Gu a de dise o
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Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Guía de diseño Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 2 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Guía de diseño Esta publicación ha sido producida en el marco del proyecto SOLAIR que cuenta con el apoyo del programa de la Comisión Europea Intelligent Energy‐Europe. SOLAIR pretende sobre todo capacitar, promover e influir en el proceso de toma de decisiones a la hora de implementar sistemas de aire acondicionado solar (SAC) de tamaño pequeño y medio para aumentar la confianza en la tecnología y fomentar su desarrollo. Octubre de 2009 www.solair‐project.eu Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Este informe fue preparado como entrega D10 del proyecto SOLAIR sobre la base de material e información proporcionada por todos los socios del proyecto. Editado por Edo Wiemken, Fraunhofer ISE. El capítulo uno – Refrigeración de edificios y aire acondicionado – fue elaborado por Sašo Medved, de la Universidad de Ljubljana, Eslovenia. El capítulo siete – Herramientas de planificación – fue elaborado por Maria João Carvalho, INETI, Portugal. SOLAIR está coordinado por • target GmbH, Alemania Socios en el consorcio SOLAIR: • AEE – Institute for Sustainable Technologies, Austria • Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Alemania • Instituto Nacional de Engenharia, Technologia e Innovação INETI, Portugal • Politecnico di Milano, Italia • Univerza v Ljubljani, Eslovenia • AIGUASOL, España • TECSOL, Francia • Federation of European Heating and Air‐conditioning Associations RHEVA, Países Bajos • Centre for Renewable Energy Sources CRES, Grecia • Ente Vasco de la Energia EVE, España • Provincia di Lecce, Italia • Ambiente Italia, Italia SOLAIR está apoyado por Toda la responsabilidad sobre el contenido de este informe recae en los autores del mismo. La opinión de las Comunidades Europeas no está necesariamente reflejada. La Comisión Europea no se hace responsable de ningún uso que pueda derivarse de la información contenida 4 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Índice de contenidos Introducción ................................................................................................................................ 7 1 Refrigeración y aire acondicionado en edificios ......................................................... 9 1.1 Confort térmico en interiores ........................................................................................... 9 1.2 Demanda de frío en edificios .......................................................................................... 13 1.3 Principios de conservación energética ............................................................................ 17 1.4 Fundamentos de refrigeración solar ............................................................................... 21 1.5 Impacto de los cambios de clima en el confort térmico interior y demanda energética para refrigeración ......................................................................................... 24 2 Tecnologías aplicables a sistemas de aire acondicionado solar ................................. 27 2.1 Sistemas de agua enfriada .............................................................................................. 30 2.2 Procesos de ciclo abierto ............................................................................................... 38 2.3 Captadores solares térmicos ........................................................................................... 41 3 Requisitos generales de sistemas de aire acondicionado solar ................................. 48 3.1 Ahorro de energía primaria............................................................................................. 48 3.2 Requisitos en el diseño de un sistema básico ................................................................. 52 3.3 Sistema de disipación de calor ........................................................................................ 54 3.4 Sistema de captador solar ............................................................................................... 56 4 Selección de la tecnología apropiada ....................................................................... 63 4.1 Sistemas aire‐agua ............................................................................................... 65 4.2 Sistema todo aire + distribución de agua enfriada ......................................................... 69 4.3 Sistema de suministro de aire + distribución de agua enfriada ...................................... 72 4.4 Sistema todo agua ............................................................................................... 73 5 Pequeños sistemas: esquemas para aplicaciones típicas .......................................... 75 6 Recomendaciones para el seguimiento y mantenimiento de la instalación .............. 82 7 Herramientas de dimensionado ............................................................................... 90 7.1 Planteamientos de diseño ............................................................................................... 90 7.2 Reglas generales ............................................................................................... 92 7.3 Herramientas sencillas de prediseño .............................................................................. 94 7.4 Herramientas de simulación detalladas ........................................................................ 104 5 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 6 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Introducción La demanda de refrigeración y aire acondicionado para edificios sigue aumentando con rapidez. Para hacerse una idea: en 2008 el ritmo de ventas de pequeños aparatos de aire acondicionado (capacidad refrigerante de < 5 kW) fue de cerca de 82 millones de unidades en todo el mundo, de las que 8.6 millones fueron vendidas en Europa. No debería sorprender que en determinadas áreas sea durante las temporadas de verano cuando se alcanza el consumo pico en la red eléctrica pública a causa de los aparatos eléctricos de aire acondicionado. En Alemania, país que sin duda no cuenta con la más alta demanda de refrigeración y aire acondicionado, la demanda total de electricidad para aire acondicionado en edificios durante el 2006 representó aproximadamente un 5% del total de la factura eléctrica (14% para la suma de aire acondicionado y refrigeración); en otros países del Sur de Europa la proporción tiene que ser bastante más alta. A día de hoy el aire acondicionado en edificios se basa sobre todo en tecnologías de compresión mecánica. Aunque para los nuevos desarrollos, principalmente de gran capacidad, se han documentado altas eficiencias en el ciclo de compresión, se supone que la media de aparatos de aire acondicionado existentes en los edificios producen un promedio de menos de 3 kWh de ‘frío’ con una entrada de electricidad de 1 kWhel. Por lo tanto, esto implica que 1 kWh de energía primaria se usa para la provisión de 1 kWh de ‘frío’ útil. En el mismo momento en el que se produce la demanda pico de frío, en numerosos lugares están disponibles grandes cantidades de radiación solar que podrían usarse para procesos generados térmicamente, por ejemplo refrigeración y aire acondicionado. Los procesos son por lo común bien conocidos y nada nuevos. La refrigeración generada térmicamente se ha aplicado durante las últimas décadas en nichos de mercado, preferentemente en categorías de gran capacidad, usando el calor residual o el calor procedente de la producción combinada de calor y energía (cogeneración). Sin embargo, la combinación de esta tecnología con calor solar es nueva y complica el proceso. Hasta la fecha, la refrigeración solar y el aire acondicionado solar se han probado en unos pocos centenares de instalaciones. Las soluciones de refrigeración/calefacción solar contribuyen a un sistema de suministro respetuoso con el medio ambiente en edificios, por los siguientes motivos: • Unos ahorros notables en el consumo de energía primaria y reducción posible de emisiones de CO2 • Una disminución de la demanda de la red eléctrica pública, tanto en términos de energía pico como de electricidad, contribuyendo a la estabilización de la red • La utilización del calor solar combinado para calentar, refrigerar y obtener agua caliente sanitaria – a partir de ahora ACS ‐ , permitiendo una alta utilización del sistema térmico solar durante todas las estaciones • La no‐utilización de refrigerantes peligrosos para el medio ambiente • La reducción de ruidos y vibraciones comparado con las tecnologías de compresión clásicas 7 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Por lo tanto, es útil apoyar el desarrollo en el mercado de esta tecnología; estas directrices, editadas en el marco del proyecto SOLAIR1, forman parte de las actividades de apoyo. Las interacciones entre el diseño del sistema de climatización y el sistema térmico solar se tienen que tener en cuenta el la fase del proyecto. El correcto diseño de un sistema de refrigeración y aire acondicionado solar y la elección de los componentes interactúan en gran medida con las condiciones del lugar (condiciones climáticas) y con la demanda de frío (condiciones de carga). Estas directrices pretenden apoyar la comprensión de las interacciones y brindar a la vez unas pinceladas sobre el estado del arte de la refrigeración solar y el aire acondicionado solar. Puesto que una de las medidas más rentables en el planteamiento de un sistema de aire acondicionado es la reducción de cargas refrigerantes desde la planificación del edificio y la fase de diseño, el capítulo uno trata los aspectos generales de la refrigeración y aire acondicionado en edificios. También prepara a quien se adentre en su lectura para los siguientes capítulos, enfatizando los aspectos técnicos de las tecnologías solares de generación térmica. En todo caso, algunos aspectos de la refrigeración y el aire acondicionado solar pueden no encontrar toda la atención adecuada en estas directrices, como por ejemplo más detalles sobre el sistema de control o información detallada sobre la instalación adaptada al lugar. La razón de esta falta es que el proceso de desarrollo y preparación de dicha información está todavía en marcha. Esta guía está pensada para un público con conocimientos técnicos en el campo de sistemas de frío y calor, pero también es accesible a cualquiera que tenga interés en este tema. Una descripción más exhaustiva de la refrigeración y el aire acondicionado solar se puede encontrar en el manual ‘Solar Assisted Air‐Conditioning in Buildings’2, elaborado en la Tarea 25 sobre Refrigeración Solar en el marco del Programa de Calefacción y Refrigeración Solar (SHC) de la Agencia Internacional de Energía (IEA). Dentro de la actual Tarea 38 ‘Aire Acondicionado y Refrigeración Solar’, se publicará una nueva edición de este manual en 2010. En este contexto con el presente manual, estas directrices pueden ser vistas en ambos sentidos: por un lado como una sencilla introducción a la refrigeración y aire acondicionado solar y por el otro, como un complemento al manual, más práctico y más orientado hacia el mercado. 1
SOLAIR ‐ Aumentando la Implementación en el Mercado de los Sistemas de Aire Acondicionado Solar para Aplicaciones Pequeñas y Medianas y Edificios Comerciales (SOLAIR). Apoyado en el Programa Europa Energía Inteligente de la Comisión Europea. EIE/06/034/S12.446612. Duración: hasta 12/2009.www.solair‐project.eu 2
Hans‐Martin Henning (Editor): Solar Assisted Air‐Conditioning of Buildings – A Handbook for Planners. Segunda edición revisada 2007. ISBN 978‐3‐211‐73095‐9, Springer Viena ‐ Nueva York. 8 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1 Refrigeración y aire acondicionado en edificios El objetivo principal de todo técnico de edificios (arquitectos, ingenieros, …) es asegurar que el ambiente sea lo más agradable y saludable para la gente que habita el edificio. No obstante, el reto es conseguir un confort óptimo en interiores con un consumo de energía y un impacto ambiental mínimos. Desde el punto de vista de la ingeniería, la calidad del ambiente interior se define en cuatro grupos de requisitos: confort térmico, calidad del aire interior, confort lumínico y protección contra el ruido. Por lo que respecta al consumo de energía, lo más importante es satisfacer los requisitos de confort térmico. Confort térmico Calidad del aire interior Confort visual/lumínico Protección contra el ruido
IEQ
Imagen 1.1 La calidad deI ambiente en interiores podría asegurarse respetando estos cuatro grupos de requisitos 1.1 Confort térmico en interiores Los humanos son seres de sangre caliente con una temperatura corporal constante (37 ± 0.8°C), independientemente de la temperatura de fuera y de la actividad muscular. El cuerpo produce calor en órganos internos con la combustión (oxidación) de substancias nutritivas. Este proceso se llama metabolismo o metabolismo basal. El metabolismo está regulado por nuestro cuerpo con respecto a la actividad del momento. De manera similar a las máquinas de calor, el cuerpo humano debe mandar el exceso de calor al exterior por medio de diferentes mecanismos de transferencia de calor. Si dicha transferencia de calor desde el interior del cuerpo hacia fuera no produce ninguna sensación desagradable, entonces se cumplen las condiciones de confort térmico. 9 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Imagen 1.2 El cuerpo humano emite calor sensible y latente hacia el exterior usando para ello diferentes procesos de transferencia de calor. Si este proceso no causa una sensación desagradable, se ha facilitado el confort térmico. El cuerpo emite el calor en forma de calor sensible y latente. El calor sensible se emite con convección y radiación del cuerpo al aire y las superficies circundantes, conduciendo el calor a las áreas donde nos situamos y exhalando el aire caliente. El calor latente se emite a los alrededores mediante la difusión de vapor a través de la piel, la evaporación del agua en la superficie de la piel y la humidificación del aire exhalado. heat flux (W)
air temperature (oC)
Imagen 1.3 Los mecanismos de transferencia de calor y el flujo emitido por el cuerpo humano a los alrededores dependen de la temperatura del aire y de la humedad ‐ a bajas temperaturas la radiación y convección son los mecanismos más importantes, mientras que por encima de 30°C la transferencia de calor es dominante, también se emiten cantidades de vapor de agua en función de la temperatura del aire. 1.1.1 Parámetros de confort térmico de interiores La importancia de los mecanismos individuales de transferencia de calor varían con respecto al estado del ambiente en el interior que es evaluado con diferentes parámetros: temperatura del aire, temperatura radiante media de las superficies circundantes, velocidad y humedad del aire. A causa de que la cantidad de calor que emite el cuerpo depende de la dificultad del trabajo y la ropa puesta, el nivel de actividad que se expresa en “met” y la ropa que se expresa en “clo” son dos parámetros muy importantes que afectan al confort termal. 1 Met corresponde a 58 W emitidos por 1 m2 de superficie humana o aproximadamente 100 W en total. Durante un duro ejercicio, el ritmo metabólico puede alcanzar hasta 10 Met y ello corresponde a un flujo emitido de 270 W. Clo es proporcional a la resistencia térmica de la ropa. Los valores característicos son 0 clo para un cuerpo desnudo, 1 clo para un traje de ejecutivo y 3 clo para ropas de invierno. 10 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Temperatura del aire en interiores Ti es el indicador más claro de confort térmico adecuado. En principio, la temperatura debería ser más alta a menor actividad y ropas más ligeras. Para la refrigeración de edificios es importante que nuestro cuerpo sea capaz de adaptarse a las condiciones de la temporada. Por ello, las temperaturas interiores apropiadas oscilan entre 20 y 22oC en invierno y entre 26 y 27oC en verano, cuando la temperatura ambiente está por encima de 30°C. Temperatura radiante media Tr es la temperatura media de las superficies que rodean el espacio habitado. Tiene una gran influencia sobre la transferencia de calor radiactivo entre el cuerpo humano y sus inmediaciones. La diferencia entre la temperatura del aire en interiores Ti y la temperatura radiante media Tr no debería exceder 2K. Durante el verano, las superficies de interiores o las persianas expuestas a la radiación solar pueden calentarse por encima de 50°C y más, lo que puede resultar molesto. Las ventanas exteriores con colores brillantes o reflectantes son una buena solución para reducir la temperatura radiante media. La velocidad del aire en el habitáculo afecta a las pérdidas de calor convectivo y la evaporación del agua que expulsamos a través de la piel y las glándulas sudoríparas. Durante la temporada de calefacción nuestro cuerpo padece sensaciones desagradables por encima de 0.15 m/s, mientras que durante el verano no tenemos problemas de confort con velocidades superiores a 0.6 o incluso 0.8 m/s. Por ejemplo, podemos aumentar el flujo de aire circundante de nuestros cuerpos con un ventilador de techo y de ello resulta una sensación ambiental más fresca. La humedad del aire afecta a la transferencia de calor desde los cuerpos al aire circundante. Por ello, en caso de temperaturas más elevadas el nivel de humedad debe ser menor. La humedad del aire en edificios varía a causa del aire acondicionado así como diferentes fuentes de vapor de agua en los habitáculos (humanos, plantas, cocinas, etc.). La humedad del aire puede ser dada en contenido de humedad de aire x, que se define con una relación de masa de vapor de agua (en g o kg) añadida a la masa de 1 kilogramo de aire seco (los valores típicos son de entre 5 a 20 g/kg) o en humedad relativa (HREL) que se define como una relación entre la presión del aire y la presión de vapor saturado a la misma temperatura. Los valores se expresan en porcentajes en rangos que oscilan entre 0% en aire seco y 100% en aire saturado con vapor de agua. En una temperatura de aire Ti entre 20 ‐ 26°C la humedad del aire (HREL) debería ser 70 a 35%, o el contenido de humedad x no debería exceder 11.5 g/kg. En la práctica la humedad del aire no debería reducirse por la refrigeración del aire más allá de su punto de rocío con aparatos de refrigeración en habitaciones o con unidades centrales de aire acondicionado. En ambos casos la deshumidificación aumenta el consumo eléctrico, a no ser que se usen aparatos accionados térmicamente en vez de sistemas generados por compresor. 1.1.2 Indicadores integrados de confort térmico La influencia conjunta de los parámetros de confort térmico debería ser evaluada con el indicador del voto medio predicho (PMV, Predicted Mean Vote). El PMV es una escala de valoración relativa del confort térmico en entornos de interiores. Los valores de PMV oscilan en un rango de entre ‐3 (frío), ‐2 (moderadamente frío), ‐1 (agradablemente frío), 0 (neutral), +1 (agradablemente cálido), +2 (caliente) y +3 (ambiente caluroso). El valor de PMV 0 significa un ambiente neutro, los valores positivos significan un ambiente más caluroso y los valores negativos un ambiente más frío. El valor de PMV se establece mediante una expresión matemática o basado en parámetros de medidas de confort térmico y considerando la actividad y vestimenta de sus moradores. El PMV puede relacionarse con el porcentaje de gente descontenta (PPD, Percentage of Dissatisfied People), que nos señala la proporción de personas insatisfechas en el espacio observado. 11 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Imagen 1.4 Instrumento para determinar el voto medio predicho (PMV) de ambiente en interiores; sensor para medir la temperatura, velocidad y humedad, mandos para entradas Met y Clo. Imagen 1.5 Instrumento de Correlación entre valores PMV y PPD. Según la gráfica, a PMV +2 80% de personas estarán insatisfechas con el ambiente térmico. Fuente: [EN ISO 7730, 2005] Las demandas relativas al ambiente térmico en interiores están definidas en muchas normas y regulaciones internacionales y nacionales. Así, la norma EN 15251 define tres niveles de expectativa de confort: clase A (expectativa alta), clase B (expectativa normal) y clase C (expectativa moderada). Para la clase A el PMV debe ser ± 0.2 (corresponde con PPD < 6%), para la clase B ± 0.5 (PPD < 10%) y para la clase C ± 0.7 (PPD < 15%). La norma EN ISO 7730 define el confort térmico como aceptable si el 80% o más habitantes se sienten cómodos en dicho ambiente interior. En tanto que la refrigeración de edificios está estrechamente relacionada a las temperaturas del aire y la humedad en interiores, igualmente se podrían emplear otros indicadores de confort. La temperatura operativa de bulbo húmedo es la temperatura del ambiente con 100% de humedad relativa en la que un cuerpo humano emite la misma cantidad total de calor que en un ambiente real. El índice de estrés térmico es la relación del total de pérdidas evaporativas del cuerpo humano necesarias para el confort térmico y el máximo de pérdidas evaporativas de calor posibles en el mismo ambiente, multiplicadas por factor 100. El valor decimal de índice de estrés térmico se llama humedad cutánea. 12 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1.2 Demanda de frío en edificios 1.2.1 Cargas refrigerantes y demanda energética para la refrigeración de edificios Las cargas refrigerantes y la energética pueden ser calculadas empleando diferentes aproximaciones. En ingeniería con frecuencia se usa la norma VDI 2078 y los procedimientos de cálculo ASHRAE. Independientemente del método, la determinación de las aportaciones de calor es el primer paso en el análisis de refrigeración de edificios. Las aportaciones de calor se dividen en sensibles y latentes. Las aportaciones de calor sensibles están originadas por: • radiación solar y transferencia de calor a través de ventanas • transferencia de calor transitorio a través del revestimiento opaco del edificio • aportaciones de calor internas (humanas, lumínicas, de aparatos...) • transferencia de calor a través de intercambio de aire entre el exterior y el edificio a causa de la infiltración y la ventilación Las aportaciones de calor a través de las ventanas y paredes traslúcidas pueden caracterizarse por diferentes parámetros ópticos: • transmisividad de radiación solar t • transmisividad total de energía g • factor de sombreado o dispositivos de sombreado Sf La transmisividad de radiación solar es la relación entre la radiación solar transmitida y entrante. Como los cristales absorben parte de la radiación solar, se obtienen aportaciones de calor adicionales debido al flujo de radiación y convección de calor desde la capa interior de vidrio hacia el interior. La suma de aportaciones de calor se puede expresar mediante el valor g igual que la relación entre la suma de radiación solar y el flujo de aportaciones de calor y la radiación solar entrante en la superficie de una ventana. El valor g es la característica de ventana más adecuada para determinar la carga de refrigeración. Las cargas de refrigeración a través del revestimiento de un edificio podrían ser reducidas considerablemente con la selección de dispositivos de sombreado efectivos. 13 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano τ=
Gi
G Sf =
g=
Gi + qk + qs
G
G'
G
Imagen 1.6 La transmisividad τ de los cristales es la relación entre transmitido (Gi) y radiación solar entrante (G) (izquierda); la transmisividad g total de energía de los cristales es la relación entre la suma de radiación solar transmitida y el flujo de calor transferido desde la superficie interior del vidrio mediante radiación y convección (Gi + qk+qs) y radiación solar entrante G. (medio); el factor de sombreado Sf de las persianas es la relación entre la radiación solar transmitida G’ y la radiación solar entrante G (derecha) Las aportaciones de calor a través del revestimiento opaco del edificio dependen de la radiación solar absorbida (orientación del muro y superficie de color), la conductividad térmica de los materiales de los muros y de la acumulación de las paredes. Las aportaciones de calor se pueden calcular mediante análisis horarios de la transferencia de calor continuo, reemplazando las diferencias de temperatura del aire con respecto a la diferencia de temperatura, como sugiere el VDI 2078. Dado que los elementos de revestimiento en las edificaciones modernas tienen un coeficiente bajo de transferencia de calor, en la mayoría de casos, las aportaciones de calor a través de elementos opacos son pequeñas. A menudo, las aportaciones de calor internas son el principal motivo de sobrecalentamiento. El propio cuerpo humano emite un flujo de calor entre 100 W y 250 W en condiciones de mucha actividad. Igualmente, muchos aparatos característicos de edificios comerciales favorecen grandes aportaciones de calor en el interior. Un buen diseño de iluminación natural y el uso de lámparas compactas de alta eficiencia y LED pueden reducir significativamente las cargas de refrigeración interna. Los edificios modernos son lo bastante cerrados como para prevenir una infiltración notable de aire exterior en la edificación. No obstante deben estar ventilados para asegurar una calidad de aire adecuada en el interior. La ventilación mecánica debe ser regulada según la demanda para garantizar una carga de refrigeración más baja con el suministro de aire. Las aportaciones de calor latentes en los edificios por lo común son generadas por diferentes fuentes de vapor de agua. En cambio, en regiones húmedas, el suministro de aire externo debe ser deshumidificado antes de su suministro en los edificios. Por ejemplo, el cuerpo humano emite hasta 50 g de vapor de agua por hora y las plantas hasta 20 g por día. 14 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices La carga de refrigeración indica el flujo de calor (índice de energía eliminada) necesaria para satisfacer los requisitos de confort térmico, sobre todo respecto a la temperatura interior del aire y a la humedad. Las aportaciones transitorias de calor dependientes del tiempo y las cargas de refrigeración difieren en magnitud y temporalidad debido a la acumulación de calor en los edificios. Las cargas de refrigeración se calculan según un día caliente de verano y para el diseño de la refrigeración del edificio se toma el valor máximo diario. Otros métodos más avanzados se basan en un análisis horario usando una herramienta informática, TRNSYS por ejemplo es muy conocida. En dichas herramientas, se usa un Test de Año Típico (TRY, Test Reference Year) como fuente de datos meteorológicos para ubicaciones específicas. El software Meteonorm (CD publicado por James & James, Gran Bretaña) incluye TRY para más de 5000 localizaciones en todo el mundo. Dichas herramientas son útiles sobre todo para el cálculo de la demanda energética para refrigeración que cuenta la carga refrigerante horaria, el COPel del aparato refrigerador y la eficiencia general del sistema de refrigeración. En el Capítulo 7 se detallan descripciones de las herramientas de trabajo. Nota importante: La Directriz de Rendimiento Energético de los Edificios (EPBD, Energy Performance of Buildings Directive) insta a que la demanda energética para refrigeración se incluya en los indicadores de rendimiento energético de las edificaciones. Como consecuencia de ello, algunas regulaciones estatales limitan la potencia nominal de los aparatos de refrigeración. Por ejemplo, en Eslovenia la potencia permitida de un aparato de refrigeración es de 24 W por m3 de volumen del edificio. 15 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 1.2.2. Casos estudiados A continuación se presentan las cargas anuales de refrigeración específicas y la demanda energética (eléctrica) en cuatro edificios de negocios, como ejemplos de simulación informática. Todas las edificaciones están levantadas en áreas de clima continental. Carga de Carga de Demanda Demanda refrigeración 3
(W/m ) refrigeración 2
(W/m ) energética útil (calor) 2
(kWh/m ) energética final (electricidad) 2
(kWh/m )
Edificio de oficinas 1 7.7 21 8 3.4 31 84 51 18.7 14 38 29 10.6 21.6 76 58 19.2 Edificio de oficinas 2 Edificio de oficinas 3 Centro comercial Tabla 1.1 Cargas anuales de refrigeración específicas y demanda energética en cuatro edificios de negocios Observación: la energía útil está relacionada con la cantidad de calor extraído desde el aire del interior, la demanda energética final está relacionada con la demanda de electricidad de la refrigeración mecánica. 16 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1.3 Principios de conservación energética La demanda energética para refrigerar edificios puede reducirse al implementar los cinco principios presentados en la imagen 1.7: control de radiación solar, reducción de aportaciones de calor mediante el revestimiento opaco del edificio, ventilación nocturna intensiva, reducción de aportaciones interiores e implementación de técnicas de refrigeración gratuita (free‐cooling). Imagen 1.7 Principios de conservación energética para la refrigeración de edificios. Fuente [McQuiston et al., 2005] Los dispositivos de sombreado deben ser externos y muy reflectantes para la radiación solar, montados de tal manera que posibiliten tanto la refrigeración convectiva como la iluminación diurna del interior. La imagen 1.8 muestra el perfil de temperatura en una oficina sin persianas y refrigeración mecánica y en las oficinas cercanas con persianas externas; los dispositivos de sombreado están instalados de tal manera que se facilita la refrigeración convectiva en ambos lados de las persianas y son movibles para mejorar el factor de sombreado Sf durante todo el día y permite una iluminación óptima diurna en las oficinas. Temperatura prostoraRoom
v tretjem
nadstropju (oC)
temperature
(°C)
48
Brez
senčil in haljenja
Without
shadings
Zunanja lamelna senčila, nehlajen prostor
43
With shadings
38
33
28
23
18
3984
4152
4320
4488
4656
4824
4992
5160
v letu
Hour starting Dan
1st of
January
Imagen 1.8 Sólo los dispositivos de sombreado externos, de alta reflexión y movibles controlan con éxito las aportaciones de calor de radiación solar; la temperatura en una oficina sin persianas y refrigeración (línea gris), y temperaturas en una oficina equipada con persianas externas como las de la fotografía (línea naranja). 17 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Los dispositivos de sombreado pueden tener muchas funciones. Por ejemplo los módulos fotovoltaicos pueden usarse como un dispositivo de sombreado externo. El siguiente ejemplo muestra tal caso. Los módulos fotovoltaicos se montan en el techo acristalado de la azotea de un edificio de oficinas. El resultado es la reducción del pico de carga refrigerante de 150 kW a 75 kW, mientras que la carga calorífica permanece prácticamente invariable. En este caso particular los módulos fotovoltaicos tienen poca influencia en la iluminación diurna. [kW]
200
heating load
150
cooling load
100
50
0
-50
[kW]
-100
Jan.
Feb.
Mar.
Apr.
Maj
Jun.
Jul.
Aug. Sept.
Okt.
Nov.
Dec.
200
heating load
150
cooling load
100
50
0
-50
-100
Jan.
Feb.
Mar.
Apr.
Maj
Jun.
Jul.
Aug. Sept.
Okt.
Nov.
Dec.
Imagen 1.9 Los módulos fotovoltaicos como dispositivos de sombreado en el techo acristalado de la azotea de un edificio de oficinas reducen la carga del pico de refrigeración en 50% mientras que la demanda de calor y la iluminación diurna permanecen prácticamente invariables (arriba, cargas de calefacción y refrigeración sin módulos fotovoltaicos; abajo, tras la instalación de módulos fotovoltaicos) Se podrían reducir las aportaciones de calor a través del revestimiento opaco de los muros utilizando colores claros para el acabado de superficie, un aislamiento térmico de calidad, así como materiales de construcción del edificio de elevada inercia térmica. Como consecuencia, se puede llegar a un descenso significativo de la temperatura con un desfase de varias horas. La arquitectura moderna con frecuencia precisa de una superficie de colores oscuros en muros y terrados. Se pueden usar pinturas selectivas en este caso para reducir tanto la temperatura de la superficie como las cargas refrigerantes resultantes. Estos colores tienen igual reflectividad de luz que los colores ordinarios, pero trabajan mucho mejor en infrarrojos. Gracias a este sistema, se 18 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices puede reducir hasta de 20°C la temperatura de la superficie oscura durante el mediodía solar. Los terrados y muros verdes son más efectivos, si cabe. La evapotranspiración a través de hierbas y plantas reduce las cargas refrigerantes entre 5 y 10 veces respecto a las azoteas oscuras. Imagen 1.10 Capa adicional de pintura blanca selectiva (izquierda) pintado bajo el revestimiento verde (derecha) reduce hasta 15 K la temperatura pico de de la superficie del muro supply air temeprature (°C)
La ventilación nocturna puede reducir significativamente las cargas, pero sólo en caso de que se suministre ventilación intensiva nocturna con un mínimo de 4 a 5 intercambios de volumen del edificio por hora. Por otro lado, los sistemas de ventilación manuales pueden ser complementados con técnicas de refrigeración natural, como la refrigeración evaporativa. La refrigeración evaporativa es más efectiva en áreas cálidas y secas. Puede contribuir considerablemente a la reducción de la potencia refrigerante y por lo tanto a la demanda eléctrica pico. El COPel de dichos sistemas es de 50 o más. 34
T ambient
32
30
T after
evaporative
cooling
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
0
300
600 900 1200 1500 1800 2100
number of hours per year (h)
Imagen 1.11 La refrigeración evaporativa es más efectiva a alta temperatura ambiente en el mediodía solar. Izquierda: sistema de evaporación. Derecha: temperatura del aire en función de las horas de funcionamiento del sistema. Fuente: [Vidrih, Medved, 2006] 19 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano night
day
31
Ta (LHTES inlet temperature)
To (measured)
To (numerical model)
29
Temperature (°C)
27
25
23
21
19
17
15
0
12
24
36
48
60
Time (h)
72
84
96
Imagen 1.12 El almacenamiento de calor latente integrado en el sistema de ventilación se enfría durante la noche y suministra temperaturas de aire más fresco el día siguiente; este sistema puede combinarse con otros sistemas naturales de refrigeración para obtener una operación de refrigeración gratuita durante todo el día. Fuente: [Arkar, Medved, 2007] Los intercambiadores de calor de tierra pueden ser emparejados a sistemas de ventilación mecánica para la prerefrigeración de la ventilación del aire durante el día en el verano. Se usan en pequeños edificios y deben dimensionarse con mucha cautela, para garantizar un alto COPel. El sistema de ventilación mecánica también puede mejorar con un almacenamiento de frío. Son especialmente efectivos los almacenamientos latentes que se enfrían por la noche y por el día se utilizan para enfriar el suministro de aire. Estos sistemas son más caros y todavía se encuentran en fase de desarrollo. A pesar del hecho de que las técnicas de refrigeración gratuita son efectivas y pueden reducir mucho la demanda de energía para refrigerar, por ellas solas no pueden asegurar que el confort en interiores siempre se satisfaga. En general hay que implementar otro tipo de tecnología energética para la refrigeración eficiente – la refrigeración solar. 20 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1.4 Fundamentos de refrigeración solar 1.4.1 Preámbulo: refrigeración convencional o mecánica La mayoría de los edificios de hoy se refrigeran mediante sistemas de refrigeración mecánica o aire acondicionado. En ambos casos se precisa un aparato refrigerador. Habitualmente, se trata de una bomba de calor que saca el calor fuera del edificio refrigerado hacia el exterior, más caliente. En casos de sistemas más pequeños (unidades de refrigeración compactas) el aire se enfría directamente en la unidad de refrigeración ubicada en la habitación. Cuando se trata de edificaciones de mayor dimensión habitualmente se emplean sistemas de aire central o de refrigeración por agua. En el caso de sistemas de refrigeración por aire, el aire en el aparato de aire acondicionado se enfría con agua refrigerada antes de ser distribuido por el edificio. En sistemas de refrigeración por agua con temperaturas entre 5° y 7°C el aire es bombeado a través del conducto de distribución de agua refrigerada hasta intercambiadores de calor final (por ejemplo, ventiloconvectores) instalados en cada espacio interior. Imagen 1.13 Las unidades de ventiloconvectores con intercambiador de calor final y ventilador son intercambiadores de calor en sistemas centrales de refrigeración por agua. Durante la operación refrigeradora el aparato consume electricidad. A causa de su funcionamiento como una bomba de calor, la cantidad de calor transferido al exterior es significativamente mayor que la cantidad de energía eléctrica usada. La relación entre la extracción de calor fuera del edificio Qc y la energía eléctrica demandada W se llama coeficiente de rendimiento (COPel). Las unidades de refrigeración modernas tienen el COPel entre 3 y 5, dependiendo de la potencia y el tipo de compresor. A pesar del elevado COPel, estos aparatos de refrigeración todavía usan electricidad que en muchos países se produce con altas emisiones de gases de efecto invernadero. El consumo cuantioso de electricidad es característico en todas las sociedades “modernas”. En Europa el consumo de electricidad ha aumentado un factor 12 en los últimos 50 años. Hoy día el crecimiento anual de consumo eléctrico es dos veces mayor que el crecimiento de consumo de combustibles fósiles. Los sistemas de refrigeración de edificios también tienen un alto factor de simultaneidad que, según lo expuesto, conduce a una sobrecarga de la red eléctrica. Por ejemplo, en Eslovenia la demanda pico de electricidad ha pasado de 19 PM 21 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano en la temporada de invierno a 15 PM en la temporada estival durante los últimos tres años, lo que indica una creciente demanda de electricidad para la refrigeración de edificios. Imagen 1.14 Unidad de tratamiento de aire de un sistema de aire acondicionado central; el aire es refrigerado mediante agua enfriada por un aparato refrigerador. Building heat
Qc
W
Compressor
Qod
Environment
COPel
electricity coefficient of
performance
Imagen 1.15 Las máquinas refrigeradoras funcionan como una bomba de calor, por lo que el calor transferido desde los edificios al exterior es mayor que el consumo de electricidad. La relación se llama coeficiente de rendimiento o COPel. Las unidades de refrigeración modernas tienen el COPel entre 3 y 5. Q ⎡ kWh ⎤
c ⎢
h⎥
COPel =
W ⎢ kWh ⎥
e⎦
⎣
22 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1.4.2 Principios de refrigeración solar evaporativa con rueda desecante T (°C)
El aire es una mezcla de diferentes gases y vapor de agua. El cambio de estado del aire puede ser consecuencia de la transferencia de calor sensible al calentar o refrigerar y la transferencia de calor latente a causa de la humidificación o la deshumidificación. Por este motivo el estado del aire debería expresarse mediante la energía interna llamada entalpía (h) en lugar de la temperatura del aire. Podemos demostrar los cambios de los estados del aire en un diagrama T‐x. Durante la humidificación del aire, las gotas de agua dispersas en el aire se transforman en moléculas de vapor de agua con asistencia de la energía interna del aire. Por lo tanto, el aire se enfría. Este tipo de refrigeración natural es muy eficiente, aunque tiene el efecto secundario de aumentar el contenido de humedad del aire y su humedad relativa, que puede exceder los niveles adecuados, definidos mediante el confort térmico. 90
80
φ=0,1
70
φ=0,2
60
φ=0,3
50
2
40
1
30
φ=1
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
x (g/kg)
T (°C)
Imagen 1.16 El proceso de refrigeración evaporativase hace a entalpía constante. La temperatura del aire cae, pero al mismo tiempo aumentan el contenido de humedad de aire (x) y la humedad relativa (φ). 90
80
φ=0,1
70
60
φ=0,2
9
φ=0,3
50
10
40
30
φ=1
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
x (g/kg)
Imagen 1.17 El proceso de secado por sorción (10 ‐> 9) también se hace a entalpía constante. La temperatura del aire aumenta mientras que el contenido de humedad (x) y humedad relativa (φ) disminuye. En los sistemas de refrigeración convencionales el aire se deshumidifica mediante el enfriamiento por debajo del punto de rocío, que resulta en la condensación del vapor de agua. La segunda 23 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano opción para secar el aire es usar materiales especiales con capacidad de eliminar por sorción las moléculas de vapor de agua del aire. Estos materiales son por ejemplo gel de sílice o cloruro de litio. El primero es sólido, el segundo es líquido; en cualquier caso, el cloruro de litio también se emplea en estructuras impregnadas, en forma de unidades compactas de sorción. Un efecto secundario de este proceso es un aumento de la temperatura del aire y la humidificación del material, que absorbe el vapor de agua del aire. Al calendar el material de sorción por encima de 60 a 70°C se libera vapor de agua y puede repetirse el proceso. En sistemas de refrigeración solar evaporativos con rueda desecante, este calor de regeneración se obtiene mediante un captador solar térmico. En las aplicaciones disponibles en el mercado, los procesos están combinados con una unidad de recuperación de calor en el ciclo de refrigeración solar evaporativa con rueda desecante, descrito en detalle en el Capítulo 2. 1.4.3 Principio de refrigeración solar por sorción Los sistemas convencionales de refrigeración usan un compresor para comprimir el refrigerante gaseoso. Los procesos de refrigeración por sorción funcionan de manera parecida. En todo caso, en lugar de un compresor mecánico que usa electricidad, solo se emplean bombas de fluido para bombear una mezcla binaria de dos sustancias –el refrigerante y una sustancia que absorbe el refrigerante y se llama absorbente, en el caso de emplear un proceso de absorción. En la práctica se usa una mezcla de agua (refrigerante) y bromuro de litio (absorbente) o amoníaco (refrigerante) y agua (absorbente). El consumo eléctrico de la bomba es insignificante en comparación con el de un compresor de un sistema de refrigeración convencional. La energía adicional necesaria para los sistemas de refrigeración por sorción debe ser en forma de calor, que puede ser producido por un sistema térmico solar de alta eficiencia. Alternativamente, puede emplearse un proceso de adsorción basado en el proceso físico de adsorción del refrigerante en un estado de material de sorción sólido, como el gel silicato o tipos de zeolitas. Como el resultado de los procesos de absorción o adsorción es agua de refrigeración a temperaturas de 7 a 10°C, se le puede combinar todos los sistemas de refrigeración. En el Capítulo 2 hay más detalles sobre la refrigeración solar por sorción. 1.5 Impacto de los cambios de clima en el confort térmico interior y demanda energética para refrigeración El cambio climático previsto a causa de las emisiones antropogénicas producirá un aumento de la temperatura ambiente media y la radiación IR atmosférica. Por esta razón, los cambios climáticos tendrán una fuerte influencia sobre el confort térmico en los edificios durante el período de verano y, por lo tanto, sobre la demanda de energía para la refrigeración. En base a la simulación de una estancia de bajo consumo energético y un edificio de oficinas sin refrigeración como se muestra en la imagen 1.18 y considerando un Test de Año Típico (TRY), uno puede observar que el número de horas de calor va a aumentar considerablemente. En el caso de refrigeración mecánica y si se tiene en cuenta el escenario más severo (D, Ta + 3°C, +6 W/m2), la demanda de energía para refrigeración aumentará 10 veces (dependiendo de la ubicación y el uso). Cabe esperar que la demanda de refrigeración aumente entre 3 y 5 kWh/m2 en viviendas. Las condiciones serán parecidas a las del año 2003. Como las temperaturas también serán más elevadas por la noche, los sistemas de refrigeración gratuitos serán menos eficientes. 24 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 1.18 Edificio de bajo consumo y edificio comercial utilizados en simulaciones del impacto del cambio climático. 2200
Number of hours [h/a]
Number of hours [h/a]
2000
1800
1600
1400
1200
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1000
1200
800
1000
800
600
600
400
400
200
200
0
0
TRY
A
B
C
D
TRY
Year 2003
CTRY
A
B
C
D
Year 2003
CTRY
Imagen 1.19 Horas de calentamiento creciente (Ti > 26°C) en una edificación sin refrigeración de una familia (izquierda) y un edificio de oficinas (derecha); Escenario A (+1°C), Escenario B (+1°C, +3 W/m2), Escenario C (+3°C), Escenario D (+3°C, +6 W/m2) Fuente: [Vidrih, Medved, 2006] Cooling demand [kWh/m a]
2
6,0
2
Cooling demand [kWh/m a]
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
24
22
20
18
16
14
12
2,5
10
2,0
8
1,5
6
1,0
4
0,5
2
0,0
0
TRY
A
B
C
CTRY
D
Year 2003
TRY
A
B
C
CTRY
D
Year 2003
Imagen 1.20 Demanda específica de refrigeración aumentada en un edificio refrigerado de una familia (izquierda) y un edificio de oficinas (derecha) en kWh por m2 de superficie por año 25 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Considerando todos estos hechos, podemos esperar que en el futuro se van a refrigerar cada vez más edificios, especialmente cada edificio recién construido. Ello brinda a la refrigeración solar una gran posibilidad de reforzarse en el mercado. Referencias [EN ISO 7730, 2005] Ergonomics of the thermal environment – Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal criteria. [EN 15251, 2007] Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. [McQuiston et al., 2005] F. McQuiston, J. Parker, J. Spitler: “Heating, Ventilating, and Air Conditioning, Analysis and Design”; Jonn Wiley&Sons, Inc, 2005 [Vidrih, Medved, 2006] B. Vidrih, S. Medved: “The Connection Between the Climate Change Model and a Buildings Thermal Response Model: A Case of Slovenia”, Journal of Mechanical Engineering, vol. 52, no. 9/06, Ljubljana, 2006 [Arkar, Medved, 2007] C. Arkar, S. Medved;”Free cooling of a building using PCM heat storage integrated into the ventilation system”, Solar Energy, vol. 81, no 9, Elsevier Press, 2007 26 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 2 Tecnologías aplicables a sistemas de aire acondicionado solar El ámbito de SOLAIR son los sistemas térmicos solares para refrigeración y/o aire acondicionado de capacidad mediana y pequeña. La clasificación ‘pequeña’ y ‘mediana’ se relaciona con los productos de refrigeración disponibles; en este sentido, los sistemas de pequeñas aplicaciones tienen una capacidad nominal de refrigeración por debajo de 20 kW, y los sistemas de tamaño mediano pueden llegar a unos 100 kW. Los sistemas de pequeña capacidad consisten por lo común en sistemas de ciclo térmico cerrado, mientras que los sistemas de tamaño mediano también pueden ser sistemas de refrigeración solar evaporativa de ciclo abierto (DEC). Mientras que en el primer tipo de sistema el medio de distribución consiste en agua enfriada en un circuito cerrado para eliminar las cargas del edificio, en el otro sistema el aire se suministra directamente en forma de humedad y temperatura en un proceso abierto. La imagen 2.1 muestra los dos tipos de aplicaciones generales. Naturalmente, son posibles las que emplean ambos tipos de tecnología a la vez. En sistemas de agua enfriada, la red central de distribución de agua fría puede usar unidades descentralizadas de refrigeración como ventiloconvectores (sobre todo con deshumidificación), techos, paredes o suelos refrigerados; pero el agua enfriada también puede emplearse para suministrar aire frío en una unidad central de tratamiento. La temperatura necesaria de agua enfriada depende de la elección de los elementos terminales y es importante para el diseño y la configuración del sistema, pero los elementos terminales de difusión y tratamiento no pertenecen al terreno de SOLAIR y por lo tanto no se detallan en adelante. ~18°C
Chilled ceiling
Heat
> 60°C
Supply air
Thermally
driven
Chiller
16°C - 18°C
(< 12°C)
6°C - 9°C
Chilled water
temperature
Fan coil
Cooled /
Conditioned
area
Heat
> 50°C
Ret urn air
Supply air
Desiccant evaporat ive
cooling (DEC)
Conditioned
area
Imagen 2.1 Tipos generales de tecnologías de refrigeración y aire acondicionado impulsadas térmicamente. En la imagen de arriba, se produce el agua enfriada en un circuito cerrado para diferentes aplicaciones o para el suministro de aire frío. En la imagen de abajo, el suministro de aire es enfriado y deshumidificado directamente en un proceso de ciclo abierto. Fuente: Fraunhofer ISE. Las tecnologías se detallan más adelante. El calor es necesario en ambas tecnologías, para permitir una operación continua del sistema. En las aplicaciones tratadas en SOLAIR, el calor es producido como mínimo en una cantidad significativa por sistema de captador solar térmico. 27 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano La imagen 2.2 muestra cómo cualquier proceso de refrigeración impulsado térmicamente opera a tres niveles distintos de temperatura: con calor conductor Qheat suministrado al proceso a un nivel de temperatura alta TH , el calor se elimina del área fría produciendo así el ‘frío’ útil Qcold a temperatura baja TC. Ambas cantidades de calor deben ser disipadas (Qreject) a un nivel medio de temperatura TM. Se puede proveer el calor conductor Qheat mediante un sistema de captador solar térmico diseñado debidamente, ya sea solo o combinado con fuentes auxiliares de calor. Mientras que en los procesos de ciclo abierto el calor se disipe con el flujo de aire en el sistema integrado en el proceso, los procesos cerrados de agua enfriada necesitan un sistema externo de disipación de calor, por ejemplo una torre refrigeradora. Cada vez se da más importancia al tipo de sistema de disipación de calor, porque este componente es por lo común responsable de una fracción considerable del consumo parásito de energía de los sistemas de refrigeración solares. Una cifra básica para cuantificar la calidad del proceso térmico en sistemas de agua enfriada de generación térmica es el coeficiente de rendimiento COP, definido como: COP =
Qcold
, Qheat
que indica por tanto la cantidad de calor necesario por unidad de ‘frío producido’ (aún más preciso: por unidad de calor eliminado). El COP y la capacidad refrigerante dependen mucho de los niveles de temperatura de TH, TC and TM. En sistemas de ciclo abierto de refrigeración con rueda desecante, el rendimiento es más difícil de evaluar, porque depende mucho más del manejo del sistema. Es útil definir aquí sólo el funcionamiento de la función desecante, porque en este tipo de operación se necesita calor (sección 2.2). El funcionamiento se calcula a partir de la diferencia de entalpía entre ambiente y aire suministrado, relativo a la entrada de calor necesaria. Las experiencias de las plantas DEC han demostrado que se pueden conseguir valores de funcionamiento comparables a los de sistemas con enfriadoras de simple efecto. Centrándonos en sistemas de enfriamiento de agua, el COP máximo de funcionamiento ‐ COPideal ‐ para cada nivel de temperatura puede derivarse de leyes termodinámicas: COPideal =
TC TH − TM
⋅
. TH TM − TC
Esta dependencia se trata en más detalle por ejemplo en [Henning, 2006]. Tal y como muestra la imagen 2.3, el funcionamiento ideal de un proceso reversible está por encima del rendimiento obtenido en enfriadoras accionadas térmicamente disponibles en el mercado. El COP en los productos estudiados oscila entre 0.5 y 0.8 en enfriadoras de simple efecto (absorción o adsorción) y puede alcanzar 1.4 en enfriadoras de doble efecto. Qheat
TH
TM
Qreject
TC
Qcold
Imagen 2.2 Esquema básico de un proceso de refrigeración accionado térmicamente. 28 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 1.80
ideal
1.60
double-effect
absorption
1.40
COP
1.20
1.00
single-effect
absorption
0.80
0.60
adsorption
0.40
chilled water temperature: 9°C
cooling water temperature: 28°C
0.20
0.00
45
60
75
90
105
Hot water inlet [°C[
120
135
150
Imagen 2.3 Curvas de ejemplo del coeficiente de funcionamiento COP para diferentes tecnologías enfriadoras de sorción y la curva límite para un proceso ideal. Las curvas se muestran en función de la temperatura operativa y para un nivel de temperatura constante de agua enfriada y refrigerante. Fuente: [Henning, Wiemken, 2006] La diferencia entre el funcionamiento real e ideal de las enfriadoras accionadas térmicamente se puede expresar mediante el número de calidad de proceso ζPQ: ζPQ = COPreal / COPideal . Los valores típicos de ζPQ , extraídos de productos disponibles en el mercado, son de 0.3. El número de calidad de proceso permite evaluar las ventajas de un proceso mejorado de calidad con respecto a la temperatura operativa necesaria. Esto se muestra en la imagen 2.4. La imagen presenta la temperatura operativa como una función del ‘salto de temperatura’ ΔT, que se define como la diferencia entre la temperatura de la disipación de calor TM y la temperatura del agua enfriada TC: ΔT = (TM ‐ TC). Por ejemplo, el salto de temperatura es bajo en el caso de temperatura alta de agua enfriada y disipación alta de calor latente (temperatura baja del circuito de distribución), mientras que el salto de temperatura es alto en el caso de temperatura baja de agua enfriada y enfriamiento en seco. Se incluyen las temperaturas operativas para dos valores del COP diferentes. Para cada curva COP, la temperatura operativa depende además de la calidad del proceso; por eso, se consideran dos números de calidad diferentes. También se señalan las áreas de trabajo de diferentes tecnologías de captadores. Por ejemplo, una enfriadora de simple efecto con COP de 0.7 funcionando a ΔT = 35 K, puede manejarse con captadores de tubos de vacío, si el proceso necesita temperaturas operativas de aproximadamente 100°C (número de calidad de proceso 0.4). En el caso de una menor calidad del proceso, la temperatura operativa necesaria es mayor y se requieren captadores de concentración de seguimiento. 29 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano required driving temp. TH [°C]
400
COP / ξ PQ
350
1,1 / 0,4
1,1 / 0,3
0,7 / 0,4
0,7 / 0,3
300
250
200
150
1-axis tracked
concentrating collector
100
50
Flat-plate collector
Vacuum-tube
collector
0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
useful temperature lift ΔT = TM – TC [K]
Application examples:
Chilled
ceilings
Fan-coils;
w et cooling
Fan-coils;
dry cooling
High temperature lift:
ice storage, dry cooling
Imagen 2.4 Temperatura de fuente de calor necesaria para diferentes combinaciones COP/ζPQ, diseñado como una función del salto de temperatura. Los grados típicos de funcionamiento de las tecnologías de captador solar están incluidos igual que los diferentes ejemplos de aplicación (áreas marcadas en gris). Fuente: [Hennng, 2006]. 2.1 Sistemas de agua enfriada Enfriadoras de Absorción La tecnología dominante en enfriadoras térmicas se basa en la absorción. El proceso básico físico consiste en dos componentes químicos como mínimo, uno de ellos sirviendo como refrigerante y el otro como absorbente. Los componentes principales de una enfriadora de absorción se muestran en la imagen 2.5. Ya que el proceso está bien documentado [por ejemplo véase Ashrae, 1988], no se detallará en el presente documento. La mayoría de las enfriadoras de absorción utilizan agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente. Las capacidades comunes de enfriamiento rondan los centenares de kW. Sobre todo, son suministradas con calor residual, centralizado o de cogeneración. La temperatura requerida de la fuente de calor suele ser de unos 85°C y los valores típicos de COP están entre 0.6 y 0.8. Hasta hace unos años, la máquina disponible más pequeña era de producción japonesa, con una capacidad enfriadora de 35 kW. Recientemente, la situación ha cambiado debido a las novedades del mercado en enfriadoras en el segmento de pequeña y mediana capacidad. En general, están diseñadas para funcionar con bajas temperaturas generadoras y por lo tanto aplicables a captadores solares térmicos estacionarios. La menor capacidad enfriadora disponible actualmente es de 4.5 kW. Algunos ejemplos de enfriadoras de absorción pequeñas y medianas se representan en la imagen 2.6. Junto a los fluidos de trabajo H2O/LiBr, también se aplican H2O/LiCl y NH3/H2O. La aplicación del último fluido con amoníaco como refrigerante es relativamente nueva para la refrigeración de edificios, puesto que este tipo de tecnología se usaba sobre todo para la refrigeración industrial para aplicaciones a temperaturas negativas. Una ventaja de este tipo de enfriadora se nota especialmente en aplicaciones en las que se necesita un grande salto térmico entre la 30 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices temperatura exterior y la temperatura fría (TM – TC). Es el caso, por ejemplo, de áreas con escasez de agua, cuando debe aplicarse el enfriamiento seco a alta temperatura ambiente. hot water
(driving heat)
cooling water
GENERATOR
CONDENSER
ABSORBER
EVAPORATOR
cooling water
chilled water
Imagen 2.5 Esquema de una enfriadora de absorción. Comparada con una enfriadora de compresión convencional accionada eléctricamente, la unidad de compresión mecánica se reemplaza con una unidad de ‘compresión térmica’ con absorbedor y generador. El efecto enfriador se basa en la evaporación del refrigerante (por ejemplo, agua) en el evaporador a baja presión. Debido a las propiedades del cambio de fase, pueden transferirse altas cantidades de energía. El refrigerante vaporizado es absorbido en el absorbedor, diluyendo por lo tanto la solución refrigerante/absorbente. El enfriamiento es necesario para el correcto funcionamiento del proceso de absorción. La solución es bombeada continuamente al generador, donde la regeneración de la solución se consigue al aplicar el calor generador (por ejemplo, agua caliente). El refrigerante que deja el generador mediante este proceso se condensa a través de la aplicación de agua refrigerante en el condensador y circula por medio de una válvula de expansión de nuevo en el evaporador. Imagen 2.6a Ejemplos de pequeñas enfriadoras que usan agua como refrigerante y bromuro de litio como fluido de absorción. Izquierda: enfriadora de aire enfriado con una capacidad de 4.5 kW del fabricante español Rotartica. Medio: 10 kW Enfriadora con alto rendimiento a carga parcial y alto COP general del fabricante alemán Sonnenklima. Derecha: Enfriadora con 15 kW de capacidad, fabricada por la empresa alemana EAW; esta máquina también está disponible en capacidades de 30 kW, 54 kW, 80 kW y superiores. Fuentes: Rotartica, Sonnenklima, EAW. 31 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Imagen 2.6b Otros ejemplos de enfriadoras de absorción. Izquierda: Enfriadora de absorción con fluido H2O/LiBr y capacidad de 35 kW de Yazaki, Japón. Esta enfriadora se halla con frecuencia en sistemas de enfriamiento solar, puesto que durante años fue la enfriadora aplicable con calor solar de menores dimensiones disponible en Europa. Actualmente, de este fabricante ha penetrado en el mercado europeo con una versión más reducida con 17.5 kW de capacidad enfriadora. Fuente: Gasklima. Derecha: Esta enfriadora usa agua como refrigerante y cloruro de litio como material de absorción. La fase de cristalización del material de absorción también se usa, efectuando un almacenaje interno de energía. La capacidad es aproximadamente de 10 kW; la máquina está desarrollada por ClimateWell, Suecia, y también puede funcionar como bomba de calor. Fuente: ClimateWell. Imagen 2.6c Ejemplos de enfriadoras de absorción con el fluido amoniaco‐agua. En principio, estos tipos de enfriadoras están previstos para proveer agua enfriada a temperaturas de < 0°C para la refrigeración comercial e industrial, pero también puede implementarse en niveles más altos de temperatura bajo condiciones de funcionamiento adecuadas. Izquierda: Enfriadora de absorción con capacidad enfriadora estimada de 12 kW, desarrollada por Pink, Austria; mostrada sin carcasa. Derecha: Enfriadora de absorción de Ago, Alemania. Esta enfriadora está disponible en 50 kW de capacidad y otras capacidades mayores. Fuentes: Pink/SolarNext. La imagen 2.7 muestra las enfriadoras de absorción disponibles actualmente, ordenadas según capacidad enfriadora. La presentación no pretende ser exhaustiva. Las máquinas de doble efecto, con dos generadores, necesitan >140ºC para las temperaturas generadoras más altas, pero muestran valores de COP más altos que 1.0. La enfriadora más pequeña disponible de este tipo muestra una capacidad de unos 170kW. Con respecto a las altas temperaturas conductoras, esta tecnología requiere la combinación de calor solar térmico con 32 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices sistemas de captadores concentradores. Esta opción es para climas con altas fracciones de radiación directa. York, Carrier, Trane ..
Broad
Ago*
Thermax
EAW
Yazaki
w at er/LiBr
ammonia/w at er*
w at er/LiCl
Robur*
Pink*
Sonnenklima
* t ypical f or applicat ions
w it h Tcold ≤ 0°C
Climat eWell
Rot art ica
0 20
50
100
150
200
250
300
Chilling capacit y range [kW]
350
400
450
Imagen 2.7 Orden de magnitud de capacidad de enfriadoras de absorción. Los productos enumerados están disponibles en el mercado, ya sea en producción de pequeñas series o fabricación según demanda. Esta lista no es exhaustiva. Enfriadoras de adsorción Junto a los procesos que usan un líquido absorbente, también hay máquinas que usan materiales sólidos de adsorción. Este material adsorbe el refrigerante, a la vez que libera el refrigerante bajo la aplicación de calor. Una operación cuasi continua requiere al menos dos compartimentos con material de adsorción. La imagen 2.8 muestra los componentes de una enfriadora de adsorción. Los sistemas disponibles en el mercado utilizan agua como refrigerante y gel de sílice como adsorbente, pero está en marcha la I+D de sistemas que emplean zeolitas como material de adsorción. Hasta la fecha, sólo producen enfriadoras de adsorción unos pocos fabricantes de Japón, China y Alemania; en 2007 una fábrica alemana lanzó al mercado una pequeña unidad de 5.5 kW de capacidad, aumentándola hasta la versión mejorada de 7.5 kW (modelos de 2008). Los típicos valores COP de enfriadoras de adsorción son 0.5‐0.6. Unas ventajas de estas enfriadoras están en sus bajas temperaturas generadoras, empezando desde 60°C, la ausencia del bombeo de una solución y un funcionamiento relativamente libre de ruido. La imagen 2.9 muestra ejemplos de enfriadoras de adsorción, mientras que la imagen 2.10 muestra las enfriadoras de adsorción actualmente disponibles, ordenadas por capacidad enfriadora. La presentación no pretende ser exhaustiva. Un repaso a las enfriadoras de agua de ciclo cerrado puede verse en [Mugnier et al., 2008]. 33 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano CONDENSER
cooling water
2
1
cooling water
hot water
(driving heat)
chilled water
EVAPORATO R
Imagen 2.8 Esquema de una enfriadora de adsorción. Consisten básicamente en los compartimentos sorbentes 1 y 2, así como el evaporador y el condensador. Mientras que el sorbente en el primer compartimento es desorbente (retira el agua adsorbida), utilizando el agua caliente de la fuente de calor externa, por ejemplo del captador solar, el sorbente en el segundo compartimento adsorbe el vapor refrigerante que entra por el evaporador; este compartimento debe enfriarse para incrementar la eficiencia del proceso. El refrigerante, condensado en el condensador enfriado y transferido al evaporador, se vaporiza a baja presión en el evaporador. Aquí se produce el enfriamiento útil. Periódicamente, los compartimentos sorbentes se intercambian en sus funciones de adsorción a desorción. Esto se produce a través del control de cambios de las válvulas, externas a los compartimentos pero dentro de la máquina. Imagen 2.9 Ejemplos de enfriadoras de adsorción. Izquierda: Enfriadora con 70 kW de capacidad del fabricante japonés Nishiyodo, instaladas para la refrigeración de laboratorios en el Hospital Universitario en Freiburg, Alemania. El fabricante japonés Mayekawa también ofrece enfriadoras de adsorción similares de capacidad media. Medio: Enfriadora de adsorción de tamaño pequeño con capacidad aproximada de 7.5 kW y 15 kW del fabricante SorTech, Alemania. Fuente: SorTech. Derecha: Enfriadora de adsorción de tamaño pequeño de 7 kW a 10 kW de capacidad del fabricante Invensor, Alemania. Fuente: Invensor. 34 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Nishyodo (JP)
M ayekaw a (JP)
w at er/silicagel
w at er/zeolit e
SorTech (DE)
{ } no det ailed inf ormat ion
on market st at us
{ SJTU (CN) }
Invensor (DE)
0 20
50
100
150
200
250
300
350
400
Chilling capacit y range [kW]
450
Imagen 2.10 Orden de magnitud de capacidad de enfriadoras de adsorción. Los productos enumerados están disponibles en el mercado, ya sea en producción de pequeñas series o fabricación según demanda. Esta lista no es exhaustiva. Disipación de calor La imagen 2.2 en la sección 2 indica que la cantidad de calor extraído del edificio (‘calor útil’) más el calor entregado del proceso de transformación deben ser añadidos al entorno a nivel de temperatura ambiente (media). Esta operación se lleva a cabo por medio del sistema de disipación de calor. La imagen 2.11 se muestra como ejemplo de la diferencia entre la demanda de disipación de calor en un sistema de compresión convencional y un sistema mediante absorción o adsorción. Es evidente que la disipación de calor juega un papel central en el sistema de desarrollo de los sistemas de accionado térmico. Sorption
Compression
QM = Qc + QH
QM = Qc + W
1,33 kW
2,4 kW
QH
W
Sorption
Compression
0,33 kWe
1,4 kWt
1 kWc
Qc = 3 x W
1 kWc
Qc = 0,7 x QH
Imagen 2.11 Ejemplo de la necesidad de disipación de calor en sistema convencional de compresión por accionado eléctrico (izquierda) y en un sistema (de simple efecto) de accionado térmico (derecha). En la comparación, la capacidad enfriadora es de 1 kW en ambos sistemas. Se han empleado las cifras típicas de eficiencia. Fuente: Tecsol. 35 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano En principio, pueden aplicarse diferentes posibilidades y tecnologías de disipación de calor: 1. torre húmeda de refrigeración, sea de tipo abierto o cerrado, usando el efecto refrigerante evaporativo 2. torre seca de refrigeración sin evaporación 3. refrigeración híbrida, permitiendo ambas opciones: seca y húmeda 4. disipación de calor geotérmica mediante perforaciones 5. disipación de calor mediante agua subterránea, agua marina, fluvial o pluvial 6. aplicación de agua refrigerante a baja temperatura para disipar el calor de media temperatura En caso de ser aplicables, las opciones preferidas deberían ser la 5. y 6. porque están conectadas con el consumo más bajo de electricidad de las diferentes posibilidades de disipación de calor. Desafortunadamente, raramente se identifican los campos de aplicación del calor de baja temperatura (~ 30°C) y la refrigeración con agua marina está limitada por motivos económicos a áreas costeras y a grandes instalaciones. Además, es difícil obtener el permiso para aumentar la temperatura del agua marina. La disipación geotérmica (sondas horizontales o verticales en el suelo) es comparativamente nueva y puede ser interesante, especialmente si los tubos también se emplean para bombear el calor en invierno, contribuyendo así a una carga anual equilibrada a nivel anual. En todo caso, el coste de inversión para geotermia es todavía alto. Un ejemplo de ello es la instalación combinada con una pequeña enfriadora por adsorción (con acción de bombeo de calor), mostrada en el Catálogo de Buenas Prácticas [SOLAIR: Catálogo de buenas prácticas sobre aplicaciones de frío solar, 2008]. Todavía hoy, la tecnología de disipación de calor más instalada en combinación con la refrigeración de accionado térmico es mediante torres húmedas de refrigeración de ciclo abierto. La imagen 2.12 muestra el principio de este sistema de disipación de calor: el agua refrigerante se disipa en lo alto de la torre de refrigeración hacia el material de relleno, lo que aumenta el área de intercambio efectivo entre el aire y el agua refrigerante. El principal efecto refrigerante se obtiene a través de la evaporación de un pequeño porcentaje del agua refrigerante (habitualmente < 5%); esta pérdida debe ser compensada mediante el suministro de agua fresca. El agua enfriada vuelve entonces al circuito de refrigeración de la máquina. Un ventilador elimina el aire saturado para mantener el proceso en marcha. El proceso es muy eficiente en climas apropiados y en principio, la limitación de temperatura del agua refrigerante que regresa no está lejos de la temperatura húmeda del aire (3°C de 5°C por debajo de la temperatura de bulbo húmedo). En la imagen 2.13 se muestra un producto comercial. Fan
Drip-catcher
Cooling water
distribution
Filling material
Air inlet
Sump
Imagen 2.12 Esquema típico de una torre húmeda de refrigeración. Fuente: GWA. 36 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 2.13 Ejemplo de instalación de una torre húmeda de refrigeración grande. En climas secos, la velocidad del ventilador de una torre húmeda de refrigeración se tiene que bajar para no descender por debajo de la temperatura mínima del agua refrigerante de la máquina (por ejemplo, 25°C definidos con frecuencia para enfriadoras de absorción), mientras que en un clima muy húmedo la temperatura de bulbo húmedo también es alta. La imagen 2.14 muestra en un ejemplo de climas más extremos las medias mensuales de temperatura de bulbo húmedo en Dubai. En verano, los valores aproximados mensuales son 25°C, indicando que durante el día la temperatura obtenida del agua refrigerante de retorno puede exceder 30°C. Los niveles de temperatura ambiente también son muy elevados y durante el día se detectan 40°C de temperatura ambiente, lo que indica el límite de la refrigeración seca (temperatura de limitación: unos pocos °C por encima de la temperatura ambiente). En instalaciones con tecnología de adsorción, deben emplearse las torres húmedas de refrigeración de tipo cerrado en vez de las de tipo abierto. El motivo es la conexión del circuito de distribución de calor con el circuito generador durante algunos segundos en la fase de recuperación de calor, que se activa entre el intercambio funcional de adsorción y las particiones de desorción de la maquina enfriadora. Las condiciones de presión hidráulica habitualmente no permiten un circuito abierto de agua enfriada. En las torres de refrigeración de tipo cerrado, la torre está equipada con un intercambiador de calor que disipa agua enfriada mediante un circuito externo para la refrigeración indirecta evaporativa. Una desventaja de esta técnica es su baja eficiencia y su alto coste. En algunos países, existen normas para la instalación de torres húmedas de refrigeración referentes a cuestiones higiénicas. Para evitar un crecimiento desfavorable de bacterias tipo legionella, puede ser necesario un tratamiento del agua refrigerante. Por este motivo y para mejorar la aceptación visual de los sistemas de disipación de calor, sobre todo en instalaciones a pequeña escala, sigue siendo interesante la torre seca de refrigeración, aunque el nivel de temperatura de enfriamiento y el consumo eléctrico es por lo general superior (consumo más elevado de energía de los ventiladores). En una serie de sistemas de demostración se ha aplicado la disipación de calor seco para probar esta opción. Además, un suministrador de enfriadoras de adsorción de pequeña capacidad ofrece un enfriador seco adaptado con función disipadora en caso de altas temperaturas ambiente. 37 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano En España, la legislación que se aplica a las torres de refrigeración es el Real Decreto 865/2003. A nivel autonómico, y a veces incluso municipal, existen otras normas, más restrictivas, como por ejemplo el Decret 352/2004 aplicable a Catalunya. Ta [°C]
Twb [°C]
RH [%]
G_Gh [kWh/m2]
250
60
200
50
150
40
30
100
20
50
Global horizontal radiation sum
Ambient air and wet bulb Temperature [°C],
rel. humidity [%]
70
10
0
0
Jan
Feb
Mar
Apr
May Jun
Jul
Aug Sept Oct
Nov Dec
Imagen 2.14 Datos climáticos mensuales para una instalación en Dubai. En verano, pueden preverse temperaturas muy altas de bulbo húmedo, limitando así la eficiencia de las torres húmedas de refrigeración. Al mismo tiempo, la temperatura ambiente como indicador para los límites de refrigeración seca también es muy elevada. 2.2 Procesos de ciclo abierto Mientras las enfriadoras de absorción producen agua refrigerada, que puede alimentar a cualquier tipo de equipo de aire acondicionado, los ciclos abiertos de enfriamiento producen directamente aire acondicionado. Cualquier tipo de ciclo abierto de enfriamiento de generación térmica se basa en una combinación de enfriamiento evaporativo con deshumidificación de aire mediante un desecante, por ejemplo un material higroscópico. De nuevo, para esto se pueden utilizar materiales tanto líquidos como sólidos. El ciclo estándar se aplica sobre todo en ruedas desecantes, equipadas con material de sorción como gel de sílice o cloruro de litio. Todos los componentes necesarios son estándares y se vienen usando desde hace muchos años en aplicaciones de aire acondicionado y de secado de aire para edificios o fábricas. Sin embargo, la combinación adecuada de los componentes para formar un sistema evaporativo con rueda desecante (DEC), que es el más habitual el sistema de ciclo abierto de accionado solar, precisa de especial experiencia y atención. El circuito estándar con rueda desecante se muestra en la imagen 2.15. El uso de este ciclo es limitado en climas templados, ya que la posible deshumidificación no es lo suficientemente alta como para permitir la refrigeración evaporativa del aire de suministro en condiciones de valores mucho más altos de humedad que el aire ambiente. Por lo tanto deben usarse otras configuraciones de procesos desecativos para el tipo de clima como el mediterráneo. Los sistemas que emplean los materiales de sorción líquida tienen varias ventajas como más deshumidificación del aire en la misma temperatura generadora y la posibilidad un mayor almacenaje de energía mediante soluciones concentradas higroscópicas, que todavía no están en el mercado pero pronto lo estarán; se están llevando a cabo varios proyectos demostrativos para probar la aplicabilidad de esta tecnología de aire acondicionado de generación solar. La imagen 2.16 muestra un posible esquema general de un sistema de enfriamiento de líquido desecante. 38 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices ba ckup
hea te r
ret urn air
7
12
11
10
9
8
cooling
loa ds
humidif ie r
1
2
3
4
5
6
supply a ir
de hum idif ier
w hee l
hea t recove ry
w heel
Imagen 2.15 Esquema de sistema evaporativo con rueda desecante sólido de accionado solar (DEC), que emplea una sorción rotativa y ruedas de recuperación de calor (fuente: Fraunhofer ISE). Debajo: esbozo de la unidad DEC (fuente: Munters). Los sucesivos procesos en la corriente de aire son los siguientes: 1Æ2 2Æ3 3Æ4 4Æ5 5Æ6 6Æ7 7Æ8 8Æ9 9Æ10 10Æ11 11Æ12 deshumidificación por sorción del aire de nuevo; el proceso es casi adiabático y el aire se calienta por acción del calor de la adsorción, liberado en la matriz de la rueda de sorción preenfriamiento del suministro de aire en el contraflujo hasta el aire expulsado del edificio (intercambio sensible) refrigeración evaporativa del suministro de aire hasta la humedad deseada mediante un humidificador el serpentín de calentamiento es usado sólo en la estación de calentamiento para precalentar el aire pequeño aumento de la temperatura, causado por el ventilador aumento de la temperatura y humedad del suministro de aire, a causa de las cargas internas, ya dentro del edificio a tratar el aire disipado del edificio se enfría usando el enfriamiento evaporativo cercano a la línea de saturación se precalienta el aire expulsado en el contraflujo hacia el suministro de aire mediante un intercambiador de calor aire‐aire de alta eficiencia, por ejemplo una rueda de recuperación de calor se provee la regeneración de calor, por ejemplo a través de un sistema de captador solar el aire caliente desorbe el agua de los poros del material desecante de la rueda deshumidificadora el aire de extracción se expulsa hacia el ambiente por medio de ventilador de expulsión de aire 39 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Regenerator
⇐ QH driving heat
LiCl/wat er
regeneration air
concentrated
solution
Absorber
supply air
solution storage
⇒ QM rejected heat
diluted solution
Imagen 2.16 Esquema general de un sistema de refrigeración desecante líquido (Arriba). El suministro de aire se deshumidifica en una zona especial de rocío configurada en el absorbente, donde una solución de sal concentrada es diluida por la humedad del suministro de aire. La eficacia de proceso aumenta por el rechazo de calor del calor de sorción, por ejemplo mediante la refrigeración evaporativa indirecta del aire devuelto y la recuperación de calor. Si es necesario, puede aplicarse una refrigeración evaporativa del suministro de aire (la recuperación de calor y la refrigeración evaporativa no se muestran en la imagen). En un regenerador, el calor, por ejemplo de un captador solar, se aplica para concentrar de nuevo la solución. La solución concentrada y diluida puede ser almacenada en altos almacenajes de energía, permitiendo así una separación entre la refrigeración y la regeneración hasta un cierto punto. Debajo: un sistema de refrigeración desecante líquido en una demostración instalada en el Solar Info Center en Freibug, Alemania, para el aire acondicionado de un área de oficinas de 310 m². El caudal de volumen del aire es 1500 m³/h. El sistema fue desarrollado e instalado por la empresa alemana Menerga. El sistema de ventilación está en el lado izquierdo de la imagen, el almacenamiento de la solución está ubicado a la derecha en primer plano. El depósito al fondo es parte de la fuente de calor solar térmico, que consiste en 17 m² de captadores planos. Fuente: Fraunhofer ISE. En general, los sistemas desecantes de refrigeración son una opción interesante si se usan sistemas de ventilación centralizados. En lugares con altas cargas de refrigeración latentes y sensibles, el proceso de aire acondicionado puede ser dividido en deshumidificación mediante proceso desecante de ciclo abierto y un sistema adicional de agua refrigerada para mantener las cargas sensibles mediante, por ejemplo, techos fríos con temperatura de agua refrigerada relativamente alta, para aumentar la eficacia de la producción de agua enfriada y evitar a la vez las condensaciones. Para más detalles sobre procesos de ciclo abierto, véase [Henning, 2004/2008] y [Beccali, 2008]. 40 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 2.3 Captadores solares térmicos Una amplia variedad de captadores solares está disponible y muchos de ellos pueden funcionar en aplicaciones de frío solar. Sin embargo, el tipo apropiado del captador depende de la tecnología de refrigeración seleccionada y de las condiciones del lugar, por ejemplo, de la disponibilidad de radiación. Los tipos generales de captadores se muestran en la imagen 2.17 y los principios de construcción de los captadores planos mejorados y captadores de tubos de vacío se muestran en la imagen 2.17a‐c. El uso de captadores solares eficientes en construcciones planas está limitado a los sistemas de refrigeración desecante, puesto que esta tecnología necesita las temperaturas generadoras más bajas (empezando por unos 50°C) y permite, en condiciones especiales de funcionamiento, prescindir de almacenaje térmico. Para que las enfriadoras de absorción funcionen con el calor solar, deben usarse captadores planos de muy alta calidad (capa selectiva, aislamiento mejorado, alta seguridad de estancamiento). Las curvas de eficiencia típica de captadores se muestra en la imagen 2.18 (eficiencia en estado estacionario para dos condiciones de radiación diferentes; en esta imagen no se refleja ningún comportamiento dinámico). Para dos instalaciones diferentes en España, Barcelona y Huelva, se comparan en la imagen 2.19 el rendimiento bruto anual de energía para captadores estacionarios y también para captadores cilindro‐parabólicos, para poder visualizar la alta dependencia de los tipos de captador en las condiciones del lugar. La imagen 2.20 presenta dos ejemplos de instalaciones de captadores estacionarios, usados para refrigeración y aire acondicionado solar. glas cover
solar air collector
insulation
collector frame
absorber with
air channels
glass cover
flat plate collector
insulation
collector frame
absorber with
fluid channels
glass cover
CPC collector
reflector
insulation
absorber with
fluid channel
collector frame
evacuated tube collector
evacuated tube
optionally: reflector
evacuated
glass tube
Absorber with fluid channel
(forward/return)
Imagen 2.17 Ejemplos de captadores estacionarios, aplicables en la refrigeración solar. Fuente: base de material didáctico de SOLAIR / Fraunhofer ISE. 41 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Glass
1st layer of air
Convection barrier (teflon foil)
2nd layer of air
Absorber
Insulation 120 mm
Imagen 2.17a Ejemplo de captador plano con pérdidas de calor minimizadas mediante un revestimiento mejorado de aislamiento y una barrera de convección añadida (cinta de teflón). Fuente: S.O.L.I.D. Otros captadores planos han sido mejorados mediante capas antireflejante o mediante el uso de cubierta de doble acristalamiento para una mayor eliminación de pérdidas de calor. Estos captadores mejorados son más indicados en sistemas de refrigeración solar que los captadores planos estándar. Imagen 2.17b Ejemplos de captador de tubo de vacío con flujo directo a través del captador. La imagen de la izquierda muestra el principio de construcción ‘tradicional’ mientras que en la derecha se muestra el tipo frecuentemente preferido en la actualidad, porque se han solucionado los principales problemas de impermeabilidad del tubo de vacío. Fuente: Fraunhofer ISE Collecting pipe
Heat exchanger
(condenser)
Insulation
Glass pipe
Heat pipe
Imagen 2.17c Ejemplo de un captador de tubo de vacío con tubo de evacuación de calor. Ventaja: este tubo ya está protegido contra heladas y estancamiento, pero no el sistema de captador de tubo. Desventaja: mayor coste de tubos de captadores de tubo de vacío. Fuente: www.solarserver.de 42 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 2.18 Típicas curvas de eficiencia de captadores estacionarios, calculadas desde parámetros relativos al área de apertura de los captadores. Las curvas están trazadas para temperatura ambiente de 25°C y nivel de radiación 800 W/m² (arriba) así como para 400 W/m² (abajo). La imagen incluye el rango de instalación aproximado de las tecnologías de refrigeración más interesantes. Puesto que el gráfico solo representa condiciones operativas en estado estacionario y únicamente muestras de conjuntos de curvas de eficiencia, no es bastante como para decidirse por un tipo concreto de captador en un sistema a dimensionar. Aunque las curvas de eficiencia de los captadores estacionarios en teoría también pueden trazarse para temperaturas más elevadas, en la imagen han sido cortadas a temperaturas > 120°C, porque sólo hay poca experiencia con esos captadores a temperaturas más elevadas (y por ello niveles de presión). Para mayores rangos de temperatura, se incluye como ejemplo la eficiencia de captadores con un eje de seguimiento solar. Fuente: Fraunhofer ISE. FK‐ST FK‐AR FK‐HT VRK‐CPC Captador plano, producto estándar Captador plano, 1 cubierta de vidrio, con capa antireflejante Captador plano, 1 cubierta de vidrio, película barrera de convección, aislamiento mejorado Captador con tubo de vacio, flujo de masa directo, tipo Sydney con reflector externo CPC 43 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 1000
1000
FPC
EFPC
CPC
ETC
C PC
ETC/CPC
PTC
Barcelona
energy yield [kW h/m ²]
800
700
FPC
EFPC
CPC
ETC
CPC
ETC/CPC
PTC
H uelva
900
800
energy yield [kW h/m ²]
900
600
500
400
300
200
100
700
600
500
400
300
200
100
0
0
60
80
100
120
140
160
tem perature [°C ]
180
200
60
80
100
120
140
160
180
200
tem perature [°C ]
Imagen 2.19 Típicos rendimientos de captadores de energía bruta como función de la temperatura de salida del captador, calculados para instalaciones en Barcelona y Huelva, España. FPC: captador plano estándar, CPC: captador plano con captadores parabólicos de concentración (baja proporción de concentración), ETC: captador con tubo de vacio, ETC/CPC: captador con tubo de vacio con captadores parabólicos de concentración, PTC: captador cilindro parabólico Fuente: base de material didáctico de SOLAIR /Aiguasol. Imagen 2.20 Ejemplos de captadores solares. Izquierda: Colector plano CPC, instalado en el Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação INETI en Lisboa, Portugal. El captador es la fuente de calor entregado para un sistema DEC, ubicado en uno de los edificios de oficinas del INETI. Fuente: INETI. Derecha: Captador con tubo de vacio en la bodega de vinos de Banyuls, Francia. Este captador suministra calor para la operación autónoma de una enfriadora de absorción con 52 kW capacidad de refrigeración. Fuente: Tecsol. Es importante, para tener una comprensión del área de referencia, si se tratan las curvas de eficiencia o los costes por m² de captador u otros temas relacionados con el área. Por lo general, hay tres áreas de definición diferentes como se muestra en la imagen 2.21: el área total, el área de apertura (indicando el área proyectada de captación de luz del captador) y el área absorbente. Especialmente en los captadores con tubo de vacío, esos valores de área dentro de un tipo de captador pueden desviarse en más de 25%. El área absorbente debe ser definida con precisión, si se emplean por ejemplo los absorbentes en forma de tubo (el área absorbente puede hacer aumentar el área total). 44 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Bruttofläche
Gross area
Aperturfläche
Aperture area
Absorber area
Absorberfläche
a
a
Aperture area: n x a
Aperture area
CPC-mirror
Imagen 2.21 Definiciones de áreas de captador (naturalmente, para ser multiplicadas según longitud). Imagen 2.22 Ejemplos de captadores solares térmicos con un eje de seguimiento. Izquierda: Captador Fresnel para la preparación de agua caliente a temperatura media, hasta 200°C. Los espejos se posicionan para enfocar la radiación directa hacia el absorbente, ubicado encima del área del espejo. Ventaja: baja sensibilidad a altas velocidades del viento. Fuente: PSE, Alemania. Derecha: Captador cilindro‐parabólico, desarrollado por Button Energy, Austria. El captador está diseñado para la producción de vapor y forma parte del proyecto de investigación con máquina enfriadora de eyector a chorro de vapor de accionado solar en AEE‐INTEC, Austria. Los captadores de concentración también están en el centro de atención de la refrigeración solar. En principio, pueden utilizarse para: • proveer calor (vapor o agua caliente) a temperaturas por encima de 150°C para enfriadoras de absorción de doble efecto. Con el mayor COPtermal > 1.0 esperado en esta aplicación, se debe instalar menos capacidad de calor entregado y por lo tanto, el sistema de disipación de calor puede ser diseñado más reducido. Sin embargo, las enfriadoras de doble efecto actualmente no se encuentran en el mercado en la categoría de pequeña capacidad; 45 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano •
•
proveer calor entregado para enfriadoras en aplicaciones donde sea necesario superar un elevado salto de temperatura de la temperatura del agua enfriada a la de la disipación de calor (por ejemplo, la demanda de baja temperatura de agua enfriada, combinada con refrigeración seca). Una configuración típica es por lo tanto un captador de concentración combinado con una enfriadora de amoniaco/agua; nuevos conceptos para la refrigeración solar, como el empleo de un eyector de chorro de vapor (en fase de desarrollo). El uso de captadores de concentración de seguimiento es por lo común más apropiado para lugares con una alta radiación directa respecto a la suma global de radiación. En todo caso, es necesario un análisis más detallado para determinar los rendimientos de dicho sistema. La imagen 2.22 muestra dos ejemplos de captadores de concentración. Véase [Task 33/IV, 2008] para resultados de estudios de mercado sobre captadores para sistemas de media temperatura. Referencias [Henning, 2006] Hans‐Martin Henning: Solar cooling and Air‐conditioning – thermodynamic analysis and overview about technical solutions. Proceedings of the EuroSun 2006, celebrado en Glasgow, Reino Unido, 27‐30 de Junio de 2006. [Henning, Wiemken, 2007] Hans‐Martin Henning, Edo Wiemken: Solar Cooling. Proceedings of the ISES Solar World Congress, Pekín, China, 2007. [ASHRAE, 1988] ASHRAE handbook (1988) Absorption Cooling, Heating and Refrigeration Equipment; Equipment Volume, Capítulo 13. [Henning, 2004/2008] Hans‐Martin Henning (Ed.): Solar‐Assisted Air‐conditioning in Buildings – A Handbook for Planners. Springer Viena/Nueva York. 2ª edición revisada 2008; ISBN 3211730958. [Mugnier et al., 2008] D. Mugnier, M. Hamdadi, A. Le Denn: Water Chillers – Closed Systems for Chilled Water Production (Small and Large Capacities). Proceedings of the International Seminar Solar Air‐conditioning – Experiences and Applications, celebrado en Munich, Alemania, 11 de Junio de 2008. [Beccali, 2008] Marco Beccali: Open Cycles – Solid‐ and Liquid‐based Desiccant Systems. Proceedings of the International Seminar Solar Air‐conditioning – Experiences and Applications, celebrado en Munich, Alemania , 11 de Junio de 2008. [SOLAIR: Review technical solutions, 2008]. Task 2.1: Review of available technical solutions and successful running systems. Cross Country Analysis. Documento público accesible en el informe de SOLAIR. www.solair‐project.eu [SOLAIR: Best practice Catalogue, 2008] Task 2.2: Best Practice Catalogue. público accesible en el informe de SOLAIR. www.solair‐project.eu [MEDISCO, 2006] Mediterranean food and agro industry applications of solar cooling technologies. Contract 032559 (EU‐INCO). Coordinación: Politecnico di Milano, Italia. Duración: 01.10.2006 – 30.09.2009. www.medisco.org [Zahler, 2008] Chr. Zahler, A. Häberle, F. Luginsland, M. Berger, S. Scherer: High Teperature System with Fresnel Collector. Proceedings of the International Seminar Solar Air‐conditioning – Experiences and Applications, celebrado en Munich, Alemania, 11 de Junio de 2008. 46 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices [Task 33/IV, 2008] Werner Weiss, Matthias Rommel (Editors): Process Heat Collectors – State of the Art within Task 33/IV. Folleto compilado en IEA SHC‐Task 33 y SolarPACES‐Task IV: Solar Heat for Industrial Processes. Publicado por AEE INTEC, Gleisdorf, Austria, 2008. www.iea‐shc.org/task33 47 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 3 Requisitos generales de sistemas de aire acondicionado solar 3.1 Ahorro de energía primaria Cualquier tipo de aire acondicionado o refrigeración está conectado al empleo de fuentes de energía primaria, para proveer electricidad o calor para que funcionen los elementos terminales de difusión y tratamiento. Hoy, las fuentes de energía primaria utilizadas en la mayoría de países están compuestas sobre todo de combustibles fósiles y por ellos su empleo está asociado con las emisiones de CO2, o en general de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, el requisito básico de un sistema de aire acondicionado o refrigeración solar es el ahorro de energía primaria y la reducción de las emisiones de efecto invernadero3. Esta condición previa afecta a la configuración y el diseño de sistemas de aire acondicionado y refrigeración solar; en el siguiente ejemplo vamos a tratar este aspecto. Tomamos en consideración un sistema de refrigeración solar térmico con una caldera de gas como fuente auxiliar de calor y comparamos la entrada de energía primaria con un sistema de refrigeración convencional con compresión de vapor de accionado eléctrico. El esquema de sistema general se muestra en la imagen 3.1. El calentador auxiliar está previsto para cubrir la demanda de refrigeración en periodos de baja disponibilidad de calor solar con demanda de refrigeración. Las condiciones límite en esta comparación son: • el espacio de calefacción no se considera; • en el sistema de referencia, la entrada de energía para una disipación de calor seco se incluye en el coeficiente de rendimiento de la máquina enfriadora con compresión de vapor COPVCC; • en el sistema solar, la enfriadora accionada térmicamente se caracteriza por el coeficiente de rendimiento COPTDC. El esfuerzo energético para la disipación de calor se tiene en cuenta por separado; • las demandas concretas de energía primaria por kWh de frío útil están calculadas en base a la media estimada de datos de consumo y números de conversión, definidos más abajo. 3
En muy pocos países, las fuentes de energía primaria usadas para la generación de electricidad y el suministro de calor pueden estar basadas en un alto porcentaje de fuentes de energía renovable. En este caso, los sistemas de refrigeración solares no contribuyen tanto al ahorro de fuentes de energías fósiles. Entonces, los sistemas pueden evaluarse más en función de la eficiencia y otros criterios económicos, por ejemplo, si un sistema local que emplee fuentes de energía renovable es más eficiente o más económico en comparación con los sistemas centrales de suministro de energía. Puesto que se trata de casos muy poco comunes, no vamos a tratarlo aquí. 48 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 3.1 Sistema de referencia y sistema de refrigeración solar, considerado en la estimación de demanda de energía primaria en esta sección. Fuente: Fraunhofer ISE. Las ecuaciones que rigen para estimar la demanda de energía primaria se muestran en la imagen 3.2: Imagen 3.2 Ecuaciones para calcular la demanda de energía primaria para el sistema de refrigeración solar y el sistema de referencia como muestra la imagen 3.1. Basado en la media de datos de consumo concreto. Fuente: Fraunhofer ISE. con: PEC,sol PEC,ref ΔPErel COPTDC COPVCC Qcold SFC ηboiler ηPE,fossil fuel ηPE,grid fel,solar fel,TDC fel,HR = demanda de energía primaria del sistema de refrigeración solar = demanda de energía primaria del sistema de referencia = diferencia en ahorro de energía primaria, relativo a PEC,ref = frío producido por unidad de entrada de calor = frío producido por unidad de entrada de electricidad = cantidad útil de ‘frío’ producido = fracción solar de calor entregado a la máquina de accionado térmico = eficiencia de la caldera de combustible fósil = eficiencia de la energía primaria de origen fósil = eficiencia de la energía primaria de la red eléctrica = demanda eléctrica de sistema térmico solar (bombas) = demanda eléctrica concreta de la máquina de accionado térmico = demanda eléctrica concreta para la disipación de calor [kWhPE] [kWhPE] [‐ ; %] [kWhcold/kWhdriving_heat] [kWhcold/kWhelectricity] [kWh] [‐] [‐] [‐] [‐] [kWhelectricity/kWhsolar heat] [kWhelectricidad/kWhcold] [kWhelectricidad/kWhrejected heat] 49 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano La dependencia general entre la demanda de energía primaria y la fracción solar se muestra en la imagen 3.3. La demanda de energía primaria se muestra por unidad kWh de frío producido. La demanda para el sistema de referencia depende sólo del COPVCC, por lo que resulta en líneas hori‐
zontales. La demanda de energía primaria para el sistema asistido por energía solar térmica disminuye con la fracción solar creciente, pero varía con el COPTDC térmico. Al sobrepasar una determinada fracción solar, la demanda de energía primaria del sistema solar desciende por debajo de la demanda de energía primaria del sistema de referencia y la solución solar térmica ahorra energía primaria. Por lo tanto, el sistema debe diseñarse de una manera apropiada para garantizar la media de fracción solar en el periodo de refrigeración. specific primary energy per unit of cold
2
1.5
1
thermal system,
low COP
no primary
energy
saving
0.5
conventional system
thermal system,
high COP
saves primary
energy
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
solar fraction cooling
0.8
0.9
1
Imagen 3.3 Dependencia general entre la demanda concreta de energía primaria de un sistema de refrigeración de accionado solar térmico y un sistema convencional de referencia. El sistema solar usa una caldera de gas de origen fósil como fuente de calor auxiliar. Fuente: Aiguasol. Para una serie específica de parámetros, el ahorro relativo de energía primaria se muestra en el porcentaje de la demanda de energía primaria del sistema de referencia en la imagen 3.4 como un ejemplo. Los parámetros usados aquí están resumidos en la leyenda de la imagen. Hay que tener en cuenta que en los cálculos el calor auxiliar proviene de una caldera de combustible de origen fósil (gas o gasoil). Los ahorros están calculados para dos valores diferentes del COPVCC (sistema de referencia): 3.5 (imagen de arriba) y 2.5 (imagen de abajo); a notar que este último valor es el que mejor correspondería a la experiencia en instalaciones de aire acondicionado realizadas en edificios. La imagen revela que por lo común, y para uso con máquinas de sorción de simple efecto, se necesitan fracciones solares muy elevadas para obtener el ahorro de energías primarias mínimo deseado. Con una referencia del sistema de refrigeración con COPVCC = 3.5 y un sistema asistido por solar con un COPTDC = 0.5, puede alcanzarse el ahorro relativo de energías primarias de >20% con menos de 10% de entrada de calor sólo de la caldera. La situación mejora en combinación con la tecnología de refrigeración de doble efecto, pero, a más de que esta tecnología no es implementable en todos los climas con calor solar, las fracciones solares todavía necesitan ser altas. Por ejemplo, considerando un sistema de referencia con COPVCC = 3.5 debe obtenerse una fracción solar de como mínimo 70% con una máquina de doble efecto (la media de calor asumida es de COPTDC = 1.0) para obtener un ahorro relativo de energías primarias de cerca de 20%. 50 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 80%
2-effect
rel. primary energy saving delta_PE
60%
40%
20%
1-effect
COP_TDC = 1.0
COP_TDC = 0.7
0%
COP_TDC = 0.5
COPVCC = 3.5
Reihe4
-20%
-40%
-60%
-80%
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Solar Fraction of thermally driven chiller driving heat SFC
80%
2-effect
rel. primary energy saving delta_PE
60%
40%
1-effect
20%
COP_TDC = 1.0
COP_TDC = 0.7
0%
COP_TDC = 0.5
COPVCC = 2.5
Reihe4
-20%
-40%
-60%
-80%
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Solar Fraction of thermally driven chiller driving heat SFC
Imagen 3.4 Ahorro relativo de energías primarias de sistema de refrigeración solar asistido (véase imagen 3.1) como una función de la fracción solar. Arriba: en comparación con un sistema de referencia con una media COPVCC = 3.5; abajo: en comparación con un sistema de referencia con una media COPVCC = 2.5. Los valores de COPTDC entre 0.5 y 0.7 indican aproximadamente el rango operativo del sistema de enfriamiento de absorción y adsorción de simple efecto, mientras que los valores de encima de 1.0 aproximadamente corresponden a la tecnología de absorción de doble efecto. Fuente: Fraunhofer ISE. Parámetros aplicados en el cálculo: COPTDC COPVCC ηboiler ηPE,fossil fuel ηPE,grid fel,solar fel,TDC fel,HR = 0.5 – 1.0 = 3.5 (arriba); 2.5 (abajo) = 0.9 = 0.95 = 0.38 = 0.02 = 0.01 = 0.03 [kWhcold/kWhdriving_heat] [kWhcold/kWhelectricity] [‐] [‐] [‐] [kWhelectricity/kWhsolar heat] [kWhelectricity/kWhcold] [kWhelectricity/kWhrejected heat] 51 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 3.2 Requisitos en el diseño de un sistema básico Desde las consideraciones resumidas en la sección previa, se pueden dibujar las siguientes conclusiones para dimensionar y diseñar sistemas de refrigeración solar, para poder cumplir con los objetivos de ahorro de energía primaria: • el uso de una fuente auxiliar de calor procedente de combustibles fósiles en instalaciones de accionado térmico es algo extremo y debe evitarse por completo salvo en casos excepcionales (aire ambiente extremo). Sólo en sistemas que usen la tecnología de una máquina de doble efecto se puede aceptar una determinada cantidad de calor que provenga de combustible fósil, dependiendo de la calidad del sistema de referencia que se tenga en cuenta; • si el aire ambiente debe cumplir con una serie de valores de temperatura y humedad, entonces se necesita un sistema auxiliar, una máquina de compresión como solución favorita. En este caso, cualquier unidad de energía de ‘frío’ producido por la parte de accionado solar térmico hace bajar el consumo de energía primaria del total del sistema (operación de ahorro de combustible del sistema térmico solar); • de manera alternativa, si la fuente de calor auxiliar funciona con combustibles procedentes de fuentes renovables (por ejemplo biomasa) o con calor residual, el sistema evita emisiones de CO2; • si por diferentes motivos no se puede evitar la entrada de calor de fuentes de combustible fósil hacia el equipo de refrigeración de accionado térmico, entonces el diseño del sistema de refrigeración solar térmica se debería realizar con herramientas de cálculo adecuadas con el fin de optimizar el sistema, dimensionar de manera apropiada los componentes, escoger la mejor configuración del sistema, así como las estrategias de control, todo para obtener el objetivo de ahorro de energía primaria. 52 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Solar thermal
system
Other heat source(s)
Heat
Vapour compression
chiller(s)
Thermally driven chiller(s)
Chilled water
Heating
Cooling
Solar thermal
system
Other heat source(s)
renewables, waste heat
Heat
Other heat
source(s)
Thermally driven chiller(s)
Chilled water
Cooling
Heating
Imagen 3.5 Recomendaciones sobre la disposición básica de los sistemas de refrigeración solar. Arriba: la máquina de accionado térmico funciona sólo mediante el calor solar. En el supuesto de que dicha operación de refrigeración autónoma solar no cumpla con los requisitos del aire acondicionado (no siempre se pueden alcanzar los valores de consigna del aire ambiente), se emplea una máquina de compresión como auxiliar de frío. Abajo: la máquina de accionado térmico es la única fuente para la producción de frío. El calor es suministrado ya sea mediante el sistema solar térmico o mediante otras fuentes de calor, generadas con combustibles renovables o mediante calor residual. Las fuentes de calor entregado de combustible fósil, si existen, se emplean sólo para la calefacción o el suministro de agua caliente. Fuente: Fraunhofer ISE. Las imágenes 3.5 y 3.6 resumen los esquemas de diseño preferidos. La imagen 3.5 muestra los esquemas para sistemas de agua enfriada de accionado térmico, mientras que la imagen 3.6 sugiere el esquema para sistemas de refrigeración de ciclo abierto con rueda desecante. En todo caso, el análisis para este tipo de sistemas es más complejo y no está cubierto por las ecuaciones mostradas en la sección 3.1. El sistema de referencia en este caso es una máquina de compresión de vapor para la deshumidificación y refrigeración del suministro de aire. En muchos sistemas convencionales de aire acondicionado, es necesaria la calefacción del aire tras la deshumidificación mediante el suministro de aire frío por debajo del punto de rocío. Esta operación no es necesaria en un sistema de refrigeración con rueda desecante. Así, es necesario un análisis más detallado para identificar el impacto en la energía primaria de las fuentes auxiliares de combustible fósil. No obstante, como regla de oro, se recomiendan el calor residual 53 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano o las fuentes de calor renovables para los sistemas de refrigeración con rueda desecante como se muestra en la imagen 3.6. Solar thermal
system
Other heat source(s)
Summer air-conditioning:
renewables, waste heat;
Supply air heating winter:
no conditions
Heat
Vapour compression
chiller(s)
Desiccant cooling system
Chilled water
Additional cooling
Conditioned air
Imagen 3.6 Recomendaciones sobre el uso de fuentes de calor con sistemas de refrigeración de ciclo abierto con rueda desecante. Fuente: Fraunhofer ISE. 3.3 Sistema de disipación de calor Aunque el suministro de calor para un sistema de agua refrigerada por accionado solar térmico sea totalmente obtenido mediante un captador u otra fuente no fósil, se necesita energía auxiliar por ejemplo para bombas, ventiloconvectores y sistemas de control. A partir de las experiencias en sistemas de refrigeración solar térmica, se sabe que la demanda eléctrica para bombas de agua refrigerada y ventiloconvectores es la principal y habitualmente muy por encima de la demanda eléctrica para bombas de captadores, bombas del circuito de distribución de calor y control. Por ejemplo, la imagen 3.7 muestra la distribución de la demanda eléctrica auxiliar anual para un sistema de refrigeración solar por adsorción. El 68% de la demanda eléctrica se usó para la disipación de calor en este ejemplo. Pump heating
circle 2
1%
Pump solar circle
5%
Ventilator
cooling tower
30%
Pump heating
circle 1
4%
Pump chilling
circle, primary
22%
Pump
cooling tower
38%
Imagen 3.7 Ejemplo de distribución de la demanda eléctrica anual en sistema de refrigeración de generación solar térmica (171 m² captadores de tubo de vacío, 70 kW máquina de adsorción, torre húmeda de refrigeración cerrada). Aplicación: Hospital Universitario de Freiburg; Datos de control de 2003). Fuente: Fraunhofer ISE. 54 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices ΔPErel
Imagen 3.8 Ejemplo de la influencia de la demanda eléctrica para la disipación de calor en el ahorro relativo de energías primarias. Fuente: Fraunhofer ISE. Power consumption [W]
La imagen 3.8 revela la influencia en la demanda eléctrica concreta al variar fel,HR para la disipación de calor. El cálculo se ejecutó empleando las ecuaciones mostradas en la sección 3.1 con una serie de parámetros fijos (compárese con la imagen 3.4; COPVCC=3.5, fracción solar de aproximadamente 0.9). Está claro que el circuito de distribución de calor debe estar diseñado hidráulicamente con atención para minimizar la demanda energética. En caso contrario, no se alcanzará el pretendido objetivo de ahorrar energía primaria. La imagen 3.9 se enseña como un ejemplo del efecto de diferentes tecnologías aplicadas de ventiloconvección sobre el consumo energético. El consumo energético más bajo se consigue aquí mediante el control electrónico, motores sin escobillas DC (tecnología EC). Air volume flow rate [m³/h]
Imagen 3.9 Ejemplo de consumo de energía de diferentes técnicas de motor en ventiloconvectores. Fuente: EBM‐Pabst. Las posibilidades de reducir la demanda energética para disipación de calor se hallan, junto a un esmerado diseño de la parte hidráulica del sistema, en el control de los ventiloconvectores y el empleo de calor de temperatura media. Algunos de los fabricantes de máquinas de refrigeración y distribuidores ya están reaccionando a este problema con el desarrollo de estrategias de control en particular de las torres de refrigeración, véase por ejemplo [Clauß et al., 2007], [Kühn et al., 55 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 2008]. Además, una mejora en la situación del mercado es que los principales proveedores de sistemas empiezan a componer ‘kits’, consistentes en enfriadoras y componentes de disipación de calor emparejados y elementos hidráulicos periféricos. Un ejemplo se muestra en la imagen 3.10. Imagen 3.10 Ejemplo de ‘kits’ de refrigeración solar de proveedores de sistemas, consistentes sobre todo en una máquina de accionado térmico, una unidad de disipación de calor emparejada y algunos componentes hidráulicos. Fuente: SolarNext AG. Otra opción es la geotermia para la disipación de calor. Con esta tecnología, disminuye la demanda eléctrica, porque no se necesita energía para que funcione el ventilador. Para consultar un sistema que usa esta tecnología, véase [Núñez et al., 2008]. Una aproximación reciente, actualmente en fase de pruebas en el marco de un proyecto piloto, es la integración de la acumulación de calor latente en el circuito de distribución de calor. El calor latente almacenado hace disminuir la demanda energética para la disipación de calor durante el día; durante la noche, el almacenamiento se recupera con eficiencia a baja temperatura ambiente. Para consultar el concepto resumido, véase [Keil et al., 2007]. 3.4 Sistema de captador solar En la sección 2 se presentaban las observaciones generales sobre los diferentes tipos de captadores y sobre su aplicabilidad en la refrigeración de generación solar térmica y las plantas de aire acondicionado. Existe abundante experiencia acumulada en las empresas del sector sobre la configuración y el diseño hidráulico de plantas solares térmicas pequeñas y grandes. Para más información sobre este tema y sobre el dimensionado y diseño de sistemas solares térmicos, por ejemplo véase [Schenke et al., 2007], [Weiss (Ed.), 2004], [VDI 6002, 2004], [DGS, 2008], [Peuser et al., 2002]. En todo caso, en la mayor parte de la información publicada sobre la configuración y el diseño de los sistemas térmicos solares, no se tienen en cuenta las condiciones especiales de funcionamiento para los sistemas de refrigeración solar. En el caso de que el captador solar 56 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices térmico sea la principal fuente de calor para el funcionamiento de una máquina de accionado térmico, el flujo de calor del captador debe ser aproximadamente emparejado al flujo de calor requerido por la máquina refrigeradora. Para poner un ejemplo, se usa una regla de oro en este supuesto para estimar el tamaño concreto del captador para un sistema de refrigeración solar: 1
A spec =
Gcoll ⋅ ηcoll,design ⋅ COPdesign
Example
Gcoll
= 0.80 kW/m2
ηcoll,design = 0.5
COPdesign = 0.75
==>
Aspec = 3.3 m2 per kW cooling power
Fuente: base de material didáctico de SOLAIR con Aspec = superficie captadora por kW frío instalado [m²/kWcold] Gcoll = radiación incidente por unidad de superficie útil del captador [kW/m²] ηcoll,design = eficiencia del captador en condiciones de diseño (temperatura operativa) [‐] COPdesign = COP térmico de la máquina refrigeradora en condiciones de diseño [‐] Hay que tener en cuenta que ésta es una estimación muy aproximada, sin considerar datos de componentes del sistema real, condiciones del lugar y rendimiento a carga parcial. Sin embargo, el tamaño concreto del captador está en el rango de Aspec = 3 a 4 m²/kW; es la relación utilizada en muchos sistemas de refrigeración de generación solar térmica en funcionamiento (el solar es en este caso la principal fuente de calor de la máquina). Además, se tienen en cuenta las cantidades típicas de caudal de agua caliente en las máquinas de accionado térmico. Se muestra en la imagen 3.9 un ejemplo de la hoja de datos de la máquina de absorción Suninverse. El caudal volumétrico nominal en el circuito de distribución es 1.2 m³/h y con una capacidad refrigerante asumida de 10 kW y un COP de 0.75, el agua caliente regresa desde la máquina refrigeradora con una diferencia de temperatura de 9 K al nivel de entrada de temperatura. Esto se corresponde bien con una diferencia media de temperatura en el circuito de distribución de aproximadamente 10 K o incluso menos en muchos sistemas. 57 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Imagen 3.9 Ejemplo del caudal volumétrico: Especificaciones de la máquina de absorción Suninverse. Fuente: Sonnen‐
klima. 58 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices El caudal volumétrico, relacionado con el área estimada específica del captador en el anterior ejemplo, consiste en caudales volumétricos específicos por unidad de área de captador de aproximadamente 40 litros/m². Desde los valores típicos de este ejemplo, se puede concluir que: • en sistemas de refrigeración solar, el caudal volumétrico en el captador está por lo común en el nivel medio y alto para alcanzar el flujo de calor necesario en el circuito de distribución de la máquina refrigeradora. Los sistemas de flujo bajo no son adecuados; • un depósito intermedio desconecta los caudales de masa entre el captador y la máquina de absorción y es útil para hacer de puente durante breves periodos de baja producción de calor al captador sin parar el proceso de refrigeración. Sin embargo, los caudales muy altos de la máquina refrigeradora acaba muy pronto con el calor acumulado en caso de no aportación solar. Una razón más para optimizar el caudal primario; • la diferencia de temperatura entre el suministro y el caudal de retorno a la máquina refrigeradora es por lo común bajo (entre 5 y 10 K). Este hecho, combinado con el relativamente alto caudal volumétrico indica que el efecto estratificador en el depósito es bajo. De hecho, el depósito intermedio actúa como un vaso de inercia, intercambiando energía desde el captador solar a la máquina refrigeradora, más que como un tanque estratificado. Por lo tanto, la diferencia de temperatura entre la entrada y salida de caudal del captador es pequeña por lo general. Esto se debería tener en cuenta a la hora del diseño hidráulico del captador. La imagen 3.10 facilita una visión del caudal en función de la potencia de la máquina y de la diferencia de temperatura entre la entrada/salida en los tres circuitos hidráulicos de la máquina. Para el diseño del campo de captadores, es de sumo interés el caudal volumétrico en el circuito generador de la máquina de refrigeración. 59 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Volume flow rate [m³/h]
30
25
20
dT=3K
dT=5K
15
dT=7K
10
5
0
0
20
40
60
80
100
Chilling capacity [kW]
Volume flow rate [m³/h]
30
25
20
dT=5K
dT=10K
15
dT=15K
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Driving heat power [kW]
Volume flow rate [m³/h]
50
40
30
dT=5K
dT=7K
20
dT=9K
10
0
0
50
100
150
200
250
Heat rejection capacity [kW]
Imagen 3.10 Visión general de caudales volumétricos en los circuitos de generador, evaporador y condensador de la máquina, mostrado como una función de las capacidades térmicas respectivas, mientras que los puntos representan los datos correspondientes a series con COP de 0.7. Se tienen en cuenta tres diferencias de temperatura dT en cada circuito. Calculado para agua limpia en los circuitos. Fuente: Fraunhofer ISE. Un aspecto importante del uso de captadores de alta eficiencia es la seguridad ante el estancamiento. En el caso de no usar la energía solar térmica a altos niveles de radiación (por ejemplo, cuando no funciona el sistema de refrigeración, el depósito está a temperatura máxima, o en caso de disfunción de la bomba), la generación y propagación de vapor en el sistema hidráulico es posible y debe tenerse en cuenta en el diseño del campo de captadores. Por lo tanto, todos los componentes implicados en el sistema tienen que estar diseñados para ser seguros en caso de estancamiento. Además, también es posible una disociación del fluido del 60 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices captador en sus componentes (por ejemplo agua glicolada), si se han aplicado los fluidos anticongelantes. Esto requiere de nuevo una selección cautelosa del captador adecuado. Para resultados experimentales y teóricos resumidos sobre este aspecto, véase [Rommel et al., 2007], [Hausner, Fink, 2002]. Algunas medidas para enfrentarse a los problemas de estancamiento son por ejemplo: • sistema de disipación de calor de emergencia. Debe ser asegurado que dicho sistema funciona también en caso de apagones de la red pública; • sistema de vaciado automático. En este caso, el fluido del captador es eliminado por completo del captador, mientras que el bombeo del circuito se detiene. Se precisa un diseño especial del sistema de captador. Esta tecnología permite evitar los riesgos de estancamiento y congelación. Los componentes de seguridad como los recipientes de expansión, rejillas y válvulas de seguridad saltan del circuito solar mientras que se necesita un diseño especial del sistema de captador (pequeño tanque intermediario y diseño de drenaje para las tuberías). Un reciente sistema de calefacción y refrigeración solar de 7.5 kWcold (máquina de adsorción de Sortech), más 25 m² de captadores planos de doble vidrio demostró en Perpiñán en 2008 que una estrategia de vaciado automático no modificó la eficiencia del captador ni el consumo eléctrico de la bomba del circuito primario a la hora de calentar y refrigerar; • agua limpia como fluido de captador. Este concepto no esquiva el peligro de estancamiento, pero las consecuencias son más gestionables, porque ‘sólo’ se escapa vapor de agua. En zonas de Europa central con riesgo de congelación los sistemas de agua limpia necesitan un esfuerzo especial para aislar las tuberías y el circuito de control del captador y sólo puede emplearse en captadores de tubo de vacío. El circuito del captador está cerrado. Si la presión del sistema no genera problemas con las condiciones de presión del resto del sistema hidráulico de calefacción, no se necesita un intercambiador de calor en el circuito solar, reduciendo los gastos de instalación e incrementando así la eficiencia del sistema del captador. En todo caso, hay que tener en cuenta el consumo eléctrico adicional para estas medidas. Un sistema térmico solar bien diseñado tiene la capacidad de producir una media de > 50 kWh de calor por kWh de electricidad, consumido por las bombas del circuito. 61 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Referencias [Clauß et al., 2007] V. Clauß, A. Kühn, F. Ziegler: A new control strategy for solar driven absorption chillers. Proceedings of the 2nd International Conference Solar Air‐conditioned, Tarragona, España, 2007 [Kühn et al., 2008] A. Kühn, J.L. Corrales, F. Ziegler: Comparison of control strategies of solar absorption chillers. Proceedings of the EuroSun2008, Lisboa, Portugal, 2008 [Núñez et al, 2008] T. Núñez, B. Nienborg, Y. Tiedtke: Heating and cooling with a small scale solar driven absorption chillers combined with a borehole system. Proceedings of the EuroSun2008, Lisboa, Portugal, 2008 [Keil et al., 2007] C. Keil et al.: Design and operation of a solar heating and cooling system with absorption chilller and latent heat storage. nd
Proceedings of the 2 International Conference Solar Air‐conditioned, Tarragona, España, 2007 [Schenke et al., 2007] A. Schenke, H. Drück, R. Croy, H.P. Wirth: Analyse und Evauluierung großer Kombianlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Abschlussbericht zum BMU‐Verbundprojekt: Systemuntersuchung großer solarthermischer Kombianlagen. FKZ 0329268B. Noviembre 2007 [Weiss (Ed.), 2004] W. Weiss (Editor): Solar heating systems for houses – A design handbook for solar combisystems. Published within the IEA Solar Heating and Cooling Programme, Task 26 (Solar Combisystems). ISBN 1902916468, 2004 [VDI 6002, 2004] VDI‐Guideline 6002: Solar heating for domestic water – General principles, system technology and use in residential building; Septiembre 2004 [DGS, 2008] Leitfaden solarthermische Anlagen (Planning & installing solar thermal systems). Published by Deutsche Gesellschaft für ht Sonnenenergie e.V. 8 edition, 2008. www.dgs‐berlin.de [Peuser et al., 2002] F. Peuser et al.: Solar thermal systems – successful planning and construction. Solarpraxis Berlin, ISBN 978‐3‐934595‐24‐
8, 2002 [Rommel et al., 2007] M. Rommel et al.: Entwicklung von Techniken zur Beherrschung des Stillstandsbetriebs. Schussbericht zum Teilprojekt StagSim im Verbundprojekt Systemuntersuchungen großer solarthermischer Kombianlagen. 2007. www.solarkombianlagen‐xl.info [Hausner, Fink, 2002] R. Hausner, Chr. Fink: Stagnation behaviour of solar thermal systems. A Report of IEA‐SHC – Task 26, Solar Combisystems. Noviembre 2002. www.iea‐shc.org/publications/task26/index.html 62 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 4 Selección de la tecnología apropiada En la sección 2 se han presentado brevemente diferentes tecnologías de refrigeración y aire acondicionado de generación solar térmica. La selección de la tecnología adecuada es el primer paso en el dimensionado del sistema y es de ayuda un apoyo en esta fase para quienes diseñan y toman decisiones en el sector de la construcción, pero no están familiarizados con las instalaciones solares térmicas. Por este motivo, en el marco de la Tarea 25 ‘Solar‐Assited Air‐
conditioned of Buildings [IEA‐SHC Task 25] se creó un esquema de decisiones y en la web de la Tarea 25 se puede encontrar un documento de directrices al respecto [Henning, 2004]. La aproximación general para decidir de la tecnología se resume a continuación en esquemas simples de decisión, comenzando con un vistazo al esquema de decisión completo en la imagen 4.1 y debatiendo las diferentes posibilidades en las descripciones siguientes. Un supuesto básico en los esquemas es que la temperatura y la humedad de las área acondicionadas deben ser controladas. Una condición previa es el cálculo de las cargas de refrigeración basado por lo menos en el caso de diseño y la cantidad necesaria de renovaciones de aire. Dependiendo de la carga de refrigeración tanto como del deseo de los usuarios o propietarios, tanto un sistema todo aire como otro todo agua o sistemas combinados aire/agua pueden eliminar del edificio el calor y la humedad. La siguiente decisión técnica básica es entonces saber si son suficientes o no las renovaciones de aire como para cubrir también las cargas de refrigeración (sensible ,más latente). Es el caso típico de áreas en las que hay gran necesidad de ventilación, como aulas y salas de lectura. No obstante, el sistema todo aire sólo tiene sentido en edificio cerrado bien diseñado, porque de otra manera las fugas a través del revestimiento del edificio son demasiado altas. En los casos de sistemas de aire, se pueden emplear los sistemas de refrigeración de accionado térmico con rueda desecante así como las tecnologías con máquina de accionado térmico; en todos los otros casos, sólo pueden usarse las máquinas de accionado térmico para utilizar energía solar térmica como fuente de energía, no las ruedas. Los elementos del diseño, que no pueden considerarse en este esquema de decisión son: • necesidad y elección de un sistema auxiliar para la producción de calor o posibilidades de permitir un funcionamiento autónomo solar del sistema de aire acondicionado solar; • flexibilidad en las condiciones de confort, por ejemplo para permitir unas determinadas variaciones en los estados de aire deseados; • aspectos económicos; • disponibilidad de agua para la humidificación del suministro de aire o para las torres de refrigeración; • instalaciones que cubran la demanda de calor en invierno; • hábitos de confort para las instalaciones: los ventiloconvectores pueden suponer un menor coste de inversión, pero deben estar conectados a un sistema de drenaje para permitir la deshumidificación; los techos refrigerados y los sistemas de refrigeración por gravedad requieren una inversión elevada, pero ofrecen un gran confort. 63 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
START
START
Cooling
Coolingload
loadcalculation
calculation(building
(building
parameters,
parameters,e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry,orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads,meterological
meterological conditions)
conditions)
All
Allwater
watersystem
system
(chilled
(chilledwater)
water)
⇒
⇒ cooling
coolingload,
load, required
required
hygienic
hygienic air
air change
change
Climate
Climate
Climate
Climate
temperate
and extreme
temperate
and extreme
Installation
Installationof
of centralized
centralizedair
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasible and
and
desired?
desired?
yes
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
for supply
supply// return
return air
airsystem
system
(building
(buildingtight
tightenough)?
enough)?
Thermally driven
chiller, chilled water
network
6°C - 9°C
no
Supply
Supplyair
air system
system
++ chilled
chilledwater
water system
system
no
Climate
Climate
yes
temperate
Hygienic
Hygienic air
air change
changeable
able to
to
cover
cover cooling
coolingload?
load?
Conv. AHU,
thermally driven chiller,
chilled water network
6°C - 9°C
no
Full
Fullair
air system
system
(supply
(supplyand
andexhaust
exhaust air)
air)
++ chilled
chilledwater
water system
system
DEC system, standard
configuration,
chilled water network
12°C - 15°C
Climate
Climate
extreme
Conv. AHU,
thermally driven
chiller,
chilled water network
6°C - 9°C
temperate
DEC system,
standard
configuration
extreme
Conv. AHU,
thermally driven
chiller
6°C - 9°C
yes
DEC system, special
configuration,
chilled water network
12°C - 15°C
All
All air
airsystem:
system:
Full
Fullair
air system
system
(supply
(supplyand
andexhaust
exhaust air)
air)
DEC system, special
configuration
Imagen 4.1 Esquema básico de decisión para identificar un camino tecnológico para aire acondicionado asistido por solar térmica. El nivel necesario más bajo de temperatura de agua refrigerada, indicado en la sección Tecnología, viene determinado en función de si la deshumidificación del aire se realiza mediante una técnica convencional (por ejemplo., enfriando el aire por debajo del punto de rocío), o si la deshumidificación del aire se consigue en un desecante. En el último caso, la temperatura del agua refrigerada –si es necesario‐ puede ser mayor puesto que debe cubrir sólo cargas sensibles. Fuente: Fraunhofer ISE. En la imagen 4.2. se muestra un esquema general de un sistema que contiene agua refrigerada tanto con rueda desecante de ciclo abierto como de ciclo cerrado. El calor solar térmico se suministra a ambas aplicaciones. El esquema también incluye diferentes opciones de sistemas auxiliares: en el lado de calefacción mediante otras fuentes de calor (por ejemplo, una caldera de gas, una conexión a una red de calefacción centralizada o una planta de cogeneración, etcétera) y en el lado de el agua refrigerada una máquina de compresión. Un sistema realizado con asistencia solar térmica consiste normalmente de un subsistema de este tipo, de acuerdo con las soluciones, siguiendo los diferentes caminos en el esquema de decisión. Estos subsistemas están resumidos a continuación. 64 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 4.2 Esquema general de un sistema completo incluyendo la técnica con rueda desecante y agua enfriada con máquina de accionado térmico. Para suministrar refrigeración en las áreas acondicionadas, son posibles muchas soluciones: un sistema ventiloconvector que puede usarse en verano e invierno, un sistema radiante de refrigeración o un sistema de ventilación que suministre aire fresco refrigerado y deshumidificado. Fuente: Fraunhofer ISE. 4.1 Sistemas aire‐agua Se considera la instalación factible de un sistema centralizado de aire, en el cual la ventilación necesaria es suficiente para cubrir todas las cargas sensibles y latentes de refrigeración. En este caso, es posible un sistema todo aire; no se necesita otro material de refrigeración. Una condición previa es que se trate de un edificio cerrado y muy bien diseñado con medidas reductoras de la demanda refrigerante, como el uso de equipos de ahorro de energía, sombreado eficiente, minimización de luz artificial mediante conceptos de iluminación natural, ventilación nocturna (por ejemplo, combinado con materiales de cambio de fase), etcétera. Otro ejemplo es un aula con un elevado índice de ocupación; en ese tipo de habitación la cantidad de aire nuevo necesaria puede ser bastante para eliminar totalmente las cargas sensibles. Se considera la instalación en un clima continental, con condiciones templadas de humedad y temperatura exterior. Por ello, se puede utilizar un ciclo estándar de un sistema evaporativo con rueda desecante (DEC). La toma de decisión del esquema de la instalación estándar DEC se muestra en la imagen 4.3. El sistema de captador solar térmico suministra calor para la regeneración de la unidad de deshumidificación y para el suministro de aire caliente en invierno. Además, y cosa que no se muestra en la imagen, en invierno también se puede aprovechar el solar, mediante la calefacción con sistemas radiantes. Puede ser necesario calor auxiliar para calentar el edificio en invierno, o bien para suministrar una regeneración añadida de calor a la unidad de deshumidificación en verano, en caso de que la energía del captador sea baja y todavía necesaria la deshumidificación. 65 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
START
START
Cooling
Coolingload
loadcalculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
orientation;
internal
geometry, orientation; internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
collector
storage
backup
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienicair
airchange
change
Installation
Installationof
ofcentralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasibleand
and
desired?
desired?
regeneration
heat
yes
humidifier
exhaust
air
return air
cooling
loads
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
for supply
supply// return
return air
airsystem
system
(building
(building tight
tightenough)?
enough)?
ambient
air
supply air
dehumidifier
wheel
yes
heat recovery
wheel
heating
Hygienic
Hygienicair
airchange
change able
able to
to
cover
cover cooling
cooling load?
load?
yes
Climate
Climate
temperate
All
All air
air system:
system:
Full
Fullair
airsystem
system
(supply
(supplyand
and exhaust
exhaustair)
air)
DEC system,
standard
configuration
Imagen 4.3 Una toma de decisión de configuración de un sistema DEC para climas templados y el correspondiente esquema de sistema general. La configuración del sistema mostrada refleja el esquema estándar de un sistema DEC sólido con rueda sorbente, pero también puede ser sistema de refrigeración líquido desecante. Fuente: Fraunhofer ISE. En principio, son posibles dos estrategias diferentes de sistemas de funcionamiento: • modo de aire acondicionado solar autónomo durante el verano. En este caso, solo el calor solar térmico producido es empleado para la regeneración de la unidad sorbente. Este modo de funcionamiento es utilizable, cuando las cargas de refrigeración están causadas sobre todo por ganancias externas solares y el modelo de carga coincide bien por lo tanto con la radiación solar. No obstante, nunca se alcanzará una coincidencia perfecta. Por lo tanto, debe aceptarse la probabilidad de variaciones entre la consigna y el ambiente real. Hasta un cierto punto, las acumulaciones pueden superar brechas en la disponibilidad de energía solar térmica. La acumulación se puede implementar tanto en forma de agua caliente almacenada como muestra la imagen 4.3, o, en caso de un sistema de refrigeración líquido desecante, en forma de depósitos químicos para una solución concentrada y diluida; • aire acondicionado solar térmico. Este modo de funcionamiento es necesario si la carga del edificio no corresponde bien con el modelo disponible de energía solar térmica, o en caso de que los estados del aire de la habitación tengan que cumplir con la consigna. En este caso, un sistema auxiliar (por ejemplo, caldera de gas, conexión a la red de calefacción centralizada, etcétera.) suministra calor para garantizar un funcionamiento continuo incluso en periodos de baja radiación solar. Se puede reducir el uso del sistema auxiliar mediante depósitos, ya sea de agua caliente o de químicos ya mencionados para sistemas DEC líquidos. 66 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Para esta tecnología, por lo común los captadores planos de buena calidad pueden suministrar las temperaturas operativas necesarias en la franja de 55°C a 70°C. Se pueden emplear captadores solares en instalaciones sin necesidad de almacenamiento de agua caliente (por ejemplo, DEC líquido con depósitos de solución o con una alta coincidencia en el modelo de carga o con disponibilidad de radicación diaria). Para un ejemplo de este tipo de sistema, véase [Hindenburg et al., 2005]. Otra opción para climas templados y para climas extremos con ambiente de alta humedad en el aire es un climatizador convencional con sistema todo aire y con suministro de aire caliente y refrigeración/deshumidificación. En esta configuración, el calor solar térmico se emplea para el funcionamiento una máquina de accionado térmico, que está conectada al intercambiador de calor agua/aire en el conducto de suministro de aire. Esta solución tecnológica se muestra en la imagen 4.4. En este ejemplo, el climatizador está equipado con una máquina evaporativa, que combinado con la unidad de recuperación de calor permite la prerefrigeración del aire fresco. BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
START
START
heat
rejection
Cooling
Coolingload
loadcalculation
calculation(building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g.,materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads,meterological
meterological conditions)
conditions)
collector
storage
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienicair
airchange
change
backup
chiller
Installation
Installationof
ofcentralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasibleand
and
desired?
desired?
yes
return air
cooling
loads
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
for supply
supply// return
return air
airsystem
system
(building
tight
enough)?
(building tight enough)?
supply air
yes
cooling
heating
Hygienic
Hygienicair
airchange
changeable
able to
to
cover
covercooling
cooling load?
load?
yes
Climate
Climate
temperate
All
All air
airsystem:
system:
Full
Full air
air system
system
(supply
and
(supply and exhaust
exhaustair)
air)
extreme
Conv. AHU,
thermally driven chiller
6°C - 9°C
Imagen 4.4 Puede aplicarse tanto en climas templados como extremos un climatizador convencional combinado con una máquina de accionado térmico. El calor solar térmico se emplea para que funcione la máquina refrigeradora, que puede ser tanto de absorción como de adsorción. Fuente: Fraunhofer ISE. En los climatizadores convencionales, con frecuencia se necesita el calentamiento del suministro de aire simultáneamente tras la deshumidificación con temperaturas bajas de agua enfriada en el intercambiador de agua/aire para prevenir un suministro demasiado bajo de temperaturas de aire (por ejemplo, por debajo de 18°C). En principio, el agua del circuito de disipación de calor puede ser usada para esta función con la ventaja de que por un lado no se usa calor añadido para el recalentamiento y por otro se reduce la demanda energética para la disipación de calor. Esta 67 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano posibilidad se refleja en la imagen con las líneas grises entre el circuito de disipación de calor y el circuito de suministro de aire caliente. Elegiremos el tipo de captador dependiendo de la tecnología de refrigeración. En un sistema con máquina de absorción, pueden emplearse tanto captadores planos de alta calidad como captadores de tubo de vacío, mientras que combinados con una máquina de adsorción, los captadores planos de alta calidad pueden ser suficientes. Debe tenerse en cuenta la disponibilidad de radiación y área en el lugar para tomar la decisión definitiva sobre el tipo de captador. En climas extremos, el ciclo DEC estándar a menudo no es suficiente para alcanzar las consignas de temperatura y humedad. Se pueden tener en cuenta muchas configuraciones especiales del ciclo DEC, una de las cuales es un ciclo desecante evaporativo en combinación con un sistema de agua refrigerada. En la imagen 4.5 se muestra un esbozo de posible configuración. La deshumidificación se obtiene sobre todo mediante rueda desecante y el ciclo desecante se mantiene usando calor solar térmico para la regeneración de la unidad sorbente. El sistema de agua refrigerada se usa para la predeshumidificación añadida y para la prerefrigeración (intercambiador de calor frente a la rueda deshumidificadora) y para el correspondiente suministro de aire refrigerado (2º intercambiador de calor en el conducto de suministro de aire). El agua refrigerada tanto puede ser producida por ejemplo mediante una máquina convencional de compresión de accionado eléctrico, como mediante sistemas cerrados de agua refrigerada de accionado térmico. Una ventaja de esta solución tecnológica es que el agua refrigerada debe ser suministrada a temperaturas comparativamente altas (>12°C), debido a la alta temperatura de punto de rocío en climas extremos (para predeshumidificación) y debido a la deshumidificación, que se consigue sobre todo con el proceso desecante de accionado térmico. De ello resulta un funcionamiento favorable y eficiente de la máquina refrigeradora. La configuración del sistema tal y como se describe arriba y se muestra en la imagen 4.5 fue realizada en una planta de demostración en Palermo, Italia. No obstante, el calor de regeneración en este caso no está suministrado por el captador solar térmico, sino por el uso de una unidad de cogeneración. La electricidad producida acciona simultáneamente la máquina de refrigeración de compresión. Pero en principio, este tipo de sistemas también pueden funcionar con calor solar. Para detalles de la planta de Palermo y otras posibles configuraciones especiales de sistemas DEC, véase [Henning et al., 2005]. 68 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
START
START
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads, meterological
meterologicalconditions)
conditions)
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienicair
airchange
change
solar heat
exhaust
return
Installation
Installationof
ofcentralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasibleand
and
desired?
desired?
humidifier
yes
ambient
supply
dehumidifier
wheel
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
forsupply
supply// return
return air
air system
system
(building
(buildingtight
tightenough)?
enough)?
heat recovery
wheel
chilled
water
chilled
water
yes
Hygienic
Hygienicair
airchange
changeable
ableto
to
cover
covercooling
cooling load?
load?
yes
Climate
Climate
extreme
All
All air
airsystem:
system:
Full
Fullair
airsystem
system
(supply
(supplyand
and exhaust
exhaustair)
air)
DEC system,
special
configuration
Imagen 4.5 En climas con alta humedad ambiente y altas temperaturas ambiente, puede ser necesaria una configuración especial, si se incluye un ciclo desecante. La deshumidificación principal se lleva a cabo en este ejemplo en un proceso sorbente de accionado solar térmico. No obstante, los estados de aire de suministro deseados pueden no alcanzarse en climas extremos. Por este motivo, puede emplearse agua refrigerada añadida para la prerefrigeración y la predeshumidificación y para un ajuste final del suministro de temperatura. Fuente: Fraunhofer ISE. 4.2 Sistema todo aire + distribución de agua enfriada La imagen 4.6 muestra la toma de decisión para una situación en la que el edificio reúne todos los requisitos para instalar un sistema completo de aire (aire de suministro/retorno), pero no hay bastante cambio de aire como para eliminar todas las cargas sensibles. Puede ser el caso, por ejemplo, de un edificio de oficinas con ocupación normal, pero con altas cargas internas a través de los aparatos, grandes fachadas acristaladas, etcétera. Se supone que el edificio está ubicado en un clima templado, por lo que un sistema de refrigeración desecante evaporativo puede eliminar todo el calor latente del área acondicionada. En este ejemplo, puede aplicarse una configuración DEC estándar combinada con una red de agua refrigerada. El agua refrigerada sirve tanto a techos refrigerados como a ventiloconvectores (sin necesidad de deshumidificación). Esta separación entre el manejo de calor latente (mediante el sistema DEC) y el manejo de la carga de calor sensible permite un funcionamiento eficiente de la máquina, puesto que el agua enfriada puede suministrarse a altas temperaturas (habitualmente >12°C). El calor solar térmico se usa para proveer calor para la regeneración de la unidad sorbente, por ejemplo de la rueda deshumidificadora. En principio, también es posible un sistema desecante líquido en vez del sistema desecante sólido dibujado. En ambos casos, la temperatura de regeneración requerida al captador solar es <75°C para la mayoría de materiales usados en la 69 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano unidad sorbente. Por lo tanto, en la mayoría de sistemas un captador solar plano acristalado de buena calidad es suficiente para el funcionamiento del sistema. BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
collector
START
START
storage
backup
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation(building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
conventional chiller
⇒
⇒ cooling
coolingload,
load, required
required
hygienic
hygienicair
airchange
change
regeneration
heat
Installation
Installationof
ofcentralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasibleand
and
desired?
desired?
humidifier
exhaust
air
return air
yes
cooling
loads
ambient
air
supply air
dehumidifier
wheel
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
forsupply
supply// return
return air
air system
system
(building
(building tight
tightenough)?
enough)?
yes
heat recovery
wheel
heating
Climate
Climate
temperate
Hygienic
Hygienicair
air change
changeable
ableto
to
cover
cover cooling
cooling load?
load?
no
Full
Fullair
airsystem
system
(supply
(supplyand
and exhaust
exhaustair)
air)
++ chilled
water
chilled watersystem
system
DEC system, standard
configuration,
chilled water network
12°C - 15°C
Imagen 4.6 En esta decisión, un sistema completo de aire es posible, pero no es suficiente para cubrir todas las cargas en el edificio. En climas templados, pueden cubrirse las cargas latentes, por ejemplo con una configuración DEC estándar y se eliminan las cargas sensibles restantes con una red adicional de agua refrigerada en el edificio. En este ejemplo, el calor solar térmico es la fuente generadora para el funcionamiento del sistema DEC. Fuente: Fraunhofer ISE. 70 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
START
START
TECHNOLOGY
heat
rejection
collector
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
orientation;
internal
geometry, orientation; internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
storage
backup
chiller
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienicair
air change
change
Installation
Installationof
of centralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasible and
and
desired?
desired?
yes
return air
cooling
loads
supply air
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
forsupply
supply// return
returnair
airsystem
system
(building
(building tight
tightenough)?
enough)?
cooling
yes
Climate
Climate
temperate
Hygienic
Hygienicair
airchange
changeable
able to
to
cover
covercooling
cooling load?
load?
heating
no
Full
Fullair
airsystem
system
(supply
(supplyand
and exhaust
exhaustair)
air)
++chilled
chilledwater
water system
system
extreme
Conv. AHU, thermally
driven chiller, chilled
water network
6°C - 9°C
Imagen 4.7 Tanto en climas templados como extremos, puede emplearse un climatizador convencional combinado con una máquina de accionado térmico. El calor solar térmico se emplea para que funcione la máquina refrigeradora, que puede ser absorbente o adsorbente. Además de la configuración mostrada en la imagen 4.4, el agua refrigerada se emplea para el funcionamiento de las unidades de refrigeración descentralizadas (ventiloconvectores, techos radiantes, etcétera), puesto que en este ejemplo el índice de caudal de aire no cubre lo suficiente todas las cargas sensibles. El agua enfriada debe suministrarse a bajas temperaturas debido a la necesidad de entregar aire deshumidificado. Fuente: Fraunhofer ISE. Por la misma decisión, la imagen 4.7 presenta una solución tecnológica que puede aplicarse tanto en climas templados como extremos. Se emplea un sistema de aire convencional suministro/retorno, mientras que la refrigeración se prepara con un sistema de accionado térmico, usando calor solar. Comparado con la imagen 4.4., el sistema de agua refrigerada se extiende a una red para mantener las instalaciones de refrigeración descentralizada para la eliminación de calor sensible. Otra posibilidad para climas extremos, por ejemplo en localidades mediterráneas, es de nuevo una configuración especial de ciclo desecante como se ha presentado en la imagen 4.5, pero también con una red extendida de agua refrigerada para la eliminación adicional de carga sensible. Esta configuración se muestra en la imagen 4.8. 71 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
TECHNOLOGY
START
START
solar heat
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
exhaust
return
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienic air
airchange
change
humidifier
ambient
Installation
Installationof
ofcentralized
centralizedair
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasible and
and
desired?
desired?
supply
dehumidifier
wheel
heat recovery
wheel
chilled
water
chilled
water
yes
cooling
loads
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
for supply
supply// return
returnair
air system
system
(building
(building tight
tightenough)?
enough)?
Conventional
chiller
yes
Climate
Climate
extreme
Hygienic
Hygienic air
air change
changeable
ableto
to
cover
cover cooling
cooling load?
load?
no
Full
Fullair
air system
system
(supply
(supplyand
and exhaust
exhaustair)
air)
++ chilled
chilledwater
watersystem
system
DEC system, special
configuration,
chilled water network
12°C - 15°C
Imagen 4.8 También en climas extremos es posible aplicar un ciclo desecante en una configuración especial. El ejemplo aquí mostrado es similar al de la configuración en la Imagen 4.5, pero por añadidura, una red de agua refrigerada sirve a instalaciones descentralizadas de refrigeración en el edificio para extraer las cargas sensibles de refrigeración restantes. De nuevo, la temperatura necesaria de agua refrigerada en esta aplicación es comparativamente alta (habitualmente >12°C), permitiendo así una producción eficiente de agua refrigerada. El calor solar térmico se emplea para suministrar calor de regeneración para la rueda sorbente. Fuente: Fraunhofer ISE. 4.3 Sistema de suministro de aire + distribución de agua enfriada Se considera que es deseable un climatizador central. No obstante, en un edificio que no está suficientemente cerrado, la instalación de un sistema de aire es problemática porque el aire externo es absorbido al interior del edificio (presión interna menor que la externa), o se pierde a través del revestimiento de edificio (presión interna mayor que la externa). En este caso se instalaría un climatizador sólo para suministrar aire nuevo. El aire nuevo está refrigerado y deshu‐
midificado y las cargas sensibles no cubiertas por el aire nuevo se compensan por otros medios. Un ejemplo puede ser un sistema de techo radiante. La toma de decisión para esta configuración y su posible esquema se muestra en la imagen 4.9. Una máquina de accionado térmico, funcionando con calor solar, suministra agua refrigerada al climatizador y a las instalaciones de refrigeración descentralizadas mediante una red de agua refrigerada. La deshumidificación se lleva a cabo en el suministro de climatización. Así, la temperatura del agua refrigerada debe ser lo suficiente baja. Por supuesto, el agua refrigerada entregada por ejemplo a los techos radiantes debe mezclarse con mayores temperaturas mediante válvulas motorizadas. Por lo común también es posible usar el flujo de agua refrigerada del climatizador como una entrada de techo radiante, pero el esquema hidráulico es más complejo y por ello no se muestra en la imagen. La tecnología presentada en la imagen 4.9 es por lo general aplicable en climas templados y extremos. 72 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Con esta decisión tecnológica, pueden emplearse tanto máquinas de absorción como de adsorción. La elección del tipo de máquina está sujeta a un proceso de diseño más detallado, considerando el modelo de carga refrigerante, el nivel exacto de temperatura de agua refrigerada necesaria, coste, etcétera. Como mínimo se necesita un captador solar plano de alta calidad como fuente de calor. Dependiendo de la estructura de la carga y de los requisitos de los estados de aire en la habitación, es posible un funcionamiento autónomo de refrigeración solar térmica en verano o un sistema auxiliar de apoyo al proceso de refrigeración cuando sea necesario. BUILDING
DISTRIBUTION
MEDIUM
START
START
TECHNOLOGY
heat
rejection
collector
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
storage
backup
chiller
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienic air
air change
change
Installation
Installationof
of centralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasibleand
and
desired?
desired?
yes
supply air
Building
Buildingconstruction
constructionappropriate
appropriate
for
for supply
supply// return
return air
airsystem
system
(building
(building tight
tightenough)?
enough)?
no
Supply
Supplyair
air system
system
++chilled
chilledwater
water system
system
cooling
heating
Climate
Climate
temperate
extreme
Conv. AHU, thermally
driven chiller, chilled
water network
6°C - 9°C
Imagen 4.9 En este ejemplo, solo es posible la instalación de un sistema de suministro de aire debido a la calidad del edificio y al limitado espacio para el sistema de climatización. Por lo tanto no se puede recurrir a un ciclo desecante evaporativo. Suministro de aire refrigerante y deshumidificación y, si se requiere, una vía adicional de refrigeración como por ejemplo techos radiantes mediante una máquina de accionado térmico. Fuente: Fraunhofer ISE. 4.4 Sistema todo agua En el supuesto de que no sea factible o deseable una instalación de unidad centralizada de manejo de aire, la única solución técnica para usar la energía solar térmica en la climatización del edificio es la instalación de una máquina de accionado térmico para suministrar agua fría a la red de agua refrigerada. Un ejemplo puede ser un edificio de oficinas o un gran edificio residencial, que no dispongan del espacio necesario para la instalación de un sistema de conductos. Independientemente de las condiciones climáticas, una temperatura baja del agua enfriada (aproximadamente entre 6°C y 9°C) es necesaria para permitir la deshumidificación del aire en un sistema con ventiloconvector. Esta solución técnica se muestra en la imagen 4.10. La fuente generadora para la máquina es un sistema de captador solar térmico. Se necesitan como mínimo 73 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano captadores planos de alta calidad para proveer de calor a la máquina, que puede ser tanto de adsorción como de absorción. Cuando sea posible, las ganancias solares deberían emplearse en invierno para la calefacción de espacios, sea en idénticas unidades de ventiloconvectores o unidades interiores separadas. El empleo de calor solar en invierno es muy recomendable para todos los ejemplos mostrados con anterioridad, cuando se produce la demanda de calefacción, aunque las imágenes mostradas se centran más en el funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado durante el verano. DISTRIBUTION
MEDIUM
BUILDING
TECHNOLOGY
START
START
heat
rejection
Cooling
Coolingload
load calculation
calculation (building
(building
parameters,
parameters, e.g.,
e.g., materials,
materials,
geometry,
geometry, orientation;
orientation; internal
internal
loads,
loads, meterological
meterological conditions)
conditions)
collector
storage
⇒
⇒ cooling
cooling load,
load, required
required
hygienic
hygienic air
air change
change
Installation
Installationof
ofcentralized
centralized air
air
handling
handlingunit
unitfeasible
feasible and
and
desired?
desired?
backup
chiller
no
All
All water
watersystem
system
(chilled
(chilledwater)
water)
cooling
Climate
Climate
temperate
heating
extreme
Thermally driven
chiller, chilled water
network
6°C - 9°C
Imagen 4.10 Toma de decisión para un sistema todo agua y una posible solución técnica. En este ejemplo no es factible la instalación de una UTA. En ese caso la solución es una máquina de accionado térmico para el funcionamiento de una red de agua refrigerada, para usar el calor solar térmico como fuente generadora. Fuente: Fraunhofer ISE. Referencias [IEA‐SHC Task 25] Solar‐Assisted Air‐conditioned of Buildings. Task25 in the Solar Heating and Cooling Programme of the International Energy Agency (IEA). Completado en 2004. http://www.iea‐shc‐task25.org/ [Henning, 2004] Hans‐Martin Henning: Decision scheme for the selection of the apporporate technology using solar thermal air‐
conditioned. Guideline document in IEA Task 25, Octubre de 2004. [Hindenburgv et al., 2005] Carsten Hindenburg, Lena Schnabel, Thorsten Geucke: Solar desiccant cooling system with solar air collectors– four years of operation with 100% solar fraction in summer. Proceedings of the International Conference Solar Air Conditioning. Octubre de 2005, Bad Staffelstein, Alemania. [Henning et al., 2005] Hans‐Martin Henning, Tullio Pagano, Stefano Mola, Edo Wiemken: Micro tri‐generation for indoor air conditioning in the Mediterranean climate. Applied Thermal Engineering 27 (2007), 2188‐2194. 74 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 5 Pequeños sistemas: esquemas para aplicaciones típicas La mayoría de sistemas de aire acondicionado que se han llevado a cabo hasta el año 2005 eran de escala media y grande. Este desarrollo se debió al tamaño disponible de máquinas de accionado térmico, que por entonces era de un mínimo de 35 kW de capacidad refrigerante. Todas las plantas fueron diseñadas individualmente; no había esquemas de sistema estándar para esquemas hidráulicos y de control. Por lo tanto, la cantidad de esquemas hidráulicos diferentes era casi tan alta como el número de sistemas piloto e instalaciones de demostración. Está claro que cualquier pretendido progreso en la penetración real en el mercado del aire acondicionado y la refrigeración solar exige un mayor nivel de estandarización en el sistema de diseño, especialmente en los esquemas hidráulicos. Además, para los sistemas de pequeña capacidad, por ejemplo de uso residencial, el objetivo es minimizar el esfuerzo de diseño, acercándolo a cero. Ello finalmente requiere prejuntar el sistema ‘central’, por ejemplo, para definir los esquemas hidráulicos fijados y los respectivos componentes (máquina, tuberías, bombas, válvulas, equipo de expansión, disipación de calor, control, etcétera) y dar recomendaciones sobre el tipo apropiado de tamaño del captador y sobre el uso del sistema auxiliar, si esos componentes no están incluidos en el ‘paquete’ del sistema. Actualmente se discuten esquemas de sistema adecuados a diferentes niveles, por ejemplo en la Tarea 38 IEA SHC. No obstante, las primeras empresas del mercado están ofreciendo sistemas de refrigeración solar térmica completos. En esta sección, se presentan y discuten brevemente algunas ideas básicas sobre esquemas de sistemas. En todo caso, no se pueden resumir aquí en detalle los diseños completos de componentes hidráulicos como descripciones de válvulas, tuberías y bombas. heat
rejection
collector
storage
boiler
chiller
cooling
heating
Imagen 5.1 Esquema de una posible solución técnica de un sistema de agua refrigerada de generación solar térmica. Fuente: Fraunhofer ISE. En la imagen 5.1 se muestra un esquema básico de un pequeño sistema de refrigeración solar térmica, contando con los componentes más importantes. Las características de esta configuración son: • Imposibilidad de by‐pass del depósito de calor. Ventaja de este concepto: el calor solar siempre se transfiere primero al depósito; así, el depósito siempre mantiene la función reguladora de vaso tampón. Los caudales entre el captador y el circuito de distribución de la máquina son independientes, el esquema es simple y sólo requiere un simple control de carga/descarga del depósito. Una desventaja es que en caso de baja temperatura de 75 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano almacenamiento la inercia térmica del sistema es alta, por ejemplo el depósito debe cargarse antes de que el fluido a alta temperatura pueda aplicarse a la máquina. Esto implica un retraso en el inicio de la función refrigerante; •
•
•
•
La caldera se instala por separado, por lo que no inyecta calor en el depósito de agua caliente. Ventaja: un mayor empleo del captador solar y la caldera puede funcionar para la calefacción de espacios o preparación de agua caliente (no se muestra en la imagen) sin apoyo térmico desfavorable de la máquina (véase la sección 3 para competencia entre solar y auxiliar). Además, la caldera puede funcionar en casos excepcionales con temperaturas de habitación altas en verano, lejos del rango de confort, por ejemplo, si no hay suficiente energía solar disponible. Desventaja: mayor potencia de caldera necesaria que en una caldera con acumulador integrado; mayor inestabilidad de temperaturas de agua. Además, el éxito de los combi‐systems habituales (calefacción y ACS con apoyo solar) en algunos países europeos se explica por el hecho de ser sistemas compactos y preasemblados, en los que juega un papel principal el depósito de agua caliente solar con una caldera de primer nivel integrada; Válvula de mezcla en el circuito generador de la máquina: la necesidad de este dispositivo depende de la estrategia de control de la máquina refrigeradora. Está encargada de limitar la temperatura de retorno a la máquina. Algunas máquinas ya la integran, y en este caso no hace falta añadirla. También se puede sopesar el empleo de un control de caudal; Válvula de mezcla en el circuito de disipación de calor: este equipo de seguridad evita que temperaturas de agua demasiado bajas entren en la máquina de refrigeración (requisitos especiales para máquinas de absorción). La necesidad de este dispositivo depende de los requisitos de control de la máquina de refrigeración. No obstante, antes de aplicar la válvula de mezcla debería emplearse un control continuo o gradual de la torre de refrigeración, puesto que el control del ventiloconvector es una medida efectiva para reducir el consumo eléctrico parasitario; Suministro directo de agua refrigerada para los consumidores: en la imagen 5.1 no se prevé un depósito de agua refrigerada. La máquina refrigeradora funciona mientras lo permite la energía solar térmica y mientras haya que eliminar el calor del edificio. Dependiendo del control y el funcionamiento de las instalaciones de refrigeración descentralizadas, frecuentemente la máquina refrigeradora puede funcionar a carga parcial, pero también puede ocurrir una parada de la refrigeración en periodos de pequeña demanda de frío. Un depósito de agua enfriada puede mejorar esta situación: la producción de agua enfriada está separada hasta cierto punto de la demanda y la máquina de refrigeración puede funcionar con frecuencia a carga completa. El calor solar todavía puede utilizarse y el agua enfriada puede almacenarse incluso si no hay demanda de refrigeración en el edificio; debido a la eficiencia de los procesos sorbentes de simple efecto, por lo común es más útil almacenar agua fría que agua caliente. Desventaja: mayor coste de inversión para el depósito de agua fría e hidráulica añadida (bomba y control). En el proyecto Solar Combi+ [SolarCombi+, 2008], apoyado por la Comisión Europea en el marco del programa Intelligent Energy Europe de la Agencia Ejecutiva de Competitividad e Innovación (EACI), se llevó a cabo un estudio de un caso virtual en sistemas de refrigeración solar de pequeña escala; a través de extensos cálculos de simulación se ofreció una base de rendimientos anuales de configuraciones de sistema seleccionadas en diferentes campos de instalación. Al principio del 76 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices estudio se definieron los esquemas típicos del sistema. Pronto se comprobó que entre los diferentes expertos socios de los países europeos todavía no existe una comprensión común de la ‘mejor’ solución de sistema. El conocimiento apropiado de instalaciones de refrigeración solar está distribuido en numerosos grupos de trabajo, la cantidad de diferentes aproximaciones técnicas es alta y la cifra total de plantas en funcionamiento no es suficiente para condensar la experiencia en un esquema de sistema óptimo. Además, las normativas estatales también pueden afectar el diseño general; por ejemplo, una norma en España relativa al diseño de sistemas térmicos solares no permite la integración directa de un calentador auxiliar en el depósito de agua caliente solar. Loads
Heating
Boiler
DHW
Collector
Chiller
Cooling
heat rejection
Source: Fraunhofer ISE
Loads
Heating
DHW
Collector
Boiler
Chiller
Cooling
heat rejection
Source: Fraunhofer ISE
Imagen 5.2a (arriba) y 5.2b (abajo) Dos esquemas de sistema para pequeños sistemas de refrigeración solar propuestos en un estudio de caso en el proyecto SolarCombi+. Los esquemas están discutidos en más detalle en el texto. Fuente: Fraunhofer ISE. No obstante, se convino centrarse sobre todo en dos esquemas de sistema diferentes como configuraciones maestras, que se muestran en la imagen 5.2a y 5.2b. En ambos casos se acepta que la demanda de calefacción y la de refrigeración no deben cubrirse al mismo tiempo, lo que es un supuesto realista para edificios de tamaño pequeño o mediano. 77 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano En el esquema 5.2a, la caldera auxiliar se instala por separado del sistema del captador. Son posibles los siguientes modos de funcionamiento: 1. Calefacción de un espacio y preparación local de agua caliente con la caldera; no hay disponible suficiente energía solar térmica. El retorno frío desde el intercambiador de calor para ACS es pasado a través del depósito acumulador solar para ser calentado o precalentado mediante energía solar térmica. La máquina refrigeradora no está funcionando; 2. Calefacción de un espacio apoyada por un sistema térmico solar: o se usa la energía térmica del depósito de agua caliente y, si es necesario, calentada con la caldera hasta el punto de temperatura deseado, o se usa el calor directo del sistema del captador. Esto depende del control de la bomba de los circuitos del captador. Como en el modo 1., la máquina refrigeradora no está en funcionamiento; 3. En el modo de verano, la máquina refrigeradora está en funcionamiento. Para permitir un inicio rápido de la máquina refrigeradora por la mañana, el depósito se by‐passa mediante un funcionamiento simultáneo de la bomba del circuito de la máquina refrigeradora y de la bomba del circuito primario y secundario del captador. Para esto hace falta acoplar bien las bombas. En caso de que la temperatura del campo de captadores no sea suficientemente alta, entonces el fluido se calienta en la caldera. No obstante, debe prestarse atención a las recomendaciones de uso de las fuentes auxiliares de calor, como se explica en la sección 3; 4. Cuando el sistema del captador no está en funcionamiento durante la refrigeración (parada de las bombas del circuito del campo), se elimina el calor solar del depósito y si entonces es necesario se calienta en la caldera (de nuevo: recomendaciones sobre el uso de fuentes auxiliares de calor). La posibilidad de evitar el depósito de agua caliente conduce a una alta complejidad en el esquema hidráulico y la estrategia de control. Se debe haber desarrollado una estrategia de control adecuada para permitir un uso eficiente del depósito, porque un depósito térmico suele ir de la mano de un alto coste de inversión. No obstante, algunos proveedores de sistema y grupos de trabajo favorecen esta solución. El agua caliente está siempre pasando por el intercambiador de calor de la caldera, esté o no activo este componente y resultando por ello una mayor caída de presión en el circuito de suministro de calor. En la configuración del esquema 5.2b, el depósito de agua caliente está siempre en uso como el sistema central de distribución de calor; el sistema auxiliar está integrado dentro o añadido al depósito. Hoy se aplica esta solución a numerosos sistemas solares térmicos combinados (calefacción y ACS con apoyo solar ), puesto que esos sistemas hasta un cierto punto están preasemblados y ello simplifica la instalación del total del sistema térmico solar. El desarrollo de este tipo de sistemas solares térmicos combinados sin duda ha acelerado el éxito de las instalaciones de calefacción solar térmica. Junto a las ventajas en la instalación, el sistema hidráulico es menos complejo que el esquema 5.2a y el control del captador es independiente del funcionamiento de las otras partes del sistema. Recordar que estos combi‐systems para calefacción y ACS se han desarrollado sobre todo en el norte de Europa. Según el Código Técnico de la Edificación Español, no se puede calentar el mismo acumulador con las dos fuentes (solar y auxiliar): se tiene que utilizar un depósito para el solar, y otro para el auxiliar, con unas conexiones controladas entre ambos. 78 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Fossil fueled
boiler operation
70°C - 90°C
driving heat
50°C - 65°C
domestic hot water
Imagen 5.3 Idea básica de un control de calor auxiliar, si la caldera está integrada en el depósito de agua caliente, pero no se pretende un apoyo auxiliar de calor entregado para la máquina refrigeradora. El nivel de funcionamiento de la caldera está por debajo del rango de funcionamiento para el circuito distribuidor de la máquina refrigeradora. En invierno, cuando la máquina refrigeradora no está activa, si es necesario puede cambiarse a mayores niveles el rango de temperatura de funcionamiento para la caldera. Fuente: Fraunhofer ISE. No obstante, la integración del calor auxiliar en el depósito en el contexto de la refrigeración solar térmica requiere prestar mucha atención al control de la caldera con respecto al equilibrio de la energía primaria, comentado en la sección 3. En cualquier caso, la caldera no debería calentar, durante la temporada de refrigeración, en verano, el depósito a una temperatura más alta que la de consigna para ACS. Para esto, es importante que se haga claramente desde la caldera la separación entre las temperaturas de ACS y del circuito generador de la máquina. La imagen 5.3 proporciona una idea de dicha estrategia de control: la caldera funciona para la preparación de ACS sólo en un estrecho margen de temperatura, por ejemplo más de 65°C. No obstante, la máquina enfriadora se inicia a temperaturas del depósito de >70°C, el calor adicional para este nivel debe prepararse mediante el sistema térmico solar. Durante la refrigeración, la temperatura del fluido circulante retornando al depósito es todavía alta (por ejemplo 60°C) y por lo tanto sobre el nivel de inicio de la caldera para la preparación de ACS. Si se emplea tecnología de refrigeración adsorbente, un aspecto interesante para la configuración del sistema surge del periodo de recuperación durante la refrigeración. Forma parte del proceso adsorbente que entre el cambio hidráulico de adsorción a desorción (véase la sección 2), incluye un breve periodo de recuperación de calor entre los dos compartimientos de la máquina refrigeradora (típicamente con una duración de aproximadamente 15 s). Esto implica fluctuaciones breves pero distintas en la temperatura del agua caliente, retornando desde el circuito de la máquina refrigeradora. La imagen 5.4 muestra un ejemplo de los niveles de temperatura en un sistema de máquina adsorbente. Las fluctuaciones especialmente en el retorno del circuito distribuidor pueden necesitar medidas adicionales en el control del sistema, si está previsto usar en el control este nivel de temperatura. Una medida adecuada es la igualación del valor de la temperatura en el depósito, en el depósito principal de agua caliente o en un acumulador especial de fluido de retorno. 79 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 80
70
hot water circuit
T_hot_supply
T_hot_return
temperature [°C]
60
50
40
cooling water circuit
30
T_cold_supply
T_cold_return
20
chilled water circuit,
primary:
10
T_chilled_supply
T_chilled_return
0
800
805
810
815
820
825
830
minute of the day
835
840
845
850
Imagen 5.4 Las fluctuaciones de temperatura en los circuitos hidráulicos son típicas para el funcionamiento de las máquinas de adsorción. Especialmente las fluctuaciones de temperatura del agua caliente de retorno se deben tener en cuenta en el control y la configuración del sistema. Fuente: Fraunhofer ISE. El número de configuraciones de sistema existentes es actualmente tan alto como la cantidad de sistemas instalados, es una expresión de la falta de estándares y sistemas predefinidos en las instalaciones de refrigeración solar térmica existentes. No obstante, los proveedores de sistemas de refrigeración solar son bien conscientes de los beneficios de las configuraciones estandarizadas y de sus efectos sobre la reducción de costes y la fiabilidad del funcionamiento del sistema, especialmente en el rango de capacidad de pequeña escala. Por ejemplo, se puede consultar la tendencia hacia aproximaciones más estandarizadas y esquemas de sistema en las siguientes páginas web: • SolarNext – www.solarnext.de • SOLution – www.sol‐ution.com org • ClimateWell – www.climatewell.com Las configuraciones de sistema para tres instalaciones diferentes de refrigeración solar térmica también se detallan para plantas en el proyecto High‐Combi [High‐Combi, 2008]. En este proyecto, se llevarán a cabo tres sistemas de prueba con diferentes innovaciones. La imagen 5.5 muestra la configuración del sistema más pequeño, equipado con la máquina Rotartica Solar 7 (4.5 kW de capacidad enfriadora). En el Catálogo de Buenas Prácticas de SOLAIR, pueden consultarse otros ejemplos de configuración de esquemas para algunas de las instalaciones en la base de datos de SOLAIR [SOLAIR, 2008]. 80 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 5.5 Esquema del sistema de refrigeración solar Rotartica Solar 7, instalado en el marco del proyecto High‐Combi. Fuente: Project deliverable D6 ‘State of the art of similar applications’ in High‐Combi [High‐Combi, 2008] Referencias [SolarCombi+, 2008] Identification of most promising markets and promotion of standardised system configurations for the market entry of small scale combined solar heating & cooling applications (SOLAR COMBI+). Supported in the Intelligent Energy Europe Programme of the European Commission. EIE/07/158/S12.466793. Duration: until 02/2010. www.solarcombiplus.eu [High‐Combi, 2008] High solar fraction heating and cooling systems with combination of innovative components and methods (High‐Combi). Task 2, Deliverable 6: State of the art of similar applications, Julio 2008. Supported by the European Commission. TREN/07/FP6EN/S07.68923/038659. Duration: until 2009. www.highcombi.eu. [SOLAIR, 2008] Increasing the market implementation of solar air‐conditioned systems for small and medium applications in residential and commercial buildings. Task 2.2 / Best Practice Catalogue, Junio 2008. Supported in the Intelligent Energy Europe Programme of the European Commission. EIE/06/034/S12.446612. Duration: until 12/2009. www.solair‐project.eu 81 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 6 Recomendaciones para el seguimiento y mantenimiento de la instalación Con unos centenares de instalaciones, la refrigeración solar todavía está en una fase inicial de penetración en el mercado. En esta fase es importante obtener información sobre los beneficios obtenidos con la instalación y sobre la eficiencia total del sistema. Así, el control juega un papel primordial en ambos, atestiguando la contribución de los sistemas al ahorro de energías primarias, probando así el potencial de la refrigeración solar y apoyando un funcionamiento fiable y optimizado del sistema. El último aspecto está directamente relacionado con un aumento del valor económico de la instalación. Como las instalaciones de refrigeración solar son más complejas que por ejemplo los sistemas solares térmicos de calefacción, se debe poner más empeño en la monitorización. Al planificar el sistema de control, la selección y número de posiciones de control dependen del nivel de interés en la valoración del rendimiento del sistema. Aproximadamente, los niveles de valoración del funcionamiento del sistema se pueden clasificar así: • control básico funcional: estado del funcionamiento del sistema para la resolución simple de problemas. Este nivel de vigilancia del sistema provee un estado menor de información sobre, por ejemplo, un funcionamiento fiable del sistema térmico solar (control de la bomba) y otros componentes clave para detectar los fallos significantes del sistema y evitar el funcionamiento no previsto de un sistema auxiliar. Esto es un mínimo de información requerida. No se da información sobre el funcionamiento del sistema. Especialmente la capacidad de la máquina refrigeradora no puede ser vigilada (excepto si el control interno de la máquina revela dicha información); • control básico del funcionamiento global: valores integrados de, por ejemplo, calor solar entregado, frío producido, calor auxiliar, consumo total de electricidad. Con estas infor‐
maciones, se puede calcular un resultado total simple y los beneficios en ahorro de energía primaria y se puede estimar la cantidad de CO2 a evitar, si se compara con datos de un sistema de referencia. Se pueden calcular la cantidad de gastos; • análisis detallado del sistema: el control de datos con alta resolución de tiempo es accesible para todos los circuitos hidráulicos relevantes, la radiación está monitorizada, los medidores de electricidad están instalados, las señales de posición de las válvulas están grabadas. Con este empeño, se puede valorar la eficiencia de los componentes, se puede trazar el caudal de calor a través de los sistemas. Naturalmente permite la obtención de información del nivel previo, pero en cualquier escala de tiempo deseada. Además, este nivel de monitorización permite identificar los puntos débiles del control del sistema y usar así los datos para su optimización. El último nivel de monitorización detallado se emplea actualmente en muchas plantas piloto y de pruebas de refrigeración solar térmica. Los costes son elevados tanto para la monitorización del equipo y la instalación como para el tiempo que consume la evaluación de los datos. Como en general el esfuerzo para el análisis detallado del sistema es independiente del tamaño del sistema de refrigeración (cantidad casi idéntica de circuitos y componentes hidráulicos en todos los sistemas), es evidente que este nivel de monitorización no se convertirá en un estándar para sistemas de pequeño tamaño en el mercado. No obstante, este nivel de monitorización es importante en desarrollo en marcha de los sistemas de refrigeración solar. 82 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices La imagen 6.1 facilita un ejemplo de los requisitos mínimos de control para permitir una comparación con un sistema de referencia en términos de uso y entrada de energía. Para un análisis más detallado del sistema de refrigeración solar, también hay que grabar el flujo de energía dentro de los componentes (imagen 6.1c). La imagen 6.2 facilita otro ejemplo de las señales de monitorización necesarias para el análisis detallado del sistema. No se monitorizan los sistemas de ventilación, dado que la producción de agua enfriada con refrigeración solar térmica está en el centro de este ejemplo. Cada flujo de calor que controla el punto Q consiste en dos señales de temperatura y una señal de flujo de masa, porque para una monitorización detallada no sólo interesa medir el flujo de calor, sino también la temperatura absoluta y los valores de flujo de masa. No indicados en la imagen están los sensores que pueden facilitar la detección de errores en caso de un importante fallo de sistema, como señales de posición de válvulas de tres vías, señales de funcionamiento de la bomba, etcétera. conversion
system boundary: reference system
heat supply
E
Primary
energy
fossil
fuel
boiler
air-conditioning
E
other
heating,
hot w ater
Q
chiller,
el. compr.
cooling
heat
rejection
electricity
w aste heat
Imagen 6.1a Para obtener una imagen muy aproximada de la entrada de energía de una calefacción convencional y un sistema de refrigeración (sistema de referencia), debe evaluarse la salida útil de energía (indicada por las barras rojas y azules) así como el consumo de electricidad de todo el sistema de suministro (triángulo azul claro). La demanda de combustible fósil puede estimarse a partir de la eficiencia media de una caldera. 83 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano solar radiation
conversion
system boundary: solar assisted system
solarcollector
E
Primary
energy
heat supply
heat
storage
Q
fossil
fuel
boiler
air-conditioning
E
other
media
Q
chiller,
thermal
other
w ater
heating,
hot w ater
cooling
heat
rejection
V
electricity
w aste heat
Imagen 6.1b Para un rendimiento comparado de un sistema de refrigeración solar con un sistema de referencia mostrado en la imagen 6.1a, han sido grabadas como mínimo los valores energéticos indicados. Los resultados (por ejemplo, los datos anuales de energía) pueden compararse con los datos estimados de referencia para calcular los beneficios en el ahorro de combustible fósil. No obstante, no hay información detallada sobre los componentes, como la eficiencia del captador y el rendimiento de la máquina refrigeradora. solar radiation
conversion
G,T
solarcollector
E
Primary
energy
system boundary: solar assisted system
Q
heat supply
heat
storage
Q
fossil
fuel
boiler
air-conditioning
other
other
media
w ater
Q
E
electricity
E
Q
chiller,
thermal
cooling
Q
V
heating,
hot w ater
heat
rejection
E
E
w aste heat
Imagen 6.1c Un análisis detallado del sistema necesita un esfuerzo de monitorización mayor que el mostrado en la Imagen 6.1.b. Además, no sólo interesan el flujo de calor sino también los niveles de temperatura y diferencias, índices de flujo de masa y señales de estado del control del sistema (no se muestran en la imagen). A este nivel, un comportamiento de sistema insuficiente puede ser detectado y las estrategias de control del sistema también pueden ser optimizadas. Fuente: Fraunhofer ISE. 84 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 6.2 Ejemplo sobre la monitorización detallada en una instalación de refrigeración solar con dos pequeñas máquinas de absorción, proveyendo agua refrigerada para el suministro de aire y techos radiantes. Las barras de color indican sensores gemelos de temperatura precisamente calibrados y un medidor de caudal volumétrico para medir el flujo de calor; los triángulos indican medidores de electricidad. En la práctica, los grupos de bombas están monitorizados por un medidor de electricidad. Otras señales de la monitorización no mostradas en la imagen son las señales de posición de las válvulas. Todos los datos están grabados como valores medios de intervalos de tiempo de 60 segundos. Fuente: Technikerschule Butzbach/Fraunhofer ISE. En la Tarea 38 IEA ‘Aire acondicionado y refrigeración solar’ [IEA‐SHC Task 38] del Solar Heating and Cooling Programme (SHC), se desarrollan directrices más detalladas sobre la monitorización y estarán disponles al final de la tarea. Se proponen tres niveles de monitorización en esta actividad, caracterizados por un incremento progresivo del número de sensores y cantidad de datos: • Nivel Uno: Información básica sobre proporción y costes de energía primaria. A este nivel, se definen los requisitos mínimos para permitir una comparación entre diferentes sistemas de refrigeración solar con respecto a la eficiencia de su energía primaria y su rendimiento económico. Se necesita un número limitado de medidores de flujo de calor y un medidor general de consumo eléctrico. También se definen los factores de conversión para la evaluación de la energía primaria y la evaluación del parámetro ‘Proporción de Energía primaria’. La aproximación es aplicable para los sistemas de agua refrigerada y para los sistemas de ciclo abierto; • Nivel Dos: Análisis simple de la gestión de la fuente de energía solar. A este nivel, la monitorización extendida se aplica especialmente al sistema térmico solar (piranómetro para medir la radiación y otros medidores de flujo de calor). Se puede analizar con más detalle la explotación del sistema del captador y de las pérdidas térmicas en el depósito; 85 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano •
Nivel Tres: Procedimiento avanzado de monitorización. El sistema de monitorización se expande para aplicar el método FSC (Fractional Solar Consumption), desarrollado en la Tarea 26 IEA para sistemas combi‐systems. El método fue extendido en la Tarea 32 IEA para sistemas de calefacción solar con grandes depósitos [Letz, 2002], [Weiss (Ed), 2003]. Puede ser necesario identificar en detalle otros puntos de monitorización del flujo de energía en el sistema. Una calefacción convencional y un sistema de refrigeración se definen sin suministro de calor solar para cálculos de referencia. El método puede aplicarse en sistemas de ciclo cerrado o abierto. Otras medidas importantes para asegurar la calidad no están directamente relacionadas con la monitorización de la planta, sino con el mantenimiento regular y el chequeo del sistema. Los fabricantes de máquinas refrigeradoras dan sugerencias de mantenimiento, adaptadas al tipo de máquina, como chequeos de vacío, análisis de la solución etcétera. Un ejemplo de los chequeos para un tipo específico de máquina se presenta en la base de datos de material de prácticas de SOLAIR en la parte D3: funcionamiento y mantenimiento [SOLAIR Training, 2008]. Hay que aplicar otros mantenimientos a los sistemas de disipación de calor y del captador. En la imagen 6.3. se muestra un ejemplo de plan de mantenimiento preventivo de un sistema de captador. Como mínimo, las medidas que aseguren la calidad se deben haber tenido en cuenta en el paso previo de diseño del sistema y cuando las propuestas están preparadas. A modo de ejemplo: • para los modos de calefacción y refrigeración debería determinarse la minima productividad útil de campo del captador solar (kWh/m² por año, por ejemplo derivados del COP anual del proceso de producción de frío) desde la matriz planificada del captador. Se debería monitorizar el rendimiento útil conseguido realmente, por lo que en la fase de planificación se debe disponer de un equipo adecuado de monitorización; • se recomienda que la propuesta incluya la obligación de garantizar un rendimiento mínimo anual del sistema del captador para la aplicación de supervisión y el rango de temperatura. Esta medida empuja al proveedor del sistema del captador a presentar datos realísticos del rendimiento del sistema, dando una base más fiable para una evaluación económica. En caso de que el rendimiento no se alcance bajo condiciones normales de trabajo, el proveedor del captador debería pagar una determinada compensación. El contrato debe especificar los detalles sobre la definición de las condiciones normales de trabajo y las referencias de radiación anual. En este caso se necesita por lo menos una monitorización del rendimiento del captador; • Además, el proveedor del sistema del captador debería especificar los riesgos de estancamiento del captador y garantizar un comportamiento antiestancamiento del sistema en tal caso mediante un diseño apropiado de los componentes hidráulicos. Siempre puede ocurrir una situación de estancamiento, por ejemplo en caso de avería eléctrica o en la bomba. Una posibilidad también es provocar el estancamiento tras la instalación del sistema y comprobar con este método su seguridad; • El contrato con el proveedor de la máquina refrigeradora debería incluir la verificación de la capacidad refrigerante en condiciones operativas tras la instalación del sistema y el inicio del funcionamiento. Por este motivo, es necesaria la monitorización de por lo menos el flujo de calor y los niveles de temperatura en los circuitos hidráulicos de la máquina refrigeradora; 86 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices •
La propuesta debe esbozar el consumo eléctrico general del sistema y, como criterio más severo, podría especificarse la eficiencia eléctrica de todo el sistema. En el/los primer/os año/s, debe inspeccionarse el consumo eléctrico real mediante un equipo de control adecuado. Se puede exponer un criterio similar por ejemplo ante el consumo de agua en los sistemas de ciclo abierto o en caso de que se pretendan instalar torres húmedas de refrigeración. 87 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano COLLECTORS FIELD
Item
Frequency
(months)
6
Collectors
Glasses
Joints
Absorber
Frame of the collector
Connexions
Structure
HEAT EXCHANGER
Equip
Heat exchanger
Submersible heat
exchanger (loop)
6
6
6
6
6
6
Description
VI differences with the original one
VI differences between collectors
VI condensations and dirtiness
VI cracking, deformations
VI corrosion, deformations
VI deformation, movement, ventilation spaces
VI escapes
VI degradation, corrosion, checking of the screws
Frequency
(months)
Description
12
12
12
12
WC efficiency
Clean
WC efficiency
Clean
Frequency
(months)
Description
TANKS
Equip
Tanks
Sacrifice anode
Electrical anode
Insulation
HYDRAULIC LOOPS
Equip
Refrigerant
Tightness
Outdoor insulation
Indoor insulation
Automatic purge
Manual purge
Pumps
Closed expansion vessel
Automatic filling system
Cut valve
Security valve
Distribution loop
12
12
12
12
Frequency
(months)
12
24
6
12
12
6
12
6
6
12
12
6
ELECTRICAL AND CONTROL PARTS
Equip
Frequency
(months)
Electrical part
12
Differential control
Sensors
Thermostat
Energy-meter
12
6
12
6
Dust in the inferior part
Check wear
Check good working
Check there is no humidity
Description
Check density and PH
Do a pressure proof
VI degradation protection, unions and no humidity
VI unions and no humidity
WC and clean
Take the air out
WC and tightness
Check the pressure
WC actuation
WC actuations (open and close)
WC actuation
Check the pressure
Description
Check the electrical board is closed to avoid the
entrance of dust
WC actuation
WC actuation
WC actuation
Write the produced energy
Imagen 6.3 Ejemplo de plan de mantenimiento preventivo de sistemas de captación solar. VI = inspección visual; WC = control de funcionamiento. Fuente: Aiguasol. 88 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Referencias [Letz, 2002] T. Letz: Validation and background information of the FSC procedure. Technical report of subtask A, IEA‐SHC Task 26. 2002. www.iea‐shc.org/outputs/task26/A_Letz_FSC_method.pdf [Weiss (Ed), 2003] W. Weiss (Ed): ‘Solar Heating Systems for Houses – A Design Handbook for Solar Combisystems’. IEA‐SHC Task 26, James&James Ltd Londres, pp 125‐154, 2003. [IEA‐SHC Task 38] Task 38 ‘Solar air‐conditioned and refrigeration’, executed in the Solar Heating and Cooling Programme of the International Energy Agency IEA. www.iea‐shc.org/task38 [SOLAIR Training, 2008] Increasing the market implementation of solar air‐conditioned systems for small and medium applications in residential and commercial buildings (SOLAIR). Supported in the Intelligent Energy Europe Programme of the European Commission. EIE/06/034/S12.446612. Duration: until 12/2009. Training modules available at the SOLAIR web page; Tools and Products: Training modules and materials; D_3_Operation_Maintenance.pdf. Prepared 2008. www.solair‐project.eu 89 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 7 Herramientas de dimensionado 7.1 Planteamientos de diseño ‚Rules of thumb‘
Collector cost per heating
capacity
Cost of solar heat for
given climate
Load - gain - analysis for
given climate and load
Anual cost based on loadgain-analysis
Computer design tool with
predefined systems
Open simulation platform
Required system information, effort for parametrization
Accuracy, reliability of results, details of design information
El diseño de aire acondicionado solar térmico sobre todo implica: • La selección del equipo adecuado de refrigeración de accionado térmico para el sistema elegido de aire acondicionado; • La selección del tipo adecuado de captadores solares para el sistema aire acondicionado elegido y el equipo de refrigeración de accionado térmico; • El dimensionado del campo del captador solar y otros componentes del sistema térmico solar con respecto al coste y rendimiento energético. Los dos primeros puntos se han discutido en la sección 2. En la imagen 7.1. se muestran ejemplos para el dimensionado de diferentes aproximaciones de diseño del sistema. Imagen 7.1 Diferentes aproximaciones de diseño. La exactitud está estrechamente relacionada con la complejidad. Referencia [Henning, 2004/2008]. 90 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Se recuerda que para un estudio teórico de prestaciones de una instalación, las variables
utilizadas para caracterizar el funcionamiento del sistema son las siguientes:
Datos brutos:
•
•
•
•
incidencia solar anual sobre la superfície de los captadores solares (potencial del recurso); producción solar anual bruta (ahorros de energía, ahorros económicos ‐ € ‐ y en emisiones de CO2); consumo de agua (impacto medioambiental, gastos de explotación); consumo de electricidad (impacto medioambiental, gastos de explotación); Ratios:
•
•
•
rendimiento de la instalación (producción de energía solar / recursos); este ratio permite comparar los sistemas solares entre ellos; fracción solar, o tasa de cobertura solar (producción solar / demanda); este ratio permite dimensionar y comparar las energías renovables entre ellas; “COP eléctrico” (producción solar / consumo eléctrico); este valor permite comparar sistemas de aire acondicionado solar con la instalación de bombas de calor.
Otros criterios de dimensionado son:
•
•
para los componentes: o su disponibilidad en el mercado; o sus características nominales adaptadas a las necesidades del proyecto; o su relación calidad / precio; o sus prestaciones energéticas: bajo consumo de energía primaria. para el sistema: o La adecuación demanda / producción (fracción solar) y no sobre‐dimensionado; o Las buenas prestaciones energéticas globales. Después de la fase de pre-dimensionado, la fase de optimización del sistema, llevada a cabo por
unos ingenieros especializados, puede perseguir los siguientes objetivos:
•
disminución de los costes de funcionamiento: o consumo eléctrico; o consumo de agua; •
aumento del rendimiento: o global: limitar las posibles averías, mejorar la regulación y control; o por componente: comunicación con los fabricantes con el objeto de mejorar / adaptar sus productos. En las siguientes secciones se tratan estas diferentes aproximaciones de diseño y sus ventajas e inconvenientes, igual que sus límites de aplicación.
91 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 7.2 Reglas generales En la sección 3 de este documento de ofrece una regla de oro inicial. La expresión: Aspec =
1
Gηcoll ,designCOPdesign
con = superficie captadora por kW frío instalado [m²/kWcold] Aspec Gcoll = radiación incidente por unidad de superficie útil del captador [kW/m²] ηcoll,design = eficiencia del captador en condiciones de diseño (temperatura operativa) [‐] [‐] COPdesign = COP térmico de la máquina refrigeradora en condiciones de diseño Proporciona una ligera idea del área del captador que debe ser instalada en un sistema de aire acondicionado solar. Esta regla simple: + permite una evaluación rápida (aproximada) sobre el área de captador necesaria, si se conocen la eficiencia del captador y el COP del equipo de refrigeración de accionado térmico; − descuida por completo la influencia de la variación de la radiación en el captador según día y año; − no proporciona ninguna información sobre el lugar específico y la carga; − no tiene en cuenta las condiciones de carga parcial4 de la carga de refrigeración en equipos de accionado térmico. En la referencia [Henning, 2004/2008] se presentan otras reglas de oro simples. Para la determinación de − Primeros Costes del Captador − puede realizarse un cálculo simple considerando la curva de eficiencia del captador obtenida según [EN 12975‐2:2006]: t −t
(t − t )2
η = η0 − a1 m a − a2 m a G
G
con η0 = rendimiento óptico a1, a2 = coeficientes de pérdida de calor del captador tm = temperatura del captador (media entre la temperatura de entrada y salida) ta = temperatura ambiente La energía entregada por el captador solar funcionando a una temperatura tm es: q = AηG ⇒ A =
q
ηG
4
Las condiciones de carga parcial corresponden a las de funcionamiento de una máquina refrigeradora que no son las óptimas, no corresponden a las del COP más alto. 92 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices El área del captador por kW de energía producida, Aspec, es: Aspec =
1kw ηG
Si un captador tiene un 50% de eficiencia a una temperatura media de 80ºC y considerando que la incidencia radiante en el captador es de 800 W/m2, el área específica del colector o el área necesaria para producir 1kW de potencia es de 2,5 m2. Considerando el coste específico del captador basado en la información de los sistemas solares térmicos instalados, a saber, el coste del captador según área, el coste de los captadores según unidad de potencia producida puede determinarse mediante: Costheat ,power = AspecCostspec Si el coste específico del captador es 500 €/m2 y el área específica del captador es 2,5 m2/kW el coste del captador por unidad de potencia es 1250 €/kW. También en este caso el cálculo: + permite una comparación aproximada de diferentes captadores solares, si se conocen los parámetros del captador y la temperatura de funcionamiento del equipo de refrigeración de accionado térmico; − olvida por completo la influencia de la variación de radiación en el captador según día y año; − no tiene en cuenta el lugar específico y la carga; − Ignora el funcionamiento a carga parcial. Todos los cálculos hechos hasta el momento consideran solo la potencia producida por el captador. Los captadores solares térmicos no producen una energía constante, sino una potencia variable, que depende de la radiación solar sobre los captadores, que cambia con las condiciones ambientales. Para determinar la energía producida por un captador solar térmico, se necesita información sobre datos climáticos. Con valores horarios de incidencia radiante sobre el captador y conociendo la curva de eficiencia del captador y el modificador del ángulo de incidencia (IAM) es posible calcular la máxima energía producida por el captador a una temperatura de funcionamiento fijada. Para la metodología necesaria para este cálculo, véase [Horta et al, 2008, 2008a]. De esta metodología se obtiene la energía bruta producida por los captadores solares térmicos, Qgross, que puede expresarse en kWh. El coste anual del calor producido por el sistema térmico solar – Coste de calor solar – puede calcularse considerando: Costannual = Costspecfannuity donde fannuity es el factor anual que toma en consideración el índice de interés de la inversión y la vida del sistema de captadores. Costannual
Cost heat =
Qgross
donde Qgross es la producción anual de calor del captador en un lugar y una temperatura de funcionamiento concretos. 93 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano En este caso el cálculo: + Permite una buena comparación de diferentes captadores solares empleando sus parámetros y los datos de radiación de un lugar específico; + Informa sobre la máxima producción de calor posible de un captador solar determinado para un lugar concreto (archivo de datos meteorológicos anuales) una temperatura de funcionamiento constante; − No aporta información acerca del perfil de carga; − Ignora el funcionamiento a carga parcial. Para el cálculo de Qgross pueden emplearse algunas herramientas de software para el diseño de sistemas solares térmicos para ACS. Algunas de esas herramientas usan medias mensuales de datos climáticos, otras usan datos horarios. 7.3 Herramientas sencillas de prediseño Hay herramientas de prediseño más o menos sencillas disponibles para su descarga, que han sido desarrolladas en el marco del trabajo en diferentes proyectos europeos. La tabla 7.1 enumera las que han sido identificadas hasta ahora. Software Referencia / Fuente SACE: Solar cooling Referencia [Hans‐Martin Henning, 2003] evaluation light tool http://www.solair‐project.eu/218.0.html SHC‐SoftwareTool (NEGST Referencia [Sabatelli, V. et al., 2007] project) http://www.swt‐technologie.de/html/publicdeliverables3.html EasySolarCooling Véase referencia [Wiemken, E. et al (2004)] No disponible SolAC – Solar Assisted Air Referencia [Franke, U. et al (2005)] Conditioning Software http://www.iea‐shc‐task25.org/english/hps6/index.html TRANSOL 3.0 http://www.aiguasol.coop/ http://software.cstb.fr Tabla 7.1 Lista no exhaustiva de softwares de pre‐diseño Aquí se proporciona una descripción simple de cada una de estas herramientas, centrándose sobre todo en sus capacidades y límites de aplicación. 7.3.1 Herramienta de software SHC (Proyecto NEGST) En el marco del proyecto NEGST [NEGST (2004‐2007)] se desarrolló un ejemplo de herramientas de software sencillas usando datos mensuales. Está disponible para descarga gratuita en http://www.swt‐technologie.de/html/publicdeliverables3.html. La imagen 7.2 es una imagen de la ventana principal de esta herramienta. Esta herramienta de software permite determinar el área de captador solar requerida para alcanzar un ahorro de energía primaria total, respecto a los sistemas más comunes de refrigeración convencional. El programa tiene en cuenta las cargas de refrigeración y calefacción con base mensual. El usuario necesita introducir la carga energética por metro cuadrado de habitación a acondicionar y el área total del espacio. El sistema térmico solar debe satisfacer estas 94 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices cargas teniendo en cuenta que la carga de calor se satisface directamente y que la carga de frío se satisface mediante una máquina refrigeradora con un COP concreto. Por ejemplo, la Carga Solar se determina y enumera en la tabla 7.2, donde se tiene en cuenta un COP de 0.7 para la máquina refrigeradora. Mes Carga de Calor [kWh] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1,226 864 649 191 0 0 0 0 0 0 375 962 Carga de Frío [kWh]
0 0 0 0 44 420 1,273 1,477 677 81 0 0 Carga Solar [kWh] 1,226 864 649 191 63 600 1,819 2,110 967 116 375 962 Tabla 7.2 Cálculo de valores mensuales de carga solar, considerando los valores conocidos de refrigeración y calefacción de un edificio. La energía mensual entregada por un sistema térmico solar se determina basada en el método de cálculo – Φ‐fchart [Duffie, J. and W. Beckman, 2006]. Qgross se calcula para diferentes áreas de captador. El ahorro en energía primaria se calcula en cada caso y el resultado se representa en el gráfico de la izquierda (véase la imagen 8.2). Los resultados salvados correspondientes a la fracción elegida de energía primaria están representados gráficamente en el gráfico de la derecha y también puede visualizarse en la tabla (Ver resultados). 95 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Imagen 7.2 – Ventana principal de la herramienta de prediseño SHC No hay información detallada sobre el procedimiento de cálculo adoptado para la energía primaria. No se garantiza que las ecuaciones aportadas en la imagen 3.2 de la sección 3 sean totalmente adoptadas. Tampoco es posible conocer qué valores de conversión de energía primaria para electricidad y combustibles fósiles se han adoptado. Esta herramienta de prediseño: + Tiene en cuenta la media de condiciones climáticas y de carga (de calor y de frío); + Permite determinar el área de captador en función del ahorro de energías primarias; ‐ Descuida la carga parcial de la carga de refrigeración y el equipo de refrigeración de accionado térmico 7.3.2 SACE Herramienta ligera para evaluar la refrigeración solar Este software fue desarrollado en el marco del proyecto europeo “SACE: Solar air conditioning in Europe”. El resumen y las entregas del proyecto se pueden hallar en el web de SOLAIR ‐ http://www.solair‐project.eu/218.0.html. El software se puede descargar de manera gratuita. El objetivo de este software es permitir un rápido estudio de viabilidad de sistemas de aire acondicionado de asistencia solar. La fracción solar anual para calefacción y refrigeración se calcula en base a una comparación hora a hora del calor necesario para una máquina de refrigeración de accionado térmico y el calor solar disponible. Efectúa estudios paramétricos que están en función del área específica del captador, por ejemplo la relación entre el área del captador y el área de la habitación, igual que la capacidad de almacenamiento. La capacidad de almacenamiento se define en términos de tiempo permitido 96 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices para satisfacer la carga pico anual. La información obtenida es la fracción solar y la eficiencia del captador solar térmico. El software tiene disponible una serie de ficheros de carga para siete localizaciones y tres diferentes tipos de edificios (Hotel, 642.4 m2 ; Oficina, 930 m2; Aula, 216 m2). Se pueden generar ficheros de carga para otras localizaciones y edificios con herramientas externas de software comercial, pero en ese caso el “área de habitación” existente debería introducirse correctamente en la ventana de la herramienta de software SACE. Imagen 7.3 Ventana principal de la herramienta SACE Para calcular necesita un archivo de carga (de calor y frío) y un archivo de clima con valores horarios. El sistema térmico solar se caracteriza principalmente por los parámetros de eficiencia del captador. El edificio está representado por su área y el equipo HVAC de calor y frío mediante dos temperaturas de funcionamiento (calefacción y refrigeración), eficiencia del sistema de calefacción y COP de la máquina refrigeradora térmica. Esta herramienta de prediseño: + Tiene en cuenta los datos horarios para las condiciones climáticas y ficheros de carga horarios (calefacción y refrigeración); + Permite determinar la fracción solar en función de parámetros como el área específica del captador y volumen del acumulador del depósito; – No tiene en cuenta la carga parcial de la carga de refrigeración y el equipo de refrigeración de accionado térmico. 7.3.3 SolAC – Software de Aire Acondicionado de Generación Solar Este software fue desarrollado por ILK Dresden en el marco del Acuerdo de Implementación “Solar Heating & Cooling” – Tarea 25 – Sistemas de aire acondicionado de accionado solar térmico. El software está disponible para descargarlo gratis en http://www.iea‐shc‐task25.org/english/hps6/index.html 97 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano La documentación del software también está disponible en la descarga (referencia [Franke, U. and Seifert, C. (2005)]). Los datos de entrada para el programa son: – datos de clima incluyendo la radiación solar (datos horarios); – ficheros de carga incluyendo las cargas de calefacción y refrigeración (datos horarios). Puede observarse un ejemplo de los diferentes componentes del sistema en la imagen 7.4. En este software se tienen en cuenta cuatro unidades diferentes: – Sistema térmico solar – Dispositivo de refrigeración – Climatizador – Componentes de refrigeración y calefacción en la habitación Estas unidades pueden tener diferentes configuraciones elegidas por el usuario (véase la imagen 7.5). Los resultados de la simulación están disponibles como los requisitos horarios de energía de una unidad del sistema (se considera que el sistema lo configuran los cuatro elementos arriba enumerados). Los modelos adoptados por cada componente están detallados en la referencia [Franke, U. and Seifert, C. (2005)], pero el código fuente no está disponible. No es posible añadir otros componentes. Imagen 7.4 Representación gráfica usada por el software para representar los components del sistema tratados (de izquierda a derecha) – Sistema térmico solar; dispositivo de refrigeración; climatizador; componentes de refrigeración y calefacción en la habitación, así como datos de entrada (fuente [Franke, U. and Seifert, C. (2005)]) 98 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Imagen 7.5a Opciones del sistema térmico solar Imagen 7.5b Opciones del dispositivo de refrigeración Imagen 7.5d Opciones para enfriar y calendar components en la habitación Imagen 7.5c Opciones de climatizador para calendar y enfriar Esta herramienta de software prediseñada: + Tiene en cuenta los datos horarios para condiciones climáticas así como archivos de carga horarios (calefacción y refrigeración); + Realiza cálculos horarios de la demanda energética de los principales componentes y determina los valores anuales; + Considera el carácter de la carga parcial del equipo de refrigeración de generación térmica; + También incluye un análisis económico; – Sólo tiene en cuenta sistemas predefinidos; – No es posible un análisis de energía primaria, porque no se tiene en cuenta la demanda eléctrica de algunos componentes. 7.3.4 ODIRSOL – Software de refrigeración de Generación Solar El software ODIRSOL ha sido desarrollado en colaboración entre CSTB y TECSOL. Pretende ser una herramienta de decisión para diseñadores e ingenieras/os. La herramienta se basa en simulaciones dinámicas con TRNSYS, para facilitar una valoración técnica y económica de un proyecto detallado de refrigeración solar térmica, usando máquinas de absorción de simple efecto. Las simulaciones cubren configuraciones simples con sistema auxiliar caliente y/o frío y/o depósito caliente y/o frío. Existe una “ayuda” disponible en línea para la mayoría de los pasos, así como ejemplos de proyectos de diferentes tamaños. 99 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano El usuario debe facilitar los resultados horarios de una simulación de carga anual del edificio a tratar. Todos los datos usados en el programa se presentan en una base de datos incluida en el software, en el directorio ODIRSOL\ Interface\ Data. Es información en francés del periodo 2005‐
2007. Contenido y método El primer paso consiste en seleccionar la configuración hidráulica; hay 4 posibilidades, con o sin almacenamiento. Entonces el usuario debe llenar datos horarios de meteorología y carga de frío bajo el formato requerido de un estudio en TRNSYS PREBID, o procedente de un software de simulación térmica. El usuario también introduce otros datos geográficos. De todos estos datos, el software predimensionará automáticamente todos los componentes de la instalación. El método de predimensionado se basa en relaciones simples, reglas de oro y en bases de datos de productos comerciales disponibles. En la pantalla principal, el usuario tiene la posibilidad de modificar cada componente, para introducir sus propias características o para elegir otros componentes en la base de datos. Cuando se ha elegido todo el material, el usuario empieza la simulación. El núcleo TRNSYS ejecuta una simulación semihoraria. Los modelos del componente pertenecen sobre todo a la biblioteca estándar y a la biblioteca de complementos CSTB. La máquina de absorción es un modelo derivado del Type107 modificado por TECSOL usando curvas de rendimiento facilitadas por los fabricantes. 100 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices Al final del tiempo de simulación, el software facilita un informe escrito que incluye un balance energético de todos los circuitos y una valoración económica del proyecto de refrigeración solar térmica. El usuario también puede mirar la evolución de la temperatura en diferentes partes del sistema (sobre todo el componente de temperaturas de entrada y salida). En el directorio del proyecto ODIRSOL también están disponibles los ficheros de datos mensuales en un archivo con formato de texto. Estado El software final ODIRSOL es gratis pero ha aparecido en versión Beta de prueba. Todas las configuraciones han sido probadas y aportan resultados realísticos en configuraciones detalladas; solo unos pocos pueden ser validados en comparación con las instalaciones reales debido a una falta de resultados de monitorización de referencia. Por ahora, el software sólo está disponible en francés pero la base de datos tendrá que aumentar en breve para cubrir los recientes productos disponibles en el mercado. Contacto Descripción: http://software.cstb.fr/soft/present.asp?context=Odirsol&langue=us Descarga: http://software.cstb.fr/soft/download.asp?page_id=us!Odirsol 7.3.5 TRANSOL 3.0‐Software de simulación de sistemas solares térmicos TRANSOL es una herramienta de simulación de fácil utilización para sistemas solares térmicos desarrollado conjuntamente por el CSTB y Aiguasol. En la actualidad incluye más de 40 sistemas solares térmicos diferentes programados en TRNSYS, de los cuales interesa aquí la posibilidad de calcular instalaciones de refrigeración solar. Estos sistemas incluyen también la posibilidad de calcular el comportamiento del sistema incorporando demandas de calefacción y agua caliente sanitaria. TRANSOL se ha desarrollado con el objetivo de acercar las herramientas detalladas de simulación dinámica al proceso de diseño de sistemas solares térmicos, proporcionando la información precisa y abundante característica de los modelos más detallados, pero sin la necesidad de disponer del tiempo y los conocimientos necesarios para caracterizar los sistemas. Como contrapartida por la simplificación en el uso, el usuario debe renunciar a la definición de la configuración y ceñirse exclusivamente a las configuraciones pre programadas. Presenta una interface de trabajo sencilla, con modelos TRNSYS detallados que contienen datos meteorológicos de Meteonorm 6.0 del mundo entero. 101 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Para facilitar más la tarea, se incluye un asistente etapa por etapa que guía al usuario de forma secuencial por cada una de las pantallas del sistema (clima, captador solar, acumulación…), predimensionando los elementos en función de los datos previamente introducidos por el usuario. Además, para asegurar un conjunto de parámetros consistentes durante la simulación, existen una serie de correlaciones que redimensionan los componentes cada vez que el usuario modifica alguna de las características del sistema (por ejemplo, si modificamos el número de captadores, TRANSOL, por defecto, actualizará el caudal de las bombas del primario y secundario, diámetro de tubo de los circuitos, volumen de acumulación, etc). Esto facilita el pre dimensionado, ya que no es necesario actualizar todos los parámetros del sistema para asegurar una simulación coherente. Alguna de sus características son que: • Permite generar las demandas en calor y frío a partir del modelo de edificio de TRNSYS (type 56, desarrollado por Transsolar), o bién introducir las demandas calculadas mediante otros medios a través de un fichero externo; • Define sistemas emisores de frio sensible o sensible y latente; • Permite realizar estudios paramétricos de un sistema previamente definido, y comparar los resultados; • Contiene una base de datos de materiales extensa y ampliable; • Calcula las sombras; • Incluye un modelo de captador con inercia; • Integra una caracterización bidimensional del IAM, así como modelos específicos para captadores ETC y CPC; • Genera informes de resultados personalizados; • Permite extraer los datos horarios en base anual de las temperaturas, caudales y potencias más relevantes del sistema; facilita datos de tiempo de funcionamiento de bombas y sistemas auxiliares; • Idiomas disponibles: castellano, catalán, francés, inglés e italiano. Contacto: http://www.aiguasol.coop http://software.cstb.fr 102 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 7.3.6 Nuevas herramientas previstas de prediseño El Instituto Fraunhofer ISE ha desarrollado una versión extendida de la herramienta ligera SACE (sección 7.3.2) para un prediseño rápido de instalaciones de refrigeración solar. Esta versión permite la elección de una configuración predefinida y la definición de un sistema convencional de referencia a fin de comparar los resultados anuales en ambos casos. Este producto no está disponible para el público, pero actualmente se está desarrollando una nueva versión mejorada y extendida para el prediseño general de los sistemas con máquina de accionado térmico. Esta nueva versión permitirá la elección de diferentes fuentes de calor (por ejemplo, calefacción centralizada, calor residual, calor solar) y además proporcionará una herramienta de generación tool para preparar los ficheros de carga del edificio sin necesidad de usar herramientas de simulación de exteriores. Por este motivo, está integrado un programa de simulación de edificio, basado en una aproximación simple de una zona. Tras finalizarlo, este programa estará disponible para el público dentro del proyecto de la UE POLYSMART (www.polysmart.org) y la Tarea 38 de IEA (www.iea‐shc.org/task38), pero pro‐
bablemente no será gratis. 103 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 7.4 Herramientas de simulación detalladas Las herramientas de simulación detallada posibilitan modelar el edificio y el sistema HVAC. La tabla 7.3 enumera los que ya están identificados y son normalmente más empleados para la simulación dinámica de los sistemas SAC. Software Referencia / Fuente TRNSYS Referencia [TRNSYS] www.sel.me.wisc.edu/trnsys/ ColSim www.colsim.de EnergyPlus Referencia [Energy Plus, 2005] www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/ INSEL Referencia [INSEL,2003‐2006] http://www.inseldi.com/index.php?id=21&L=1 Tabla 7.3 Lista de herramientas de software de simulación detallada Estas herramientas de simulación se centran sobre todo en el sistema HVAC y tienen la posibilidad añadida de modelar el edificio y generar ficheros de carga (de calor y frío). En este caso, se consideran como “orientadas al sistema”. Otras herramientas se focalizan en la modelación detallada del edificio asociando el componente activo de los sistemas HVAC. En este caso las consideramos como “orientadas al edificio”. En las siguientes secciones se proporcionan breves descripciones de estas herramientas de software. 7.4.1 Orientadas al sistema TRNSYS TRNSYS es una herramienta muy bien conocida en la comunidad de la energía solar térmica. Fue desarrollada en la década de los setenta en la Universidad de Wisconsin. Las subrutinas que describen los componentes de los sistemas térmicos solares, los componentes hidráulicos y HVAC se llaman Types. Incluye Types para muchos componentes de sistema de calefacción solar térmica y también para componentes del sistema HVAC. Se trata sobre todo de un software de código abierto y permite la inclusión de nuevos componentes. También tiene un editor especial para la definición de las características del edificio que permite el cálculo de cargas de calor y frío. A diferencia de otros componentes, el modelo de edificio no es de código abierto. No es un software gratis e implica un cierto grado de complejidad y experiencia en su empleo. Hay numerosos ejemplos de su uso para el diseño de sistemas de aire acondicionado generación solar térmica. Algunos están referenciados en [Wiemken, E. et al (2004)]. ColSim El objetivo del desarrollo de ColSim fue la posibilidad de simular y probar estrategias de control complejas en diferentes sistemas HVAC y solares térmicos emparejados con un edificio modelo. Los desarrolladores de esta herramienta de software indican como motivo para su desarrollo, que para alcanzar la convergencia con pequeños intervalos, no es posible la simulación de las estrategias de control con el código de simulación TRNSYS y otros productos comerciales disponibles sin modificar los algoritmos numéricos de los ‘solver’ de programas. Puede encontrarse una descripción detallada de ColSim en www.colsim.de y en el manual del programa descargable. Es un software de dominio público y su plataforma actual es LINUX, aunque también puede emplearse en Windows. No obstante, la página web de Colsim no ofrece 104 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices información actual (no hay datos). Tras contactar con el desarrollador responsable se ofrece una contraseña para la descarga gratuita. Permite la construcción de nuevos módulos para diferentes componentes del sistema, pero no hay un conocimiento claro sobre la situación actual. Se pueden descargar varias referencias en el sitio web, pero la mayoría están en alemán. INSEL® – Integrated Simulation Environment Language Este programa se define como “un entorno integrado y un lenguaje gráfico para la creación de aplicaciones de simulación”. Emplea símbolos gráficos que están interconectados mediante funciones del ratón y que pueden representar operaciones matemáticas o componentes reales de diferentes sistemas, por ejemplo captadores solares térmicos. En la versión actual de INSEL ya está disponible una caja de herramientas para el sistema térmico solar que incluye captadores planos, de tubo de vacío, captadores de aire, tanques de almacenamiento y también modelos para plantas de refrigeración solar térmica, como sistemas de refrigeración desecante y evaporativa, así como ciclos de absorción. Este software también tiene un entorno programable por el usuario en el que se pueden construir otros modelos de componentes. Acepta los lenguajes de programación como FORTRAN y C/C++. Se puede descargar una edición de aprendizaje de manera gratuita en: http://www.inseldi.com/index.php?id=21&L=1 . 7.4.2 Orientadas al edificio Energy Plus EnergyPlus está descrito como “un programa de simulación de análisis de energía y carga térmica”. Está basado en la descripción del edificio por el usuario, desde la perspectiva de superficies del edificio, sistemas mecánicos asociados, etcétera. EnergyPlus calcula las cargas de calefacción y refrigeración necesarias para mantener el control térmico. Algunas de las principales características de este software, seleccionadas de la descripción detallada en [Energy Plus, 2005], son: • Solución simultánea integrada, en la que la reacción del edificio y los sistemas primarios y secundarios están estrechamente emparejados (con funcionamiento iterativo si es necesario) • Intervalos subhorarios, definibles por el usuario para la interacción entre las zonas térmicas y el ambiente; intervalos variables para las interacciones entre las zonas térmicas y los sistemas HVAC (variados automáticamente para asegurar la estabilidad de la solución) • Archivos climáticos de entrada y salida basados en ASCII, que incluyen condiciones ambientales horarias o subhorarias • Técnica de solución basada en el balance de calor para las cargas térmicas del edificio que permitan el cálculo simultáneo de efectos radiantes y convectivos tanto en el interior como en el exterior de la superficie durante cada intervalo • Sistemas HVAC configurables basados en el circuito (convencional y radiante) que permitan a los usuarios modelar sistemas típicos y sistemas ligeramente modificados sin recompilar el código fuente del programa Se puede descargar EnergyPlus de manera gratuita en: http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/ Ya se han incorporado varios components de sistemas HVAC así como captadores solares térmicos. Los modelos físicos de los componentes están detallados en la referencia [Energy Plus, 105 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 2005]. Será posible incluir nuevos modelos. Para las directrices relacionadas véase [Energy Plus, 2005]. La referencia [Carvalho, M.J., 2007] incluye alusiones a otras herramientas de simulación. 7.4.3 Descripción de otras herramientas de simulación En la Tarea 38 ‘Aire acondicionado y refrigeración solar’ del Programa de Calefacción y Refrigeración Solar de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), se dispondrá de una descripción de las herramientas de simulación adecuadas para las instalaciones de refrigeración solar en el marco de las actividades de la Tarea. Además, se hará una valoración comparativa de diferentes herramientas de simulación en base a sistemas de referencia definidos. Este trabajo se lleva a cabo en la subtarea C de la Tarea (www.iea‐shc.org/task38). Referencias [Carvalho, M.J., 2007] Carvalho, MJ (2007), WP 4.5: SOLAR COOLING: Contribution to a future development of CTSS method applicable to solar assisted air conditioning systems (or solar cooling systems), http://www.swt‐technologie.de/WP4_D2.5‐cooling.pdf [Duffie, J. and W. Beckman, 2006] Duffie, J. and W. Beckman, Solar engineering of thermal processes, John Wiley & Sons, 2006; ISBN 0471698679. [Energy Plus, 2005] Energy Plus Manual‐ version1.2.2 (2005), US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/ [EN 12975‐2:2006] EN 12975‐2:2006, Thermal solar systems and components – Factory made systems – Part 2: Test methods, ICS 27.160 [Franke, U. and Seifert, C. (2005)] Franke, U. and Seifert, C. (2005), Solar Assisted air conditioning of Buildings – IEA Task 25, Subtask B: Design tools and simulation programmes – documentation for SolAC programme, versión 1.5 [Henning, 2003] Hans‐Martin Henning (2003), SACE – Solar Cooling Computer Tool – Guidelines for use, http://www.solair‐
project.eu/218.0.html [Henning, 2004/2008] Hans‐Martin Henning (Ed.): Solar‐Assisted Air‐conditioned in Buildings – A Handbook for Planners. Springer Viena/Nueva York. 2ª edición revisada 2008; ISBN 3211730958. [Horta, 2008] Horta, P and M. J. Carvalho, M. Collares Pereira, W. Carbajal (2008), Long‐term performance calculations based on steady‐state efficiency test results: Analysis of optical effects affecting beam, diffuse and reflected radiation, Solar Energy 82, páginas 1076–1082 [Horta, 2008a] Horta, P and M. J. Carvalho, S. Fischer (2008a), Solar thermal collector yield – experimental validation of calculations based on steady‐state and quasi‐dynamic test methodologies, EUROSUN2008 [INSEL,2003‐2006] Tutorial – INSEL ® ‐ INtegrated Simulation Environment Language ‐ 2003–2006 Doppelintegral GbR (www.inseldi.com) [NEGST (2004‐2007)] NEGST (2004‐2007) – NEGST ‐ New Generation of Solar Thermal Systems ‐ European Project – 6th Framework programme ‐ Proyecto Nº.: TREN/04/FP6EN/S07.31155/503119 106 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices [Sabatelli, V, 2007] Sabatelli, V y G. Fiorenza, D. Marano (2007), WP5.D3: Design and simulation software, http://www.swt‐
technologie.de/html/publicdeliverables3.html [TRNSYS] TRNSYS – Transient system simulation environment developed at the Solar Energy Laboratory at Univ. of Winsconsin, Madison, Estados Unidos, http://sel.me.wisc.edu/trnsys/ [TRNSYS 16] TRNSYS 16 – Transient system simulation environment. Standard Component Library. Overview, Volume 3 [Wiemken, E et al, 2004] Wiemken, E et al (2004), Design and planning support for solar assisted air‐conditioned guidelines and tools, Eurosun 2004 107 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano 108 Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Directrices 109 Directrices Requisitos de diseño y configuración en aplicaciones de aire acondicionado solar de tamaño pequeño y mediano Con el apoyo de Toda la responsabilidad sobre el contenido de este informe recae en los autores del mismo. La opinión de las Comunidades Europeas no está necesariamente reflejada. La Comisión Europea no se hace responsable de ningún uso que pueda derivarse de la información contenida.. 110
