”, así como los diagramas
psicrométricos del aire húmedo para climatización y refrigeración, los cuales en conjunto simplifican la
implementación del método propuesto.
En el epígrafe 8 del documento se presenta, a manera de recomendación, una relación de los
instrumentos más importantes que se deben emplear para realizar con calidad las auditorías de evaluación
energética, señalándose además, las características técnicas principales de cada uno.
También se ha incluido en el trabajo, sólo como orientación, el anexo 1 en el cual se presenta una
relación de los tipos de equipos y sistemas de expansión directa más frecuentes empleados en climatización
con los valores mínimos medios recomendados de los indicadores de eficiencia energética durante su
funcionamiento.
En conclusión, esperamos que esta herramienta de trabajo contribuya a perfeccionar la labor que
lleva a cabo el personal encargado de realizar las auditorías de evaluación de eficiencia energética en los
equipos y sistemas de climatización y refrigeración, así como para el personal responsable del servicio y
mantenimiento de los mismos, incluyendo también a los funcionarios administrativos que responden por el
consumo eléctrico de estas instalaciones. Si lo logramos habremos cumplido el objetivo que nos propusimos.
6
1. Sistemas de expansión directa (DX) con condensación por aire y evaporativos
Estos son sistemas en los cuales el proceso de refrigeración se lleva a cabo (ver fig. 1) mediante
un compresor (equipo mecánico) que succiona vapor refrigerante a baja presión y temperatura de la
zona fría (evaporador) en el cual se realiza el intercambio directo de calor (aire-refrigerante) y lo
comprime y envía a alta presión y temperatura hacia la zona caliente (condensador), ubicado en el
ambiente exterior para rechazar en ese medio el calor del evaporador (Q) más el trabajo del compresor
(W). Finalmente el refrigerante líquido (condensado) a alta presión y temperatura se expande a través
del dispositivo de expansión (capilar, válvula de expansión, válvula de presión constante, etc.) hasta la
baja presión y temperatura del evaporador, repitiéndose a continuación el ciclo de refrigeración
nuevamente.
Fig. 1 Componentes del ciclo o proceso de refrigeración.
En la figura 2, se muestra el diagrama presión-entalpía (p-h) sobre el cual se han trazado los
procesos de refrigeración que se realizan en el sistema de la figura 1 y expuestos en el párrafo anterior.
Este tipo de diagrama es el que se emplea, generalmente en esta especialidad, para representar los
procesos de los ciclos de refrigeración.
Los procesos del ciclo de compresión expuestos son:
Q: calor extraído del evaporador (proceso 4-1).
W: trabajo realizado por el compresor (proceso 1-2).
(Q+W): calor rechazado en el condensador (proceso 2-3).
Proceso 3-4: expansión del refrigerante en el dispositivo de expansión a entalpía constante.
En el anexo 7 se presenta, a manera de ilustración, un grupo de los principales equipos de
climatización y refrigeración de expansión directa que se pueden encontrar en el sector residencial,
comercial e industrial.
Q+W
W
Q
7
Fig. 2 Diagrama presión-entalpía (p-h).
2. Refrigerantes
El refrigerante es el medio (sustancia de trabajo) que se utiliza en el sistema para transportar el
calor extraído al aire en el evaporador (durante el proceso de evaporación a baja presión y temperatura)
y rechazarlo en el condensador a alta presión y temperatura.
En la práctica de la refrigeración y climatización se están empleando actualmente un amplio
grupo de refrigerantes, todos ellos con sus ventajas y desventajas. Los más comunes son los del grupo
halogenados, entre otros destaca el R-22 que afecta la capa de ozono pero sólo en 0,05 (ODP)(1) y tiene
un período de uso hasta el año 2010, fecha en la cual la mayoría de los países no autorizará su uso en
nuevos equipos y, por supuesto, para aquellos sistemas que sigan usándolo se irá reduciendo la
disponibilidad hasta que desaparezca cuando se agoten las existencias del mercado. El R-404A y 407C
(mezcla de varios refrigerantes), no afectan la capa de ozono y se emplean respectivamente en
refrigeración y climatización. Otro importante refrigerante de amplia utilización en la actualidad es el
R-134A (refrigerante puro) que tampoco afecta la capa de ozono y se emplea tanto en climatización
como en refrigeración. Entre los últimos aparecidos en el mercado se encuentran el 410A y 410B que se
usan en acondicionadores de ventanas y unidades split, permitiendo éstos elevar el rendimiento de esta
gama de equipos sin afectar, por supuesto, la capa de ozono.
3. Coeficientes de comportamiento o rendimiento
Es un concepto ampliamente utilizado en refrigeración, climatización y calefacción para indicar
la eficiencia energética de estos sistemas. En la práctica los indicadores más frecuentemente empleados
son:
(1)
Potencia de destrucción de la capa de ozono.
Entalpía, Kcal/Kg
Pre
sió
n, K
g/cm
2
8
COP: Coeficiente de comportamiento (Coeficient of performance). No es más que la relación
adimensional entre la capacidad nominal de enfriamiento o calefacción del equipo y la potencia
eléctrica consumida expresada en las mismas unidades: W/W, kW/kW, etc.
EER: Razón de eficiencia energética (Energy efficiency rate). Es la relación entre la capacidad de
enfriamiento del equipo en BTU/h y la Potencia eléctrica consumida en W. Por tanto, se expresa en
BTU/Wh.
Otro indicador también ampliamente utilizado por los ingenieros en la práctica para expresar la
eficiencia energética de los equipos es la relación entre la demanda de potencia eléctrica y la capacidad
de enfriamiento expresado generalmente en kW/TR y HP/TR. (1) La relación entre estos indicadores de
eficiencia energética es:
EER = 3,413 COP
kW/TR = 12 / EER =3,52/COP
HP/TR=16,08/EER=4,71/COP
Es importante destacar, que estos indicadores de eficiencia energética (EER, COP, kW/TR y
HP/TR) utilizados para indicar el rendimiento de los equipos de climatización (aire acondicionado) y
bombas de calor, toman en cuenta para su evaluación sólo los valores nominales de diseño, también
conocidos como condiciones estándar. Es decir, que su capacidad frigorífica y potencia absorbida (input)
se determinan para las condiciones pico del ambiente exterior de verano o invierno, según corresponda,
y las condiciones interiores son las nominales establecidas para el local. Sin embargo, estos equipos no
funcionan realmente todo el tiempo en esas condiciones y es precisamente por esa razón, que se
emplean además de estos indicadores, otros con el objetivo de que sean más representativos de la
eficiencia en condiciones reales de operación y para ello toman en cuenta, al valorar la eficiencia el
rendimiento promedio del equipo durante su funcionamiento en el período determinado de tiempo
anual (período estacional), cuyos requerimientos se establecen por un método normalizado bajo el cual
se llevan a cabo las pruebas de evaluación del rendimiento.
Entre estos indicadores se encuentran el SEER y el IPLV
3.1 SEER-Razón de eficiencia energética estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio)
Este indicador definido por “The Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute” [1]
suministra la eficiencia promedio anual de enfriamiento de los sistema de aire acondicionado y bombas
de calor. El SEER como indicador de la eficiencia energética es similar al EER pero a diferencia de éste,
indica el rendimiento promedio ponderado del equipo funcionando durante un período determinado de
tiempo anual, mientras que el EER se define como se expuso anteriormente para las condiciones pico de
operación. El valor del SEER es siempre mayor que el EER para un mismo equipo. Otra característica
(1)
TR: Tonelada de refrigeración equivalente a 12.000 BTU/h, 3024 Kcal/h ó 3520 W.
9
importante de este indicador es que se emplea, generalmente, para equipos con capacidades inferiores
a 5 TR (60000 BTU/h).
El valor del SEER muestra la relación entre la energía frigorífica entregada por el equipo en BTU
durante un período anual normalizado de trabajo (período estacional) en modo de climatización
solamente, dividido entre el consumo energético del equipo (potencia de input) en Wh durante el
mismo período. Por lo tanto, el SEER se expresa en las mismas unidades del EER (BTU/Wh). Otro aspecto
importante de este indicador es que el mismo incluye la potencia de input de todos los agregados que
conforman el equipo como son: los ventiladores exteriores e interiores y las pizarras eléctricas de fuerza
y control.
Obsérvese en el siguiente ejemplo el significado de este indicador.
Un equipo acondicionador de aire de ventana de 1 TR (12000 BTU/h) de capacidad frigorífica y
SEER = 12 BTU/Wh, trabaja 8 horas por día y 180 días por año. Se requiere hallar aproximadamente la
energía frigorífica entregada y la energía eléctrica consumida durante su funcionamiento anual.
a) Producción anual de refrigeración
Q= 12000 BTU/h x 8 h/día x 180 días/ año = 17280000 BTU/año
b) Consumo estimado de energía eléctrica anual
Como el SEER = 12 BTU/Wh el consumo aproximado anual de energía eléctrica será:
1440000 Wh/año =1440 kWh/año
donde:
CEEa: consumo de energía eléctrica anual
Es decir, el SEER nos permite realizar un estimado de la producción anual de refrigeración y el
consumo de energía correspondiente.
Otro aspecto importante a destacar entre estos indicadores es que no existe una relación
directa entre el SEER y el EER o el COP, lo cual está fundamentado en las definiciones conceptuales de
cada uno expuestas anteriormente. Sin embargo, se acepta para propósitos prácticos para los equipos
que se emplean en el sector residencial el siguiente comportamiento aproximadamente:
EER = 0,875 SEER
COP = 0,257 SEER
En definitiva, la diferencia esencial entre estos indicadores es que el SEER nos suministra la
información de la eficiencia energética promedio ponderada del equipo para el periodo normal de
explotación anual, mientras que el EER y el COP la reflejan en condiciones estándar de operación como
se exige, por ejemplo, en la ISO 5151-2010 [2].
10
Hoy en día se exige en los países desarrollados a los equipos del sector residencial fabricados
después del 2005 valores del SEER ≥ 13,0 con excepción de los acondicionadores de ventana que aún se
aceptan con valores de SEER ≥ 10,0.
La importancia de cumplir estos requerimientos al adquirir nuevos equipos de aire
acondicionado y bombas de calor está dada por la incidencia significativa que esto origina sobre el
consumo anual de la energía eléctrica. Obsérvese lo expuesto en el siguiente ejemplo.
Se requiere realizar una nueva adquisición o sustitución de un equipo o sistema de aire
acondicionado con un SEER = 8,5 por otro de SEER = 13,0. Determine qué porcentaje se puede esperar
de ahorro de energía eléctrica anual.
Lo cual confirma la conveniencia de adquirir los equipos nuevos con elevada eficiencia,
fundamentado en la relación costo-beneficio. En la actualidad se dispone en el mercado de equipos
residenciales de aire acondicionado y bombas de calor con calificación “Energy Star” que se suministran
con valores de SEER ≥ 14,0. No obstante lo expuesto, es importante tener en cuenta siempre, que estos
elevados valores de eficiencia, sólo se alcanzan cuando los equipos se mantienen en excelente estado
de servicio-mantenimiento y se operan adecuadamente.
La eficiencia de los equipos de aire acondicionado y bombas de calor se ha incrementado en los
últimos tiempos a niveles increíbles. Hoy en día se puede adquirir en el mercado, a precios elevados, por
supuesto, equipos para el sector residencial con valores de SEER hasta 26. Estos equipos emplean
tecnologías novedosas como son los sistemas inverters que incluyen compresores scroll, variadores de
velocidad, motores de corriente continua sin escobillas y otras novedades; todas integradas mediante
una elevadísima automatización. Pero recuerde, “todo esto se pierde”, si el servicio, el mantenimiento o
la operación se realizan de manera ineficaz.
3.2 IPLV – Valor a carga parcial integrada (Integrated Part Load Value)
Este indicador es una medida del rendimiento energético de aquellos equipos capaces de
trabajar a carga parcial. El indicador representa el promedio ponderado de la eficiencia energética del
equipo funcionando a carga parcial en régimen de verano, durante un período determinado
(normalizado) de tiempo anual.
El IPLV se emplea en los equipos con regulación de capacidad discrecional (por pasos) o
continua, entre ellos se encuentran: los acondicionadores de aire de gran capacidad, rooftop, bombas
de calor, enfriadoras de agua, etc.
Las unidades del IPLV no son consistentes en la literatura técnica, por lo tanto, cuando se
comparan entre sí estos indicadores es necesario tener en cuenta las unidades implicadas en su
11
obtención. Por ejemplo, el estándar ASHRAE 90.1 [8] emplea el indicador IPLV para expresar la eficiencia
de enfriamiento estacional sin unidades cuando el cálculo se realiza en base COP y en BTU/Wh cuando
se realiza en base EER. El valor del IPLV se encuentra, generalmente, entre el 5 y 50% mayor que el EER,
calculado en base a los valores del EER del equipo trabajando a distintos rangos de parcialización (25,
50, 75 y 100 %) durante los períodos hipotéticos de tiempo anual que se prevé funcione el mismo en
esas condiciones de parcialización. El procedimiento también es semejante cuando el cálculo se realiza
con los valores de COP a distintas parcializaciones.
El anexo 1 del documento se muestra, sólo como orientación, los valores mínimos medio de los
indicadores de la eficiencia energética de equipos y sistemas de aire acondicionado con condensación
por aire y evaporativos durante su funcionamiento.
Es importante que los ingenieros encargados de evaluar la eficiencia energética de estos
sistemas tengan en cuenta en sus conclusiones y recomendaciones entre otros, los siguientes aspectos:
el año de fabricación del equipo, su eficiencia original y la real al momento de la evaluación, su estado
técnico, costo para alcanzar su eficiencia original, precio en el mercado de ese tipo de equipo y el costo
de la energía. Recuérdese, que casi siempre es el análisis costo-beneficio el que determina la mejor
decisión.
4. Evaluación de la eficiencia energética de equipos y sistemas de refrigeración y
climatización durante su funcionamiento en condiciones reales de explotación
La determinación del valor real de la eficiencia energética de los equipos y sistemas de
refrigeración y climatización, se expone a continuación. Ver figura 3.
Fig. 3 Vista esquemática de un acondicionador de ventana.
I II
12
4.1 Capacidad real de enfriamiento del equipo
La capacidad real de enfriamiento del equipo se determina aplicando los 5 pasos expuestos a
continuación:
a) Determinación de la velocidad promedio ( ) de entrada del aire del local hacia el equipo
acondicionador
Para hallar ( ) se miden las dimensiones de la sección de entrada de aire al equipo (b x h) y la
velocidad en m/s en cada una de los puntos indicados (ver figura 4) con un anemómetro.
Fig. 4 Dimensiones del área de entrada del aire y puntos de medición de la velocidad (v).
La velocidad media (V ) del aire a la entrada del equipo se calcula por la siguiente expresión:
(1)
donde:
V: velocidad media real en m/s
: velocidad en cada punto en m/s
b) Masa de aire que atraviesa el evaporador
La masa de aire que maneja el ventilador interior se calcula por la siguiente expresión:
(2)
donde:
M: masa de aire (por el lado interior) que maneja el equipo en Kg/h.
A: sección a través de la cual fluye el aire (batería, rejilla, sección de conducto u otros) en m2.
ρ: densidad del aire a TPN(1). Es igual a 1.2 Kg/m3.
(1)
TPN: Temperatura y presión normal
13
c) Temperaturas de bulbo seco (BS) y bulbo húmedo (BH) del aire a la entrada y salida del
evaporador del equipo
Las temperaturas de BS y BH o la humedad relativa (HR)del aire a la entrada (I) y salida (II) en el
evaporador del acondicionador de ventana usado como referencia (ver figura 3) se pueden obtener
directamente mediante registradores combinados de temperaturas de BS, BH y velocidad instantánea
del aire, denominados termo-anemómetros. Ver punto 1 del inciso 8.1).
Durante el proceso de medición se recomienda siempre realizar varias mediciones y
promediarlas para trabajar con los valores medios de estos parámetros en ambas zonas (I y II).
d) Entalpía (h) del aire en I y II
La entalpía (h) del aire en los puntos I y II puede hallarse fácilmente a partir de los valores
obtenidos en el inciso (c) aplicándolos sobre la carta psicrométrica como se muestra en la figura 5.
También pueden emplearse instrumentos que midan directamente la entalpía del aire con lo cual puede
obviarse los pasos c y d (ver punto 1 del inciso 8.2). Como otra alternativa en el trabajo se incluye el
software [3] para el cálculo de la entalpía.
Fig. 5 Representación de los puntos I y II sobre la carta psicrométrica.
I
II
14
e) Capacidad de enfriamiento real del equipo
La capacidad de enfriamiento real del equipo se calcula por la siguiente expresión:
(3)
donde:
Q: capacidad de enfriamiento real expresada en Kcal/h o KJ/s.
M: masa de aire que maneja el equipo en Kg/h o Kg/s.
h1 y h2: entalpía del aire en los puntos I y II respectivamente expresada en Kcal/kg de aire seco o también
en KJ/kg de aire seco, según el sistema de unidades que emplee la carta psicrométrica (Kcal = 4,186 KJ).
El valor Q calculado en Kcal/h o KJ/s, según la conveniencia, se puede transformar en otras
unidades de capacidad frigorífica como pueden ser, por ejemplo:
=
Es importante destacar, que en este documento se emplea una amplia diversidad de unidades,
pues los ingenieros y técnicos de esta especialidad necesitan dominar todas las opciones posibles dadas
las características del mercado en Venezuela.
4.2 Cálculo de la demanda de potencia eléctrica de los sistemas de refrigeración y climatización
La potencia eléctrica se define como el trabajo o la energía puesta en juego por unidad de
tiempo. En el caso de los sistemas de refrigeración y climatización la potencia eléctrica es,
generalmente, suministrada por la red eléctrica de la localidad y se mide de forma instantánea a la
entrada del equipo (potencia de input) expresada en W, KW, MW.
4.2.1 Potencia de input de equipos monofásicos
La potencia eléctrica de input de los equipos monofásicos se calcula midiendo la tensión
instantánea (V), la intensidad (A) y el factor de potencia FP (cos ) y con los resultados obtenidos se
sustituye en la siguiente expresión:
15
(KWinput) (4)
donde:
: tensión o voltaje (V)
: intensidad de corriente (A)
factor de potencia
4.2.2 Potencia de input de equipos trifásicos
La potencia de input de los equipos trifásicos se obtiene de forma similar pero promediando
integralmente los valores de las tres fases. Se calcula por la siguiente expresión:
(KWinput) (5)
4.2.3 Determinación del Factor de Potencia (FP= cos )
La potencia eléctrica consumida por un equipo o aparato eléctrico cualquiera conectado en un
circuito se mide con un instrumento denominado vatímetro. El vatímetro mide generalmente la
potencia activa (efectiva), es decir, la potencia que se consume para realizar el trabajo específico que
desarrolla el aparato eléctrico en cuestión.
4.2.3.1 Diferentes tipos de potencias
Cuando la carga del aparato eléctrico es sólo resistiva, como es por ejemplo el caso de un horno
eléctrico accionado por resistencias, un bombillo incandescente u otra carga resistiva cualquiera, el
trabajo útil aportado por dicha carga se corresponde con la potencia activa que suministra el sistema
electro-energético.
Sin embargo, los aparatos que poseen bobinas (enrollados) como son por ejemplo los motores
eléctricos, transformadores, lámparas fluorescentes u otros similares no sólo consumen potencia activa,
sino además, potencia reactiva o también llamada inductiva, la cual no realiza ningún trabajo útil pero es
necesaria para proporcionar el campo magnético que estos aparatos requieren para su funcionamiento.
La suma geométrica de la potencia activa y reactiva es la potencia total, denominada también
potencia aparente, que es en definitiva la potencia que tiene que suministrar el sistema electro-
energético, por lo tanto, la misma tiene que ser producida por la planta eléctrica generadora y
transportada por las redes.
16
La potencia total (aparente) se calcula por la siguiente expresión:
(6)
donde:
: potencia total o aparente y se expresa en kilovatioamperios (kVA).
: potencia activa y se expresa en kilowatt (KW) o megawatt (MW).
: potencia reactiva o inductiva y se expresa en kilovoltio-amperios reactivos (kVAR).
4.2.3.2 Factor de Potencia
No es más que el cociente de dividir la potencia activa entre la total, lo que coincide con el
cos ; siendo el ángulo que se forma entre el voltaje y la corriente que pasa a través de la carga. Ver
figura 7. Por lo tanto, el factor de potencia se calcula por la siguiente expresión:
FP= cos = Pa/Pt (7)
4.2.3.3 Cálculo del factor de potencia
No siempre los ingenieros encargados de realizar las auditorías energéticas disponen de un
vatímetro (ver punto 2 del inciso 8.2) para hallar la potencia que consume el equipo que se requiere
medir, ya que este instrumento de medición es costoso en el mercado. En esta situación es necesaria
calcular el factor de potencia con la ayuda de un instrumento de medición más sencillo y económico.
Una variante simple para obtener este parámetro se muestra en el siguiente acápite.
4.2.3.4 Cálculo del Factor de Potencia con una pinza amperimétrica
Para aplicar este procedimiento sólo se requiere disponer de una carga resistiva (resistencia
eléctrica o lámpara incandescente) y una pinza amperimétrica (ver punto 2 del inciso 8.1).
Pasos del proceso en un sistema monofásico (ver fig. 6):
1. Conectar en paralelo la resistencia con la carga (motor monofásico) que se quiere medir.
2. Medir la corriente que suministra el sistema electro-energético (It).
3. Medir la corriente que pasa a través de la carga resistiva (Ir).
4. Medir la corriente que pasa a través de la carga resistiva-inductiva que se quiere evaluar (Ic).
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A continuación se realiza un simple análisis vectorial (ver figura 7), aplicando las leyes de
Kirchoff, el teorema del coseno y considerando que el ángulo de voltaje es cero. El valor del cos se
calcula por la siguiente expresión:
(8)
Finalmente la potencia activa consumida por la carga monofásica resistiva-inductiva se calcula
por la expresión (4).
La esencia de este procedimiento también es aplicable a cargas trifásicas, tanto equilibradas
como desequilibradas.
Fig. 6 Esquema de conexión
Fig. 7 Diagrama vectorial
4.3 Cálculo de los indicadores reales de la eficiencia energética de los equipos
En este epígrafe se calcula, a partir de los valores obtenidos mediante las ecuaciones 3, 4 y 5, los
indicadores reales de la eficiencia energética COP, EER y kW/TR.
Ir
Ic It
V
Motor
Carga
resistiva
18
Estos indicadores de eficiencia energética, para equipos y sistemas de climatización son
suministrados por los fabricantes en condiciones “estándar” de funcionamiento de los mismos. Ver
anexo N° 2. Por causa de esto, su determinación in-situ se convierte en una tarea compleja, ya que las
condiciones climáticas del ambiente exterior e interior del local acondicionado en el momento de las
mediciones no suelen coincidir con los valores establecidos en las normativas bajo las cuales se
obtuvieron esos indicadores en los bancos de prueba del fabricante.
Por lo tanto, a los valores de rendimiento energético calculados directamente en la instalación a
partir de las mediciones realizadas hay que aplicarle factores de ajuste (FA) o corrección, necesarios
para obtener finalmente el valor de la eficiencia real que entrega el equipo o sistema en condiciones
estándar de funcionamiento. Esto es aplicable, tanto a equipos monofásicos como trifásicos (ecuaciones
3,4 y 5).
No obstante lo expuesto, es importante tener presente que muchos fabricantes, sobre todo de
equipos de mediana y grandes capacidades, suministran en sus catálogos técnicos el rendimiento de los
mismos para diferentes condiciones exterior e interior de operación. Por lo tanto, en estos casos no es
necesario aplicar los factores de ajuste o corrección a los valores medidos ni a los calculados. Es decir,
que estos pueden compararse directamente con los valores que aparecen en la documentación técnica
del fabricante y sacar las conclusiones que se deriven de esta labor.
Valor del COP real en condiciones estándar de funcionamiento
El valor de este indicador es adimensional y se calcula por la siguiente expresión:
(9)
donde:
: capacidad o potencia frigorífica real que entrega el equipo en su estado actual, funcionando en
condiciones estándar. Se suele expresa en W, o KW cuando se emplea este indicador. Ver anexo 2.
: potencia eléctrica de input real que demanda el equipo en su estado actual, funcionando en
condiciones estándar, se expresa en W o KW. Ver anexo 2.
Valor del EER real en condiciones estándar de funcionamiento
El valor de este indicador se calcula por la siguiente expresión:
(10)
donde:
: se expresa en BTU/h. Ver anexo 2.
: se expresa en W. Ver anexo 2.
19
Valor del indicador KW/TR real en condiciones estándar de funcionamiento
El valor de este indicador se calcula por la siguiente expresión:
(11)
donde:
: se expresa en TR. Ver anexo 2.
: se expresa en kW. Ver anexo 2.
5. Indicadores de la eficiencia energética nominal del equipo (datos del fabricante)
Los valores de los indicadores de la eficiencia nominal del equipo se presentan, en muchos
casos, en la placa y/o pegatinas o etiquetas incorporadas en el equipo. También se pueden calcular igual
que se expuso en el epígrafe (4.3) pero tomando como referencia los valores de potencia frigorífica y de
input de la placa del equipo, los cuales corresponden a las condiciones estándar de funcionamiento.
También estos indicadores, en muchas ocasiones, se indican de forma explícita en la
información técnica (catálogos) del fabricante.
6. Comparación de los indicadores reales de la eficiencia energética obtenidos durante el
funcionamiento del equipo de climatización con los valores de diseño del fabricante
Esto se realiza comparando los resultados del indicador real de la eficiencia energética obtenido
durante el trabajo del equipo incluyendo su capacidad frigorífica y la potencia input (todos con los
factores de ajuste incorporados) con el valor de diseño del fabricante. Esto permite comprender cuanto
se aleja la eficiencia del equipo de su valor original de diseño. Lo expuesto se presenta claramente en el
ejemplo mostrado en el acápite 7.
7. Ejemplo de implementación del procedimiento expuesto para evaluar el rendimiento
de un equipo o sistema de climatización
Problema:
Se requiere evaluar la eficiencia energética del sistema de climatización instalado en el
restaurante “Mar de Plata” ubicado en la costa del mar Caribe de la Gran Caracas (Maiquetía). Esta
instalación está acondicionada con un equipo compacto central (rooftop) marca Carrier, modelo
20
50HG028 de 25 TR de capacidad nominal, instalado en octubre de 2007. El sistema impulsa y retorna el
aire acondicionado a través de conductos aislados.
Solución:
Para realizar el trabajo se emplea el modelo No. 1 adjunto (registro de datos y resultados de los
cálculos) complementado con las hojas necesarias de observaciones y cálculos. Adicionalmente en el
anexo 6 se presenta el mismo modelo en blanco listo para ser empleado.
7.1 Información obtenida de la placa del equipo y del catálogo del fabricante
Marca: Carrier
Modelo: 50HG028
Año de fabricación: 2006
Capacidad frigorífica nominal: 25 TR (valor aproximado a su capacidad real)
Capacidad frigorífica neta: 283600 BTU/h (23,6 TR)
EER: 10,4 (equipo de elevada eficiencia)
IPLV: 11
Potencia total (input): 27,3 kW
7.2 Información obtenida por las mediciones realizadas y los cálculos complementarios
Se presenta a continuación el desarrollo de este acápite por pasos:
7.2.1 Medición de las condiciones del ambiente exterior e interior del local
Temperatura (BS) del ambiente exterior: 30°C
Temperatura interior del local: 24°C.
Humedad relativa interior del local: 56%
7.2.2 Dimensiones de la sección de entrada del aire de retorno al equipo
Se tiene acceso a través de la conexión por el conducto de succión de entrada (retorno de aire)
al equipo. Sus dimensiones son:
b= 306 mm (ancho) h= 1419 mm (alto)
21
7.2.3 Cálculo del área de la sección de entrada de aire de retorno (b*h)
A= b*h= 0,306 m*1,419 m = 0,434 m2
7.2.4 Velocidad media del aire en la sección de entrada
Se halla como se muestra en el acápite 4.1. Sustituyendo en la expresión (1) los resultados de las
mediciones realizadas, se obtiene:
7.2.5 Masa de aire que entra a través del retorno al equipo
Se calcula como se muestra en el acápite 4.1 Aplicando la expresión (2).
donde:
ρ= 1,2 Kg/m2 a TPN
Como el restaurante Mar de Plata se ubica en la zona de la costa del mar Caribe, su altitud está a
nivel del mar. De otra manera hubiera sido necesario introducir la corrección del valor de “ρ”
empleando la gráfica 1. A4 del anexo 4 en correspondencia con la altura de la localidad sobre el nivel del
mar.
Sustituyendo valores en la ecuación (2) se obtiene:
22
Modelo No. 1
Datos del Centro o Institución
Nombre Restaurante “Mar de Plata”
Localización Maiquetía Elaborado por Ing. Juan Tabio
Tipo de Uso del equipo o sistema
Refrigeración: Climatización: x Tipo de equipo o sistema(1)
Rooftop
Datos del Fabricante(2)
Marca Carrier Modelo 50HG028
Año de fabricación 2006 Refrigerante Utilizado R22
Capacidad nominal 25 TR Neta 283600 BTU/h N° de Inventario xxxxxxxx
Suministro eléctrico (Datos de placa)
Voltaje Nominal 460 V Número de fases 3
Frecuencia 60 Hz Corriente Nominal A
Potencia del equipo (input) 27,3 kW
Indicadores de eficiencia energética EER 10,4 COP IPLV=11
Potencia del moto-ventilador del evaporador (de no estar incluida) kW (7,5 HP( -- ) FP ----
Información obtenida en el funcionamiento del equipo o sistema
Temperatura de BS ambiente exterior: 30 °C Temp. Interior de BS/BH del local climatizado: 24 / 19 °C
Área del retorno de aire a la entrada del evaporador
Ancho (b1) 0,306 m Alto (h1) 1,419m Área=(b1*h1) 0,434 m2
Área de la toma de aire fresco Ancho (b2) 0,4 m Alto (h2) 0,37 m Área=(b2*h2) 0,148 m2
Velocidad media del aire a la entrada del evaporador: Retorno 7,2 m/s Reposición 2,8 m/s
Masa de aire total que fluye a través del evaporador: 15300 Kg/h
Temp. a la entrada del evaporador: Bulbo seco 24,7°C H. Relativa 60 % B. húmedo °C
Temp. a la salida del evaporador: Bulbo seco 13,4°C H. Relativa 96 % B. húmedo °C
Estado de los componentes: BUENO REGULAR MALO OBSERVACIONES
Estado del filtro de aire:
x
Parcialmente sucio
Estado del evaporador: x
Estado del condensador:
x Batería afectada por salitre
Tensión correa moto-ventilador evaporador:
x
Suministro eléctrico real (Medido in situ)
UNIDAD CONDENSADORA(3)
UNIDAD INTERIOR(3)
Voltaje Corriente Fases cos Voltaje Corriente Fases cos
453 V 31,8 A 3 0,85 453 V 3,8 A 3 0,84
Total equipo input
Voltaje Corriente Fases cos Frecuencia
V A Hz
Calculo de los Parámetros principales del equipo en condiciones estándar de funcionamiento
Capacidad Frigorífica Potencia (input) EERre
20,5 TR 25,5 kW 9,65
(1): Tipo de equipo (acondicionador de ventana, Split, rooftop, compactos, etc. (2): Data obtenida de la chapa y catálogo del equipo.
(3): Cuando las fases no están equilibradas se procederá consecuentemente.
Hoja 1/2
23
Observaciones:
1. El valor de la eficiencia energética EER=9,65 es mayor que el valor
mínimo aceptable 8,5 para un equipo estándar (tabla 1.A3, anexo 1).
Sin embargo, hay que tener en cuenta que estamos en presencia de un
equipo nuevo de “muy elevada eficiencia energética” y con sólo 3 años
de explotación. Su eficiencia actual es el 92,8% de su valor original.
________________________________________________________________________________
Recomendaciones:
1. Limpiar el filtro de la evaporadora o cambiarlo si procede.
2. Limpiar la batería condensadora y aplicar algún producto de
protección anticorrosivo.
3. Chequear tensión de la correa del ventilador centrífugo de la
evaporadora y tensarla si procede.
Ejecutor: Recibido por:
Nombre: __Juan Tabio Nombre: __ Pedro Ruiz
Firma: _____ ______________ Firma: _____________________
Fecha: 10 / 11 / 2010
Hoja 2/2
24
7.2.6 Masa de aire succionada a través de la toma de aire exterior
Por otra parte, el equipo dispone también de una entrada para la toma de aire fresco del
exterior (aire de reposición), por lo que aplicando el procedimiento empleado en los puntos 7.2.2; 7.2.3;
7.2.4 y 7.2.5 para esta toma de aire se obtiene, que el equipo succiona adicionalmente:
7.2.7 Masa total de aire que maneja el equipo
La masa total de aire que maneja el equipo será:
7.2.8 Temperaturas de bulbo seco (BS) y húmedo (BH) del aire a la entrada y salida de la
batería evaporadora del equipo
Realizando las mediciones empleando, por ejemplo, un termo-anemómetro convencional como
el señalado en el acápite 8.1 se obtiene:
A la entrada (mezcla de aire de retorno + exterior):(1)
Temperatura de bulbo seco: 24,7 °C
Humedad relativa: 60%
A la salida:
Temperatura de bulbo seco: 13,4 °C
Humedad relativa: 96%
7.2.9 Determinación de la entalpía del aire en la entrada y salida de la evaporadora
Con estos valores de temperatura y humedad y la carta psicrométrica para climatización
podemos hallar la entalpía del aire a la entrada y salida de la batería evaporadora del equipo. Esto
también puede obtenerse empleando el software de cálculo Psicro94, el cual es parte integrante de este
trabajo. (Ver anexo 5). Empleando este último se obtiene:
(1)
Estos valores corresponden a una temperatura de bulbo húmedo (BH) a la entrada del evaporador de 19,3 °C
25
hI: Entalpía del aire a la entrada: 54,434 KJ/ Kgaire seco = 13,0 Kcal/ Kgaire seco
hII: Entalpía del aire a la salida: 36,617 KJ/ Kgaire seco = 8,746 Kcal/ Kgaire seco
7.2.10 Cálculo de la capacidad frigorífica para las condiciones reales de trabajo
Para hallar la capacidad frigorífica real que está entregando el equipo en base a las mediciones
realizadas ( ) se sustituyen los valores hallados en 7.2.7 y 7.2.9 en la ecuación (3), obteniéndose:
7.2.11 Cálculo de la capacidad frigorífica real del equipo funcionando en condiciones
estándar (de diseño)
Es importante señalar, que el valor Qm calculado en el paso anterior no es la capacidad
frigorífica que entregará el equipo funcionando en condiciones nominales o estándar (ver anexo 2).
Condiciones estándar (standard rating) para equipos con condensación por aire
Aire a la entrada del evaporador TBS = 26,7 °C y TBH= 19,4°C
Aire ambiente exterior TBS= 35°C
Por lo que es necesario aplicar al valor calculado de Qm las correcciones indicadas en el anexo 2
(Ver tablas 1.A2 y 2.A2 o sus gráficos equivalentes). Utilizando esta información obtenemos:
El factor (FAQ)1 = 0,998 obtenido por interpolación en la tabla 1.A2 para la temperatura de bulbo
húmedo (BH) de 19,3 °C de entrada del aire al evaporador, por tanto, (FAQ)1= 1,0
El factor (FAQ)2 = 1,05 obtenido por la tabla 2.A2 para la temperatura de 30 °C de entrada del aire al
condensador.
Calculando la potencia frigorífica que entregará el equipo, funcionando en condiciones estándar,
mediante la expresión 1.A2 se obtiene:
Observación:
1. Este valor de 20,5 TR de capacidad frigorífica en condiciones estándar de funcionamiento es el
que se utiliza para calcular el indicador de eficiencia energética real estándar (EERre) y
compararlo con el del fabricante.
26
7.2.12 Determinación de la potencia de input real del equipo a partir de las mediciones
realizadas
Para hallar la potencia eléctrica de input que está consumiendo el rooftop modelo 50HG028
contamos solamente con una pinza amperimétrica. Por lo tanto, procedemos con la misma a medir los
parámetros necesarios para calcular la potencia real que demanda este equipo en sus condiciones
actuales de funcionamiento. Los resultados de las mediciones son:
Unidad condensadora (evaluada de manera independiente(1)
(V) tensión entre fases (equilibrada): 453 V
(I) corriente de fase (aprox. Igual): 31,8 A
(FP) factor de potencia (cos : 0,85(2)
Unidad evaporadora (motoventilador y control)
(V) tensión entre fases (equilibrada): 453 V
(I) corriente de fase (aprox. Igual): 3,8 A
(FP) factor de potencia (cos : 0,84(2)
Con estos resultados se procede a calcular por separado la potencia de input de la unidad
condensadora y evaporadora del rooftop. Aplicando la ecuación (5), se obtiene:
Potencia de input en base a las mediciones realizadas en la unidad condensadora:
Potencia de input en base a las mediciones realizadas en la evaporadora:
La potencia de input total, en base a las mediciones, que demanda el equipo será la suma de los
valores hallados. Por lo tanto, efectuando se obtiene:
(1)
Evaluada independiente, a pesar de ser un equipo compacto. (2)
Calculado mediante el procedimiento expuesto en el epígrafe 4.2.3
27
Este valor coincide aproximadamente con el que se hubiera obtenido a partir de las mediciones
directas a la entrada del equipo. Sin embargo, se ha realizado de esta forma para poder obtener en el
siguiente paso un resultado más preciso del indicador de eficiencia.
7.2.13 Cálculo de la potencia de input real que demanda el equipo funcionando en
condiciones climáticas estándar
Lo mismo que sucedió con la capacidad frigorífica del equipo (7.2.11) sucede ahora con la
potencia calculada en el paso anterior (7.2.12), es decir, el valor obtenido no se corresponde con la
potencia real que consumirá el equipo, en su estado actual, funcionando en condiciones estándar. Por lo
tanto, para determinar la potencia real que consume el rooftop operando en esas condiciones, se debe
aplicar al valor hallado los factores de ajuste de la potencia input (FAPi) en correspondencia al anexo 2.
Aplicando la ecuación 2.A2 (ver anexo 2) se obtiene:
Muy importante:
En aquellos equipos con potencia baja o inclusive mediana del conjunto moto-ventilador de la
unidad evaporadora, se puede realizar el cálculo directamente por la ecuación 3.A2 del anexo 2, puesto
que la diferencia en el valor final del indicador de eficiencia energética no será significativa.
7.2.14 Cálculo del EERre
La eficiencia energética del equipo en condiciones estándar de funcionamiento es:
Finalmente obsérvese, si para este ejemplo se hubiese medido directamente la potencia de
input total a la entrada del equipo (asumiendo que la potencia del de la evaporadora no afecta de forma
significativa el resultado), se habría obtenido:
28
Y el coeficiente de eficiencia energética sería:
Lo cual en la práctica es aceptable, pues la diferencia del indicador EER no es significativa, a
pesar, que en el caso que nos ocupa el moto-ventilador de la evaporadora tiene una potencia nominal
importante (7,5 HP), pero en la realidad se encuentra funcionando holgadamente.
7.2.15 Resultados finales de la comparación de la eficiencia del equipo funcionando en
condiciones estándar con los valores del fabricante.
Obsérvese a continuación la siguiente tabla comparativa:
Resultados comparativos del equipo durante la explotación en condiciones estándar con los valores de diseño
del fabricante
Parámetros de funcionamiento e
indicadores
Valores reales obtenidos en
condiciones estándar
Valores de diseño del
fabricante
Capacidad frigorífica TR (BTU/h) 20,5 (246000) 23,6 (283600)
Potencia de input (kW) 25,5 27,3
EER (BTU/Wh)
EER= 9,65
EER= 10,4
IPLV= 11
Estos resultados muestran que el equipo no está entregando ni la capacidad frigorífica ni la
eficiencia (EER) prevista por el fabricante en este modelo de elevada eficiencia. Sin embargo, hay que
tener en cuenta que el mismo ha estado trabajando durante 3 años, y se ha comprobado además, que el
filtro del evaporador está parcialmente sucio y, lo más importante, la batería condensadora presenta
zonas dañadas por el salitre del ambiente.
7.3 Otros aspectos importantes a tener en cuenta en el trabajo
7.3.1 Equipos y sistemas de refrigeración
Es importante destacar que para el caso específico de los equipos de refrigeración, los
indicadores de eficiencia energética (COP, EER, kW/TR, etc.) “no presentan la misma relevancia” que
para los sistemas de climatización, ya que los primeros trabajan en condiciones climáticas muy diversas
29
(amplio rango de temperatura y humedad en el interior de las cámaras frigoríficas). No obstante, el
procedimiento expuesto aquí es también aplicable a los mismos, pero teniendo en cuenta sus
condiciones específicas de operación y las dadas por el estándar del fabricante.
7.3.2 Equipos de climatización y refrigeración con condensadores evaporativos
Aún en la actualidad, a pesar de las bondades energéticas de los condensadores evaporativos, estos
no tienen una amplia difusión, empleándose principalmente en los grandes sistemas de refrigeración.
Por lo tanto, la información disponible en el mercado sobre los mismos es limitada. No obstante, los
autores del trabajo están convencidos que estos condensadores ocuparán un lugar relevante en un
futuro cercano, pues los mismos garantizan rendimientos de, al menos, 15% mayor que los
condensadores enfriados por aire.
Los valores nominales de capacidad frigorífica, potencia de input y EER para los equipos y
sistemas de climatización con condensadores evaporativos se suministran, al igual que para los de
condensación por aire, para las condiciones estándar de funcionamiento, sólo que en el caso de los
enfriados por aire se toma para el ambiente exterior la temperatura de BS (35°C) y para los evaporativos
la temperatura de BH (23,9°C).
Para propósitos prácticos de estimados de capacidad frigorífica, potencia eléctrica de input e
indicadores de eficiencia energética se acepta el incremento o disminución del 1% de la capacidad
frigorífica por cada grado centígrado de variación de la temperatura de bulbo húmedo del ambiente
exterior y entre 1 y 2% (según las especificidades del equipo) para la potencia eléctrica de input. Estos
criterios permiten obtener un comportamiento aproximado durante la explotación de los equipos y
sistemas de climatización y refrigeración con condensadores evaporativos.
8. Instrumentos de medición
El objetivo de este tópico es orientar al personal técnico que realiza auditorías energéticas en
instalaciones de climatización y refrigeración con relación a los instrumentos disponibles en el mercado
para realizar las mediciones necesarias y obtener los parámetros que permitan calcular los valores de la
eficiencia energética con eficacia.
Se presentan dos grupos de instrumentos de medición. Los primeros son convencionales y
exigen del personal mayor laboriosidad, tanto durante la fase de medición como durante la ejecución de
los cálculos para obtener los resultados finales.
El segundo grupo de instrumentos de medición califica como de avanzada y los mismos
simplifican tanto el proceso de medición como el de cálculo.
La diferencia entre ambos grupos reside en el precio que tienen en el mercado. Por lo tanto, el
empleo de uno u otro grupo depende esencialmente de los recursos disponibles.
30
8.1 Instrumentos de medición convencionales
1. Termo-anemómetro:
Instrumento combinado [4] que permite medir la temperatura de bulbo seco y húmedo o la
humedad relativa, así como la velocidad del aire. Dispone de pantalla LCD y puede calcular el volumen
medio del flujo de aire, las temperaturas medias y además, dispone de interface RS-232 para la
transmisión de datos a un PC (on-line) o un portátil. Incluye software y cable de interconexión. Ver fig. 8.
Especificaciones técnicas
Velocidad 0.2 a 20 m/s
Temperatura de bulbo seco -20 a +70 °C (Sonda)
Humedad relativa (HR) <90%
Pantalla LCD 60 x 36 mm aprox.
Interfaz RS-232
Desconexión automática A los 5 min. aprox.
Memoria interna 20000 valores aprox.
Alimentación Batería (CD)
Función de mantenimiento de datos para valores de máximo y mínimo
2. Pinza amperimétrica digital para medir corrientes en conductores de hasta 30 mm de
diámetro
Instrumento muy útil, sencillo, fácil de manipular y de bajo costo [5]. Permite medir corriente
sin contacto. Incorpora protección por sobre carga para todas las funciones que realiza. En la fig. 9 se
presenta uno de los tantos productos de este tipo existentes en el mercado.
Especificaciones técnicas
Mediciones de corriente alterna Hasta 1000 A
Mediciones de tensión CA/CD Hasta 750 V
Función de medición de resistencia, frecuencia, continuidad y capacidad
Selección de rango automática y manual
Mantenimiento de valores
Pantalla LCD
Desconexión automática
Alimentación (batería) CD
3. Cinta de medición metálica de acero flexible (enrollable), pintada y con escala graduada
en mm. Longitud aproximada 5 metros
Cualquiera de los tipos existentes en el mercado puede ser empleada en esta tarea.
31
8.2 Instrumentos de medición de avanzada
1. Instrumento multifunción para medir capacidad frigorífica
Para determinar el valor de la eficiencia energética de un equipo o sistema de climatización de
forma rápida y sencilla, en el mercado se dispone de una gama de instrumentos de avanzada entre los
cuales destaca: el instrumento multifunción “TESTO 435” *6+, el cual automatiza completamente el
proceso de cálculo de la capacidad frigorífica. El mismo dispone de dos sondas de temperatura y
humedad inalámbricas y una sonda de velocidad del aire con lo cual, a partir de una simple entrada de
datos, el instrumento suministra los parámetros requeridos para calcular la capacidad frigorífica. Esta
medición sólo requiere de unos pocos segundos. Ver fig. 10.
El segundo dato necesario para calcular el valor del EER o COP es la potencia eléctrica de input
del equipo o sistema. Esta puede determinarse con una precisión aceptable y mayor laboriosidad, como
se ha expuesto en el trabajo, con una simple pinza amperimétrica digital. Otra opción es emplear un
instrumento de avanzada como una pinza digital medidora de potencia. Finalmente, el personal técnico
encargado de realizar la evaluación, procede a calcular la eficiencia energética aplicando cualquiera de
las sencillas expresiones conocidas (EER o COP) a partir de los valores hallados.
2. Vatímetro
Instrumento que permite medir los parámetros eléctricos de la red de corriente alterna tanto en
sistemas monofásicos como triásicos (ver fig. 11). Entre otros:
a) Mediciones indirectas mediante las pinzas (1 a 3 fases).
b) Mediciones de potencia: potencia activa (kW), potencia aparente ( kVA), potencia reactiva
(kVAR), factor de potencia (cos ), ángulo de fase , integrador de energía activa (kWh).
c) Mediciones de multímetro: Valor de tensión (V), valor de corriente (A), frecuencia (Hz).
Los valores de las mediciones pueden ser enviados, en algunos instrumentos de este tipo, a un
ordenador para procesarlos. Para ello el instrumento cuenta con software y el cable correspondiente de
interconexión.
Especificaciones técnicas [7]
Tensión (AC/TRMS) Hasta 600 V
Corriente (AC/TRMS) Hasta 1000 A
Medición de potencia activa Hasta 600 kW
Medición de potencia aparente Hasta 600 kVA
Medición de potencia reactiva Hasta 600 kVAR
Energía activa (contador kWh) Hasta 9999 kWh
Factor de potencia (cos ) 0.3 a 1.00 (inductivo y capacitivo)
Ángulo de fase 0-360°
Frecuencia 20-500 Hz
Pantalla LCD Con gráficos de barra e iluminación de fondo
Alimentación CD (batería)
Función de mantenimiento de datos para valores de máximo y mínimo
32
3. Cinta de medición metálica de acero flexible (enrollable), pintada y con escala
graduada en mm. Longitud 5 metros
Cualquiera de los tipos existentes en el mercado.
Fig. 8 Termo-anemómetro digital. Instrumento que permite medir la temperatura de bulbo seco, la humedad relativa y
velocidad del aire.
Fig. 9 Pinza amperimétrica digital. Permite realizar mediciones de intensidad y tensión de CA/CD, resistencia, frecuencia,
continuidad, etc.
33
Fig. 10 El instrumento TESTO 435. Permite determinar directamente la capacidad frigorífica del equipo de climatización o
refrigeración que se está evaluando.
Fig. 11 El vatímetro permite realizar mediciones de parámetros monofásicos y trifásicos en la red de corriente alterna. Entre
otros mide: tensión, corriente, frecuencia, potencia y energía.
34
ANEXO 1. Valores del rendimiento mínimo medio para equipos y sistemas de aire
acondicionado con condensación por aire y evaporativos
Solo como referencia orientativa se muestra en esta parte del trabajo los valores mínimos
(medio) de la eficiencia energética de los principales tipos de equipos y sistemas de climatización de
expansión directa con condensación por aire y evaporativo fabricados en los últimos 12 años.
Los valores expuestos varían con el año de fabricación del equipo, el nivel de la tecnología
empleada en su proceso de producción, así como con la tecnología de refrigeración que incorpora en su
diseño.
Debe tenerse en cuenta además, que durante su vida útil, los equipos van reduciendo su
eficiencia energética debido al incremento del desgaste de las piezas y partes de sus conjuntos, por el
aumento de las incrustaciones en los intercambiadores de calor, por el incremento de la suciedad y
deterioro de los filtros de aire, etc. Por lo que los valores de eficiencia en esas condiciones de operación,
son inferiores a los valores de diseño del equipo, sin embargo, ésta no deben ser inferior al 90 % del
valor del fabricante en condiciones estándar de operación. En aquellos casos en que el valor de la
eficiencia se encuentre en la zona de alarma (<90 % del valor de diseño) se debe someter el equipo o
sistema a una evaluación (defectación) para determinar las causas que provocan esa ineficiencia y
proceder a restablecer su valor original.
En el caso de sistemas de climatización compuestos por partes (conjunto evaporador,
condensador, compresor, etc.) que son suministrados por más de un proveedor, se tendrá que
especificar la eficiencia energética para cada uno de los componentes, basándose en la información de
cada fabricante. En estos casos la energía total de entrada para este equipamiento se halla por la
integración de las entradas de energía para todos los componentes, partes y accesorios (compresores,
ventiladores, controles etc.) que lo componen.
Tabla 1.A1: Valores mínimos de rendimiento de acondicionadores de aire domésticos (tipo ventana).(1)
TIPO DE EQUIPO CAPACIDAD kW (BTU/h) RENDIMIENTO MÍNIMO EER
Acondicionadores de aire de ventana con persianas laterales
Menor de 1.75 (6000) 8,5
Mayor o igual a 1.75 (6000) y menor de 2.35 (8000)
8,5
Mayor o igual a 2.35 (8000) y menor de 4.1 (14000)
9,0
Mayor o igual a 4.1 (14000) y menor de 5.85 (20000)
8,8
Mayor o igual a 5.85 (20000) 8,2
Acondicionadores de aire de ventana sin persianas laterales
Menor de 1.75 (6000) 8,0
Mayor o igual a 1.75 (6000) y menor de 5.85 (20000)
8,5
Mayor o igual a 5.85 (20000) 8,2 Nota: A partir del año 2000 los fabricantes suministran estos equipos con valores de EER entre 8,5 y 10.
(1)
Valor mínimo de diseño en el que entran un amplio grupo de fabricantes.
35
Tabla 2.A1: Valores mínimos de rendimiento de Mini-Split, Split y compactos con condensación por aire, operados
eléctricamente y con capacidad de enfriamiento < 39.5 KW (135000 BTU/h)(1)
. Excepto acondicionadores de ventana.
TIPO DE EQUIPO CAPACIDAD kW (BTU/h) RENDIMIENTO MÍNIMO EER
Sistemas Mini-Split Menor o igual a 4.1 (14000) 9,0
Mayor o igual a 4.1 (14000) y menor de 7.04 (24000)
9,2
Split con capacidad < 19 kW (65000 BTU/h)
Mayor de 7.04 (24000) y menor de 19 (65000)
9,0
Compactos Mayor de 7.04 (24000) y menor de
19 (65000) 8,5
Sistemas Split y compactos Mayor o igual a 19 (65000) y menor
de 39.5 (135000) 8,8
Tabla 3.A1: Valores mínimos de rendimiento de grandes sistemas acondicionadores de aire con condensación por aire
operados eléctricamente y con capacidades de enfriamiento > 39.5kW (135.000 BTU/h). (1)
TIPO DE EQUIPO CAPACIDAD kW (BTU/h) RENDIMIENTO MÍNIMO EER
Acondicionadores de aire con condensación por aire
Menor de 220 kW (760000 BTU/h) 8,5
Mayor o igual a 220 kW (760000 BTU/h) 8,2
Tabla 4.A1: Valores mínimos de rendimiento de grandes sistemas acondicionadores de aire con condensadores evaporativos
operados eléctricamente y con capacidad de enfriamiento > 39.5kW (135000 BTU/h)(1)
.
TIPO DE EQUIPO RENDIMIENTO MÍNIMO EER
Acondicionadores de aire con condensadores evaporativos tipos
Split y compacto 9,6
Unidad condensadora con condensador evaporativo
12,9
Con este trabajo se entrega un CD adjunto que incluye un archivo denominado “documentos de
referencia” en el cual se encuentra, entre otros, un fichero que presenta de forma integrada los
requerimientos mínimos de eficiencia energética que deben cumplir los equipos de HVAC(2) en base al
ASHRAE 90.1-1999 (2001) Energy Standard for buildings [8] y los valores con que un fabricante como
CARRIER entrega sus equipos a partir de 2002.
(1)
Valores mínimos de diseño en el que entran un amplio grupo de fabricantes. (2)
HVAC. Calefacción, ventilación y aire acondicionado (Heating, Ventilation and Air Conditioning).
36
ANEXO 2. Corrección de la potencia frigorífica, la potencia de input y los indicadores de
rendimiento energético.
1. Generalidades
Los parámetros de diseño del equipo, suministrados por el fabricante, son obtenidos en sus
bancos y cámaras de prueba bajo condiciones estándar de funcionamiento. Estas últimas corresponden
a normativas que son aceptadas internacionalmente. Sin embargo, las condiciones de funcionamiento
reales de los equipos de aire acondicionado raramente coinciden con esos parámetros de diseño
establecidos para el pico normal o estándar de verano de la zona climática que corresponda.
Las condiciones estándar establecidas para los equipos y sistemas de aire acondicionado de
expansión directa con condensación por aire y evaporativos operando en régimen de clima moderado
(T1), como corresponde a Venezuela son:
Temperatura Entrada del aire al evaporador Ambiente exterior
Bulbo seco: 26,7°C (27°C) 35°C
Bulbo húmedo: 19,4°C (19°C) 23,9 (24°C)(1)
Por lo tanto, para poder evaluar con exactitud la eficiencia con la que está funcionando un
equipo de aire acondicionado y poder compararla con su valor original de fabricación se deben
incorporar a los valores hallados en base las mediciones realizadas in-situ los factores de ajustes
necesarios que permitan transformar la potencia frigorífica y eléctrica de input, así como los indicadores
de eficiencia energética en su equivalente bajo condiciones estándar de funcionamiento. Se aclara que
los valores entre paréntesis que aparecen en la tabla corresponden a las aproximaciones aceptadas en
las normativas del sistema métrico.
Lo expuesto parece una tarea complicada, sin embargo, la misma se puede realizar de forma
relativamente sencilla y satisfactoria en la práctica, pues a pesar que la potencia frigorífica, el consumo
de la potencia de input y los indicadores de rendimiento del equipo de aire acondicionado varían, tanto
con los parámetros del ambiente exterior como con las condiciones de entrada del aire al evaporador,
los valores de los factores de ajuste (FA) que relacionan estos parámetros reales de operación con los
estándar de diseño, se comportan de forma relativamente constante independiente de la capacidad
frigorífica del equipo. Por lo tanto, a partir de este comportamiento se pueden calcular los parámetros
de funcionamiento del equipo en condiciones estándar, aún cuando sólo se disponga de los valores
reales de las mediciones realizadas in situ en otras condiciones de ambiente exterior y entrada del aire
al evaporador. Ver tablas 1.A2 y 2.A2 y los gráficos 1.A2 y 2.A2 respectivamente.
En general, las condiciones climáticas reales de entrada del aire al evaporador para condiciones
de confort, en la mayoría de las instalaciones de aire acondicionado, oscilan alrededor de la temperatura
de BH estándar (19,4oC). Por lo tanto, los valores de (FAQ)1 y (FAPi)1 son iguales a 1 en estos casos.
(1)
Valor no tomado en cuenta en los equipos de condensación por aire
37
Tabla 1.A2 Factores de ajuste de la potencia frigorífica (FAQ)1 y eléctrica de input (FAPi)1 en dependencia de la temperatura de
bulbo húmedo (BH) del aire a la entrada del evaporador.
Temperatura de bulbo húmedo (BH) del aire a la entrada del evaporador (°C)
13,9 16,7 19,4 (67 °F) 22,2
(FAQ)1 (FAPi)1 (FAQ)1 (FAPi)1 (FAQ)1 (FAPi)1 (FAQ)1 (FAPi)1
0,946 0,986 0,95 0,99 1,0 1,0 1,07 1,014
Obsérvese en la tabla 1.A2 y en su gráfica correspondiente que solo se toma la temperatura BH
para precisar las condiciones de entrada del aire al evaporador, ya que ésta es suficiente para
determinar la entalpía del aire a la entrada del equipo (h1), es decir, su energía.
Tabla 2.A2 Factores de ajuste de la potencia frigorífica (FAQ)2 y la potencia de input (FAPi)2 en dependencia de la temperatura
de bulbo seco (BS) del aire a la entrada del condensador.
Temperatura ambiente de entrada del aire al condensador (°C)
18 24 30 35 41 46 (FAQ)2 (FAPi)2 (FAQ)2 (FAPi)2 (FAQ)2 (FAPi)2 (FAQ)2 (FAPi)2 (FAQ)2 (FAPi)2 (FAQ)2 (FAPi)2
1,17 0,8 1,11 0,86 1,05 0,92 1,0 1,0 0,94 1,09 0,88 1,19
Gráfica 1.A2 Factores de ajuste de la potencia frigorífica y de input con la temperatura de bulbo húmedo (BH) de entrada de
aire al evaporador.
Gráfica 2.A2 Factores de ajuste de la potencia frigorífica y eléctrica de input en función de la temperatura de entrada del aire al
condensador
Temperatura ambiente de BS en °C
(FAQ)2 y (FAPi)2 vs. Temperatura
ambiente
(FAQ)1 y (FAPi)1 vs. Temperatura BH
38
Los valores de las tablas 1.A2 y 2.A2 con sus gráficas correspondientes fueron obtenidos por el
autor [9, 10] en trabajos investigativos realizados en la fábrica Frioclima S.A. sobre una muestra
suficiente de equipos que permite validar los resultados y extrapolarlos a otros similares.
2. Aplicación del procedimiento
Para realizar las correcciones a los parámetros medidos durante el funcionamiento del equipo se
aplica el siguiente procedimiento:
Con los resultados de las mediciones realizadas y los factores de ajuste obtenidos mediante las
tablas o gráficos de este anexo se calculan los valores reales de los parámetros del funcionamiento del
equipo y su rendimiento en condiciones estándar (T1).
2.1 Potencia frigorífica real suministrada por el equipo en condiciones estándar
Se calcula por la expresión:
(1.A2)
donde:
: potencia frigorífica real que entrega el equipo en su estado actual funcionando en régimen
estándar, expresada en Kcal/h.
: potencia frigorífica medida en Kcal/h.
(FAQ)1: factor de ajuste de la potencia frigorífica medida en el equipo en correspondencia con la
temperatura BH de entrada del aire al evaporador.
(FAQ)2: factor de ajuste de la potencia frigorífica medida en el equipo en correspondencia con la
temperatura BS de entrada del aire al condensador.
2.2 Potencia real de input demandada por el equipo funcionando en condiciones estándar.
Se calcula por la expresión:
(2.A2)
donde:
: potencia de input real consumida por el equipo funcionando bajo condiciones estándar en kW.
: potencia de input medida en la unidad condensadora en kW.
potencia de input medida en la unidad evaporadora (moto-ventilador y control) en kW.
39
En aquellos casos en que se estén evaluando sistemas de climatización del tipo doméstico (mini
Split y Split) de pequeña capacidad (hasta 5TR) no es necesario medir separadamente las potencias de la
unidad condensadora y evaporadora, dado que la potencia de esta última es pequeña comparada con la
primera. En este caso, la expresión (2 A.2) quedará así:
(3.A2)
donde:
: potencia de input total medida a la entrada de equipo ( + ) en kW.
La expresión 3.A2 es también aplicable a sistemas split y compactos con capacidades mayores
de 5TR en los cuales se acepte una desviación algo mayor en los valores calculados para las condiciones
estándar de funcionamiento.
3. Cálculo de los indicadores de eficiencia energética
El cálculo de los indicadores COP, EER, kW/TR, etc. se realiza de la misma manera expuesta en el
epígrafe 4.3 (expresiones 8,9 y 10) empleando los valores reales de la potencia frigorífica y de input en
condiciones estándar de funcionamiento del equipo obtenidos mediante este anexo.
4. Sistemas de refrigeración
Lo expuesto en este anexo es aplicable también a los sistemas de refrigeración de expansión
directa y condensación por aire. No obstante, es importante destacar que los mismos se emplean para
condiciones muy diversas de temperaturas y humedades en el interior de las cámaras frigoríficas con el
objetivo de garantizar los requerimientos de conservación de los productos almacenados.
Por lo tanto, lo importante a tener en cuenta durante la evaluación de la eficiencia energética
de estos sistemas es calcular la potencia frigorífica (Q) y la potencia eléctrica de input (Pi) a partir de las
mediciones realizadas in situ y transformarla a su equivalente en condiciones estándar para finalmente
proceder a comparar los valores hallados con los de fabrica.
40
ANEXO 3. Carta psicrométrica
En el acápite 4, inciso (d) del trabajo se expone el procedimiento para hallar la entalpía (energía
calorífica) del aire a la entrada y salida del evaporador empleando la carta psicrométrica, lo que permite
obtener de forma relativamente sencilla la cantidad de energía ganada o cedida por una unidad de masa
de aire seco (Kg.a.s.) en un proceso psicrométrico cualquiera.
Los ingenieros disponen en el mercado de una amplia variedad de cartas psicrométricas pero en
esencia todas son similares. Las mismas se construyen para una presión barométrica de 1,0 atm.,
equivalente a 1,033 Kg/cm2 (presión atmosférica estándar) lo que obliga a introducir correcciones
cuando la presión barométrica real no coincide con este valor. Por esta razón, la mayoría de las cartas
psicrométricas incorporan un procedimiento de corrección de sus valores en función de la presión
barométrica real.
Por otra parte, tomando en cuenta el rango de temperaturas de los procesos psicrométrico, en
el mercado se disponen de dos tipos de cartas, una para bajas temperaturas (t < 0°C) empleada en
refrigeración, ver figura 1.A3 y otra para climatización (t > 0°C), ver figura 2.A3
Fig. 1.A3 Carta psicrométrica para refrigeración
41
Fig. 2.A3 Carta psicrométrica para climatización
En la República Bolivariana de Venezuela la altura sobre el nivel del mar varía significativamente
de una localidad a otra e inclusive dentro de una misma localidad, por tanto, la presión barométrica
también, lo que se requiere introducir a los valores hallados en la carta psicrométrica las correcciones
correspondientes.
Al introducir las correcciones a los valores hallados en la carta psicrométrica, tomando en
cuenta la altura de la localidad sobre el nivel del mar, realmente lo que se está haciendo es reajustando
la densidad de aire, así como el resto de sus propiedades psicrométricas en función de la altura.
Las cartas psicrométricas de la ASHRAE para refrigeración y climatización son muy prácticas para
el cálculo manual. Sin embargo, la disponibilidad en esta especialidad de una amplia variedad de
software en el mercado para realizar estos cálculos simplifica extraordinariamente la tarea. En el anexo
5 de este documento, se muestra uno de estos software “Psicro94” y se expone además de manera
detallada su aplicación. El software Psicro94 se entrega como parte del trabajo y el mismo constituye
una herramienta de gran ayuda para los ingenieros encargados de realizar las auditorías energéticas.
42
ANEXO 4. Corrección de la presión atmosférica del aire húmedo con la altitud.
La densidad y la presión atmosférica del aire varían con la altitud, pues en la medida en que la
altura de una región o localidad aumenta la cantidad de aire por encima de la misma disminuye y por
tanto, su peso también. De esto se infiere que si la presión atmosférica es por definición el peso de la
columna de aire por unidad de superficie, al aumentar la altitud se reduce la presión atmosférica.
Por definición la presión atmosférica estándar o normal (atm) es la presión ejercida por el aire
normal con una densidad de 1.2 Kg/m3 a nivel del mar (altitud 0,0 m.s.n.m.) con temperatura de 20°C y
humedad relativa 45%. Este valor equivale también en otras unidades a:
1 atm= 760 mm Hg = 1,013 bar = 1,033 Kg/cm2 = 101,3 KPa
A veces en la industria se suele emplear el término “atmósfera técnica”(1)(at) para identificar la
presión ejercida por 1 Kilogramo fuerza, sobre un centímetro cuadrado de superficie (1Kgf/cm2). Por lo
tanto, la equivalencia entre la atmósfera estándar o normal y la técnica es:
1 atm= 1,033 at
La gráfica de la fig. 1.A4 muestra la variación de la presión atmosférica en atm con la altitud de
la localidad.
Fig. 1.A4 Variación de la presión atmosférica con la altura de la localidad.
El valor de la presión atmosférica obtenido mediante esta gráfica permite su empleo en la data
que debe suministrarse en el programa de cálculo Psicro94 para hallar las propiedades psicrométricas
del aire húmedo. Ver anexo 5.
1 También suele ser denominada atmósfera métrica.
Altitud (m)
Pre
sió
n a
tmo
sfér
ica
(atm
)
43
ANEXO 5. Programa Psicro94
El software de cálculo psicrométrico “Psicro94” es uno de los tantos productos de este tipo
disponibles en la actualidad para facilitar la tarea en esta temática a los especialistas de refrigeración y
climatización.
1. Empleo del programa.
Este software permite obtener de forma rápida, sencilla y con gran precisión las propiedades
psicrométricas del aire húmedo. Por lo tanto, el cálculo de la capacidad frigorífica real que un sistema o
equipo de refrigeración o climatización está suministrando durante su funcionamiento se convierte en
una tarea muy simple.
El software “Psicro94” se integra y se suministra como parte del trabajo para facilitar la labor del
personal técnico encargado de realizar las auditorías energéticas en las instalaciones de climatización y
refrigeración.
El programa Psicro94 es fácil de usar, fue elaborado para el sistema operativo MSDOS, sin
embargo, corre sin dificultad en Windows 98, 2000, XP, 2007, etc.
La primera pantalla, fig. 1.A5 nos muestra la presentación del programa. Observe a
continuación.
Fig. 1.A5 Presentación del programa Picro94.
44
La segunda pantalla da la opción al usuario de seleccionar la unidad de presión atmosférica (atm
o bar) que va a emplear en sus cálculos. Ver figura 2.A5.
Fig. 2.A5 Pantalla para introducir la unidad de presión atmosférica.
Una vez introducida la unidad de medida de presión atmosférica, el programa en su siguiente
pantalla (fig. 3.A5) permite introducir el valor específico de la presión previamente corregida en función
de la altura sobre el nivel del mar. Esta puede obtenerse directamente del gráfico 1.A4, ver anexo 4.
Fig. 3.A5 Pantalla para introducir el valor de la presión atmosférica corregida de la localidad.
45
En las dos pantallas siguientes el programa permite introducir dos (cualquieras) de las cinco
variables psicrométricas del aire húmedo, las cuales son suficientes para hallar el resto de sus
propiedades. Ver figuras 4.A5 y 5.A5.
Fig. 4.A5 Pantalla para introducir los valores de dos variables psicrométricos cualquiera del aire, suficientes para hallar el resto
de sus propiedades.
Fig. 5.A5 Programa con los datos necesarios introducidos listo para realizar los cálculos.
46
En la última pantalla, fig. 6.A5, se muestran los resultados del cálculo realizado por el programa.
En la misma se presentan las propiedades del aire húmedo para las condiciones previamente
establecidas por el usuario.
Fig. 6.A5 Aquí se muestran los resultados del cálculo del programa para las condiciones previamente establecidas por el
usuario.
Estos resultados permiten realizar a continuación el cálculo de la capacidad frigorífica real que
está entregando la instalación.
2 Cálculo de la capacidad frigorífica.
Con los resultados de la salida del programa Psicro94, el cálculo de la capacidad frigorífica de los
equipos y sistemas de refrigeración y climatización se convierte en una tarea simple ya que una vez
hallada la entalpía, conjuntamente con el resto de las propiedades psicrométricas del aire húmedo a la
entrada (I) y salida (II) del evaporador, el cálculo de la capacidad frigorífica se realiza mediante
elementales operaciones matemáticas. Para ello, se halla la masa de aire que circula a través del
evaporador por la expresión (2) evaluada para la densidad(1) del aire (ρ) a la entrada del mismo (I) y
finalmente se sustituyen los valores hallados de la entalpía en la expresión (3), obteniéndose la
capacidad frigorífica (Q).
(1) El programa suministra entre sus resultados el volumen específico (ve) en m3/Kg de aire seco, lo que
permite hallar la densidad ρ=1/ve
47
ANEXO 6. Modelo 1 Hoja___ /___
Datos del Centro o Institución
Nombre
Localización
Elaborado por
Tipo de Uso del equipo o sistema
Refrigeración: Climatización:
Tipo de equipo o sistema(1)
Datos del Fabricante(2)
Marca
Modelo
Año de fabricación Refrigerante Utilizado
Capacidad nominal
Neta N° de Inventario
Suministro eléctrico (Datos de placa)
Voltaje Nominal V Número de fases
Frecuencia Hz Corriente Nominal A
Potencia del equipo (input) __
Indicadores de eficiencia energética EER
COP
Potencia del moto-ventilador del evaporador (de no estar incluida) kW ( HP( ) FP
Información obtenida en el funcionamiento del equipo o sistema
Temperatura BS ambiente exterior: °C Temp. interior BS/BH del local climatizado: / °C
Área del retorno de aire a la entrada delevaporador
Ancho (b1) m Alto (h1) m Área=(b1*h1) m
Área de la toma de aire fresco Ancho (b2) m Alto (h2) m Área=(b2*h2) m
Velocidad media del aire a la entrada del evaporador: Retorno m/s Reposición m/s
Masa de aire total que fluye a través del evaporador: Kg/h
Temp. a la entrada del evaporador:
Bulbo seco °C H. Relativa % B. húmedo °C
Temp. a la salida del evaporador: Bulbo seco °C H. Relativa % B. húmedo °C
Estado de los componentes: BUENO REGULAR MALO OBSERVACIONES
Estado del filtro de aire:
Estado del evaporador:
Estado del condensador:
Tensión correa moto-ventilador evaporador:
Suministro eléctrico real (Medido in situ)
UNIDAD CONDENSADORA(3) UNIDAD INTERIOR(3)
Voltaje Corriente Fases cos Voltaje Corriente Fases cos
V A V A
Total equipo input
Voltaje Corriente Fases cos Frecuencia
V A Hz
Calculo de los Parámetros principales del equipo en condiciones estándar de funcionamiento
Capacidad Frigorífica Potencia (input) EERre
(1): Tipo de equipo (acondicionador de ventana, Split, rooftop, compactos, etc. (2): Data obtenida de la chapa y catálogo del equipo.
(3): Cuando las fases no están equilibradas se procede consecuentemente.
48
Hoja___ / ___
Observaciones:
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
Recomendaciones:
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Ejecutor: Recibido por:
Nombre: __ Nombre:
Firma: ____________________ Firma: _____________________
Fecha: ___________________
49
ANEXO 7. Variedad de equipos de expansión directa (DX) de climatización y refrigeración utilizados actualmente en el mercado
En este anexo se muestra, a manera de ejemplo, un grupo de los principales tipos de equipos de expansión directa para climatización y refrigeración presentes en el mercado. La variedad de marcas, modelos y precios disponibles comercialmente hoy en día es increíble, lo que genera una gran competencia entre los fabricantes, obligándolos a destinar grandes recursos para promocionar las bondades de sus productos. Por lo tanto, es imprescindible que los ingenieros aprendan a diferenciar la promoción comercial de los aspectos técnicos básicos que deben cumplimentar los equipos, para lo cual es imprescindible saber valorar los parámetros técnicos del producto ofertado y entre ellos esencialmente la eficiencia energética, fundamentado en la relación costo-beneficio durante toda la vida útil de equipo (período de depreciación). Recuérdese que al adquirir un equipo de climatización o refrigeración se está comprometiendo la fiabilidad del servicio de climatización o refrigeración, el costo de explotación de la instalación y los gastos de energía por periodos que pueden variar, según el tipo de equipo, ente 8 y 20 años.
También es importante que los ingenieros encargados de decidir la conveniencia de mantener en explotación o sustituir un equipo existente con varios años de uso por otro de nueva adquisición, evalúen con precisión la eficiencia energética con que está funcionando el equipo y sus condiciones técnicas reales de explotación en el tiempo aún predecible de vida útil del mismo, ya que solo es posible tomar esa decisión con la información fiable de su estado técnico y eficiencia para comparar esta última con la de otros equipos semejantes disponibles en el mercado y, a partir de un estudio costo-beneficio, decidir realmente cual es la solución más racional para la propiedad.
De lo expuesto se infiere la alta responsabilidad del personal encargado de evaluar la eficiencia energética de los equipos y sistemas de climatización y refrigeración, pues del resultado de su trabajo se deriva la mejor variante para decidir: mantener en explotación un equipo, recomendando además, los trabajos necesarios que se deben realizar para elevar su fiabilidad y eficiencia energética o recomendar la sustitución del mismo por lo incosteable que resulta su explotación.
En el CD que se entrega como parte del trabajo se incorporan varios ficheros con documentos normativos actualizados de los niveles mínimos de eficiencia energética que deben cumplir los equipos y sistemas de climatización en la actualidad. Esto constituye una buena referencia para los ingenieros encargados de las auditorías energéticas.
A continuación se presenta en este anexo una muestra de los principales tipos de equipos y sistemas de climatización y refrigeración de expansión directa disponibles en el mercado. Todas las figuras mostradas han sido obtenidas de los catálogos técnicos comerciales de los fabricantes.
En la fig. 1.A7 se muestra un modelo de acondicionador de aire de ventana. Estos equipos se colocan directamente en una sección de la ventana del local a acondicionar o a través de una abertura realizada en la pared. Se fabrican entre 0.5 y 2 TR.
50
Fig. 1.A7 Acondicionador de aire de ventana con mando a distancia. Se fabrican también con mando incorporado.
Los sistemas Split están conformados por una o varias unidades interiores las cuales cuentan con la posibilidad de colocarse directamente sobre el piso, la pared (high-wall), colgada del techo e inclusive ocultas sobre el falso techo y una unidad condensadora que se ubica en el exterior. Se fabrican desde 0.5 hasta 5 TR. Son ampliamente utilizados por el sector residencial y pequeños comercios. En la figura 2.A7 se muestran ejemplos de estos sistemas.
Fig. 2.A7 Sistemas split para el sector residencial.
En la figura 3.A7 se muestran dos arreglos diferentes de los sistemas mono-split. En una primera variante, conformado por una unidad de piso y una condensadora exterior interconectadas por tuberías de refrigerante (líquido y vapor), electricidad y control. En la segunda variante la unidad exterior se ha interconectado con una interior sin mueble (para ocultar) que se suele colocar sobre el falso techo.
51
Fig. 3.A7 Variantes de Sistemas Mono-split.
Los sistemas multisplit como se muestra en la figura 4.A7 están integrados por una unidad condensadora exterior y varias unidades interiores, en este caso, de pared (high-wall) que pueden estar colocadas en locales diferentes.
Fig. 4.A7 Sistema Multisplit.
Otro tipo de unidad ampliamente utilizado en el sector comercial e industrial son los sistemas rooftop, los cuales integran en una sola unidad, la condensadora y la manejadora de aire. Se fabrican para pequeñas medianas y grandes capacidades de sistemas de climatización. Un ejemplo de este tipo de equipos se muestra en las figuras 5.A7 y 6.A7. En la segunda imagen se observa a la izquierda la unidad manejadora (batería evaporadora + ventilador centrífugo) y a la derecha la unida condensadora con dos compresores scroll y la pizarra o tablero de fuerza y control.
52
Fig. 5.A7 Equipo rooftop (compacto).
Fig. 6.A7 El mismo rooftop de la figura anterior con las puertas y paneles de acceso abiertas.
En la figura 7.A7 se muestra un modelo de acondicionador de aire tipo split. Estos equipos suelen estar integrados por una unidad manejadora interior (evaporadora) que se interconecta mediante tuberías de refrigerante (líquido y vapor), electricidad y control con la unidad condensadora ubicada en el exterior.
Fig. 7.A7 Sistema split para climatización comercial e industrial.
53
Los sistemas compactos, también conocidos como monoblock para refrigeración comercial e industrial, integran en una sola unidad la evaporadora que se ubicada en el interior de la cámara frigorífica y la condensadora hacia la parte exterior. En la parte inferior derecha de la figura 8.A7 se presenta un esquema de instalación del equipo en un local refrigerado. Esta solución simplifica la instalación.
Fig. 8.A7 Equipo Compacto y esquema de instalación en un local refrigerado
A continuación se muestra un conjunto split para sistemas de refrigeración conformado por un evaporador y una unidad condensadora. El primero se instala en el interior de la cámara frigorífica (cuarto frío destinado a conservar alimentos, medicamentos u otros productos a temperaturas que pueden encontrarse sobre o bajo cero). Estos equipos son ampliamente usados en el sector comercial e industrial. Los mismos se interconectan mediante tuberías de refrigerante (líquido y vapor), electricidad y control. En la figura 9.A7, se presenta un ejemplo de estos sistemas.
Fig. 9.A7 conjunto split para sistemas de refrigeración.
A la izquierda de la figura 10.A7, se observa un evaporador instalado en el interior de la cámara fría y a la derecha las unidades condensadoras ubicadas en el exterior.
54
Fig. 10.A7 Vistas de una instalación de refrigeración.
Como se mencionó anteriormente en el trabajo, otra variante de equipo destinado para la climatización y refrigeración es el que emplea condensador evaporativo. Este equipo se caracteriza por sus excelentes prestaciones de intercambio térmico. El mismo requiere menos caudal de aire en relación con los condensadores de aire y menos caudal de agua de reposición que las torres de enfriamiento.
Los sistemas de refrigeración y climatización que emplean estos condensadores permiten incrementar la eficiencia energética, al menos, en un 15 % respecto a los condensadores enfriados por aire y en ocasiones llegan hasta el 30%. Su punto débil radica en las mayores exigencias en la operación, mantenimiento y mayor costo de inversión respecto a los condensadores de aire. Sin embargo, van ganando terreno en el mercado por causa de su mayor eficiencia en medianas y grandes instalaciones sobre todo en el campo de la refrigeración. En la figura 11.A7 se presenta un ejemplo de estos sistemas.
Fig. 11.A7 Vista isométrica y elevación de un condensador evaporativo.
55
ANEXO 8. Evaluación periódica del rendimiento de los equipos de producción de frío en los
edificios
Como recomendación se propone en este anexo, a la entidad encargada de efectuar las
auditorías energéticas, realizar un análisis y evaluación periódica del rendimiento de los equipos de
expansión directa (DX) productores de frío, preferiblemente mayores de 10 TR (35 KW), chequeando los
parámetros mostrados en tabla 1.A8 con la periodicidad indicada en la misma. Esta propuesta es una
recomendación del autor en base a su experiencia y además, ésta se fundamenta en los requerimientos
establecidos en el RITE español actualmente vigente según el Real Decreto 1027/2007. Esta tarea en la
actualidad la viene llevando a cabo en el Distrito Capital de Venezuela la Unidad de Uso Racional y
Eficiente de la Energía de CORPOELEC, sin embargo por su importancia, laboriosidad y el volumen de
trabajo que se requiere para realizarla con calidad, pudiera ser necesario en un futuro la participación
de otras entidades ejecutoras no sólo en Caracas, sino en todo el país, bajo el control normativo, por
ejemplo, de la actual CORPOELEC. Esto lo determinará en definitiva la prioridad que se le dé en
Venezuela al ahorro energético en un futuro.
Tabla 1.A8: Parámetros a revisar y periodicidad de revisiones según tipo de equipo.
Parámetros a medir o calcular
Periodicidad de la Auditoría
35KW<Q>350 KW P> 350KW
1. Temperatura y humedad del aire en la entrada y salida del evaporador 3 m 1 m
2 .Temperatura del aire exterior en la entrada y salida del condensador(1)
3 m 1 m
3. Caudal de aire en la batería evaporadora 3 m 1 m
3. Caída de presión del aire en el filtro del evaporador 3 m 1 m
4. Presión de evaporación (baja) 3 m 1 m
5.Presión de condensación (alta) 3 m 1 m
5.Potencia frigorífica suministrada por el sistema 3 m 1 m
6. Potencia eléctrica de input absorbida de la red 3 m 1 m
7. Coeficiente de eficiencia Energética EER ó COP 3 m 1 m
m: controlar una vez al mes 3 m: controlar cada 3 meses (1)
En equipos con condensadores evaporativos emplear la temperatura de bulbo húmedo.
Los valores detallados de las mediciones y cálculos realizados durante la labor de la auditoría
energética aparecerán reflejados en el modelo No.1 del anexo 6.
56
BIBLIOGRAFÍA
[1] ARI 210/240-2008. Standard for performance Rating of Unitary Air-Conditioning & Air-Source Heat
Pump Equipment Air Conditioning , Heating and Refrigeration Institute. 2008
[2] ISO 5151-2010. Non ducted air conditioners an heat pump-testing and rating for performance.
Second Edition. 2010-06-15
[3] Psicro94. Programa para el cálculo de las propiedades del aire húmedo. 1994
[4] Termo-anemómetro PCE-009. Equipos de medidas para el sector industrial y profesional. PCE Group
Ibérica. 2010
[5] Pinza amperimétrica PCE-DCH. Equipos de medidas para el sector industrial y profesional. PCE Group
Ibérica. 2010
[6] Instrumento multifunción Testo 435+COP para Aire Acondicionado y calidad del aire interior. Grupo
Testo S.A. 2010
[7] Vatímetro de 3 fases, medidor de potencia y energía PCE-830. PCE Group Ibérica. 2010
[8] ASHRAE 90.1-1999(2001). Energy Standard for building
[9] Díaz Hernandez, J. A. Coeficientes de ajustes de la capacidad frigorífica y la potencia eléctrica de
input de los equipos de aire acondicionado con condensación por aire en función de la temperatura de
bulbo húmedo de entrada del aire al evaporador. Monografía. Frioclima S.A. Habana Cuba. Marzo 1998
[10] Díaz Hernandez, J. A. Coeficientes de ajustes de la capacidad frigorífica y la potencia eléctrica de
input de los equipos de aire acondicionado con condensación por aire en función de la temperatura
ambiente exterior. Monografía. Frioclima S.A. Habana Cuba. Junio 1998
57
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
1. Stoecker, W. F.; Jones J.W. refrigeración y acondicionamiento de aire. 2da Edición México.
Editorial McGraw Hill. 1982
2. Rodriguez Pérez Carlos; Medición del factor de potencia. Dpto. de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica. Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México. 2009
3. NC 220-3. Edificaciones. Requisitos de diseño para la eficiencia energética. Parte 3. Sistemas y
equipamientos de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Julio 2009