posibilidades de los acumuladores de cambio de fase en la

POSIBILIDADES DE LOS ACUMULADORES DE CAMBIO DE FASE EN LA
CLIMATIZACIÓN
Manuel Domínguez. [email protected] Instituto del Frío. C.S.I.C. Ciudad Universitaria.
28040 Madrid.
José María Arias. josarias@if,csic.es Instituto del Frío. C.S.I.C. Ciudad Universitaria. 28040
Madrid
Carmen García. [email protected] Instituto del Frío. C.S.I.C. Ciudad Universitaria. 28040
Madrid.
Joaquín Culubret [email protected] Acufrio S.L .Bravo Murillo nº 377. 28020 Madrid
España.
Resumen. Se analizan las posibilidades que se han visto tienen el empleo de los
acumuladores de cambio de fase en la climatización, destacándose las ventajas que se han
encontrado, tales como: la posible eliminación de las torres y condensadores evaporativos,
por los problemas de la Legionella; la disminución de las puntas eléctricas y con ello la
posible rebaja de los costes de electricidad; la economía energética que contribuirá a el
cumplimiento de los acuerdos de Kyoto y sobre todo, la posibilidad del aprovechamiento de
fuentes renovables, como: la solar, el “free cooling” y otras cargas internas.
Palabras clave: Acumuladores, Cambio de fase, Climatización, Energías, Renovables
1.- INTRODUCCIÓN
Entre otros problemas nos encontramos en el campo de la climatización con el derivado
de la contaminación ambiental, debida de forma general al consumo de energía, que esta
produciendo un importante ataque a la capa de Ozono y contribuye al calentamiento de la
atmósfera y de forma particular la aparición de la neumonía producida por la bacteria
Legionella. En los últimos tiempos nos encontramos otros problemas, francamente
importantes, que es el desplazamiento en los países desarrollados de la demanda energética
de electricidad de los meses fríos a los cálidos por el incremento del consumo eléctrico
debido a la climatización. En el contesto de la Comunidad Europea, los países del Norte no
comprenden bien la problemática de los países del Sur o mediterráneos, la climatización no
es un lujo en ellos es una necesidad. Nuestros países tienen que llevar al ánimo del resto de
los países Comunitarios de esta necesidad y que estamos poniendo de nuestra parte todo lo
posible para no consumir mucha energía y resolver los problemas medioambientales que nos
comprometen como naciones y como conjunto comunitario.
Entre otros medios a considerar, para contribuir a la resolución de los problemas indicados,
consideramos que se encuentra el aprovechamiento de la inercia térmica y en particular los
acumuladores de cambio de fase. En los trabajos de la referencia, hemos ido exponiendo y
discutiendo las posibilidades encontradas en el empleo de estos productos: en el transporte,
en la construcción y en particular en la climatización. Se han indicado algunas aplicaciones
concretas, que permiten importantes ahorros energéticos y hasta la disminución de las
potencias de las instalaciones mecánicas de climatización o su eliminación.
El objetivo pretendido es analizar las posibilidades que vemos en el campo de la
climatización de los Materiales de Cambio de fase.
2.- LOS MATERIALES DE CAMBIO DE FASE (MCF)
Se entiende por MCF, sustancias que requieren gran energía térmica para cambiar de
fase, en particular pasar de sólido a líquido o viceversa, ese calor o frío necesario se puede
aprovechar para devolverlo en el momento adecuado. Durante mucho tiempo en grandes
instalaciones se empleó como MCF, el agua, en los últimos años ha caído en desuso por los
problemas de sobre costo que supone, tanto inicial como por tener que emplear fluidos
secundarios y bajar mucho la temperatura de evaporación de la máquinas.
Los MCF, a bases de sales hidratadas han tenido problemas con el tiempo, por
envejecimientos prematuros por decantación, recientemente han aparecido productos
orgánicos que no presentan estos problemas, que no son oxidantes y no presentan
problemas de dilataciones como el hielo y que se puede escoger la temperatura deseada de
cambio de fase. Estos productos se pueden emplear en recintos plástico con formas muy
variadas: esferas, cilindros y placas, siendo el fluido de transmisión de calor el agua o el
propio aire, también se ha visto que puede introducirse en los tubos de las baterías
aleteadas y por fuera de ellos y de las aletas, circulando en los tubos el agua o los fluidos
frigorígenos. También se ha visto que en las baterías se pueden realizar dobles circuitos, uno
con el agua y otro con los fluidos secundarios.
En el diseño de los sistemas de acumulación hay dos condicionantes importantes a tener
en cuenta con estos productos, la cantidad de calor almacenado por unidad de volumen y la
potencia máxima a retirar o a cargar de calor, las dos son importantes.
Puede ocurrir,
bajo un mal diseño, que se disponga de capacidad de almacenamiento, pero no de
disponibilidad puntual de calor para contrarrestar las necesidades.
En el caso del empleo de recipientes plásticos con el fluido aire, se recomienda no
sobrepasar los 30 mm de espesor y en el caso de emplear como fluido agua y emplear
baterías de cobre con aletas de aluminio, que las separaciones de las aletas no superen los
5 mm, en estas condiciones los flujos de calor se han visto que son suficientes para las
aplicaciones más usuales.
En las figuras nº 1 a la 3 se han indicados diferentes sistemas de contener a los MCF. Se
ha visto como más adecuado para las grandes instalaciones el tanque de 1200*800*1000
mm con dos baterías, tal como se ve en la figuras nº 4 y 5 de capacidad de acumulación
aproximada de 50 kwh.
Figura nº1 Conjunto de placas de MCF separadas 10 mm para que pueda circular el aire
entre ellas. Con aire frío se cargan y con aire caliente se descargan (pasa el MCF de sólido a
líquido).
Figura nº 2 Principio del sistema de climatización para oficinas con el acumulador dentro
de tubos
Figura nº 3 Tanque de 400 kg de acumulador, vista de la batería de agua
Figura nº 4 Tanque de 1200*800*1000mm con dos baterías y aislamiento interior
capacidad de acumulación de 50 kwh.
Figura nº 5. Vista de unos tanques de acumulación durante su montaje, Julio del 2003.
3.- POSIBLES LOCALIZACIONES DE LOS MCF.
Se han visto diferentes localizaciones en las instalaciones realizadas, unas en la salida del
aire de los equipos de climatización, otras en “plenum” de techo y de suelo. Las capacidades
de acumulación también se han ido variando entre 4 a 12 h, según conveniencias. Las
separaciones entre placas han sido de 10 mm para encontrar un equilibrio entre una buena
trasmisión de calor y una reducida pérdida de carga. La temperatura de cambio de fase en
estos materiales ha sido de 18 ºC. Con saltos de temperatura, entre el aire y el acumulador
de 3ºC, se tienen buenos intercambios de calor.
En el caso de colocarlo en el interior de los tubos haciendo pasar el aire entre las aletas, se
han empleado temperaturas de cambio de fase de 26 ºC, trabajando también con saltos de
temperaturas del orden de 3 ºC, solidificándolo con aire a temperatura igual o inferior a 23 ºC
y fundiéndolo con temperaturas del orden de los 29 ºC En estas aplicaciones se ha eliminado
los sistemas mecánicos de climatización, aprovechándose al máximo el frío gratis del aire
“free cooling”.
En grandes instalaciones de climatización los acumuladores se han empleado siempre
dentro de tanque con baterías clásicas de climatización por el exterior de los tubos y las
aletas. En el caso de incorporados en el circuito de agua fría, se han empleado las
temperaturas de cambio de fase de 6 y 7 ºC , colocando los tanques en paralelo y en serie
con las máquinas, a la salida de éstas, en el circuito primario, tal como se puede ver en la
figura nº 6. La capacidad de los acumuladores se ha visto que conduce a un valor mínimo en
el costo inicial de las instalaciones, cuando cubre un 25% de la carga punta de la instalación.
Sí se tiene en cuenta: la diferencia de las tarifas eléctricas nocturnas, los ahorros posibles de
infraestructura eléctrica, tamaño de máquinas mayores reduciendo el número de ellas, etc,
es posible que el mínimo se desplace a potencias más elevadas.
Se considera que en cada caso particular se debe hacer un estudio económico realista de
la explotación de la instalación, teniendo en cuenta: las posibles tarifas eléctricas de
contratación, los costos de las máquinas y sus accesorios, gastos de mantenimiento,
infraestructura necesaria, costos de salas de maquinaria y demás elementos necesarios, el
cual permitirá conocer si es interesante y cual debe ser la potencia adecuada.
Figura nº 6 Instalación de climatización con los acumuladores incorporados en el circuito
primario.
Otra posible localización de los acumuladores, es en el circuito de condensación eliminando a
las torres de climatización colocándolo en serie con aerogeneradores de agua , en las horas
punta de calor de los días más exigibles se podría bajar unos grados la temperatura de
condensación , los acumuladores se cargarían por la noche o fuera de las horas de máxima
carga. En la figura nº 7 se ha indicado un esquema de dicha instalación. La temperatura de
cambio de fase puede estar comprendida para España entre 32 a 35 ºC, con ello se puede
eliminar las torres sin necesidad de ampliar o cambiar las máquinas y toda la problemática de
accesorios eléctricos que ello lleva aparejado. Se debe tener presente que por cada grado
Celsius que se reduce la temperatura de condensación se gana una potencia del orden del 4
%. Es posible que se requiera al eliminar las torres en climas muy favorables a su empleo,
como es en las ciudades de las dos mesetas, que se deba potenciar al sistema de
climatización, bien acumulando por la noche o bien mejorando el tratamiento del aire.
Figura nº 7. Posible incorporación de las torres de climatización y los MCF, en el
tratamiento del aire de ventilación. Se pueden ver algunos de los lugares de una instalación
de climatización en donde se pueden colocar los MCF
Se ha pensado que las propias torres de climatización que se retiran por el problema de la
Legionella se podrían emplear en el tratamiento del aire , si se emplea acumuladores de
temperatura de cambio de fase comprendida entre 20 y 22 ºC , conjuntamente con torres se
puede reducir grandemente las cargas térmicas. En la figura nº 8 se ha representado un
esquema de principio sobre lo dicho.
Figura nº 8 Introducción de las torres y los acumuladores de calor en el circuito de
tratamiento de aire
Se puede desprender de lo indicado, que el posicionado de los acumuladores y la
temperatura de cambio de fase de los mismo puede ser muy variado, dando una gran libertad
al proyectista para su decisión en cada caso particular y que puede permitir en aprovechar
fuentes de energías térmicas residuales que por su discontinuidad o por no coincidir en el
tiempo con las necesidades, no se aprovechan. Se indican, a tipo de ejemplo, algunos
proyectos realizados sobre instalaciones en que se ve la posibilidad de no emplear sistemas
mecánicos de climatización.
4.- SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN SIN EMPLEO DE MÁQUINARIA DE FRÍO.
4.1
POLIDEPORTIVO O GRANJA DE POLLOS
Se puede ver el esquema de principio de un polideportivo o de una granja de pollos,
indicado en la figura nº 9, las fuentes básicas de calor: solar y torre de climatización. La
temperatura del MCF es de 23ºC.
Figur
a nº 9. Esquema de principio de la instalación de climatización de un polideportivo con
fuentes de calor y frío renovables y con MCF, se puede ver la caldera de apoyo y las
unidades terminales previstas , aerogeneradores.
4.2
PLANTA DE OFICINAS DE 500 m2
En la figura nº 10 se puede ver un esquema de una planta de oficinas de superficie 500 m2
en que se aprovechan las cargas térmicas externas y las internas, para la climatización, se
ha introducido una pequeña torre , la temperatura del MCF, es como en el caso anterior, la de
confort 23 ºC . Este tipo de instalación requiere algunas medidas a tomar, como es aumentar
el caudal de aire, pero puede eliminarse elementos de control y de regulación, compensando
los sobre costos debidos exceso de aire y al acumulador.
5.- OTRAS APLICACIONES. TANQUES DE INERCIA.
Se han visto en los últimos años otras posibilidades interesantes de los MCF, a parte de
las indicadas en el caso de la climatización, como ha sido su colocación en los cerramientos,
para desfasar las ondas térmicas anuales algunos meses, en los muros de tipo “Trombe”
translucidos o en persianas, como sistemas de calefacción o climatización y también como
tanques de inercia. En el caso de la climatización doméstica con enfriadoras de agua y
unidades remotas por habitación, se ha visto que cuando se quiere enfriar una sola de ellas
gran parte del tiempo, la producción de frío es muy superior a las cargas, lo que lleva a
tiempos muy cortos de funcionamiento de los equipos de frío, siendo recomendable introducir
temporizadores o agregar tanques de inercia, que suelen ser tanques voluminosos de agua.
En la figura nº 11 se ha representado la variación de los tiempos de funcionamiento en
función de la cantidad
Figura nº 10. Esquema de principio de un sistema de climatización sin equipos mecánicos de
frío ni fuentes térmicas, para una oficina en Madrid.
de acumulador y la capacidad de agua de la instalación.
En estos casos el sustituir los tanques de agua por acumuladores con MCF, puede reducir
el tamaño de aquellos grandemente, más de 5 veces o con el mismo volumen aumentar la
capacidad de acumulación. La temperatura del MCF vista idónea para este tipo de aplicación
es la de 8ºC. Se esta viendo la posibilidad de eliminar los intercambiadores de placas
usualmente empleados por intercambiadores de doble circuito uno para el agua y otro para el
fluido frigorífico y el acumulador por fuera de los tubos y aletas. Se considera que los MCF,
pueden aportar mucho en el desarrollo de nuevos sistemas de climatización domésticos y en
bombas de calor, permitiendo alargar los ciclos, es decir, alargando la vida de los
compresores, evitando las congelaciones del agua y facilitando los funcionamientos en
condiciones más desfavorables.
Tiempo de carga
ACUMULADOR DE CAMBIO DE FASE 8ºC
Funcionamiento al 50%
25
20
25
50
100
150
15
10
5
0
0
5
10
15
20
kg de acumulador
Figura nº 11 Variación de los tiempos de funcionamiento de una instalación de climatización
en función de la capacidad de agua y de la cantidad de acumulador, para una carga del 50 %
de la potencia de la máquina.
6.- DISCUSIÓN
Se ha ido analizando la posible ubicación de los MCF, en los sistemas de climatización
desde el normal para grandes instalaciones en el circuito primario del agua de enfriamiento a
otros posibles en el de condensación para permitir eliminar las torres de climatización , al de
tratamiento del aire , con posibilidad de actuación con los recuperadores de calor, o con el
apoyo de sistemas evaporativos indirectos y hasta la posibilidad de emplear las torres de
climatización para el tratamiento del aire. También se ha visto la posibilidad de emplearlos
como reguladores inerciales para pequeñas instalaciones de climatización y es fácil verlos
como recuperadores de calor o bancos de energía térmica que puedan retirar el calor de
exceso en un momento o zona y pasarlo a otro.
También se ha visto y se han dado un par de ejemplos de la posibilidad de hasta eliminar
las instalaciones de enfriamiento mecánico, que en casos especiales pueden ser muy
interesantes como es en casetas de telecomunicación.
Se ha visto que las aplicaciones de los MCF, son muchas y que con estudios económicos
adecuados en cada caso pueden llegarse a soluciones muy interesantes. Algunas de las
ventajas vistas y tratadas son las siguientes:
-
Reducción de ruidos y vibraciones
Reducción de costos de explotación
Eliminación de los riesgos de la Legionella.
Mejor funcionamiento de los equipos e instalaciones
Alargamiento de la vida de las instalaciones
Seguridad de funcionamiento y de posibles falta de suministro eléctrico
Aprovechamientos de fuentes renovables y del free cooling.
7.- CONCLUSIÓN
Se considera que el desarrollo y empleo de los MCF, en el campo de la climatización
tiene muchas posibilidades y ventajas sobre todo cuando las cargas sean muy variables y
más en las puntuales, así como en los casos que se requiera una seguridad grande, centros
de telecomunicación y estratégicos. También se considera pueden ser muy importantes para
contribuir al deseado aplanamiento de la curvas de demanda eléctrica y para el
aprovechamiento de las energías renovables de naturaleza intermitente.
Puede ayudar a la resolución de los principales problemas actuales que presenta el frío, la
contaminación medioambiental y el riesgo de la Legionella.
Se necesitara estudiar su empleo en cada caso y potenciar los que se consideren más
interesantes y generales.
8.- REFERENCIAS.
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Domínguez M., García C.; Culubret J.; Viti A. 2004, "Nuevas aplicaciones de los
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Domínguez M.; Arias J. M; García C.; Culubret J. 2004. Aprovechamiento de las torres de
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Martínez C. Almacenamiento de frío en edificios. 2002. El Instalador. Enero pp 24, 34 y
Febrero pp 77, 102.
POSSIBILITIES OF THE ACCUMULATORS OF PHASE CHANGE IN
CLIMATIZATION
Summary: There are analyzed the possibilities that have been seen have the
employment of the accumulators of phase change in climatization, being outlined the
advantages that they have found, as well as: the possible elimination of the towers and
condensers evaporatives, for the problems of the Legionella; the decrease of the electrical
tops and with it the possible reduction of the costs of electricity; the energetic economy that
will contribute to the fulfillment of Kyoto's agreements and especially, the possibility of the
utilization of renewable sources, like: the solar energy, the “ free cooling ” and other internal
charges.
Words keys: Accumulators, Change of phase, Climatization, Energies, Renewable