Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Análisis de Sistemas

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por
Absorción y Adsorción
Autor: José Antonio Vicente Soltero
Tutor: José Julio Guerra Macho
Equation Chapter 1 Section 1
Dep. Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por
Absorción y Adsorción
Autor:
José Antonio Vicente Soltero
Tutor:
José Julio Guerra Macho
Catedrático de la Universidad de Sevilla
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Proyecto Fin de Carrera: Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción
Autor:
José Antonio Vicente Soltero
Tutor:
José Julio Guerra Macho
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2015
El Secretario del Tribunal
ÍNDICE
CAPITULO 1.
INTRODUCCIÓN 17 1.1
Introducción 17 1.2
Frio Solar 19 1.3
Estado del arte 20 1.4
1.3.1 Estado del arte de la refrigeración solar por absorción 23 1.3.2 Estado del arte de la refrigeración solar por adsorción 26 Contenido y objeto del proyecto 28 CAPITULO 2.
LA REFRIGERACIÓN SOLAR 29 2.1. Introducción 29 2.1.1. Clasificación de las tecnologías de refrigeración solar 2.2. Tecnología de captación solar para aplicaciones de refrigeración 34 36 2.2.1. Captadores planos 37 2.2.2. Captadores de concentración 42 2.2.3. Comparación entre los principales captadores refrigeración solar 44 2.3. Sistemas de refrigeración solar 46 2.3.1. Refrigeración solar por compresión mecánica 47 2.3.2. Ciclo termoeléctrico Pletier 48 2.3.3. Sistema de refrigeración evaporativa con desecante 50 2.3.3.1.
Desecante Sólido 50 2.3.3.2.
Desecante Líquido 61 2.3.4. Sistema de refrigeración por absorción 65 2.3.5. Sistema de refrigeración por adsorción 86 CAPITULO 3.
FABRICANTES 95 3.1. Introducción 95 3.1.1. Mercado de las máquinas de absorción 95 3.1.2. Mercado de las máquinas de adsorción 97 3.2. Fabricantes de enfriadoras de absorción 98 3.2.1. Carrier 98 3.2.2. York 102 3.2.3. ClimateWell 103 3.2.4. Yazaki 106 3.2.5. Broad 109 3.2.6. Thermax 114 3.3. Fabricantes de enfriadoras de adsorción 118 3.3.1. MYCOM – Mayakawa 118 3.3.2. Nishiyodo 120 3.3.3. SorTech 122 3.3.4. Invensor Gmbh 124 3.4. Comparación de los equipos de absorción y adsorción aptos para refrigeración solar 124 CAPITULO 4.
INSTALACIONES 131 4.1. Introducción 131 4.2. Instalaciones de sistemas por absorción 137 4.3. Instalaciones de sistemas por adsorción 171 4.4. Conclusión 183 CAPITULO 5.
RESUMEN Y CONCLUSION 191 5.1. Resumen de la Tecnologia 191 5.2. Resumen Fabricantes 193 5.3. Resumen Instalaciones 194 5.4. Conclusión 195 ANEXO 197 BIBLIOGRAFíA 199 ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Distribución del consumo energético en una vivienda en España. 18 Figura 1.2. Previsión de la potencia instalada en climatización. 19 Figura 1.3. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar. 21 Figura 1.4.a. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar por absorción. 22 Figura 1.4.b. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar por adsorción. 23 Figura 2.1. Demanda refrigeración y radiación solar en un centro comercial en Madrid. 30 Figura 2.2. Comparación económica entre refrigeración convencional y refrigeración solar con ETC y FPC. 32 Figura 2.3.a. Esquema sistema refrigeración por compresión. 33 Figura 2.3.b. Esquema sistema refrigeración solar. 33 Figura 2.4. Clasificación de los sistemas de refrigeración solar. 35 Figura 2.5. Irradiación solar en Europa. 36 Figura 2.6. Distribución de la capacidad instalada de captadores solares en el mundo, 2012. 38 Figura 2.7. Distribución de la capacidad instalada de captadores solares en Europa, 2012. 38 Figura 2.8. Elementos de un captador solar plano. 39 Figura 2.9. Elementos de un captador solar de aire. 40 Figura 2.10. Esquema de un tubo de vacío. 41 Figura 2.11. Elementos de un captador CPC. 42 Figura 2.12. Esquema de un concentrador lineal de Fresnel. 43 Figura 2.13. Diagrama de elección de la tecnología de captación solar según la tecnología de refrigeración. 45 Figura 2.14. Esquema de refrigeración solar mediante fotovoltaica. 47 Figura 2.15. Esquema placa Peltier. 48 Figura 2.16. Nevera con ciclo termoeléctrico Peltier. 50 Figura 2.17. Esquema de un sistema de refrigeración con rueda desecante rotativa. 51 Figura 2.18. Diagrama psicrométrico del sistema. 52 Figura 2.19. Funcionamiento en modo ventilación. 53 Figura 2.20. Funcionamiento en modo humidificación directa. 53 Figura 2.21. Funcionamiento en modo de humidificación indirecta. 54 Figura 2.22. Funcionamiento en modo de adsorción. 54 Figura 2.23.a. Principio de funcionamiento de la rueda desecante rotativa. 55 Figura 2.23.b. Sistema evaporativo con rueda de desecante. 57 Figura 2.24. Sala de conferencia de la Cámara de Comercio. Friburgo. 59 Figura 2.25. Captadores solares de la Cámara de Comercio. Freiburg. 60 Figura 2.26. Edificio de oficinas. Hartberg. 60 Figura 2.27. Esquema de un sistema de refrigeración con desecante líquido. 62 Figura 2.28. Instalación de refrigeración evaporativa por desecante líquido. Friburgo. 65 Figura 2.29. Comparación entre la compresión en la máquina de absorción y en la máquina de compresión mecánica. 66 Figura 2.30. Esquema básico sistema de refrigeración solar por absorción. 69 Figura 2.31. Esquema de una enfriadora de absorción. 70 Figura 2.32. Esquema de un generador de una máquina de absorción de simple efecto. 72 Figura 2.33. Esquema de un condensador de una máquina de absorción de simple efecto. 73 Figura 2.34. Esquema de un evaporador de una máquina de absorción de simple efecto. 74 Figura 2.35. Esquema de un absorbedor de una máquina de absorción de simple efecto. 74 Figura 2.36. Configuración vertical y horizontal de absorbedor vapor líquido continuo. 75 Figura 2.37. Absorbedor con fase vapor continuo y líquido continuo. 76 Figura 2.38. Máquina de absorción de simple efecto. 76 Figura 2.39. Esquema del ciclo de absorción de doble efecto. 77 Figura 2.40. Esquema de una máquina de absorción de doble efecto. 78 Figura 2.41. Esquema de máquina de absorción de doble efecto con flujo en paralelo. 80 Figura 2.42. Esquema de máquina de absorción de doble efecto con flujo en serie. 81 Figura 2.43. Esquema del ciclo de absorción de triple efecto. 82 Figura 2.44. Comparación de máquinas de absorción según COP y temperatura de activación. 83 Figura 2.45. Porcentaje de uso se las diferentes tecnologías de refrigeración solar. 85 Figura 2.46. Distribución de los sistemas de enfriamiento solar de pequeña y gran potencia. 86 Figura 2.47. Ejemplo de estructuras de una Zeolita. 88 Figura 2.48. Esquema de una enfriadora de adsorción. 89 Figura 2.49. Etapas en una máquina de adsorción de simple efecto. 90 Figura 2.50. Esquema máquina de adsorción con 2 evaporadores y 3 cámaras de adsorción. 92 Figura 2.51. Comparación de los rendimientos de las máquinas de adsorción y absorción. 94 Figura 3.1. Orden de magnitud de capacidades de enfriadoras de absorción (no exhaustiva). 96 Figura 3.2. Orden de magnitud de capacidades de enfriadoras de adsorción (no exhaustiva). 98 Figura 3.3. Máquina de absorción de la serie 16DJ de Carrier. 99 Figura 3.4. Máquina de absorción de la serie 16LJ de Carrier. 99 Figura 3.5. Máquina de absorción de la serie 16TJ de Carrier. 101 Figura 3.6. Máquina de absorción York de la serie YPC. 103 Figura 3.7. Máquina de absorción York de la serie YIA. 103 Figura 3.8. Máquina de absorción ClimateWell 10. 104 Figura 3.9. Máquina de absorción WFT‐SC20 de Yazaki. 107 Figura 3.10. Máquina de absorción de la serie BZ de Broad. 111 Figura 3.11. Máquina de absorción de la serie BH de Broad. 112 Figura 3.12. Máquina de absorción de la serie BS de Broad. 112 Figura 3.13. Máquina de absorción de la serie 2V de Thermax. 115 Figura 3.14. Máquina de absorción de la serie 2B de Thermax. 116 Figura 3.15. Máquina de absorción de la serie Cogenie LT de Thermax. 116 Figura 3.16. Máquina de absorción de la serie 2G de Thermax. 117 Figura 3.17. Máquina de adsorción de la serie AdRef‐Noa Z‐3515 de Mayekawa. 119 Figura 3.18. Máquina de adsorción de la serie ADCM1 de Nishiyodo. 121 Figura 3.19. Máquina de adsorción de la serie eZea de SorTech. 123 Figura 3.20. Máquina de adsorción LTC 10 plus de Invensor. 125 Figura 3.21. Comparación en función de las potencias máximas de refrigeración. 129 Figura 3.22. Cuota de mercado de enfriadoras de absorción y adsorción. 130 Figura 4.1. Evolución del número de instalaciones de climatización solar en el mundo. 132 Figure 4.2. Repartición de las instalaciones de refrigeración solar en el año 2009. 132 Figura 4.3. Porcentaje de uso de las diferentes tecnologías de refrigeración solar. 133 Figura 4.4. Colectores solares utilizados en instalaciones de refrigeración solar. 134 Figura 4.5. Oxford Gargens Retirement village. 137 Figura 4.6. Instalación de captadores de tubo de vacío. 138 Figura 4.7. Captadores solares Hospital Moot. 139 Figura 4.8. Desert Mountain Hight School, Arizona. 141 Figura 4.9. United World College, Singapur. 143 Figura 4.10. Caixa Geral de Depositos, Lisboa. 145 Figura 4.11. Paneles solares en la cubierta del edificio Caixa Geral de Depositos. 146 Figura 4.12. Edificio Inditex, Arteixo. 147 Figura 4.13. Cubierta del edificio de oficinas de ESAB. 149 Figura 4.14. Hospital de Echuca. 151 Figura 4.15. Edificio de oficinas de ISOFOTON, Málaga. 153 Figura 4.16. Hotel Rethimno Village, Creta. 155 Figura 4.17. Captadores solares del SEC, Gurgaon. 157 Figura 4.18. Cubierta del Metro Cash & Carry de Roma. 159 Figura 4.19. Cubierta del edificio de oficinas de Digicel, Kingston 161 Figura 4.20. Captadores solares en la cubierta del edificio, Trento. 163 Figura 4.21. Oficinas de Ott & Spiess, Langenau. 165 Figura 4.22. Sheikh Zayed Desert Learning Center, Abu Dhabi. 167 Figura 4.23. Cubierta del edificio Sheikh Zayed Desert. 168 Figura 4.24. Concentradores lineales de Fresnel en la cubierta de la ESI. 169 Figura 4.25. Captadores solares en la cubierta del Hospital de Friburgo. 171 Figura 4.26. Superficie de captación del Gr Sarantis, Viotia. 173 Figura 4.27. Máquinas de adsorción de 350 kW del sistema. 174 Figura 4.28. Almacén del grupo HEFAME, Murcia. 175 Figura 4.29. Máquinas de adsorción y torres de enfriamiento. 176 Figura 4.30. Instituto de Energía Solar (ISE), Friburgo 179 Figura 4.31. Captadores solares en la cubierta del ISE. 180 Figura 4.32. Shanghai Research Institute of Building Science, Shanghai. 181 Figura 4.33. Evolución del ratio L/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. 183 Figura 4.34. Evolución del ratio m2/kW en función del tipo de captador solar. 184 Figura 4.35. Ratio m2/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. 185 Figura 4.36. Ratio m2/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. 186 Figura 4.37. Distribución de instalaciones de refrigeración solar en función del tipo de edificio. 187 Figura 4.38 Distribución de los costes de una instalación de pequeña escala en función de los componentes. 188 Figura 4.39 Distribución de los costes de una instalación de pequeña escala en función de los componentes 189 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Análisis de refrigerantes y absorbentes utilizados en refrigeración solar. 30 Tabla 2.2. Captadores solares para instalaciones de refrigeración solar. 44 Tabla 2.3. Descripción de fabricantes de ruedas desecantes. 58 Tabla 2.4. Comparativa de prestaciones para máquinas con BrLi/H2O. 67 Tabla 2.5. Comparativa de prestaciones para máquinas con NH3/ H2O. 68 Tabla 2.6. Comparativas de máquinas de absorción accionadas por energía solar. 83 Tabla 3.1. Especificaciones y datos técnicos de la serie 16LJ de Carrier. 100 Tabla 3.2. . Especificaciones y datos técnicos de la serie 16TJ de Carrier. 101 Tabla 3.3. Características de ClimateWell 10. 105 Tabla 3.4. Tamaños de la gama WFC‐SC y WFC‐SH de Yazaki. 107 Tabla 3.5. Tabla de especificaciones técnicas de WTF‐S20. 108 Tabla 3.6. Tabla de especificaciones técnicas de CH MG150. 109 Tabla 3.7. Clasificación de las máquinas de absorción de Broad. 110 Tabla 3.8. Clasificación de enfriadoras de absorción fabricadas por Thermax. 114 Tabla 3.9. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de Mayekawa. 119 Tabla 3.10. Clasificación de la serie ADCM1 en función de la potencia. 120 Tabla 3.11. Comportamiento del modelo ADCM1‐090 ante variaciones de la temperatura del agua caliente. 121 Tabla 3.12. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de SorTech. 123 Tabla 3.13. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de Invensor. 126 Tabla 3.14. Características enfriadoras por absorción y adsorción accionadas por agua caliente. 127 Tabla 3.15. Características de las enfriadoras por absorción accionadas por vapor de agua. 128 Tabla 3.16. Características de las enfriadoras por absorción de doble efecto accionadas por agua caliente. 128 Tabla 5.1. Resumen de las tecnologías de refrigeración solar. 192 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Capítulo 1: INTRODUCCIÓN
1.1.
Introducción El incremento de la demanda global de energía y de las emisiones de CO2 unido a un aumento continuo de los precios de las fuentes de energía convencionales y la creciente dependencia de los combustibles fósiles obligan a buscar nuevas fuentes de energía, como las renovables, que permitan realizar una transición hacia un modelo energético más sostenible. Según recientes estudios se espera que tanto la demanda energética como las emisiones de CO2 se incrementen en torno a un 35% en 2030. Las emisiones de CO2 son las culpables en gran medida del cambio climático. Según proyecciones climáticas presentadas en el último Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) la temperatura de la superficie se incrementara entre 1.5 y 6.4° C a lo largo de este siglo. Este aumento de la temperatura afectará a la estructura y funciones de los ecosistemas existentes, aumento del nivel del mar debido al deshielo de los polos, desertización, etc. La Agencia Internacional de la Energía informó de que un 68% de la energía eléctrica consumida en 2010 era de origen fósil. Esta situación se hace incluso más insostenible al saber que las reservas de combustibles fósiles están agotándose. Hay numerosos estudios y estimaciones acerca del tiempo que tardarán en agotarse estas fuentes, los más optimistas Jose Antonio Vicente Soltero 17 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción estiman que las reservas durarán: 35 años las reservas de petróleo, 40 las de gas y alrededor de 100 años las reservas de carbón. Figura 1.1. Distribución del consumo energético en una vivienda en España. Según el Building Energy Data Book de 2013 los edificios son responsables del 41% de la energía primaria consumida y del 38% de las emisiones de CO2. En la figura 1.1 se aprecia la distribución del consumo energético en una vivienda típica en España y se puede apreciar como casi la mitad del consumo energético de una vivienda en España es debido a la climatización. Dado el contenido de este proyecto, nos centraremos en el consumo de climatización que supone casi la mitad del consumo de una vivienda. Ese consumo de climatización puede ser tanto de calefacción en los meses fríos como de refrigeración en los meses más calurosos. La demanda de energía para refrigeración se está incrementando constantemente debido al aumento de las cargas térmicas, el cambio climático y sobre todo al incremento de la demanda de confort térmico en los edificios. El aumento de la demanda de climatización ha ocasionado un espectacular aumento de los equipos de climatización tradicionales, de compresión mecánica, en los últimos 20 años. Con lo que la climatización se ha convertido en una parte muy importante del consumo eléctrico en diversas partes del mundo. En la figura 1.1 se tiene la evolución de la potencia instalada en máquinas de refrigeración diferenciando según el tipo (todas ellas de compresión mecánica) según Air‐conditioning systems‐ Final report of Task 2, 2012. Jose Antonio Vicente Soltero 18 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 1.2. Previsión de la potencia instalada en climatización. (Fuente: Air‐conditioning systems ‐ Final report of Task 2, 2012). Además, los refrigerantes orgánicos halogenados (HCFCs) que se utilizan en estas máquinas son muy perjudiciales para la capa de ozono, y la Comisión Europea ha programado su prohibición para 2015. Por ello se investigan constantemente nuevas sustancias que puedan ser utilizadas como refrigerantes y sean respetables con la capa de ozono. Todos estos problemas causados por la climatización pueden paliarse significativamente mediante el uso de la refrigeración solar. 1.2.
Frío Solar La refrigeración solar se basa en un concepto que a primera vista puede parecer contradictorio: utilizar la energía solar para producir frío. Transformamos la energía solar en energía térmica (o en algunos casos en eléctrica) mediante captadores solares y esta energía térmica la utilizamos para producir frío de diferentes formas dependiendo de la tecnología que se utilice. Aunque en este proyecto nos centraremos en la Jose Antonio Vicente Soltero 19 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigeración por absorción y en la refrigeración por adsorción, en este apartado hablaremos de las características generales de los sistemas de frío solar. El frío solar en general tiene una serie de ventajas respecto a la refrigeración mecánica tradicional. Esto hace que el frío solar tenga un gran atractivo y un gran potencial que ha ocasionado un creciente interés por esta tecnología en los últimos años. En primer lugar, la energía solar podría utilizarse para refrigeración en verano y calefacción en invierno. Además, todo esto se ve favorecido por la legislación nacional e internacional, que entre otras cosas obliga en las nuevas construcciones la instalación de captadores solares que deben de hacerse cargo de calentar un porcentaje anual del agua caliente sanitaria. Gracias a esto se presenta la oportunidad de proyectar instalaciones que además sean capaces de climatizar utilizando los captadores. Otra característica muy importante de la refrigeración solar es que las puntas de demanda de climatización coinciden con el máximo de irradiación solar. Cuando más frío demandamos es cuando más frío se puede producir. Aunque en Europa, en torno al 55% de la demanda energética de los hogares está relacionada con la calefacción, desde hace años la demanda de climatización está sufriendo un aumento importantísimo. De hecho, hay países como España en los que los picos de consumo eléctrico ya no se dan en invierno, sino en los meses de calor. Por ello, se debe apostar por una transición hacia la refrigeración a partir de fuentes renovables que tienen un consumo eléctrico casi despreciable respecto a la climatización tradicional. Por último, otra característica del frío solar es que se utilizan refrigerantes que en general no son dañinos para las personas y son respetables con el medio ambiental, a diferencia de la refrigeración por compresión mecánica. Como se ha visto, la refrigeración solar ofrece ventajas en diferentes ámbitos frente a la climatización por compresión mecánica, pero aun así, el frío solar es una solución que no se ha implantado con la fuerza esperada y debido a esto es una tecnología desconocida para la mayoría. Las principales causas son los bajos rendimientos en comparación con la refrigeración tradicional, la alta inversión inicial y la falta de datos sistematizados y software con los que facilitar el diseño y la toma de decisiones en las instalaciones. 1.3.
Estado del arte En este apartado se intentará resumir algunos trabajos que han sido realizados por profesionales en la materia de todas partes del mundo. Debido a que el proyecto abarcará principalmente la refrigeración solar por absorción y por adsorción, clasificaremos los artículos Jose Antonio Vicente Soltero 20 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción en artículos dedicados a absorción y artículos dedicados a adsorción. Dentro de esta clasificación englobaremos los principales artículos de ambas tecnologías de forma cronológica con un breve resumen en la que se remarcará los contenidos más importantes. Antes de entrar en el estado del arte, siempre es interesante realizar un estudio sobre el número de artículos por año que se publican sobre la tecnología a estudiar. Mediante este estudio se puede llegar a ver como de “viva” está una tecnología. Si la evolución del número de publicaciones a lo largo de los años es creciente, puede indicar un aumento del interés sobre esa tecnología o el descubrimiento de avances significativos que la han vuelto a hacer atractiva. Sin embargo, si la evolución es decreciente, indica un decremento del interés sobre esa tecnología que puede ser porqué haya alcanzado una madurez tecnológica y los artículos de investigación hayan desaparecido o porque la tecnología carezca de interés por la aparición de otras tecnologías más competentes. Si se habla de la refrigeración solar o frío solar, como ya se ha mencionado anteriormente, estamos hablando de todas aquellas tecnologías que son capaces de producir frío usando como fuente la radiación solar. En la figura 1.3 se muestra el número de publicaciones por año desde el año 2005. Figura 1.3. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar. (Fuente: ScienceDirect). El número de publicaciones sobre refrigeración solar se ha ido incrementando año tras año, especialmente en los últimos 3 años, aunque habría que esperar a finales de 2015 para ver si esa evolución se mantiene. El interés sobre la refrigeración solar continúa en crecimiento debido no solo al atractivo de la tecnología sino también a la necesidad de encontrar una tecnología de refrigeración más eficiente y limpia con el medio ambiente. Jose Antonio Vicente Soltero 21 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Pero la refrigeración solar es un concepto general, que engloba multitud de tecnologías de las cuales algunas serán más atractivas y otras sin embargo carecerán de interés por sus bajas prestaciones. Debido a esto, sería interesante realizar el mismo estudio que se ha realizado para la refrigeración solar con las dos tecnologías en las que se centra el proyecto, la refrigeración solar por absorción y la refrigeración solar por adsorción. En la figura 1.4.a. se tienen las publicaciones por año de la refrigeración solar por absorción, y como se puede ver sigue la misma evolución creciente que la gráfica del frio solar. Esto quiere decir que la refrigeración solar por absorción es una de las tecnologías que impulsan el creciente interés por el frío solar. Además, si se atiende al número de artículos publicados, se aprecia que casi la mitad de las publicaciones sobre refrigeración solar hacen referencia a la tecnología de absorción. Figura 1.4.a. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar por absorción. (Fuente: ScienceDirect). De todo esto podemos concluir que ambas tecnologías tienen un atractivo creciente para profesionales e investigadores y que por lo tanto aún tienen un gran margen de mejora en prestaciones, en modelado por software y en métodos de diseño. A pesar de este margen de mejora ya están en el mercado y forman parte de numerosas instalaciones existentes. También se puede afirmar que la refrigeración por absorción es la más importante y es por eso que la mayoría de instalaciones de refrigeración solar en el mundo son instalaciones con máquinas de absorción. Jose Antonio Vicente Soltero 22 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 1.4.b. Evolución del número de publicaciones sobre refrigeración solar por adsorción. (Fuente: ScienceDirect). Una vez que se ha estudiado la evolución temporal del número de artículos de ambas tecnologías se puede comenzar con el estado del arte de la absorción y de la adsorción. 1.3.1. Estado del arte de la refrigeración solar por absorción
Worsøe‐Schmidt et al. (1983); Fue uno de los primeros artículos de investigación sobre un sistema de refrigeración solar basado en el efecto de absorción. La primera máquina de refrigeración solar por absorción fue introducida en 1895 por Ferdinand Carré, que utilizó el principio de absorción para producir frío utilizando la radiación solar. Basándose en este principio, Worsøe‐Schmidt desarrolló en esta investigación una máquina de mediana escala con la pareja de trabajo CaCl2/NH3 destinada a países en vías de desarrollo. Kalogirou et al. (2002), Ayou et al. (2003); Estos dos artículos describen y estudian el comportamiento de las máquinas de absorción con los dos pares de fluidos más utilizados. Kalogirou et al. analiza las características y las prestaciones de los sistemas de absorción basados en el par de trabajo LiBr‐H2O. Por otro lado Ayou et al. basa su estudio en los sistemas de absorción con H2O‐NH3 su funcionamiento y prestaciones. Ayala et al. (1998), Park et al (1997), Lyoki et al (1999); Estos tres artículos se centran en el estudio de las máquinas de absorción utilizando pares de fluidos diferentes a los pares LiBr‐H2O y H2O‐NH3. Ayala et al (1998) analiza una máquina de absorción utilizando LiNO3‐NH3 funcionando el NH3 como refrigerante, Park et al (1997) realiza un análisis de una máquina trabajando con HO(CH2)‐LiBr siendo HO(CH2) el refrigerante y por último, Lyoki et al (1999) Jose Antonio Vicente Soltero 23 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción hace un análisis de una serie de parejas de fluidos de trabajo distintas a las anteriores. En ninguno de estos artículos se consiguen rendimientos a la altura de los fluidos de trabajo iniciales y es por eso que estos pares de fluidos aún siguen en desarrollo. Gordon et al. (2000); Es un estudio comparativo de las características y propiedades de las máquinas de absorción dependiendo del número de efectos. Las máquinas de simple efecto tienen un rendimiento entre 0,6 y 0,8. Este rendimiento puede incrementarse hasta 1.35 en las máquinas doble efecto y superar el 1,7 en las máquinas con ciclos de triple efecto. Grossman et al. (2002); Es un estudio sobre el tipo de captador más conveniente para cada tipo de máquina dependiendo del número de etapas. Se explica que cuanto mayor es el número de etapas, mayor tiene que ser la temperatura de activación. Por lo que las máquinas de simple efecto pueden usar captadores planos o de tubo de vacío, las máquinas de doble efecto pueden funcionar con captadores de tubo de vacío o con concentradores parabólicos. Las máquinas de triple efecto necesitan temperatura muy altas y son necesarios captadores cilindro‐parabólicos y un estudio detallado que aseguren altas temperaturas. Assilzadeh et al. (2005); En este estudio el autor presenta un sistema de refrigeración solar diseñado para Malasia u otra región tropical similar usando captadores de tubos de vacío y una unidad de absorción con LiBr. La simulación del sistema fue realizada con el software TRNSYS. El autor concluye que el sistema puede producir una tonelada de refrigeración y determina los parámetros óptimos (35 m de colectores de vacío con 20º de inclinación, un tanque de 800 litros y un flujo de 0,25 kg/s) Jakob et al. (2008); Este artículo de investigación se centran en los sistemas de absorción de pequeña escala para uso en viviendas. Hasta hace pocos años, las máquinas de absorción más pequeñas que existían en el mercado eran de 35 kW, pero recientemente máquinas de pequeño y mediano tamaño han aparecido en el mercado de mano de empresas como Rotartica, Climatewell, Sortech y Sonnenkima. El rango de potencias de las nuevas máquinas de pequeña escala es 4,5‐20 kW lo que las hace ideales para pequeñas aplicaciones. [28] realiza una investigación experimental de las novedosas máquinas de 10 kW con H2O‐NH3, analizando sus parámetros de funcionamiento. Mateus et al. (2009); este estudio tiene como objetivo evaluar el potencial de refrigeración integrado de absorción solar y sistemas de calefacción para las aplicaciones. El software que se utilizó fue TRNSYS, usando una base para la evaluación donde se consideraron los sectores residenciales, oficinas y un hotel. Los modelos pueden combinar las aplicaciones de refrigeración, calefacción y ACS; para ello se eligieron tres lugares diferentes con diferentes climas: Berlín, Lisboa y Roma. Se tienen en cuenta los ahorros en los costos de locales (gas, electricidad y agua) y el ahorro en emisiones de CO2. Resultados de los estudios aseguran que es más interesante para las localidades del sur de Europa, donde se obtienen mejores resultados económicos utilizando como sistema auxiliar el GN. Los costos mínimos generalmente se producen con fracciones solares anuales entre 20 y 60%. La casa unifamiliar y el hotel son los casos en que el sistema solar integrado tiene una mayor viabilidad económica y Jose Antonio Vicente Soltero 24 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción teniendo en cuenta los costos de energía actuales, Roma es la única ciudad donde es posible lograr una situación de equilibrio. En comparación de los captadores de placa plana los captadores de tubos de vacío permiten una reducción en el área de captación entre 15 y 50%; a pesar de ello el captador placa plana conduce a una mayor viabilidad económica por su menor precio. Aunque el coste de explotación de un sistema de aire acondicionado solar sistema es considerablemente inferior en comparación con un sistema convencional, el costo total (incluyendo la inversión, operación y mantenimiento costos) es realmente alto, incluso cuando se extiende al período de operación un año. Para la refrigeración solar (y calefacción) puedan ser más competitivos, es necesario que el coste inicial de las máquinas de absorción y los captadores solares se reduzcan aún más, teniendo en cuenta los costos actuales de las fuentes de energía (gas, electricidad). Bermejo et al. (2010); se puso a prueba una planta solar de refrigeración solar en la Escuela de Ingenieros de Sevilla (España) durante el período 2008 al 2009.La instalación se compone de una máquina de absorción de doble efecto LiBr‐H2O de 174 kW. El sistema utiliza 352 m2 de captadores lineales de Fresnel además de un quemador auxiliar de fuego directo de GN. El objetivo del estudio fue identificar las mejoras en el diseño para utilizarlas como base en futuras instalaciones. La eficiencia de los captadores de Fresnel fue de 0,35 con un máximo de 0,4 que se reducía a la mitad cuando estaban sucios. La máquina de absorción trabaja con un COP promedio de 1,1‐1,25 donde la energía solar representa un 75% de la entrada total de energía en el generador de la máquina de absorción. La potencia de refrigeración promedio diaria fue de 135 kW, el 77% de la capacidad nominal de la máquina. Si la planta de refrigeración solar se ejecuta un día nublado, la entrada de energía proveniente del quemador aumenta hasta un 65% del total, lo que hace fundamental la instalación de este tipo de sistemas en lugares con alta irradiación solar. Hamed et al. (2012); desarrolla un modelo matemático que combina la termodinámica clásica y los principios transferencias de masas y de calor. Los resultados se presentan en gráficos normalizados para aplicaciones generales. A partir de los análisis llevados a cabo, se puede concluir: el tamaño óptimo del captador depende en gran medida de la temperatura del captador; así como el tiempo mínimo para alcanzar una temperatura especificada en el espacio refrigerado y la dimensión óptima del captador son influencia de la carga térmica en el espacio refrigerado y la conductividad térmica de las paredes. La temperatura de estancamiento tiene un efecto insignificante sobre el tiempo de transferencia de calor mínima y en la entropía total generada dentro del ciclo; el tamaño óptimo del captador identificado por el tiempo mínimo para alcanzar la temperatura adecuada en el espacio refrigerado no coincide donde se produce la entropía total mínima. Fong et al. (2012); se estudian el funcionamiento de los sistemas de refrigeración solares con los captadores solares edificio‐integrados (BI) comparados los captadores solares convencionales instalados en la azotea para zonas en Hong Kong; se encontró que la adopción de los captadores solares BI dio lugar a una fracción solar más baja y por lo tanto a un consumo de energía primaria más alto La reducción de la fracción solar fue más pronunciada cuando la Jose Antonio Vicente Soltero 25 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción radiación solar era casi paralela al captador durante algunas horas del día, especialmente para los orientados a la dirección del sur. En efecto, no hubo buenos resultados en los captadores de placa plana BI que se enfrenta la dirección sur entre mayo y julio, por lo cual el rendimiento del sistema con los captadores de placa plana de tipo BI los hacen técnicamente inviable en términos del potencial de ahorro de energía. Se concluyó que el uso de BI captadores solares en los sistemas de refrigeración solar debe limitarse a situaciones donde la disponibilidad de la azotea era limitada e insuficiente aplicado en las regiones subtropicales, como Hong Kong. Kherris et al. (2012); se propone un novedoso de absorción‐difusión que trabaja el par de trabajo H2O‐NH3 mezclado con hidrógeno como gas inerte. El COP del sistema se evalúa bajo diferentes condiciones de trabajo, variando la temperatura objetivo, cantidad de hidrógeno, presión y temperatura de trabajo, etc. El valor máximo de COP que se obtuvo superó 0,47. Una de las principales ventajas de este sistema fue la menor dependencia del COP ante cambios en las condiciones de trabajo. Ullah et al. (2013); En este artículo se hace un estudio comparativo entre las máquinas de absorción que utilizan el par de trabajo LiBr‐H2O y H2O‐NH3. El autor llega a la conclusión de que las máquinas que trabajan con LiBr‐H2O tienen más ventajas que las máquinas de H2O‐
NH3. Las maquinas que trabajan con Bromuro de Litio trabajan con una presión menor, un COP superior y además sin problemas de toxicidad. 1.3.2. Estado del arte de la refrigeración solar por adsorción
Sakoda y Suzuki (1984) diseñaron, construyeron y evaluaron un sistema cerrado de enfriamiento por adsorción en un laboratorio empleando como pareja de trabajo una combinación de gel de sílice‐agua. El buen funcionamiento de esta unidad demostró la viabilidad técnica y experimental de la refrigeración por adsorción y supuso un paso importante para la aparición de las máquinas de adsorción a nivel comercial en 1986. Wang et al. (1998); se estudió y se presentó un nuevo sistema que calentaba agua por medio de captadores solares para mediante una máquina de adsorción producir hielo. La máquina un COP entre 0,15 y 0,23. Saha et al. (2001); se mostraron los resultados experimentales de una cámara de adsorción alimentada por energía solar de doble etapa con 4 lechos y que demandaba una temperatura de regeneración de unos 70°C. El prototipo producía agua fría a 10°C con una potencia de refrigeración de 3,2 kW y un rendimiento o COP de 0,36. Uno de los principales avances que se produje fue la posibilidad de utilizar captadores de placa plana para producir el agua caliente necesaria para la regeneración. Wang et al. (2001); en este artículo se analiza un sistema de adsorción para aire acondicionado alimentado por una fuente de calor a unos 100°C, por lo tanto serían necesarios captadores de tubo de vacío para conseguir agua a esta temperatura. El sistema usa 2 adsorbentes con 26 kg Jose Antonio Vicente Soltero 26 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción de carbono activo cada uno de ellos y utiliza metanol como refrigerante. El COP y la potencia varían según el tiempo de ciclo de 0.15 a 0.21 el COP y de 3.84 a 3.03. En este mismo artículo se añade una mejora de diseño colocando el carbón fuera de los tubos entre las placa. Se obtienen así un rendimiento y una potencia de refrigeración de 0,4 y 3,8 respectivamente. Nuñez et al. (2004) desarrollan una enfriadora de adsorción de gel de sílice/agua con un potencia nominal de refrigeración de 3.5 kWLos dos adsorbedores de los que está compuesto contienen 35 kg de gel de sílice cada uno. Funciona con una temperatura entre 75 – 95°C, por lo que está en el límite del uso de captadores de placa plana, y produce agua a una temperatura de entre 10 y 20°C. Según las condiciones experimentales, el COP varía entre 0.4‐
0.6. Se comparó el rendimiento de este equipo con la enfriadora Nishiyodo NAK 20/70 y la máquina de absorción CMA Yazaky SC‐10 consiguiéndose resultados muy cercanos a las maquinas ya en el mercado. Al Mers et al. (2006); Este artículo desarrolla una serie de mejoras en el diseño de la máquina de adsorción que permiten la mejora del COP. En este trabajo se presenta un modelo que describe la transferencia de calor y masa en el reactor de aletas cilíndricas de la máquina de adsorción. Además se analiza la sensibilidad del COP frente a los parámetros geométricos del reactor (radio del reactor, espesor y número de aletas, etc.) Lucia et al. (2013); El componente de la máquina de adsorción que tiene más potencial de mejora es el adsorbedor. Ya sea para máquinas de adsorción físicas (las más utilizadas) con gel de sílice‐agua o para máquinas de adsorción química el incremento del rendimiento de adsorción es el objetivo principal de mejora. En este artículo se explican mejoras desarrolladas en el proceso de adsorción que permiten aumentar el rendimiento de la adsorción y por lo tanto el rendimiento de la máquina. Askalanya et al. (2013); Este artículo es presenta un estudio sobre los pares adsorbente de refrigerante y las nuevas parejas para aplicaciones potenciales. El estudio presenta una clasificación para los sistemas de refrigeración de adsorción y una comparación entre ellos basada en los pares de adsorción empleados. El autor realiza una comparación de los principales parámetros como coeficiente de rendimiento (COP), la temperatura, la temperatura de evaporación y la potencia de enfriamiento (SCP). El estudio también presenta una revisión de los nuevos pares de adsorción más prometedores. Los nuevos pares se introducen desde el punto de vista de sus características de adsorción. Por último, el estudio concluye que el futuro de la refrigeración de adsorción puede ser más popular, ya que se están ofreciendo respuestas para los desafíos existentes. Chekirou et al. (2014); En este trabajo se presenta el modelado de la transferencia de calor y masa en el adsorbedor tubular de una máquina de refrigeración de adsorción solar. El adsorbente es calentado por la energía solar y contiene un medio poroso constituido de carbón activo del tipo AC‐35 que reacciona por adsorción con metanol. Los resultados obtenidos proporcionan una visión del comportamiento térmico diario del adsorbente tubular. El rendimiento de la máquina es discutido en el caso estudiado de 1 m2 de superficie de colector Jose Antonio Vicente Soltero 27 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción plano integrado con nueve tubos de cobre que contiene el par de carbono AC‐35 / metanol activado. Son varios los factores principales que afectan el coeficiente de rendimiento solar y térmico os cuales se discuten de acuerdo con los resultados de las simulaciones por ordenador. Santori et al. (2014); desarrolla un refrigerador solar por adsorción autónomo que produce hielo y está diseñado para ser utilizado en ayuda humanitaria. La máquina de adsorción funciona con carbón activo y metanol como pareja de trabajo. El prototipo fue probado en Messina, Italia, es decir bajo condiciones climáticas mediterráneas. Bajo estas condiciones el sistema puede producir 5 kg de hielo con un COP solar de 0,08 para 1,2 m2 de colectores solares. 1.4. Contenido y objetivos del proyecto El contenido del proyecto se dividirá en cuatro partes o capítulos. En este primer capítulo se ha hecho una breve introducción al proyecto y una descripción del estado del arte tanto de la tecnología de absorción como de la de adsorción. En el segundo capítulo se realizará la presentación y el análisis de los sistemas de captación más usuales en el frio solar y de los sistemas de refrigeración solar prestando especial interés a los sistemas de absorción y adsorción, explicando sus características, describiendo el funcionamiento y enumerando las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos. En el capítulo 3 se analizaran los principales fabricantes tanto de máquinas de absorción como de adsorción exponiendo los parámetros de las máquinas más importantes del mercado. Por último en el capítulo 4 se realiza un estudio de instalaciones existentes en el mundo tanto de refrigeración solar por absorción como por adsorción, analizando su tamaño, rendimientos, inversión inicial, superficie de captación y otros parámetros importantes. Con todo ello, se pretende en primer lugar explicar el funcionamiento de las diferentes tecnologías de refrigeración solar, con sus ventajas y desventajas para conseguir así una visión global del frio solar. En segundo lugar se busca dar a conocer la situación actual de las tecnologías de adsorción y absorción, las aplicaciones más importantes a lo largo del mundo y la situación en cuanto a fabricantes y su potencial de futuro. Jose Antonio Vicente Soltero 28 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción CAPÍTULO 2. LA REFRIGERACIÓN SOLAR
2.1. Introducción Como se mencionó en el capítulo anterior, la refrigeración solar tiene una serie de ventajas frente a la refrigeración por compresión mecánica. En este apartado se desarrollarán más detalladamente cada una de ellas, así como las desventajas que puedan tener estos sistemas frente a la refrigeración tradicional. Ventajas generales Una de las características que hacen más atractiva a la refrigeración solar es la coincidencia entre el pico de la demanda de refrigeración y el pico de radiación solar. Es decir la demanda de refrigeración de un edificio está más o menos en fase con la incidencia solar. Este hecho puede apreciarse claramente si analizamos la demanda horaria de climatización de un edificio y la radiación solar en cada una de las horas. Como se puede apreciar en la Figura2.1, es en las horas punta de máxima radiación solar cuando la demanda de climatización suele alcanzar sus valores más altos. Esto permite que sea en las horas en las que la demanda de climatización es máxima cuando mayor frío pueda producirse en la máquina. Jose Antonio Vicente Soltero 29 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.1. Demanda refrigeración y radiación solar en un centro comercial en Madrid. (Fuente: AIGUASOL). Otra ventaja importante que tienen los sistemas de refrigeración solar es que utilizan fluidos que son totalmente inocuos, como agua o soluciones de determinadas sales. El agua es el refrigerante más común en estos sistemas, aunque en las máquinas de absorción también se utilicen sales como el bromuro de litio o fluidos como el amoniaco. Todos estos fluidos son energéticamente eficientes y medioambientalmente seguros ya que no son dañinos con la capa de ozono como suelen ser los refrigerantes utilizados en la climatización mediante compresión mecánica. Únicamente en los sistemas que utilizan amoniaco (muy poco frecuentes) se precisan precauciones especiales dadas la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano. Tabla 2.1 Análisis de refrigerantes y absorbentes utilizados en refrigeración solar. Jose Antonio Vicente Soltero 30 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Otro punto a favor es que el coste de cada uno de ellos es relativamente bajo, sobre todo del agua que además es muy abundante. Mediante el parámetro TEWI (Total Equivalente del Impacto en el Calentamiento) podemos medir el impacto de un fluido refrigerante en la atmosfera (masa total equivalente de CO2 resultante del impacto directo e indirecto). En todos ellos es bajo e incluso nulo a diferencia de los refrigerantes tradicionales. En los sistemas de refrigeración solar la compresión del fluido refrigerante, si es que es necesaria, es una compresión térmica. Es decir, no es necesario el compresor en la instalación. Gracias a esto, baja el nivel de ruido y vibraciones del equipo. Además provoca que el consumo de estos sistemas sea muy bajo ya que es el compresor el equipo que más consume en una instalación de climatización. Un sistema de refrigeración solar puede llegar a ahorrar hasta un 70% de la electricidad que consume un equipo de climatización por compresión. Desventajas generales Hasta ahora hemos desarrollado las principales ventajas de estos sistemas frente a los sistemas de climatización tradicionales pero hay que tener en cuenta también las importantes desventajas que tienen los sistemas de frío solar. Los más destacados son que el rendimiento es bajo, el coste inicial es muy elevado, se necesitan grandes superficies para la instalación de los colectores, el desconocimiento general sobre esta tecnología y, a veces, la complejidad de las instalaciones. Son estos los puntos que hay que mejorar para que la refrigeración solar consiga hacerse un hueco importante en el mercado. A continuación analizaremos con detalle el coste inicial y el rendimiento de la refrigeración solar, que son las desventajas más importantes frente a la compresión mecánica. El primer punto que se tratará será el coste inicial que requiere un sistema de climatización solar. El coste inicial de un equipo de refrigeración solar depende, lógicamente, de la tecnología que se escoja pero en todas ellas es mucho más elevado que el coste inicial de un equipo de climatización tradicional. Para los equipos que usan la tecnología de absorción (se explicará detalladamente más adelante), este coste es un poco superior al triple del coste de un sistema convencional, para los que usan la tecnología de adsorción el coste inicial es aproximadamente tres veces y media mayor que el de los sistemas tradicionales. Hay que aclarar que estos valores son valores aproximados ya que cuanto mayor sea el equipo, el coste unitario disminuye, pero sin embargo son muy útiles para destacar el elevado coste inicial que conllevan estas tecnologías. Ghaith et al. (2013) hace un análisis y comparación de costes sobre la refrigeración de un edificio de oficinas diferenciando dos casos, refrigeración mediante equipos convencionales y refrigeración solar. La figura 2.2 muestra dicha comparación. Jose Antonio Vicente Soltero 31 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.2. Comparación económica entre refrigeración convencional y refrigeración solar con ETC y FPC. Siendo: AED: Dírham de los Emiratos Árabes Unidos. ETC: Colectores de tubos de vacío. FPC: Colectores de placa plana. La conclusión a la que se llega es la misma que ya se ha mencionado, el coste inicial de la refrigeración es casi cuatro veces superior al coste de la refrigeración por compresión mecánica sin embargo los costes de operación son menores y los costes relativos al consumo energético son casi despreciables. En este estudio se diferencia entre un sistema de refrigeración solar utilizando colectores de tubo de vacío, que tienen un precio superior, y colectores planos. Más adelante se explicarán los distintos tipos de colectores, sus características y ventajas. El siguiente punto que se va a tratar es el rendimiento de estos sistemas. Antes de nada, habría que explicar cómo se mide el rendimiento en los sistemas de refrigeración. El COP (Coefficient of Performance) en refrigeración es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. Se define oficialmente según la ASHRAE como: “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración”. Jose Antonio Vicente Soltero 32 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.3A. Esquema sistema refrigeración por compresión. ú
í En la figura 2.3A se muestra un esquema de un sistema de refrigeración tradicional donde: W: Trabajo neto necesario. Q: calor extraído del foco frío. QH: calor cedido al foco caliente. T: temperatura del foco frío. TH: temperatura foco caliente. El COP para máquinas de refrigeración solar se define de igual manera, pero la energía necesaria para que se dé el proceso no es trabajo, sino energía calorífica (figura 2.3B): Figura 2.3B. Esquema sistema refrigeración solar. Jose Antonio Vicente Soltero 33 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Siendo: QG: Calor necesario para que se dé la refrigeración. Q: calor extraído del foco frío. QH: calor cedido al foco caliente. T: temperatura del foco frío. TH: temperatura foco caliente. Por lo tanto la expresión del COP queda: ú
í Una vez que hemos definido el COP, se puede realizar un pequeño análisis entre el COP de ambos sistemas de refrigeración. El COP de los sistemas de refrigeración varía dependiendo de la tecnología y el número de etapas entre 0,4 y 1,5. Aunque los sistemas de refrigeración solar más utilizados tienen un COP que varía entre 0,5 y 0,8. Es decir, que necesitamos un kW de energía térmica para poder producir entre 0,5 y 0,8 kW de refrigeración. Por el contrario los equipos de compresión mecánica tienen rendimientos frigoríficos bastante mayores. Los equipos más utilizados tienen un COP entre 4 y 5,5, pero hay equipos que pueden llegar a COP superiores. Sabiendo esta gran diferencia existente entre los rendimientos, podríamos preguntarnos por qué siguen teniendo cabida en el mercado los sistemas de refrigeración solar. Hay que tener en cuenta que esta comparación está hecha de manera incorrecta, ya que el precio de producir el trabajo mecánico en los sistemas de refrigeración por compresión es diferente que el precio de producir la energía térmica necesaria en los procesos de refrigeración solar. De hecho el precio de la energía térmica proveniente del sol es nulo y es por eso por lo que la refrigeración solar tiene un gran potencial. Mientras que para que un sistema convencional necesitamos consumir electricidad de la red, con su respectivo coste, en la refrigeración solar utilizamos la energía proveniente del sol. 2.1.1 Clasificación de las tecnologías de refrigeración solar
Una vez que se ha explicado las características generales de los sistemas de climatización solar hay que clasificar las distintas tecnologías para posteriormente explicar cada una de ellas en profundidad. En la figura 2.4 se muestra la clasificación general de los sistemas de refrigeración solar. Jose Antonio Vicente Soltero 34 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.4. Clasificación de los sistemas de refrigeración solar. De todos estos, sin ninguna duda los más comunes son los sistemas de baja temperatura. Al estar hablando de refrigeración solar, son los procesos que necesitan menores temperaturas los más atractivos para utilizarlos en la refrigeración de edificios. Los captadores solares no pueden conseguir elevadas temperaturas, es por eso que los sistemas térmicos de alta temperatura no son utilizados en climatización ya que necesitarían sistemas de concentración, mucho menos económicos que los captadores solares utilizados en los ciclos de baja temperatura. Aunque más adelante hablaremos detalladamente de cada uno de los sistemas, en este apartado daremos una pequeña explicación de los sistemas de baja temperatura. ‐
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Sistemas cerrados: son máquinas frigoríficas que proporcionan agua fría que se envía a unidades de condicionamiento de aire. El fluido que se utiliza para evacuar el calor de la carga forma parte de un proceso cíclico cerrado. Los dos tipos de máquinas disponibles son las máquinas frigoríficas de absorción y las máquinas de adsorción. Sistemas abiertos: a diferencia de los cerrados, el fluido una vez que ha captado el calor de la carga se desecha y no se vuelve a utilizar. Necesitando así un flujo continuo de fluido, que Jose Antonio Vicente Soltero 35 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción la mayoría de las veces será agua. Estas máquinas pueden ser de refrigeración evaporativa con desecante sólido o con desecante líquido. 2.2. Tecnologías de captación solar para aplicaciones de refrigeración solar Como su propio nombre indica, la refrigeración solar utiliza la energía del sol como fuente de energía, es por eso que los sistemas que se encargan de captar esa energía y transformarla en energía térmica de un fluido tienen una importancia mayúscula en la instalación. Además del rendimiento del propio sistema de captación, es imprescindible que la radiación solar sea lo mayor posible en la zona en que se implantará la instalación para que estos sistemas de frío solar sean rentables. Es por eso que algunos territorios tienen mejores condiciones que otros para la refrigeración solar simplemente porque la irradiación solar en esa zona es mayor. La figura 2.5 muestra un mapa de Europa en el que se indica la irradiación solar media que se da en cada zona. Es fácil de apreciar el grandísimo potencial que tienen ciertos países y por qué muchos de los principales países que tienen más asentada esta tecnología son países mediterráneos como España, Italia o Grecia. Figura 2.5. Irradiación solar en Europa (Fuente: GRID‐Arendal). Los sistemas de captación, como ya se ha mencionado, captan esa energía solar y la transfieren a un fluido caloportador (agua, aire, etc.) gracias al efecto invernadero creado en el interior de la placa. Este fluido caloportador puede utilizarse para cualquier aplicación, como por ejemplo Jose Antonio Vicente Soltero 36 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción en una instalación de ACS o, como es el caso estudiado, para una instalación de refrigeración solar. Los sistemas de captación funcionan con la radiación directa, es decir que en días nublados es necesario un equipo auxiliar, por ejemplo una caldera de gas o gasóleo, que sea capaz de elevar la temperatura del fluido lo necesario para que la instalación pueda funcionar correctamente. Se han desarrollado numerosas tecnologías para la captación de energía solar con el objetivo de intentar lograr rendimientos mayores con el mínimo gasto posible. De estas tecnologías hay dos tipos que son especialmente útiles para la refrigeración solar, los captadores planos y los captadores de concentración. Esto es debido principalmente a que la temperatura que alcanza el fluido caloportador está dentro de los rangos requeridos en las instalaciones de refrigeración solar y a que el precio de dichas tecnologías no es muy elevado. ‐
Captadores solares planos: Son captadores fijos, sin seguimiento solar. Son capaces de producir agua a baja o media temperatura. Son los captadores más utilizados en este tipo de instalaciones debido a que las temperaturas que consiguen son las idóneas para la gran mayoría de los sistemas de refrigeración solar instalados. Forman parte de este grupo los captadores planos, los captadores solares de aire y los captadores de tubos de vacío. ‐ Captadores de concentración: Son captadores con seguimiento solar en un eje y son los captadores que también se utilizan en las plantas termosolares de producción eléctrica. Pueden conseguir temperaturas superiores a los 300ºC. Los captadores de concentración son menos utilizados debido a dos razones fundamentales, su elevado coste y que producen temperaturas mayores a las requeridas normalmente en la refrigeración solar. Forman parte de este grupo de captadores los captadores cilindro parabólicos y los captadores de fresnel. A continuación se describen los diferentes tipos de captadores de la clasificación anterior mencionando sus principales características tanto técnicas como funcionales. 2.2.1 Captadores planos
Como ya se ha mencionado este tipo de captador es el más utilizado en este tipo de instalaciones así como también en las instalaciones de ACS y de calefacción. Pero dentro de este grupo de captadores hay diferentes tipos de captadores que tienen sus precios, características técnicas y características funcionales diferentes. a) Captadores de placa plana b) Captadores solares de aire c) Captadores de tubos de vacío Jose Antonio Vicente Soltero 37 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Antes de explicar cada uno de ellos, las figuras 2.6 y 2.7 muestran la distribución de captadores en el mundo y en Europa respectivamente. Figura 2.6. Distribución de la capacidad instalada de captadores solares en el mundo, 2012. (Fuente: Solar Heat Worldwide 2014). Figura 2.7. Distribución de la capacidad instalada de captadores solares en Europa, 2012. (Fuente: Solar Heat Worldwide 2014). El hecho de que ambos gráficos sean tan diferentes se debe al dominio de China en este sector. China posee el 67% de la capacidad instalada en el mundo de los cuales el 92% son colectores de tubos de vacío (Evacuated tube collector). Es por eso por lo que, aunque en Europa los colectores de tubo de vacío solo supongan un 9% en la distribución mundial superen ampliamente el 50%. Jose Antonio Vicente Soltero 38 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción a) Captadores de placa plana Son los captadores más sencillos y por ello el tipo de captador más utilizado en muchas zonas del planeta. Su funcionamiento es la base de los sistemas de captación que se han ido desarrollando después. Figura 2.8. Elementos de un captador solar plano. El fluido que circula por el interior del absorbedor es agua la mayoría de los casos, pudiéndose añadir aditivos anticongelantes si es necesario. Estos captadores están formado por cuatro elementos principales, tal y como muestra la figura 2.8. La cubierta de vidrio se encarga de dejar pasar la radiación solar y reducir las pérdidas por convección formando el efecto invernadero en el interior. La placa absorbedora absorbe, lo más eficientemente, posible la radiación solar y la transfiere al fluido como energía térmica. El aislamiento térmico evita las perdidas hacia el exterior, aumentando así el rendimiento del captador. Por último la carcasa o marco tiene como misión proteger y soportar los elementos que constituyen el captador. Este es el diseño básico de un captador plano, pero no el único. Con el fin de disminuir las pérdidas y aumentar el rendimiento se pueden incorporar una serie de modificaciones: ‐
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Absorbedores con superficie selectiva: se encargan de disminuir las pérdidas por conducción. Estos recubrimientos se diseñan para que la absortividad sea lo más alta posible en el rango del espectro visible e infrarrojo y que la emisivilidad sea la menor posible a la temperatura de funcionamiento. Modificaciones en la cubierta: barreras de convección. Con el fin de disminuir las pérdidas de convección se añade una doble cobertura transparente, que acostumbra a ser una película transparente situada en la parte posterior de la cubierta de cristal. b) Captadores solares de aire Funcionan del mismo modo que los captadores planos, con la diferencia de que el fluido que circula por el interior no es agua sino aire. Esto hace que también se modifiquen los mecanismos para transportar el fluido y en vez de bombas se utilicen ventiladores. Jose Antonio Vicente Soltero 39 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.9. Elementos de un captador solar de aire. El esquema de estos captadores, como se muestra en la figura 2.9., es muy similar al de los captadores planos. Los elementos tienen las mismas funciones que en el captador anterior salvo que por los canales circula aire. A continuación se analizarán las ventajas y desventajas que tiene esta tecnología con respecto a los captadores planos: Ventajas: ‐ No hay riesgo de fugas, calcificaciones ni corrosión. ‐ No presenta problemas de congelación en invierno. ‐ Sencillez de construcción y utilización. ‐ Bajo coste. Desventajas: ‐
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No existen sistemas de acumulación en el mercado. El rendimiento de estos colectores es menor que el de los colectores planos El consumo eléctrico de los ventiladores es mayor que el de las bombas del sistema hidráulico equivalente. Existen menos tecnologías que puedan utilizar, con buenos rendimientos, el aire como fluido térmico. c) Captadores solares de tubo de vacío Los captadores de tubo de vacío son los que en la actualidad están teniendo un mayor crecimiento. La mayoría de las instalaciones de captación solar que se realizan en la actualidad se instalan estos captadores. En gran parte esto se debe al abaratamiento que en los últimos años han tenido estos captadores y a su mayor eficiencia. El funcionamiento es similar al de la placa plana, pero se sustituye el vidrio exterior y los canales de fluido por una hilera de tubos, en los cuales se ha hecho el vacío para minimizar pérdidas. De esta manera se impide las transmisiones (pérdidas por conducción y convección) de calor al exterior pudiéndose alcanzar temperaturas más altas y rendimientos mayores. La figura 2.10 muestra el esquema básico de los tubos que componen el captador, este esquema Jose Antonio Vicente Soltero 40 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción puede variar dependiendo del tipo de captador de tubo de vacío. La geometría tubular es necesaria para suportar la diferencia de presión que se dan entre el interior y la atmosfera. Figura 2.10. Esquema de un tubo de vacío. Los colectores de tubo de vacío de pueden clasificar en dos grandes grupos: ‐
Flujo directo: el fluido circula por el interior de los tubos aumentando su temperatura, de un modo análogo a los captadores planos. ‐ Flujo indirecto o Heat pipe: el calor evapora un fluido mientras recorre el tubo y transporta el calor hasta un condensador situado en el extremo superior del tubo. Estos captadores tienen una serie de ventajas y desventajas con respecto de los captadores planos. Ventajas: ‐
Su aislamiento superior al de los captadores planos los hacen muy adecuados para climas con poca radiación o para aplicaciones que se necesiten temperaturas superiores a los 100° C. ‐ El rendimiento es superior al de los captadores planos y no es tan dependiente de variaciones de temperatura ambiente. Desventajas: ‐
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La principal desventaja de estos captadores es el elevado coste en comparación con los captadores planos. La fragilidad de los tubos ante condiciones meteorológicas adversas, tales como granizo, fuertes vientos, etc. Jose Antonio Vicente Soltero 41 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
Algunos tipos de captadores de tubo de vacío, debido a su alta temperatura de estancamiento, presentan un deterioro importante de juntas y aislamientos. 2.2.2 Captadores de concentración
Este grupo de captadores es menos utilizado que el grupo anterior. Principalmente lo forman dos tipos de captadores, los captadores cilindro‐parabólicos y los captadores lineales de Fresnel. a) Captadores cilindro‐parabólicos El funcionamiento básico de estos captadores se centra en disminuir el área del absorbedor respecto al área de captación y así reducir las pérdidas. Esto es posible gracias a que las pérdidas de calor son proporcionales al área del absorbedor pero no al área de captación. Mediante esta reducción de las pérdidas se pueden alcanzar rendimientos de casi el 50%. La concentración se obtiene gracias a espejos reflectores que, mediante una o más reflexiones, dirigen la radiación incidente hacia el absorbedor. La razón de concentración es función del ángulo de aceptación, a menor ángulo mayor será la concentración. En este tipo de colectores, que son fijos, los ángulos de aceptación deben de ser amplios, ya que conforme el ángulo disminuye es necesario darle orientación a los captadores. El ángulo de aceptación elevado provoca que la concentración no pueda ser alta pero le da una característica muy importante a estos captadores, y es que aprovechan también la radiación difusa, al igual que los captadores planos. Estos espejos utilizan una combinación de parábolas con la forma adecuada para reflejar la radiación incidente en la dirección del absorbedor, son conocidos como concentradores parabólicos compuestos (CPC). En la figura 2.11 se muestra un esquema de un captador CPC, con sus elementos más importantes. Figura 2.11. Elementos de un captador CPC. Ventajas: ‐
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Disminución de las pérdidas y por lo tanto rendimiento más elevado que los captadores tradicionales. Alcanzan mayores temperaturas que los captadores de paca plana. Jose Antonio Vicente Soltero 42 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Desventajas: ‐
Su fabricación es más compleja debido a la forma que hay que darle a los espejos de concentración y por lo tanto su precio es más elevado. b) Captadores lineales de fresnel Es un sistema de concentración lineal que concentra toda la radiación solar en un receptor lineal colocado por encima de los espejos. Alcanza temperaturas en torno a las 175°C, que son temperaturas superiores a un captador de placa plana pero menores a las temperaturas que alcanzan otros captadores, como los concentradores cilindro parabólicos, debido a que tiene un menor grado de libertad de seguimiento solar. Figura 2.12. Esquema de un concentrador lineal de Fresnel. El funcionamiento se basa en la tecnología de foco en línea. Una serie de espejos, casi planos, concentran la radiación solar en un captador lineal. Por el interior de este captador circula un fluido que se va calentando gracias a la radiación solar concentrada por los espejos, tal y como se muestra en la figura 2.12. Ventajas: ‐ Alcanza temperaturas mayores que un concentrador solar convencional. ‐ Bajos costes estructurales en comparación con otras tecnologías similares. ‐ Largas longitudes de foco que permiten el uso de cristal convencional. Desventajas: ‐
Se instalan en horizontal por lo que es necesario una gran superficie de la que carecen la mayoría de los edificios. Jose Antonio Vicente Soltero 43 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
Necesitan mayor supervisión debido a las partes móviles y a su estructura más compleja que la de los captadores planos. 2.2.3 Comparación de los principales captadores en refrigeración solar
En el apartado anterior se han explicado los captadores más utilizados en refrigeración solar, en este apartado se hablará sobre que catador elegir dependiendo de la tecnología solar que se utilice. Pero antes de eso, en la tabla 2.2 se hace un resumen de las principales tecnologías de captación utilizadas en frío solar. Tabla 2. 2. Captadores solares para instalaciones de refrigeración solar. Jose Antonio Vicente Soltero 44 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción La elección de un tipo u otro de captador en una instalación de refrigeración solar vendrá marcada por la tecnología que se utilizará para refrigerar. Cada tecnología demanda un rango de temperatura determinado y un caudal de agua caliente necesario para su correcto funcionamiento. Estos dos son los parámetros principales para la elección del tipo de captador. Otros parámetros que también hay que tener en cuenta son el coste de cada uno, el funcionamiento del captador en las condiciones meteorológicas de la zona y que pueda ser instalado en el espacio disponible para ello. Para poder encontrarle sentido a la figura 2.13 en la que se relacionan los diferentes captadores solares con las tecnologías de refrigeración solar hay que mencionar antes los rangos de temperaturas requeridos en cada tecnología para un funcionamiento óptimo. Los sistemas con desecantes son los que menor temperatura necesitan, y esta oscila en torno a los 80 °C. Los sistemas de adsorción y absorción de efecto simple funcionan aproximadamente con la misma temperatura (dependiendo del modelo) y esta temperatura oscila entre los 90 y 150 °C. Por último se encuentran los sistemas de doble efecto o más que requieren siempre temperaturas superiores a 150°C. Figura 2.13. Diagrama de elección de la tecnología de captación solar según la tecnología de refrigeración. La figura 2.13 relaciona el rendimiento esperado del colector elegido en cada caso (ya que cada tipo de colector tiene una curva propia de comportamiento) y la diferencia de temperatura del colector con la temperatura ambiente dividido por la radiación recibida por el colector. Mediante este parámetro se tiene en cuenta tanto la temperatura óptima del colector, como las condiciones ambientales que más afectan. Jose Antonio Vicente Soltero 45 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En el gráfico se diferencian cuatro grandes áreas, que corresponden con los sistemas de evaporación con desecante, los sistemas de adsorción, los de absorción simple y los de absorción de doble efecto. Los tipos de colectores analizados en el gráfico son los siguientes: SAC: Colector solar de aire. FPC: Colector solar plano. CPC: Colector cilindro‐parabólico. EHP: Colector de tubo de vacío. EDF: Colector de tubo de vacío de flujo directo. SYC: Colector de tubo de vacío de concentración. Estos tipos de estudios los resultados no son definitivos, no se puede tomar una decisión solo con un estudio como este. Nos dan información básica sobre el comportamiento de los colectores solares que permitirá que algunos colectores sean descartados rápidamente. Además no tiene en cuenta el coste de cada captador, un parámetro que es fundamental para tomar la decisión final. Aun así, en una simple gráfica se concentra información muy útil para la elección del captador solar en función del tipo de instalación de refrigeración solar. 2.3 Sistemas de refrigeración solar En el apartado 2.1.2 se hizo una clasificación de los sistemas de refrigeración solar (figura 2.4). Para desarrollar este apartado y explicar los sistemas de frio solar se seguirá ese esquema, que se resume a continuación. ‐
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Sistemas eléctricos: la radiación solar se convierte en electricidad que se utiliza para producir frío. Destacan la compresión mecánica y el efecto termoeléctrico Peltier. Sistemas térmicos: la radiación solar se transforma en energía térmica aumentando la temperatura de un fluido. Se diferencian los sistemas de alta y baja temperatura. Los sistemas de alta temperatura no se usan en refrigeración solar en edificios porque requieren instalaciones muy complejas, además de que las temperaturas de trabajo son demasiado altas. Por eso nos centraremos en los sistemas de baja temperatura. Destacan los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante, los sistemas de adsorción y los sistemas de absorción. Jose Antonio Vicente Soltero 46 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 2.3.1 Refrigeración solar por compresión mecánica
a) Descripción Estos sistemas convierten la radiación solar en electricidad que utilizan para operar una enfriadora por compresión mecánica. Para la conversión utiliza paneles fotovoltaicos, que son los que convierten la radiación en electricidad. Estos paneles se conectan al compresor del sistema de refrigeración como se indica en la figura 2.14. Si la radiación solar no es suficiente o si sencillamente no hay radiación, la electricidad necesaria es suministrada por la red, comportándose en este caso como un sistema convencional de refrigeración. Se puede decir que a red se comporta como almacén energético, porque si la electricidad producida por la placa fotovoltaica es superior a la demandada por el sistema, se suministra a la red aunque en la mayoría de los casos también se instala una batería. Figura 2.14. Esquema de refrigeración solar mediante fotovoltaica. Los componentes del sistema son los mismos que un sistema de refrigeración por compresión estándar al que se le añade el panel fotovoltaico y un inversor. El inversor es necesario porque la placa fotovoltaica produce electricidad en corriente continua y sin embargo, los compresores suelen estar diseñados para funcionar con corriente alterna. b) Ventajas y desventajas Ventajas: Jose Antonio Vicente Soltero 47 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
Cuando funciona con la radiación solar, el consumo eléctrico es casi nulo al igual que los efectos sobre el medioambiente. ‐ Los costes de operación y mantenimiento son bajos. ‐ Tanto los paneles fotovoltaicos como los componentes del sistema tradicional de refrigeración son tecnologías maduras y tienen una vida útil elevada. Desventajas: ‐
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Tiene unos costes iniciales muy elevados. Recientes problemas de la tecnología fotovoltaica con la legislación en algunos países como España. ‐ Intermitencia de los paneles fotovoltaicos en la producción de electricidad por nubes. ‐ Pérdidas en el almacenamiento de electricidad en la batería. c) Estado del arte. Apenas se conocen ejemplos de aplicaciones de esta tecnología para la obtención de frío a partir del sol. El elevado coste inicial y el reducido ahorro que se consigue en este ámbito con la fotovoltaica en comparación con otras tecnologías son las principales causas de su poca utilización. Solo se conocen algunas instalaciones piloto que han surgido por el abaratamiento de la tecnología fotovoltaica. 2.3.2 Ciclo termoeléctrico Peltier
a) Descripción Las celdas Peltier son unos dispositivos que funcionan como una bomba de calor entre dos placas, de manera que se absorbe calor por una y se disipa por la otra. Es decir, una placa se enfría, y con ella el ambiente que le rodea, y la otra placa se calienta. Figura 2.15. Esquema placa Peltier. Jose Antonio Vicente Soltero 48 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En la figura 2.15 aparecen las partes de una celda Peltier. El principio de funcionamiento es el siguiente, las placas están unidas por cerámicas semiconductoras especiales. Si se hace circular una corriente continua en una dirección determinada, el calor se transporta desde una placa a la otra. Si se invierte la polaridad de la corriente, se invierte también la dirección del tránsito del calor. Gracias a esta propiedad, esta tecnología se puede utilizar tanto como refrigeración o como calefacción. Para hablar de refrigeración solar en esta tecnología, la electricidad demandada en la placa debe ser producida por una placa fotovoltaica. Hay que dejar claro, que las placas Peltier son de un tamaño reducido, es decir, no estamos hablando de refrigerar habitaciones o edificios, sino neveras de pequeño y mediano tamaño. b) Ventajas y desventajas Ventajas: ‐
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Pequeño tamaño y reducido peso de los módulos Peltier. No tiene partes móviles y el coste de mantenimiento es prácticamente nulo. Desventajas: ‐
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Debido a su pequeño tamaño su uso se reduce a pequeñas aplicaciones. Elevado consumo de energía eléctrica y bajo rendimiento. c) Estado del arte Debido a su pequeño tamaño, su elevado consumo y su bajo rendimiento, los módulos Peltier no se utilizan en climatización de hogares. Como ya se ha indicado, se utilizan en aplicaciones de menor escala. Al no tener partes móviles, y únicamente necesitar una corriente eléctrica para su funcionamiento son ideales para pequeñas aplicaciones portátiles, como neveras, portamuestras biomédicas y aplicaciones del estilo. En la figura 2.16 se muestra una típica nevera que funciona con el efecto termoeléctrico Peltier. Aunque su consumo sea mayor que una nevera convencional, su reducido peso la hace ideal para ser transportada. Los sistemas termoeléctricos alimentados por células fotovoltaicas son bastante escasos. El principal motivo es que los paneles fotovoltaicos necesitan la radiación solar para producir electricidad y por lo tanto para que las células Peltier produjeran frío habría que poner la nevera portátil al sol, esto disminuiría aún más el rendimiento del sistema. Jose Antonio Vicente Soltero 49 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.16. Nevera con ciclo termoeléctrico Peltier. 2.3.3 Sistema de refrigeración evaporativa con desecante
Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante son sistemas de refrigeración que utilizan baja temperatura y funcionan mediante un ciclo abierto. Es decir, el refrigerante que se utiliza, la gran mayoría de las veces agua, no sigue un ciclo cerrado sino que una vez utilizado se desecha, existiendo así un flujo continuo de refrigerante. Más adelante se explicarán con detalle los dos tipos de sistemas de refrigeración por desecante que existen, los que utilizan desecante sólido y los que utilizan desecante líquido. Hay que tener en cuenta que ambos siguen el mismo funcionamiento básico. Estos sistemas toman el aire (ya sea del exterior, del edificio o una mezcla) lo deshumidifican mediante un sólido o líquido desecante, lo enfrían por intercambio de calor sensible y por último se hace pasar por un humidificador hasta obtener las condiciones deseadas. El desecante, líquido o sólido, es regenerado con energía solar. 2.3.3.1 Desecante sólido
a) Descripción Los sistemas con desecante sólido son más utilizados que los sistemas de desecante líquido debido a que los sistemas de desecante líquidos han estado en fase de investigación hasta hace pocos años. Hay distintos tipos de configuraciones en sistemas de refrigeración solar con desecante sólido, pero sin duda el más extendido es el que utiliza ruedas desecantes rotativas. El esquema del sistema se muestra en la figura 2.17 y cuenta con una rueda desecante compuesta generalmente de gel de sílice, un intercambiador de calor rotativo (rueda de recuperación), dos Jose Antonio Vicente Soltero 50 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción secciones de humectación, un conjunto de captadores solares (comúnmente captadores de placa plana), un intercambiador de calor aire‐agua, un calentador auxiliar y los ventiladores que impulsan el aire tanto a la entrada como a la salida. Figura 2.17. Esquema de un sistema de refrigeración con rueda desecante rotativa. (Fuente: Allouhi et al. (2014)) Los sucesivos procesos que sigue el aire de impulsión se detallan a continuación: ‐
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El aire exterior (caliente y con humedad) entra en el sistema impulsado por el ventilador y atraviesa la rueda desecante, gracias a ello el aire pierde gran parte de la humedad (proceso 1‐2). Al ser la adsorción un proceso exotérmico, el aire además de disminuir drásticamente su humedad, aumenta su temperatura. El aire se hace pasar después por un intercambiador de calor rotativo con el fin de ser pre‐
enfriado (proceso 2‐3). Para ello se utiliza el aire extraído del local climatizado. ‐
A continuación el aire pasa por un humidificador, con el objetivo de disminuir su temperatura y aumentar su humedad hasta los valores deseados (proceso 3‐4). Por último el aire de impulsión atraviesa el ventilador, aumentando su temperatura pero de manera insignificante. El aire extraído del local sufre una serie de procesos que son los siguientes: Jose Antonio Vicente Soltero 51 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
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Se hace pasar el aire extraído por un humidificador para disminuir aún más su temperatura acercándolo a la línea de saturación (proceso 6‐7). Inmediatamente después, el aire pasa por el intercambiador de calor rotativo (proceso 7‐8). Como el aire expulsado está más frío que el aire de impulsión permite que el proceso 2‐3 se lleve a cabo. Después el aire se calienta al ser introducido en un intercambiador de calor aire‐agua (proceso 8‐9). Esta agua que se utiliza para aumentar la temperatura del aire ha sido calentada mediante los captadores solares. Se hace pasar el aire por la rueda desecante (proceso 9‐10), pero no pare ser deshumectado sino para regenerar el desecante gracias al aumento de temperatura que ha sufrido el aire en los procesos anteriores. Por último, el aire atraviesa el ventilador y es expulsado al ambiente (proceso 10‐11). Es interesante también ver como evoluciona el aire en cada una de las etapas, en la figura 2.18 se presenta sobre un diagrama psicrométrico la serie de procesos que sufre el aire, tanto de impulsión como de extracción, en el sistema. Figura 2.18. Diagrama psicrométrico del sistema. Antes de explicar en profundidad el componente más importante de ese tipo de instalación, la rueda desecante rotativa, se va a resumir los diferentes modos de operación que tiene este tipo de sistemas, dependiendo del ambiente exterior y de las cargas internas. Jose Antonio Vicente Soltero 52 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Modo de Ventilación: es el modo de funcionamiento más sencillo. No es necesario enfriar ni variar la humedad del aire de impulsión y por lo tanto el aire solo se impulsa al interior con el ventilador, tal y como se indica en la figura 2.19. Figura 2.19. Funcionamiento en modo ventilación. Modo humidificación directa: se hace pasar al aire de impulsión por el humidificador (proceso 3‐4) y posteriormente en impulsado al local (figura 2.20). Este modo de funcionamiento se da cuando hay que disminuir la temperatura y aumentar la humedad del aire exterior pero la diferencia de temperatura con el aire de expulsión no es suficientemente elevada como para utilizar el intercambiador de calor rotativo (proceso 2‐3). Figura 2.20. Funcionamiento en modo humidificación directa. Modo humidificación indirecta: el suministro de aire se hace pasar por el intercambiador rotatorio (proceso 2‐3), representado en la figura 2.21. Si es necesario aumentar la humedad del aire de impulsión o disminuir aún más su temperatura también puede activarse el humidificador (proceso 3‐4). Este modo de funcionamiento se aplica cuando la temperatura exterior es elevada, pero su humedad no lo es y por lo tanto no es necesario utilizar la rueda desecante. El aire se enfría con la salida del local en el intercambiador, este aire de expulsión puede ser enfriado al pasar por el humidificador (proceso 6‐7) para conseguir una mayor diferencia de temperatura. Jose Antonio Vicente Soltero 53 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.21. Funcionamiento en modo de humidificación indirecta. Modo de adsorción: El aire de impulsión se hace pasar por todos los procesos que componen el sistema, tanto la rueda de desorción, como el intercambiador y el humidificador, tal y como se muestra en la figura 2.22. El sistema funcionará en este modo cuando haya que disminuir la temperatura y la humedad del aire exterior. Es el modo de funcionamiento normal del sistema y por el que ha sido diseñado. Figura 2.22. Funcionamiento en modo de adsorción. Rueda desecante rotativa Es el componente característico de estos sistemas. Se encarga de eliminar parte de la humedad del aire gracias a que la rueda está formada por una sustancia desecante. Los desecantes son sustancias que tienen una gran afinidad por el agua lo que les permite adsorber la humedad del aire circundante. El adsorbente sólido más utilizado es el gel de sílice y la gran mayoría de las ruedas desecantes están formadas por este adsorbente. El gel de sílice se une a un substrato de fibras de vidrio o aluminio para formar la estructura, que se caracteriza por ser ligera y por tener una gran superficie de contacto entre el gel de sílice y el aire. Cuanto mayor sea la superficie de contacto mejor será el rendimiento del proceso de adsorción. La rueda gira lentamente entre el flujo de aire de impulsión y el aire de extracción o, en otras palabras, gira entre el flujo de proceso y el de reactivación. El aire de proceso fluye entre los canales y el desecante de la estructura va adsorbiendo la humedad del aire hasta que se satura. Por otro lado, parte de la rueda está siendo reactivada gracias al aire de reactivación (extracción). Este aire ha sido calentado previamente como ya se ha visto, por lo que el desecante se calienta gracias a este flujo eliminándose la humedad que previamente ha Jose Antonio Vicente Soltero 54 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción atrapado. Una vez terminada la etapa de reactivación, el desecante vuelve a la zona de proceso donde empieza el ciclo de nuevo. Este funcionamiento viene ilustrado en la figura 2.23.a. Figura 2.23.a. Principio de funcionamiento de la rueda desecante rotativa. Generalmente, la distribución que se utiliza es, 75% de la rueda hace contacto con el aire de proceso (aire de impulsión) mientras que el 25% restante forma la zona de regeneración. Es decir, la rueda desecante más usada tiene una relación 3:1. Sin embargo también existen ruedas con relación 1:1. Las principales variables que afectan de manera importante al dimensionado y al rendimiento del sistema son: la humedad y temperatura del aire de proceso (aire de impulsión), la velocidad del aire a través de la rueda desecante, la temperatura del aire de regeneración y, por último, la cantidad de desecante expuesto a la corriente de aire. ‐
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Humedad del aire de proceso: manteniendo las demás variables constantes, cuanto menor sea la humedad del aire de proceso a la entrada de la rueda desecante, menor será también a la salida. Si la humedad del aire de entrada a la rueda es mayor que la de diseño, el aire saldrá de la rueda a una temperatura mayor de la esperada y deberá, por consecuencia deberá de sufrir un enfriamiento mayor. Si la humedad es menor que la de diseño, ocurre el proceso contrario. Temperatura del aire de proceso: si el resto de variables permanecen constante, para temperaturas mayores del aire de entrada, mayor será la humedad de salida. Esto es así porque el rendimiento de la rueda desecante disminuye al aumentar la temperatura del aire de proceso. Por otro lado, una mayor temperatura del aire de proceso obliga a un mayor enfriamiento para alcanzar la temperatura deseada. Jose Antonio Vicente Soltero 55 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
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Velocidad del aire de proceso: cuanto menor sea la velocidad del aire al atravesar la rueda de desecación, mejor será el rendimiento de esta y menor la humedad a la salida. Sin embargo, velocidades más lentas del aire significan ruedas más grandes y con un coste mayor. Temperatura del aire de regeneración: el desecante es secado y reactivado por la corriente de aire de extracción. Esta temperatura es clave en el proceso, cuanto mayor sea la temperatura más fácilmente será regenerado el desecante. Esta temperatura se consigue gracias al precalentamiento en el intercambiador de calor con el aire de impulsión pero, sobre todo, gracias al intercambio de calor con el agua calentada en los captadores solares. Esta temperatura es clave para el diseño de la parte solar del sistema (captadores solares, acumulación y calentador auxiliar). No se necesitan muy altas temperaturas para regenerar el desecante, con temperaturas entre los 60 y 85°C la regeneración es posible. Cantidad de desecante expuesto a la corriente de aire: el aumento de desecante disponible para secar el aire en un periodo de tiempo fijo aumenta la capacidad de eliminación de humedad, pero también aumenta la energía necesaria para regenerarlo. El aumento de la cantidad de desecante expuesto se puede conseguir aumentando la profundidad de la rueda o aumentando la velocidad de rotación de ésta. En ambas soluciones se aumenta la cantidad de desecante disponible y por lo tanto también aumentará la adsorción de humedad lo que hace que la temperatura del aire al salir de la rueda sea mayor y por consiguiente debe emplearse más energía para enfriar dicha corriente. En general, los sistemas desecantes son una opción interesante si se usan en sistemas de climatización centralizados en climas que no sean muy húmedos, ya que la deshumectación de la rueda desecante es limitada y para enfriar la corriente de aire se utiliza en el último paso un humidificador, lo que aumenta aún más la humedad. Como ya se ha mencionado, la temperatura necesaria pare regenerar el material desecante es relativamente baja, entre los 60°C y los 85°C. Esta temperatura se puede obtener con captadores de placa plana, lo que abarata la instalación solar. El COP del sistema no es muy elevado, se encuentra entre 0,3 y 0,6 dependiendo de la tecnología y el material desecante utilizado. a) Ventajas y desventajas Ventajas: ‐
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Son sistemas muy compactos y los componentes necesarios son estándares. Trata de manera separada la carga latente y sensible, esto permite un mejor control de las condiciones de confort. La temperatura que se ha de alcanzar en los captadores solares es menor que en otras aplicaciones, permite el uso de captadores más baratos. Jose Antonio Vicente Soltero 56 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Desventajas: ‐
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Este sistema está limitado para climas moderados. No es viable para climas con humedad alta. Son más pesados y ocupan más espacio en comparación con otros sistemas de refrigeración solar. Este tipo de sistema requiere de la instalación de conductos y equipos tanto para la entrada como para la salida de aire exterior. En general tiene un COP menor que otras tecnologías como la refrigeración por absorción. b) Situación de la refrigeración solar por desecante sólido en la actualidad Aunque es una tecnología conocida y que funciona muy bien con colectores solares, las instalaciones de refrigeración por desecante sólido no son frecuentes. Hay bastantes razones por las que estos sistemas están tan alejados en número de los sistemas de absorción. Aunque son sistemas muy compactos, como puede mostrarse en la figura 2.23.b., y necesitan una temperatura de regeneración menor tienen un COP que está por debajo del COP de las máquinas de absorción. Además su coste inicial es mucho más elevado incluso que el coste inicial de los sistemas de adsorción y de absorción y por ello solo son rentables instalaciones de desecante que son centralizadas y de tamaño considerable. Figura 2.23.b. Sistema evaporativo con rueda de desecante. El rango de potencias disponibles en el mercado está entre 20 y 400 kW. Las máquinas mayores de 400 kW tienen unas dimensiones demasiado grandes para la potencia que tienen por lo que no se fabrican máquinas superiores a los 350 ‐ 400 kW. Los países del norte (países escandinavos principalmente) y centro de Europa son los lugares en donde esta tecnología está más extendida debido a que las condiciones ambientes son idóneas Jose Antonio Vicente Soltero 57 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción para estos sistemas. Sin embargo, en los países del sur de Europa o países en los que las temperaturas y la humedad sean muy elevadas, este sistema no se puede instalar ya que no puede eliminar tanta humedad y por lo tanto no consigue producir frío. Para que esta tecnología pueda tener una mayor importancia en el mundo y pueda llegar a ser una alternativa de futuro capaz de competir con los sistemas de compresión debe de disminuir el precio inicial de sus componentes. Además en necesario continuar la investigación sobre nuevos desecantes que sean capaces de eliminar más cantidad de humedad del aire. Mercado No hay muchas empresas encargadas de fabricar sistemas de refrigeración con rueda desecante por todas las razones ya mencionadas. Las principales compañías que destacan en la producción de estos sistemas se mencionan en la tabla 2.5 junto con el país de origen y los tipos de desecantes con los que trabajan cada compañía: Compañías
País de origen
Desecantes
Munters USA USA SiGel, Óxidos de Al, Silicatos Rotor Source USA SiGel, Tamices NovelAire USA SiGel DRI India SiGel silicatos Klingenburg Germany SiGel, LiCl, Óxidos de Al Munters AB Suecia SiGel, Óxidos de Al, Silicatos PorFlute Suecia SiGel Seibu Giken Japón SiGel, Silicatos Nichias Japón SiGel Tabla 2.3. Descripción de fabricantes de ruedas desecantes. Si se hace un pequeño análisis de la tabla, se aprecia que el desecante más utilizado por las compañías es el gel de sílice (SiGel) como se ha mencionado anteriormente en el proyecto, seguido de otros desecantes como los óxidos de aluminio y los silicatos. Las principales compañías en Europa son de Suecia o de Alemania. Estos dos países tienen climas que se adaptan muy bien al funcionamiento de los sistemas de refrigeración evaporativos con desecantes debido a que no sufren temperaturas extremas ni humedades muy altas. En el resto del mundo también destacan las compañías de USA y Japón. Instalaciones Aunque no forma parte del contenido del proyecto desarrollar diferentes instalaciones existentes de sistemas con rueda desecante, se mencionarán algunas instalaciones y se explicarán los puntos más importantes de cada una de ellas: Jose Antonio Vicente Soltero 58 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Cámara de comercio. Freiburg/ Alemania La Cámara de Comercio de Freiburg fue el primer sistema solar de refrigeración evaporativa con desecante en Alemania y está funcionando desde 2002. La instalación enfría (o calienta en invierno) dos grandes salas de conferencias con una superficie total de casi 200 m2. Figura 2.24. Sala de conferencia de la Cámara de Comercio. Friburgo. En esta instalación no se ha incorporado ningún sistema de apoyo en la refrigeración dado que las necesidades de refrigeración coinciden bastante bien con la mayor disponibilidad de energía solar. Para intentar disminuir el coste de los captadores solares (que engloban en muchas ocasiones incluso la mitad de la inversión) se decidió colocar los captadores paralelos al tejado, el cual tiene una inclinación de 15° (figura 2.25) En total hay 100 m2 de colectores solares de aire de placa plana. Esto supone que en esta instalación no hay almacenamiento de calor. Si se compara con una instalación de acondicionamiento de aire convencional el ahorro que se ha conseguido con la instalación del sistema desecante solar ascienden a 30.000 kWh anuales y a casi 9 toneladas de C02 en emisiones. Jose Antonio Vicente Soltero 59 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.25. Captadores solares de la Cámara de Comercio. Freiburg. Edificio de oficinas. Hartberg/ Austria El edificio tiene una infraestructura de oficinas. Está distribuido en dos plantas de 140 m2 en cada una. Tiene una fachada acristalada orientada al Sur y en la planta inferior hay 12 colectores de tubo de vacío. Figura 2.26. Edificio de oficinas. Hartberg. La experiencia del verano de 2001 demostró que el aire acondicionado adiabático, es decir utilizando solo enfriamiento evaporativo, es suficiente para cubrir las necesidades un 50‐70% de los días estivales y que solo en días en los que la humedad es más elevada hace falta deshumidificar antes del enfriamiento evaporativo mediante la rueda desecante. El calor para la refrigeración lo producen los 12 m2 de colectores de tubo de vacío y una caldera de “pellets” de biomasa como sistema de apoyo. Además se incluye un tanque de almacenamiento de agua caliente de 2000 litros. Jose Antonio Vicente Soltero 60 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción La máxima capacidad de refrigeración son 30 kW y el COP anual que se consigue en esta instalación ronda el 0,6. Además de la reducción de las emisiones de CO2 por utilizar la instalación de frío solar se consigue otro ahorro procedente de la caldera auxiliar que funciona con biomasa. 2.3.3.2 Desecante líquido
a) Descripción Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante líquido son un sistema que ha aparecido en el mercado recientemente. A pesar de ser un sistema novedoso, se está abriendo paso en el mercado gracias a que tiene bastantes ventajas frente a los sistemas de desecante sólido pero aún son pocas las instalaciones existentes con esta tecnología. En el caso de los sistemas con desecante líquido, el proceso de deshidratación se lleva a cabo por un proceso de absorción. La rueda desecante se remplaza por un deshumidificador y un regenerador. Estos elementos proporcionan el enfriamiento del aire de impulsión al pasarlo a través de una solución absorbente, como se explicará más adelante. Las soluciones más empleadas en estos sistemas son Agua‐Cloruro de Litio, Agua‐Bromuro de litio y Agua‐Cloruro de Calcio. Aunque el proceso útil del sistema es un proceso de absorción, estos sistemas se diferencian bastante de los sistemas de refrigeración por absorción, tanto en el sistema y componentes como en el modo de funcionamiento. La principal diferencia se encuentra en la forma en la que la temperatura de equilibrio varía. En el caso de un sistema de desecante líquido la temperatura no varía en función de la presión total, sino que varía en función de la presión parcial del desecante líquido al exponerse con el aire húmedo. Aunque en los últimos años han aparecido nuevas configuraciones en los sistemas de desecante líquido, con mejoras que aumentan el rendimiento, previenen corrosión y en definitiva mejoran las prestaciones de sistema de refrigeración, nosotros estudiaremos la configuración original que sigue es la base de los nuevos modelos que han ido apareciendo. La configuración básica de los sistemas de refrigeración por desecante líquido se muestra en la figura 2.27. A continuación se describen los sucesivos procesos que ocurren: ‐
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El aire exterior (1) entra en el absorbedor para ser deshumidificado, en este caso al pasar por la solución absorbedora o concentrada. Como el proceso de absorción es un proceso exotérmico, este calor generado tiene que ser evacuado para mantener la temperatura en el absorbedor. Esto se hace mediante la torre de refrigeración. El aire después pasa a través de un humidificador con el objetivo de enfriado hasta la temperatura y humedad deseada (2) y posteriormente en impulsado al local a refrigerar. Jose Antonio Vicente Soltero 61 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.27. Esquema de un sistema de refrigeración con desecante líquido. ‐
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La solución diluida (ha absorbido la humedad del aire) que se ha formado en el abosrbedor es enviada al desorbedor o regenerador. Como la desorción, al contrario que la absorción, es un proceso endotérmico en necesario suministrar energía al regenerador para calentar la solución. Esta energía es suministrada por los colectores solares. El aire extraído del edificio (4) es impulsado a través del regenerador, con la intención de que la humedad retenida en la solución diluida sea eliminada y adquirida por el aire. El aire resultante, más caliente y con mayor humedad es descargado al ambiente (5). La solución concentrada obtenida es enviada de nuevo al absorbedor para un nuevo ciclo.
Para incrementar el rendimiento del sistema y disminuir tanto, el calor suministrado en el regenerador como el evacuado en el absorbedor, se añade un intercambiador de calor entre la solución diluida que sale del absorbedor y la solución concentrada que sale del regenerador. Así se consigue que la solución que llega al absorbedor lo haga más fría favoreciendo así la absorción. De manera análoga ocurre en el regenerador. Como se ha mencionado, estos sistemas tienen algunas características que hacen que estos tengan un gran potencial. El proceso de deshumectación es más eficiente que en los sistemas de desecante sólido. Principalmente porque en los sistemas de desecante líquido el contacto para eliminar la humedad se hace entre dos fluidos, por lo que superficie de contacto entre ambos es mayor (más aún si la solución es pulverizada). Otra ventaja muy importante de estos Jose Antonio Vicente Soltero 62 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción sistemas es la capacidad de almacenar frío, es decir, la solución concentrada puede ser almacenada para ser utilizada posteriormente cuando sea preciso. Además de esto, el COP de estos sistemas es mayor que el de los sistemas de desecante sólido, pudiendo alcanzar valores superiores a 1. El sistema de captadores solares, encargados de suministrar la energía necesaria para regenerar la solución, tiene que calentar hasta los 60°C o 90°C. De la misma manera que ocurría con los sistemas de desecante sólido, esta temperatura puede ser conseguida por captadores de placa plana o captadores solares de aire, que son los captadores más sencillos y baratos del mercado. Aunque los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante líquido consigan una mayor deshumectación, no son recomendables para climas muy húmedos por las mismas razones que con los sistemas de desecante sólido. Muchos autores han estudiado la combinación de los sistemas de desecante líquido con sistemas de refrigeración mecánica (sistemas híbridos). Cuando el sistema con desecante no puede enfriar lo suficiente porque el ambiente es húmedo, entra en operación la refrigeración mecánica. b) Ventajas y desventajas Ventajas: ‐
La temperatura que hay que alcanzar en los captadores solares es baja y el COP es más elevado que en otros sistemas de refrigeración solar. ‐ Capacidad de “almacenar” frío gracias a la solución concentrada. ‐ Reducido consumo eléctrico, principalmente en bombas. Algunas pueden ser eliminadas si se utiliza circulación natural. Desventajas: ‐
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Elevado coste inicial del sistema. La tecnología no es nada madura y aún se sigue investigando en ella. Limitado a climas en los que la humedad no es muy elevada. Necesidad de una torre de refrigeración o un flujo de agua fría continuado. c) Situación de la refrigeración solar por desecante líquido en la actualidad Al contrario que la refrigeración por desecante sólido, la refrigeración por desecante líquido es una tecnología muy reciente. Hasta hace muy poco estaba en fase de pruebas y desarrollo, y aún hoy es difícil encontrar proyectos que utilicen esta tecnología. Debido a esto, es fácil encontrar muchos proyectos de investigación sobre la refrigeración evaporativa por desecante líquido, en los cuales se proponen mejoras al ciclo y se estudian nuevas configuraciones y mejoras como los que se añaden a continuación. Jose Antonio Vicente Soltero 63 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Cada una de las soluciones desecantes tiene sus ventajas e inconvenientes por eso Xiong et al. (2009), propone mezclar varias soluciones desecantes para así disminuir el precio y asegurar los rendimientos de deshumidificación. El principal desafío es mantener los ratios de la mezcla constante durante el ciclo de operación y para ello añade un pre‐deshumidificador convirtiendo el sistema en uno de dos etapas. Uno de los mayores problemas de la refrigeración por desecante líquido son los graves problemas de corrosión de las soluciones que tradicionalmente se han utilizado (LiBr por ejemplo). Por ello tanto Luo et al (2011) y Luo et al (2012) propone nuevos líquidos iónicos que no tienen problemas de corrosión y demuestra que tienen ratios de deshumectación del mismo orden que el LiBr. A fin de mejorar los parámetros y la compacidad del sistema junto con una mejora de las cualidades del aire de impulsión Tu et al (2009) y TU et AL (2010) propone nuevas configuraciones del sistema en las que el COP y la capacidad de deshumectación aumentan considerablemente. Instalaciones Una de las primeras plantas piloto de refrigeración evaporativa por desecante líquido se instaló en el Solar Building Innovation Center de Friburgo. El sistema se encarga de refrigerar unas zonas determinadas del edificio. En la imagen 2.28 se muestra el sistema de refrigeración. Se puede apreciar que ocupa una gran superficie y sin embargo su potencia frigorífica no es muy elevada. Para que esta tecnología comience a establecerse poco a poco en el mercado solo es cuestión de tiempo, ya que en general tiene mejor comportamiento y características que la refrigeración evaporativa por desecante sólido y simplemente necesita madurar como tecnología y disminuir el precio de la instalación. Aun así, aún está lejos de poder competir en el mercado con la refrigeración convencional e incluso necesita bastante tiempo para llegar al nivel de aceptación y fiabilidad de los sistemas de absorción. Por todo esto no se conocen empresas que comercialicen la refrigeración solar por refrigerante líquido y la mayoría de instalaciones son instalaciones piloto de prueba o de investigación como la de la figura 2.28. Jose Antonio Vicente Soltero 64 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.28. Instalación de refrigeración evaporativa por desecante líquido. Friburgo. 2.3.4 Sistema de refrigeración por absorción
a) Descripción Los equipos de absorción son, actualmente, la mejor alternativa entre los sistemas de refrigeración solar para sustituir los sistemas de refrigeración convencionales. Es por eso que son los sistemas de frío solar más utilizados a día de hoy, y esto se debe a que su tecnología es madura y se viene desarrollando desde hace años, su rendimiento es de los más elevados en este tipo de sistemas y encaja muy bien si se utiliza energía solar. Es tal el desarrollo de esta tecnología, que tiene un rango de potencia muy amplio, se pueden encontrar equipos entre 4,5 y 11.000 kW, por lo que se da cabida a casi cualquier tipo de instalación. Históricamente las máquinas de absorción no se fabricaban de baja potencia por dificultades técnicas y baja rentabilidad pero en la última década se han desarrollado máquinas de menos de 100 kW. Los equipos de absorción se basan, al igual que los sistemas convencionales, en el principio de la condensación y la evaporación para la producción de frío o calor. Pero en los equipos de absorción el compresor se sustituye por un generador y un absorbedor. El aumento requerido entre el evaporador y el condensador, que en el ciclo mecánico se conseguía con el compresor, se hace mediante un fluido absorbente que absorbe que absorbe el vapor (fluido refrigerante) para llevarlo de baja presión a alta presión. En la figura 2.29 se aprecia la similitud que hay entre los dos ciclos. Jose Antonio Vicente Soltero 65 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.29. Comparación entre la compresión en la máquina de absorción y en la máquina de compresión mecánica. Un punto clave en estos sistemas es el par de fluidos de trabajo que se eligen. A día de hoy, la mayoría de los sistemas que se utilizan operan con una solución de bromuro de litio y agua (BrLi/H2O) como fluidos de trabajo. El agua en este caso es el refrigerante, y el bromuro de litio el absorbente. La mayoría de las instalaciones funcionan con este par de fluidos. El otro par de trabajo que se utiliza es el de agua y amoniaco (NH3/ H2O). En este caso es el amoniaco el que trabaja como refrigerante y el agua es el absorbente. Esto permite que se puedan alcanzar temperaturas menores de cero grados. Las instalaciones con este par de fluido son menos frecuentes y casi únicamente aparecen en aplicaciones de congelación. La principal clasificación que se hace en los sistemas de absorción hace referencia al número de efectos. El número de efectos hace referencia a cuantas veces se utiliza la energía que se aporta desde el foco caliente en el sistema. Se distinguen máquinas de simple efecto, máquinas de doble efecto y más recientemente se han sumado las máquinas de triple efecto. Por supuesto, cuanto más veces se utilice la energía suministrada, mayor será el rendimiento del sistema pero, también, mayor tiene que ser la temperatura a la que suministrar esa energía. Una vez explicadas las diferentes configuraciones que puede haber en función de la elección del par de fluidos de trabajo y del tipo de máquinas dependiendo del número de efectos, explicaremos las características de las distintas máquinas cuando se utiliza cada uno de los pares de fluidos de trabajo más utilizados. Máquinas BrLi/H2O En estas máquinas el refrigerante es el agua y el absorbente el bromuro de litio. El bromuro de litio no es tóxico para el ser humano y por lo tanto las medidas de seguridad necesarias para trabajar con este fluido son muy escasas. Jose Antonio Vicente Soltero 66 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El ciclo de BrLi/H2O tiene un coeficiente de operación mayor que el del NH3/ H2O y por lo tanto para máquinas semejantes los COP de las maquinas que trabajen con bromuro de litio‐agua serán mayores. Además el bromuro de litio no se evapora en las condiciones de trabajo, por lo que no es necesario añadir una torre de destilación después del proceso, como si ocurre en el caso del amoniaco. Las máquinas de doble efecto e incluso de triple efecto con este par de fluidos son una realidad. Las presiones que se alcanzan en el generador son manejables incluso para máquinas de triple efecto. En la tabla 2.4 se hace una comparativa sobre los COP y las temperaturas de activación de las diferentes maquinas en función del número de etapas. Como ya se ha mencionado, cuanto mayor sea el número de etapas, además de complicarse mucho el sistema y los componentes, mejor será el COP pero también mayor será la temperatura necesaria para activar la regeneración. Tabla 2.4. Comparativa de prestaciones para máquinas con BrLi/H2O. Una de las principales desventajas de las máquinas que utilizan el par BrLi/H2O es la cristalización del bromuro de litio. Existe una zona de peligro de cristalización del bromuro de litio, que la máquina debe de evitar. Esta zona se define por concentraciones comprendidas entre el 65 y el 70% de bromuro de litio y para temperaturas que se sitúan entre los 48 y los 105°C. Las máquinas se diseñan para trabajar fuera de esas condiciones. Además de la cristalización, la corrosión, sobre todo en presencia de oxígeno, es un problema que afecta a los sistemas que trabajan con bromuro de litio. Es necesario por ellos añadir a la disolución de trabajo algún tipo de inhibidor de corrosión. Por último, otra desventaja frente a los sistemas que trabajan con amoniaco es que, al ser el agua el refrigerante, estos sistemas no pueden ser utilizados para congelación porque es imposible alcanzar temperaturas menores de 0°C sin que el agua se congele. Por lo tanto estos sistemas son utilizados para climatización, pudiendo producir temperaturas de hasta 7°C. Máquinas NH3/ H2O En estos sistemas el amoniaco es el refrigerante y el agua el absorbente. Jose Antonio Vicente Soltero 67 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Las máquinas que utilizan NH3/ H2O tienen una serie de desventajas frente a las que utilizan BrLi/H2O. Las máquinas que trabajan con amoniaco, por su carácter tóxico, necesita numerosas medidas de seguridad además de sistemas indirectos. Tienen un menor rendimiento que las máquinas de bromuro de litio y además necesitan temperaturas ligeramente superiores para regenerar la solución absorbente. Además, necesitan una torre de destilación para separar el amoniaco, debido a su facilidad de evaporación. En la tabla 2.5 se muestra el COP y la temperatura de activación de los diferentes tipos de máquinas que trabajan con amoniaco y agua. Tabla 2.5. Comparativa de prestaciones para máquinas con NH3/ H2O. El ciclo GAX es una mejora del ciclo de simple efecto en el que el sistema funciona a dos niveles de presión en el que se consigue un mejor aprovechamiento energético con la adicción de intercambiadores y determinados sistemas de regulación. Como última desventaja, debido a las altas presiones que se alcanzarían en el generador, no existen las máquinas de doble efecto y triple efecto que trabajen con este par de fluidos. Sin embargo tienen una serie de ventajas, estas máquinas pueden producir temperaturas menores de cero grados (ya que el amoniaco es el refrigerante y su temperatura de congelación es ‐77°C) y no hay peligro de cristalización del fluido de trabajo. Máquinas de absorción con ciclo de simple efecto Una vez que se han explicado las características generales de los dos pares de fluidos de trabajo más importantes se explicará el funcionamiento básico de la máquina de absorción de ciclo simple. Tomaremos como base las máquinas que utilizan el par BrLi/H2O por ser las máquinas que dominan el mercado. Es muy importante saber, que la tecnología que se utiliza en las máquinas de absorción para producir frío o calor es la misma que se utiliza en las máquinas convencionales de refrigeración por compresión mecánica. El frío se producirá en el evaporador al evaporarse el fluido refrigerante y el calor se produce en el condensador al condensar el fluido refrigerante. La diferencia radica en cómo se consigue el paso desde la baja presión del evaporador hasta la alta presión de condensador. Es aquí donde entra la propia tecnología de los ciclos de absorción. En Jose Antonio Vicente Soltero 68 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción la figura 2.30 se aprecia muy bien la equivalencia entre las máquinas de compresión y las máquinas de absorción, en la máquina de absorción el compresor ha sido sustituido por un generador y un absorbedor, entre otros componentes. Figura 2.30. Esquema básico sistema de refrigeración solar por absorción. A grandes rasgos, el refrigerante (agua) sale del evaporador en forma de gas y es enviado al absorbedor, donde una solución concentrada de BrLi (absorbente) absorbe el refrigerante. La solución formada (solución diluida) es enviada mediante una bomba al generador (zona de alta presión). Al aplicar calor en el generador, ya sea proveniente del campo solar o si este es insuficiente mediante una caldera de apoyo, se produce la desorción del refrigerante en forma de gas. El refrigerante es enviado al condensador para continuar con el ciclo de producción de frío y la solución resultante, que como ha perdido gran parte del agua absorbida con anterioridad será una solución concentrada, vuelve al absorbedor para repetir el ciclo de absorción. La absorción se favorece por bajas presiones y bajas temperaturas, además de que es un proceso endotérmico. Por ello es necesaria una refrigeración externa en el absorbedor para que se mantengan las condiciones de temperatura y presión. Mientras que para la desorción se requieren temperaturas altas para separar el absorbedor y el fluido absorbido (refrigerante). Para ello se envía la solución diluida a un intercambiador (generador) que suele ser de tipo inundado. Por su haz tubular se hace pasar un fluido calentado previamente en los captadores solares o en la caldera auxiliar. Esta energía hace que se produzca una ebullición del refrigerante, agua en este caso, y como consecuencia la solución salina resultante aumenta su concentración. Jose Antonio Vicente Soltero 69 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción La figura 2.30 es simplemente un esquema representativo de las partes y el funcionamiento de una máquina de absorción de simple efecto, pero no muestra todos los elementos que componen la máquina ni como se conectan cada uno de estos componentes. Un esquema más detallado de una máquina de absorción de simple efecto lo encontramos en la figura 2.31. Los principales componentes de una refrigeradora por absorción son: el generador (o desorbedor), el absorbedor, el condensador, el evaporador, la válvula de expansión, la bomba de impulsión y el intercambiador de calor. Figura 2.31. Esquema de una enfriadora de absorción. (Fuente: YAZAKI). El funcionamiento de la máquina de absorción BrLi/H2O de simple efecto y sus principales fases se describen a continuación: ‐
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El refrigerante (agua) se evapora en el evaporador a muy baja presión (cerca de 6 mmHg) y temperatura extrayendo de esta forma el calor del fluido que se quiere enfriar y produciendo de esta manera el frío útil del sistema. El vapor de refrigerante fluye hacia el absorbedor, que está conectado directamente con el evaporador y en muchas ocasiones comparten el mismo espacio. En el absorbedor el Jose Antonio Vicente Soltero 70 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigerante es absorbido por la solución concentrada (alta concentración del absorbente BrLi) formándose una solución diluida. Dado que el proceso es un proceso endotérmico es necesario evacuar el calor y esto se hace mediante un serpentín de refrigeración por el que suele fluir agua enfriada en una torre de refrigeración (más adelante se hablará del uso de torres de refrigeración en las máquinas de absorción) ‐
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La solución diluida, producida en el absorbedor, es bombeada hacia el generador, donde es calentada por un foco caliente (en este caso un campo de captadores solares) hasta que se produce la ebullición del refrigerante. De esta forma, el refrigerante es separado de la solución a una alta presión. La solución resultante, una solución concentrada es devuelta al absorbedor donde se dispondrá para absorber de nuevo refrigerante. El vapor de refrigerante a alta presión fluye hacia el condensador, que se encuentra conectado directamente por el generador. Aquí, el refrigerante es condensado mediante el agua de refrigeración. En la mayoría de los casos esta agua será la misma que se ha utilizado para refrigerar el absorbedor y después de ser utilizado en el condensador será enviada a la torre de refrigeración donde se evacuará todo el calor producido tanto en el absorbedor como en el condensador. Después de ser enfriada, el agua es enviada de nuevo a refrigerar el absorbedor cerrándose el circuito. El paso desde el condensador hasta el evaporador se realiza mediante una válvula de expansión que reduce la presión hasta la presión del evaporador. Cuando el líquido refrigerante llega al evaporador comienza de nuevo el ciclo. Como se observa en la figura 2.31 y como se ha mencionado antes, un componente importante de la máquina es el intercambiador de calor. Este intercambiador de calor enfrenta a la solución diluida que sale del absorbedor (solución fría que se dirige al generador donde será calentada) y la solución concentrada que sale del generador (solución caliente que se envía al absorbedor donde será enfriada). De esta manera se consigue un aprovechamiento mejor de la energía y por lo tanto un ahorro considerable. Antes de explicar los componentes que forman la máquina de absorción se hará una mención especial a la torre de refrigeración. La torre de refrigeración es necesaria para condensar el vapor refrigerante producido en el generador así como para refrigerar el absorbedor. La condensación por agua es la que se usa en gran mayoría de las máquinas de absorción hasta la fecha. Pero la utilización de una torre de refrigeración trae consigo numerosos inconvenientes. Por un lado para instalar una torre de refrigeración es necesario disponer de una gran superficie en un lugar al aire libre y esto para pequeñas instalaciones no siempre es posible. A esto hay que añadir, la estricta reglamentación sobre torres de refrigeración y el cuidadoso control para evitar la aparición de bacterias, como la legionela. El uso de torre de refrigeración es uno de los mayores inconvenientes que tiene las máquinas de absorción y es la principal Jose Antonio Vicente Soltero 71 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción causa de que la absorción no se haya implantado en el sistema doméstico o en pequeñas aplicaciones. Debido a esto, durante la última década han aparecido numerosas investigaciones para intentar implantar máquinas de absorción condensadas por aire. En este tipo de sistemas el aire es el fluido que extrae el calor en el condensador y en el absorbedor. Como es lógico, el uso del aire como fluido condensador conlleva un aumento de la temperatura de condensación y esto repercute a su vez en la temperatura de ebullición en los generadores. Esto es debido a que la temperatura máxima a la que se puede enfriar el aire utilizando el aire ambiente es la temperatura de bulbo seco, mientras que el agua puede enfriarse hasta la temperatura de bulbo húmedo, que es inferior. Además el uso del aire como fluido condensador obliga a que los intercambiadores y los conductos sean de mayor tamaño ya que no es capaz de extraer la misma cantidad de calor que el agua por unidad de masa. Estos inconvenientes hacen que aun hoy en día el problema del uso de torres de refrigeración no está solucionado. Los elementos más importantes que componen la máquina de absorción de simple efecto son: Generador Este es el componente donde, gracias a la energía térmica que le llega a través de un fluido caliente, el refrigerante se separa en forma de vapor del absorbente. El fluido, normalmente agua caliente o vapor, fluye a través de unos tubos inmersos en la solución, como se muestra en la figura 2.32. Figura 2.32. Esquema de un generador de una máquina de absorción de simple efecto. Al generador le llega la solución diluida de BrLi (azul celeste), gracias al fluido caliente, parte del agua (refrigerante del sistema) de la solución se separa y se forma la solución concentrada de BrLi (azul oscuro) que es enviada al intercambiador y posteriormente al absorbedor. El vapor de agua (blanco) se envía al condensador. Hay una pequeña parte del vapor que se inyecta desde el generador hasta el absorbedor como medida de regulación del ciclo. Este elemento es clave en la instalación, en él se marca la temperatura que tiene que llegar el fluido, lo que es un punto clave en las instalaciones solares de absorción. La instalación, el dimensionado y el tipo de captadores vienen marcados por esa temperatura. Para las máquinas de absorción de simple efecto la temperatura a la que tiene que estar el agua caliente es unos Jose Antonio Vicente Soltero 72 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 85°C, dependiendo de la máquina y sus características propias. Una vez sabida la temperatura, habría que ver que captadores pueden calentar hasta esa temperatura y de entre los que cumplen, que tipo de captador es el más rentable. Condensador El condensador es el encargado de condensar el vapor de refrigerante que le llega del generador. El agua condensada es enviada, tras bajarle la presión, al evaporador. La función es la misma que en los sistemas convencionales, pero la tipología difiere bastante. El condensador se sitúa en la zona de alta presión de la máquina y la mayoría de las veces no están conectadas por conductos sino que se sitúa bajo la misma carcasa tal y como se aprecia en la figura 2.33. La mayoría de los condensadores que se utilizan este tipo de máquina, como ya se ha mencionado, son condensadores condensados por agua por lo que es necesaria una torre de refrigeración, aunque también podrían se condensados por aire como ya se ha visto. Figura 2.33. Esquema de un condensador de una máquina de absorción de simple efecto. Evaporador En el evaporador es el encargado de producir el frío útil del sistema. El agua líquida que se ha formado en el condensador le llega al evaporador (azul oscuro) y se pulveriza sobre unos tubos por donde pasa el fluido que se quiere enfriar. De esta manera y gracias a la baja presión, el agua se evapora y a continuación llega al absorbedor. Se pueden distinguir principalmente dos tipos de evaporadores, evaporadores de expansión directa y evaporadores por inundación. En las máquinas de absorción el evaporador que se utiliza mayoritariamente es el de inundación. No exactamente igual que los evaporadores por inundación que conocemos, en este caso el refrigerante suele ser pulverizado sobre los tubos, parte se evapora y la otra parte es recogida en una bandeja y recirculada de nuevo hasta los pulverizadores. Jose Antonio Vicente Soltero 73 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Como ocurría en el caso del condensador, el absorbedor y el evaporador suelen estar bajo la misma carcasa, en la zona de baja presión teniendo un espacio común. El esquema del evaporador puede apreciarse en la figura 2.34. Figura 2.34. Esquema de un evaporador de una máquina de absorción de simple efecto. Absorbedor Es sin duda uno de los componentes más importantes de las máquinas de absorción. Este dispositivo tienen como objetivo la puesta en contacto de dos corrientes, una gaseosa (refrigerante) y otra líquida (absorbedor) mientras se evacúa el calor generado en la absorción por medio de agua de disipación. La solución concentrada en BrLi se pone en contacto con el vapor de agua llegado del evaporador formándose una solución que es enviada al generador (figura 2.35). Figura 2.35. Esquema de un absorbedor de una máquina de absorción de simple efecto. La absorción del vapor refrigerante crea una zona de baja presión dentro del absorbedor que unido a la afinidad del absorbente por el agua (máquinas BrLi‐Agua) induce un flujo continuo de vapor de refrigerante desde el evaporador. Esto facilita la mezcla y la absorción del agua en la solución. Jose Antonio Vicente Soltero 74 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Si el generador era un punto crítico para el diseño del sistema solar, el evaporador lo es para el diseño de la máquina en sí. Cuanto mejor sea la mezcla y la absorción entre el vapor y a solución de trabajo mejores serán los parámetros de funcionamiento de la máquina. Cuando hablamos de absorbedores sí existen diferentes tecnologías que pueden ser utilizadas en las máquinas de absorción. A continuación se explica los diferentes tipos de absorbedores más utilizados en las máquinas de absorción: Absorbedores con fases vapor líquido continuo: la fase líquida forma una película descendente que se pone en contacto con la fase vapor. Se diferencian los de tubos verticales y los de tubos horizontales (figura 2.36). La configuración de tubos horizontales es la más extendida y utilizada. Sin embargo la configuración vertical permite que la solución pueda ser enfriada tanto por aire como por agua. Figura 2.36. Configuración vertical y horizontal de absorbedor vapor líquido continuo. ‐ Absorbedores con fase de vapor continuo y líquido discontinuo: La principal característica de estos absorbedores es que la absorción del vapor y la disipación de calor se hacen de forma separada. En un primer momento se pone en contacto la fase vapor con la solución mediante la atomización de ésta en una cámara adiabática. La solución formada pasa por un intercambiador de calor, que la enfría mediante agua de torre, parte de esta solución enfriada es recirculada con el objetivo de aumentar la absorción global. El proceso viene explicado en la figura 2.37. Jose Antonio Vicente Soltero 75 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.37. Absorbedor con fase vapor continuo y líquido continuo. Esta tipo de absorbedor no es muy utilizado porque la absorción es menor que en los absorbedores antes mencionados. La principal razón es que una baja temperatura favorece el proceso de absorción y en este tipo de absorbedor la temperatura de la cámara de absorción es bastante más elevada que en los casos anteriores. Para terminar con las máquinas de absorción de simple efecto, es importante destacar que al ser una tecnología bastante madura, se ha conseguido que las máquinas sean muy compactas y duraderas, sin que sea necesario un elevado gasto en mantenimiento. En la figura 2.38 aparece una máquina de absorción de potencia media‐alta de la marca YAZAKI, donde se puede apreciar la situación de cada uno de los componentes principales. Figura 2.38. Máquina de absorción de simple efecto. Jose Antonio Vicente Soltero 76 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Máquinas de absorción con ciclo de doble efecto Una vez explicado las máquinas de simple efecto se puede entender mejor el funcionamiento de las de doble efecto. La principal diferencia, como indica su nombre, es que tiene dos efectos, es decir, la energía térmica se utiliza dos veces en el sistema. Por ello, las máquinas de doble efecto tienen dos generadores de vapor, el de alta presión y el de baja presión. Al tener dos generadores, puede también tener además dos recuperadores de calor y dos válvulas de expansión aunque depende del tipo de máquina que se elija. El resto, como en los ciclos de simple efecto, está formado por un condensador, un evaporador y un absorbedor. En estos ciclos con dos generadores se realizan dos separaciones de vapor a partir de un aporte inicial de energía térmica, por lo que se consigue un aumento considerable de rendimiento. Pero, por otro lado, la energía que se suministra tiene que ser de un nivel térmico superior a la del ciclo de simple efecto. Es decir, mientras con las máquinas de simple efecto la temperatura necesaria era de 85°C, en las máquinas de doble efecto aumenta hasta el intervalo de 120 ‐ 170°C. Estas temperaturas se alcanzan con pocos captadores, siendo los de vacío y los cilindro‐
parabólicos de concentración los más típicos. Aunque, al ser una temperatura tan elevada, empieza a ser cuestionable la rentabilidad de utilizar energía solar para su completo funcionamiento. Los rendimientos o los COP que se pueden conseguir en estas máquinas de doble efecto son, como ya se ha mencionado, mayores y pueden obtenerse valores de 1,1 – 1,4. Antes de analizar la configuración de la máquina, en la figura 2.39 se muestra un diagrama de un tipo de ciclo de doble efecto en donde se puede apreciar los componentes principales y como están conectados entre ellos. Figura 2.39. Esquema del ciclo de absorción de doble efecto. Jose Antonio Vicente Soltero 77 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El generador de alta temperatura usa el aporte externo de energía para evaporar el refrigerante de la solución absorbente. El vapor refrigerante del generador de alta temperatura es condensado y el calor producido en la condensación se usa para separar el vapor refrigerante en el generador de baja temperatura. Es decir, se usa el vapor separado a alta temperatura para separar vapor en el generador de baja temperatura. Después de esto, el ciclo es similar al de simple efecto, el vapor de baja temperatura es conducido al condensador de baja temperatura y posteriormente al evaporador para producir frío. El sistema opera a tres niveles distintos de presión y a cuatro de temperaturas. El funcionamiento real es más complejo y para explicarlo se utilizará la figura 2.40, que es una descripción de la máquina mucho más detallada que la mostrada anteriormente, donde se especifica los distintos fluidos que aparecen en el sistema con colores, los componentes de la máquina y la conexión entre cada uno de ellos. Figura 2.40. Esquema de una máquina de absorción de doble efecto. Antes de explicar detalladamente el funcionamiento se distinguirán los fluidos de trabajo que circulan por la máquina y que no están mencionados en la figura: solución diluida (amarillo); solución semiconcentrada (naranja); solución concentrada (rojo); refrigerante líquido (azul claro en la salida del condensador). La solución formada en el absorbedor, solución diluida, es aspirada por la bomba hasta en primer lugar un intercambiador de calor (low temp hx) donde se precalentará y seguidamente hacia el generador de baja temperatura. En el generador de baja temperatura, gracias al calor Jose Antonio Vicente Soltero 78 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción transferido por el vapor producido en el generador de alta, la solución hervirá produciéndose vapor de refrigerante. Al separarse parte del refrigerante, la solución que queda es una disolución semiconcentrada. El vapor de alta normalmente sale del generador en forma de líquido o en forma de equilibrio líquido‐vapor. La disolución semiconcentrada producida en el generador de baja se dividirá en dos corrientes. La primera de ellas se enviará al absorbedor pasando antes por un intercambiador (low temp hx) donde sufrirá un preenfriamiento. En el absorbedor será pulverizada para absorber el vapor refrigerante. La otra corriente será aspirada por una bomba (high temp. generator pump) hasta el generador de alta, pasando antes por un intercambiador donde sufrirá un calentamiento. En el generador de alta temperatura, gracias al aporte de calor por la fuente externa, se producirá vapor de refrigerante a alta temperatura que será enviado al generador de baja para, como antes se indicó, obtener el vapor de baja temperatura. La solución concentrada acabará mezclándose con la solución semiconcentrada antes de ser enviada al absorbedor. Las dos corrientes de vapor refrigerante (una de ellas líquido‐vapor) producidas en ambos generadores se mezclan en el condensador a la vez que son condensados mediante agua de torre. El refrigerante líquido obtenido se envía al evaporador donde será pulverizado y se evaporará enfriando una corriente de agua (chilled water). Una vez evaporado, el refrigerante vuelve al absorbedor y al ponerse en contacto con la solución (mezcla de soluciones concentrada y semiconcentrada) será absorbido. El calor que se genera se evacúa mediante una corriente de agua (cooling wáter) que es la misma que posteriormente pasa por el condensador. Como en la máquina de simple efecto, los intercambiadores tienen como función la de aumentar el aprovechamiento energético y ponen en contacto dos corrientes con diferentes temperatura para precalentarlos o preenfriarlos. Esta tipología se conoce como de flujo en serie, porque la solución va del absorbedor al generador de baja y después al de alta, es decir el flujo sigue un circuito en serie. La tipología que se ha explicado no es la única que existe para máquinas de doble efecto. Existen dos tipoligías principales, flujo en paralelo y flujo en serie. La elección del modo de distribuir la disolución que circula desde el absorbedor hacia los generadores es una de las decisiones más importantes que hay que tomar al diseñar una máquina de absorción de doble efecto. A continuación se explicará cada uno de los diferentes tipos: Flujo en paralelo En este tipo de configuración la disolución procedente del absorbedor se divide en dos corrientes. Una corriente se dirige hacia el generador de alta temperatura y la otra corriente se Jose Antonio Vicente Soltero 79 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción dirige al de baja, de esta forma se alimentan los dos generadores de forma independiente. El esquema de la instalación se puede apreciar en la figura 2.41. De forma general, las máquinas de doble efecto con distribución de flujo en paralelo tienen un COP mayor que las de flujo en serie. Los principales beneficios que se consiguen con esta distribución son que se mejora el proceso de separación del vapor refrigerante ya que se disminuye las caídas de presión utilizando este tipo de flujo. El lado negativo es que se necesitan mayores sistemas de control y la instalación es un poco más complicada. Figura 2.41. Esquema de máquina de absorción de doble efecto con flujo en paralelo. Flujo en serie En la configuración en serie todo el caudal de la solución es conducido primero a un generador y después al otro de manera consecutiva. Dependiendo de la máquina, el primer generador puede ser el generador de alta temperatura o por el contrario el generador de baja. La máquina explicada en la figura 2.40 era una máquina de absorción de flujo en serie en el que el primer generador al que se envía la solución que sale del absorbedor es el generador de baja. En determinada bibliografía a esta distribución (primero generador de baja y después de alta) se le denomina de flujo inverso y la principal diferencia frente a la de flujo en serie es la existencia de dos bombas, una desde el absorbedor al generador de baja y otra desde el generador de baja al de alta. En la figura 2.42 se muestra un esquema de una instalación en la que en primer lugar la solución es enviada al generador de alta y la solución que se obtiene en éste se envía al generador de baja. Jose Antonio Vicente Soltero 80 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.42. Esquema de máquina de absorción de doble efecto con flujo en serie. Máquinas de absorción con ciclo de triple efecto El ciclo de triple efecto, como su propio nombre indica, añade un ciclo más a de doble efecto, es decir se añade un nuevo generador. Los ciclos de triple efecto se han estado desarrollando hasta hace poco y aunque su COP puede llegar hasta valores de 1,8 no se le va a dar demasiada importancia en este proyecto porque necesitan temperaturas de regeneración de 200°C o más. Actualmente es muy complicado alcanzar esta temperatura con sistemas solares de captación que puedan implantarse en edificios y por lo tanto no se conocen aplicaciones reales de refrigeración solar con máquinas de absorción de triple efecto. Como se aprecia en la figura 2.43 la idea de funcionamiento es la misma que para el doble efecto, el vapor refrigerante producido en el generador de alta se condensará y el calor obtenido se utilizará para obtener vapor refrigerante en el generador de media. De igual forma ocurre para producir vapor refrigerante en el generador de baja. Jose Antonio Vicente Soltero 81 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.43. Esquema del ciclo de absorción de triple efecto.
El refrigerante de los tres condensadores en dirigido al evaporador y posteriormente al absorbedor. Al igual que en las máquinas de menos efectos, en la de triple efecto también existen distintas configuraciones posibles. Análisis de la refrigeración solar en los distintos tipos de máquinas de absorción En este apartado se analizará el uso de la energía solar como motor de la refrigeración por absorción. Hemos destacado tres tipos máquinas principales, cada una con sus características. Para ver si pueden ser utilizadas mediante refrigeración solar, el parámetro que hay que analizar es la temperatura de generación. Es decir, la temperatura que el fluido portador (agua o vapor normalmente) tiene que alcanzar al pasar por el captador solar. Como se ha comentado en el apartado anterior, los sistemas de absorción de triple efecto necesitan temperaturas demasiado altas para que sea factible la utilización de sistemas solares a día de hoy. Debido a eso no las incluiremos en nuestro análisis. En la tabla 2.6 se puede ver un resumen de los parámetros más importantes de las máquinas de simple y doble efecto: Jose Antonio Vicente Soltero 82 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Simple efecto
Doble efecto
Doble efecto
Medio
Agua caliente Agua sobrecalentada
Vapor 75‐95 120‐170 120‐170 6 ‐ 12 4,5 ‐ 15 6 ‐ 12 0,6 ‐ 0,8 1,1 ‐ 1,4 1,1 ‐ 1,45 Temperatura
generador (°C)
T de imp. – ret.
fluido (°C)
COP
Tabla 2.6. Comparativas de máquinas de absorción accionadas por energía solar. Para accionar los sistemas de doble efecto son necesarios sistemas de captación de alta eficiencia y de mayor precio, sin embargo para las máquinas de simple efecto pueden servir la gran mayoría de captadores. Como parte negativa, las máquinas de simple efecto tienen un COP mucho menor, cerca de la mitad que el de las máquinas de doble efecto. La figura 2.44 es una gráfica en la que se aprecia de manera muy relevante la relación entre la temperatura y el COP en las máquinas de absorción. Figura 2.44. Comparación de las máquinas de absorción según COP y temperatura de activación. (Fuente: (Henning, Wiemken, 2006)). Jose Antonio Vicente Soltero 83 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Como se ha mencionado, la principal ventaja del ciclo de doble efecto es que puede doblar los valores de COP del ciclo de simple efecto. Como se muestra en la Figura 2.44, estos sistemas requieren temperaturas por encima de los 140ºC, pero su COP alcanza valores de 1,0‐1,2. Aunque estos sistemas no puedan ser accionados por los colectores comunes, puede llegar a ser una opción interesante combinándolos con colectores cilindro‐parabólicos o en determinados casos con colectores de tubo de vacío de alta eficiencia. Su aplicación conjunta ofrece una oportunidad para superar la barrera de la eficiencia de los sistemas de refrigeración existentes, basados en máquinas de simple efecto con colectores planos o de vacío. Sin embargo, hay que destacar la necesidad de mantener la temperatura de trabajo elevada, para evitar una disminución brusca del COP. Esta consideración influirá sobre el diseño del sistema solar en lo referente a las presiones de trabajo, vaso de expansión, así como del diseño de los sistemas de control y del sistema de combustión auxiliar por si no se puede mantener la temperatura solo con la energía solar. b) Ventajas y desventajas Ventajas: ‐
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Utilizan refrigerantes naturales y no perjudiciales para el ambiente. Tecnología madura. Fiabilidad y flexibilidad en el funcionamiento. Máquinas silenciosas. Únicas partes móviles las bombas. Los COP son elevados comparados con las otras tecnologías de refrigeración solar. Flexibilidad en la alimentación de la energía de activación: agua caliente, vapor o llama directa. Gran disponibilidad de potencias en el mercado. Necesitan menor mantenimiento que otras tecnologías aunque mas especializado. ‐
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Tanto para sistemas de simple efecto como de doble efecto las temperaturas necesarias en el generador son más elevadas que en las otras tecnologías de frio solar. Elevado coste inicial del sistema. Necesidad de torre de refrigeración en la mayoría de las instalaciones actuales (recientes instalaciones condensadas por aire). Necesidad de presiones muy bajas en muchos puntos del sistema, por lo que es necesario buena calidad de materiales y fabricación. c) Situación de la refrigeración por absorción en la actualidad Como ya se ha mencionado en este apartado, las máquinas de absorción son el sistema de refrigeración solar más extendido a nivel mundial. Esto es debido principalmente a las ventajas que tienen estos sistemas con respecto a los otros sistemas de frío solar, como un mayor COP y un muy buen comportamiento con las instalaciones solares sobre todo de los sistemas de Jose Antonio Vicente Soltero 84 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción simple efecto. Aproximadamente el 80% de los sistemas de refrigeración solar instalados en el mundo son de absorción, como se puede apreciar en la figura 2.45, y de estos la gran mayoría son sistemas de absorción de simple efecto. Los sistemas de simple efecto no tienen tan buen rendimiento como los de doble efecto, sin embargo funcionan muy bien y holgadamente con casi todos los tipos de captadores. Figura 2.45. Porcentaje de uso se las diferentes tecnologías de refrigeración solar. (Fuente:
Allouhi, A. et al. (2014)). La mayoría de las instalaciones que se diseñan y se llevan a cabo son instalaciones de gran tamaño, en edificios del tipo de hospitales, residencias, colegíos, oficinas o centros comerciales. Pero gracias a la aparición máquinas de absorción de pequeña potencia de la mano de la empresa ROTARTICA, ideales para pequeñas instalaciones (4,5 kW), se produjo la aparición de instalaciones en casas unifamiliares o pequeños edificios en algunas zonas de Italia, Alemania y sobre todo en España (ROTARTICA es una empresa Española).Este gran aumento de pequeñas instalaciones, que como se acaba de mencionar solo se dio en unos pocos países, puede visualizarse muy bien en la figura 2.46. Aun así, la pequeña escala en este tipo de instalaciones aún no tiene la importancia que si tiene la media y gran potencia (hasta 10.000 kW). Numerosas compañías fabrican y diseñan máquinas de absorción de media y gran escala mientras que solo un reducido grupo de compañías fabrican máquinas de pequeña potencia. Jose Antonio Vicente Soltero 85 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.46. Distribución de los sistemas de enfriamiento solar de pequeña y gran potencia (Fuente: Allouhi, A. et al. (2014)). Una de los principales problemas a los que se enfrenta esta tecnología es su desconocimiento, tanto por las personas ajenas a la climatización como por técnicos de climatización que desconocen el funcionamiento y los equipos que componen estas instalaciones. Es decir, es difícil encontrar técnicos que dominen y conozcan la tecnología y por eso muchos consumidores optan por la instalación de un equipo de climatización tradicional. Por supuesto, el alto coste inicial de la absorción (ocurre lo mismo con las otras tecnologías solares, siendo la absorción la más viable económicamente) es también fundamental para decantarse por esta tecnología o no. Por lo tanto, para que la absorción siga incrementándose y pueda algún día ser capaz de remplazar a la climatización por compresión mecánica debe, en primer lugar reducir los costes iniciales para ser así una inversión más atractiva. Y además darse a conocer entre técnicos y especialistas, mediante congresos y cursos, para terminar calando en la sociedad y convertirse en una alternativa real. En este apartado no se hablará de fabricantes ni instalaciones reales de absorción ya que ese punto se tratará en los capítulos 3 y 4. 2.3.5. Sistema de refrigeración por adsorción
a) Descripción La adsorción es el fenómeno que puede ser físico o químico por el cual un gas es fijado en un sólido, el proceso es reversible por lo que hay adsorción y desorción. El sólido que adsorbe es el adsorbente y el material gaseoso adsorbido en la superficie es el adsorbato, que en los sistemas de refrigeración por adsorción funcionará como refrigerante. El proceso de adsorción es un Jose Antonio Vicente Soltero 86 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción proceso exotérmico y por lo tanto el calor generado debe ser evacuado para mantener la temperatura. Por el contrario la desorción es un proceso endotérmico, al que hay que suministrarle una energía térmica. La acumulación de gas por unidad de área del adsorbente es pequeña, por lo que se necesitan adsorbentes muy porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen. El nivel de actividad de la adsorción depende principalmente de la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar, es decir soluble en agua, no puede ser adsorbida por el adsorbente y por eso se utilizan sustancias no polares para estos sistemas. Ya se ha mencionado que la adsorción puede ser tanto un proceso químico como físico, a continuación se explicará brevemente cada uno de ellos: Adsorción química La adsorción química también es conocida como quimisorción y se produce cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie del adsorbedor, es decir se forman y se rompen enlaces. Esta reacción solo se produce en una monocapa de la superficie. Al formarse nuevos enlaces, la unió química es más fuerte y por ello más difícil de revertir por lo que requiere más energía para separar las moléculas adsorbidas que en la adsorción física. Esto es un gran inconveniente de este tipo de adsorción ya que se requieren mayores temperaturas en los captadores solares y todo lo que ello implica. Adsorción física En la adsorción física o fisisorción no se producen nuevos enlaces y el adsorbato y la superficie del adsorbente solo interactúan por las fuerzas de Van der Waals. Las moléculas adsorbidas físicamente están ligadas débilmente a la superficie y por ello la energía para la desorción es baja. Un punto clave también es la dependencia de la adsorción con la temperatura. Para que el proceso de adsorción sea óptimo, la temperatura de adsorción debe de ser baja. Los adsorbentes que más se utilizan en este tipo de adsorción son la zeolita, el gel de sílice, el carbón activo y la alúmina. La estructura de estos materiales es altamente porosa, como se muestra en la figura 2.47, y la relación superficie/volumen es del orden de cien. Otra diferencia con entre la adsorción física y la química es que la adsorción física puede ir desde unas pocas moléculas de espesor a espesores mayores ya que las fuerzas de Van der Waals pueden extenderse entre capas de moléculas. Jose Antonio Vicente Soltero 87 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.47. Ejemplo de estructuras de una Zeolita. De todos los adsorbentes que se pueden utilizar en esta aplicación, la zeolita, el gel de sílice, el carbón activo y la alúmina, actualmente el más utilizado con diferencia es el gel de sílice, seguido del carbón activo y zeolitas. Máquinas de adsorción con ciclo de simple efecto Una vez explicado los principios de la adsorción y los adsorbentes más utilizados se va a describir el ciclo y el funcionamiento de la máquina de adsorción. El ciclo de refrigeración por adsorción es similar al ciclo de refrigeración convencional pero el compresor mecánico del ciclo convencional se sustituye por una compresión térmica que se realiza mediante procesos de adsorción y desorción, es un proceso análogo al que se da en la refrigeración por absorción. La máquina de adsorción necesita de un aporte térmico para que pueda completarse el ciclo. Es el proceso de la desorción, separar el adsorbente y el adsorbato, el que necesita de un aporte térmico. La temperatura que se necesita para que se dé la desorción está entre los 60 y 90 °C. Esta temperatura, que no es muy alta puede conseguirse mediante energía convencional (caldera), un efluente térmico o, como es nuestro caso, mediante energía solar. La mayoría de los captadores solares del mercado pueden conseguir las temperaturas requeridas, por lo tanto combinar la energía solar y el proceso de adsorción para producir frío es una opción muy interesante. Cuando la energía solar no es suficiente para obtener la temperatura deseada se hace uso de un aporte auxiliar de energía, como pasa siempre en estos tipos de sistema cuando se combinan con energía solar. Las máquinas de adsorción que existen en el mercado abarcan una amplia gama de potencias, desde una instalación pequeña hasta instalaciones mayores. El intervalo de potencias que puede tener una máquina de adsorción es desde los 50 kW hasta los 500 kW. El intervalo es bastante menor que el que tienen las máquinas de adsorción, pero aun así casi cualquier instalación de refrigeración puede realizarse con máquinas de adsorción y si la potencia necesaria es mayor, pueden instalarse más de una máquina. Jose Antonio Vicente Soltero 88 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción La máquina que va a ser descrita será la que utiliza como adsorbente el gel de sílice y como adsorbato (refrigerante) el agua. Este par de trabajo es el más utilizado en las máquinas comerciales debido al buen funcionamiento del gel de sílice y las características positivas que tiene el agua como refrigerante (bajo coste, no tóxico, abundante, etc. ). En la figura 2.48 se representa el esquema de una máquina de adsorción, en este caso de cuatro compartimentos, con las distintas partes que la componen: un evaporador, dos cámaras de adsorción (es donde se da lugar los procesos de adsorción y desorción) y un condensador en la parte superior. El evaporador y el compresor cumplen las mismas funciones que en las otras máquinas de refrigeración y están conectados por la válvula de expansión, mientras que las dos cámaras existentes funcionaran intermitentemente como cámara de adsorción y desorción. Figura 2.48. Esquema de una enfriadora de adsorción. El esquema de la figura 2.48 representa la máquina de adsorción en una determinada etapa del ciclo. Una característica importante en las máquinas de adsorción es que el ciclo no se da instantáneamente ni de forma automática, el ciclo necesita de unos minutos para completar las distintas etapas que lo componen. El funcionamiento de la máquina de adsorción consta de cuatro pasos que vienen representados en la figura 2.49 y explicados a continuación. ‐
En la etapa 1, representada en la figura 2.49, el evaporador evapora el fluido refrigerante (agua) que se encuentra a baja presión aportando el frío del sistema. La válvula que une el evaporador con la cámara en la que se está dando la adsorción (cámara 1) mientras que la que une esta cámara con el condensador está cerrada. De esta forma, el agua evaporada en el evaporador entra en la cámara 1 y es adsorbido por el adsorbente que se va saturando. Como es un proceso exotérmico, y es necesario temperaturas bajas para favorecer la adsorción, el calor es evacuado por el agua de torre. Mientras, en la cámara 2 se está dando el proceso contrario. Se produce la desorción en el adsorbente que se encuentra saturado Jose Antonio Vicente Soltero 89 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción de vapor de agua gracias la energía térmica que se le aporta a través del agua caliente (calentada en los captadores solares) que circula por el intercambiador de la cámara 2. La válvula que conecta la cámara 2 con el evaporador está cerrada y la que conecta con el condensador está abierta y por lo tanto el vapor de agua que se produce de la desorción es enviado al condensador. El agua condensada en el condensador es enviada al evaporador a través de la válvula de expansión. Figura 2.49. Etapas en una máquina de adsorción de simple efecto. ‐
Una vez que el adsorbente de la cámara 1 está saturado y el de la cámara 2 está seco, la máquina invierte las funciones de ambas cámaras. Para ello cierra las válvulas que conectan ambas cámaras con el evaporador y el condensador y se abre la válvula que las conecta para igualar presiones. A continuación se hace pasar el agua caliente de la cámara de desorción (cámara 2) a través de la cámara 1 para transferirle el calor necesario para calentar la cámara. Análogamente se hace lo mismo en la cámara 2 para enfriar la cámara. Este proceso de inversión se completa cuando la cámara 1 ha alcanzado la temperatura y presión necesaria para darse la desorción y la cámara 2 se ha enfriado lo suficiente para poder adsorber el refrigerante. Jose Antonio Vicente Soltero 90 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
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El siguiente paso, etapa 2 en la figura 2.49, se realiza el mismo proceso que se explica en la etapa 1 pero intercambiando el funcionamiento de ambas cámaras. Por último, es necesario una nueva inversión del funcionamiento para llegar de nuevo a la etapa 1 y poder comenzar el ciclo desde el principio. Las máquinas de adsorción que funcionan con gel de sílice y agua necesitan que el agua que calienta la cámara de desorción esté cerca de los 90°C para que el rendimiento sea máximo aunque pueden funcionar con temperaturas menores. El COP de una máquina de adsorción de simple efecto es de 0,5 ‐ 0,7. Este rendimiento es menor que las máquinas de absorción de simple efecto y es por ello que las máquinas de adsorción son mucho menos utilizadas. Las máquinas comerciales están provistas de una serie de sensores y automatismos que hacen que la máquina invierta el funcionamiento cuando sea necesario y que funcione de manera automática. Otras configuraciones de máquinas de adsorción
La máquina que se ha descrito es la máquina de adsorción más simple, pero también el tipo de máquina más utilizada en la refrigeración solar por adsorción gracias a que la temperatura de accionamiento es relativamente baja. Pero no es el único tipo de máquina existente. Depende de la constitución de la máquina y, añadiendo cámaras evaporadores y condensadores al esquema de la máquina de simple efecto, pueden conseguirse nuevas configuraciones con mejores características. Una configuración conocida y que mejora significativamente el rendimiento se consigue añadiendo 3 o más cámaras adsorbentes, además de varios evaporadores. En la figura 2.50 se encuentra el esquema de una configuración que tiene 3 cámaras de adsorción además de dos evaporadores con distinto niveles de presión con lo que se consigue un aumento del rendimiento con respecto de la máquina de simple efecto. El agua a enfriar, entra primero al evaporador de alta presión, donde alcanza una determinada temperatura, a continuación pasa por el de baja donde se consigue la temperatura objetivo. Este enfriamiento en dos fases permite un mayor enfriamiento del agua, que puede llegar incluso a los 10°C a diferencia de los 6°C que se alcanza en la configuración normal. Como se consigue reducir más la temperatura, el caudal de agua puede ser menor y con ello la bomba también puede ser de menor potencia. Pero, por otro lado, esta máquina de adsorción tiene un coste bastante mayor que la de simple efecto, debido a que tiene muchos más componentes y la instalación es más complicada. Jose Antonio Vicente Soltero 91 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 2.50. Esquema de una máquina de adsorción con 2 evaporadores y 3 cámaras de adsorción. Como ya se ha dicho, puede haber numerosas variantes y modelos con distintas configuraciones. Un modelo que ha sido bastante desarrollado y que posee una mayor potencia y rendimiento es modelo de doble efecto o máquina de doble efecto. Consiste en 4 cámaras de adsorción y lo que se pretende es que en un mismo momento se dé el proceso de adsorción en dos niveles distintos de presión, de igual manera que la desorción. Con esto se consigue aprovechar mejor la energía calorífica, utilizándola en dos procesos antes de ser desechada. Con esto se consigue que el rendimiento sea mayor. Esta tecnología aún no está muy extendida, es algo novedosa y no es tan fiable como los sistemas de absorción de doble efecto. Las máquinas de adsorción de doble efecto pueden alcanzar un COP de 1,2 a diferencia del 0,6 de las de simple efecto. Las temperaturas que se demandan son del entorno de los 160°C. Estos sistemas apenas existen en el mercado y mucho menos unidos a un sistema de captación solar. Necesitan temperaturas muy altas y antes de instalar una tecnología que no está suficientemente extendida, se opta por instalar una de absorción de doble efecto, que es una tecnología más madura y tiene unos parámetros tanto de rendimiento como de temperaturas de activaciones incluso mejores. b) Ventajas y desventajas Ventajas Jose Antonio Vicente Soltero 92 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ‐
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Las temperaturas necesarias para la desorción en las máquinas de simple efecto están entre 60 y 90 °C por lo que se pueden utilizar incluso captadores de placa plana. El consumo eléctrico es muy pequeño, ya que incluso se eliminan las bombas para la solución interna. Por lo que apenas tiene componentes que demanden energía eléctrica. El COP no es tan dependiente con la temperatura del agua del generador (captadores solares) o del agua de refrigeración como en los sistemas de absorción. Son máquinas que son simples mecánicamente, sin apenas piezas móviles y sin problemas de cristalización. Por todo esto son máquinas bastante robustas. Desventajas ‐
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Requiere grandes vacíos en las cámaras de adsorción. El COP es menor que el de las máquinas de absorción. Como es una tecnología que aún no ha tenido mucha cabida en el mercado, el precio de ésta es bastante elevado. Tienen un volumen y peso elevados, por lo que son necesarias grandes espacios para su instalación. c) Situación de la refrigeración por absorción en la actualidad Las máquinas de adsorción que funcionan con energía solar son una tecnología existente en el mercado, pero no muy habitual incluso entre las tecnologías de frio solar. Como se puede ver en la gráfica de la figura 2.45, sólo un 11% de las instalaciones de refrigeración solar que existen son de adsorción. Las causas de que el porcentaje de utilización de las instalaciones de adsorción sea tan pequeño en comparación con el de absorción se analizan a continuación. El COP de las máquinas de adsorción es menor que el de las máquinas de absorción que funcionan entre unas temperaturas de generación y unas potencias similares. Como también ocurre en los sistemas de desecante, la sorción con materiales líquidos es más efectiva que con materiales sólidos, ya sea en ruedas desecantes o en cámaras de adsorción. En la figura 2.51 hay una gráfica en la que se muestra la variación del COP con respecto de la temperatura del agua caliente teniendo en cuenta también la temperatura a la que le llega el agua enfriada (de torre) y diferenciando entre adsorción y absorción de simple efecto. En primer lugar, aunque las máquinas de absorción necesitan una temperatura mayor para funcionar y tengan una variación del COP más fuerte con la temperatura, si la temperatura del agua caliente es superior a los 80°C el COP de la máquina de absorción será mayor que el de la máquina de adsorción (en el caso de que la temperatura del agua enfriada sea 28°C). 80°C es una temperatura que fácilmente puede alcanzarse con captadores solares. Si la temperatura de agua de torre fuese mayor, la temperatura en la que el COP de la absorción supera al de adsorción también aumentaría. De la figura 2.51 también se puede destacar que, si la temperatura del agua caliente es suficientemente alta, el rendimiento de la máquina de Jose Antonio Vicente Soltero 93 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción absorción es bastante más elevado que el de adsorción independientemente de la temperatura del agua de torre. Figura 2.51. Comparación de los rendimientos de las máquinas de adsorción y absorción. (Fuente: SAHC). Otro de los hándicaps de la tecnología de adsorción es su precio, superior a las máquinas de absorción. Existen numerosos fabricantes de máquinas de absorción mientras que los fabricantes de adsorción son bastante reducidos, esta es la principal causa por la que se da esta diferencia de precios. Según Ghafoor, A. (2014) el precio medio por kW de un sistema de absorción está entre 1500 – 2000 €/kW y sin embargo el precio medio de un sistema de adsorción es 2000 – 2500 €/kW. Este precio incluye tanto la compra y la instalación de la máquina de adsorción/absorción como la del sistema de captación. La diferencia puede llegar hasta los 1000 €/kW, lo que equivale a una cantidad importante de euros en cualquier instalación que se diseñe, ya sea de pequeño gran tamaño. Por todo esto, la adsorción tiene aún que recorrer un largo camino para intentar ser más competitiva. La principal ruta de mejora debe de ser la reducción del coste del equipo (lo mismo que ocurre en el resto de tecnologías de frío solar). Además, se necesita mejorar los materiales adsorbentes, su precio y adsorción para así aumentar el rendimiento de estos equipos. En este apartado no se hablará de fabricantes ni instalaciones reales de adsorción ya que ese punto se tratará en los capítulos 3 y 4. Jose Antonio Vicente Soltero 94 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Capítulo 3: FABRICANTES
3.1. Introducción En este capítulo se tratará de dar una visión global del mercado de la refrigeración solar, centrándose en las máquinas de absorción y de adsorción. Se hablará de los fabricantes existentes en la actualidad, los modelos existentes más característicos de cada uno de los fabricantes y sus principales parámetros técnicos. 3.1.1. Mercado de las máquinas de absorción
El mercado de las máquinas absorción es bastante amplio, existiendo muchos fabricantes de distintos países y con gama de productos muy diferentes. Los principales fabricantes de máquinas de refrigeración por absorción son: Carrier, Rotártica, York, Yazaki, Broad, ClimateWell, Thermax. Jose Antonio Vicente Soltero 95 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Carrier y York son empresas estadounidenses aunque funcionan y operan en casi todo el mundo. Las gamas de productos de las dos compañías se caracterizan por ser de media y alta potencia, siendo las máquinas más pequeñas que comercializan de 250 kW de refrigeración. Rotártica y ClimateWell son europeas más concretamente española y sueca respectivamente. A diferencia de los fabricantes anteriores estas compañías se centran en proporcionar máquinas de baja potencia, siendo la potencia menor a 30 kW y siendo ideales para viviendas familiares o pequeñas aplicaciones. EAW es un fabricante alemán y a diferencia de las dos compañías anteriores fabrica no solo máquinas de absorción de pequeña potencia sino también máquinas de media potencia de hasta 200 kW. A pesar de que un gran porcentaje de máquinas de absorción de pequeña escala han sido fabricadas por Rotártica, sobre todo en los años 2007 y 2008, ésta entró en quiebra y dejo de existir en el año 2010. Broad, Yazaki y Thermax son fabricantes asiáticos, Broad es una compañía china, Yazaki japonesa y Thermax india. La gama de potencias ofertadas por Broad es una de las más amplias. Yazaki y Thermax centran sus gamas de productos en la pequeña y media potencia. En la figura 3.1 pueden verse los rangos de potencias de cada uno de los fabricantes que se han mencionado. En el gráfico aparecen también algunas empresas que no han sido mencionadas debido a que su producción se basa en aplicaciones de congelación, con temperaturas menores de 0°C utilizando Amoniaco/agua, como son Pink, Robur y Ago. Figura 3.1. Orden de magnitud de capacidades de enfriadoras de absorción (no exhaustiva). (Fuente: SOLAIR). Jose Antonio Vicente Soltero 96 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Una vez que se han mencionado los fabricantes más importantes hay que clasificar las máquinas de absorción en función del sistema de condensación: ‐
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Condensadas por agua: el fluido que provoca la condensación del refrigerante es agua. Llevan asociadas la instalación de una torre de refrigeración. Condensadas por aire: el fluido que hace efectiva la condensación del refrigerante es aire. No requieren de torre de refrigeración. Las máquinas condensadas por aire apenas están en el mercado, y siguen en proceso de investigación y experimentación con prototipos en la mayoría de los casos. Aunque, como se explicará más adelante, algunas compañías si han sacado al mercado máquinas de pequeña potencia condensadas por aire como son Yazaki, Rotática y Robur (empresa italiana que trabaja con amoniaco/agua). 3.1.2. Mercado de las máquinas de adsorción
A diferencia de la absorción, el mercado de las máquinas de adsorción no es tan amplio. Existen principalmente 4 fabricantes de máquinas de adsorción que tienen su origen en dos focos principales Japón y Alemania. Las compañías son: Mycom‐Mayekawa, Nishiyodo, Invensor y SorTech. Mycom‐Mayekawa es una empresa japonesa que tiene una amplia gama de productos como compresores, bombas de calor, cortinas de aire y equipos de climatización. Entre los equipos de climatización encontramos enfriadoras de adsorción que van desde 105 kW hasta 400 kW. Nishiyodo es otra compañía japonesa que también produce máquinas de adsorción con una gama de potencias parecida a las de Mycom. Las dos compañías restantes, Inversor y SorTech, son fabricantes alemanes. A diferencia de las compañías japonesas antes mencionadas, la gama de potencias de Invensor y SorTech es más reducida y está focalizada a la pequeña escala con potencias menores a los 20 kW. En el diagrama de la figura 3.2 están las gamas de potencias de los fabricantes más importantes de enfriadoras de adsorción. Hay que tener en cuenta que aunque SorTech e Invensor cuenten con máquinas de reducida potencia, mediante la conexión de varias de ellas pueden alcanzarse potencias mayores. Jose Antonio Vicente Soltero 97 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.2. Orden de magnitud de capacidades de enfriadoras de adsorción (no exhaustiva). (Fuente: SOLAIR). En las enfriadoras de adsorción no es necesario hacer una clasificación entre condensadas por aire y por agua ya que todas las máquinas del mercado están condensadas por agua. 3.2. Fabricantes de enfriadoras de absorción 3.2.1. Carrier
a) Información general Carrier es una compañía líder a nivel mundial en el sector de la climatización, fundada en 1915 por Willis Haviland Carrier, y que actualmente forma parte del grupo United Tecnologies Corporation (UTC), que engloba empresas líderes en diversos sectores de la industria. Carrier comercializa todo tipo de equipos de climatización, desde equipos de climatización para el sector residencial como para distintos sectores de la industria. En cuanto a su gama de enfriadores de absorción, todos ellos son producidos por Sanyo. Además toda esta gama trabaja con la mezcla Bromuro de Litio‐agua y son condensados por agua. b) Gama de enfriadoras por absorción Carrier comercializa tres clases distintas de enfriadora de absorción, en cada una de estas clases existen diferentes tamaños. La gama 16DJ son enfriadoras de absorción de doble efecto y accionadas por llama directa. La serie 16LJ por el contrario son enfriadoras de absorción de simple efecto y son accionadas por agua caliente. Por último, las máquinas de la serie 16TJ son enfriadoras de simple efecto accionadas por vapor. Jose Antonio Vicente Soltero 98 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Serie 16DJ
La serie 16DJ son enfriadoras de absorción que utilizan un ciclo de doble efecto y son accionadas por llama directa. Por lo tanto estas máquinas no pueden ser utilizadas como refrigeración solar ni funcionar utilizando calor residual de un proceso. La serie está compuesta por máquinas de 23 tamaños diferentes, cuyo rango de potencia frigorífica va desde 352 hasta 5724 kW. El COP de los equipos de esta serie, según condiciones ARI 560 es 1,1. Figura 3.3. Máquina de absorción de la serie 16DJ de Carrier. Serie 16LJ La serie 16LJ está compuesta por enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas por agua caliente. Las máquinas de esta serie son las ideales para ser utilizadas en aplicaciones de refrigeración solar. Existe una gama de 15 tamaños dentro de esta serie, cuyo rango de potencias frigoríficas varía desde 264 hasta 1846 kW. El COP de los equipos de esta serie es de 0,7. Al ser máquinas de simple efecto, es de esperar que el COP sea bastante inferior al de la gama anterior. Figura 3.4. Máquina de absorción de la serie 16LJ de Carrier. Jose Antonio Vicente Soltero 99 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción A continuación, en la tabla 3.1 se incluye la tabla de datos técnicos de la serie 16LJ extraída del catálogo. Tabla 3.1. Especificaciones y datos técnicos de la serie 16LJ de Carrier.
Serie 16TJ
La serie 16DJ son enfriadoras de absorción que utilizan un ciclo de simple efecto y son accionadas por vapor de agua. Por lo tanto estas máquinas pueden ser utilizadas en aplicaciones de refrigeración solar siempre y cuando se obtenga vapor de agua de los captadores solares. La serie está compuesta por máquinas de 15 tamaños diferentes, cuyo rango de potencia frigorífica va desde 352 hasta 2461 kW. El COP de los equipos de esta serie, según condiciones ARI 560 es 0,7. Jose Antonio Vicente Soltero 100 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.5. Máquina de absorción de la serie 16TJ de Carrier. A continuación, en la tabla 3.2 se incluye la tabla de datos técnicos de la serie 16TJ extraída del catálogo. Tabla 3.2. . Especificaciones y datos técnicos de la serie 16TJ de Carrier.
Jose Antonio Vicente Soltero 101 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 3.2.2. York a) Información general York fue una compañía dedicada a la climatización en los sectores residencial, terciario e industrial. York fue absorbida por la multinacional americana Jonhson Controls en Diciembre de 2005 aunque aún mantiene su nombre como York by Johnson Controls. Johnson Controls ofrece una gran variedad de productos que abarcan la automoción, la eficiencia energética en edificios, baterías, etc. Todos las enfriadoras por absorción fabricadas por York utilizan el par de trabajo Bromuro de Litio‐agua y condensan por agua, por lo que al igual que ocurría con las máquinas de Carrier necesitan una torre de refrigeración. b) Gama de enfriadoras por absorción York comercializa dos series distintas de enfriadoras de absorción. La serie YPC son enfriadoras de absorción de doble efecto y pueden ser accionadas por llama directa o por una corriente de vapor. La serie YIA son enfriadoras de absorción de simple efecto que se accionan por una corriente de agua caliente o vapor. Serie YPC
Los equipos de la serie YPC son equipos que se caracterizan por ser enfriadoras de absorción de doble efecto. La serie de YPC está formada a su vez por dos sub‐series, una que funciona por llama directa (YPC‐DF) y otra que funciona mediante una corriente de vapor (YPC‐ST). La sub‐serie YPC‐DF, accionada por llama directa y por lo tanto descartada para ser usada con energía solar, tiene una gama de potencias que abarca desde 703 hasta 2372 kW. El COP medido en condiciones nominales de estas máquinas e 1. La otra sub‐serie, llamada YPC‐ST, está accionada por vapor de agua y por lo tanto sería apta para el uso combinado con energía solar, siempre y cuando el sistema de captación solar pueda producir el vapor en las condiciones requeridas por la enfriadora. La gama de potencias es más reducida que su homóloga y va desde 1050 hasta 2373 kW aunque el rendimiento o COP medido en condiciones nominales es ligeramente superior, 1,19. Jose Antonio Vicente Soltero 102 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.6. Máquina de absorción York de la serie YPC. Serie YIA
La serie YIA está compuesta por máquinas de absorción de simple efecto. Éstas pueden ser accionadas por llama directa, agua caliente o vapor, por lo que son aptas para usarlas en aplicaciones de frío solar. Los equipos de esta serie abarcan una amplia gama de potencias, bastante mayor que la otra serie disponible en York. Las potencias de los equipos van desde 420 hasta 4842 kW, existiendo 21 tamaños diferentes, con rendimientos medidos en condiciones normales de aproximadamente 0,7. Figura 3.7. Máquina de absorción York de la serie YIA. 3.2.3 ClimateWell
a) Información general Jose Antonio Vicente Soltero 103 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ClimateWell es una compañía sueca fundada en 2001 por Mr. Goran Bolin y Mr. Ray Olsson. La compañía fue el fruto de la unión de dos empresas, Solsam Sunergy y SunCool. Desde su fundación, ClimateWell tenía una idea, crear un sistema de climatización económicamente sostenible y que respetase el medio ambiente. En el año 2008 la construcción de la planta de producción en Olvega (España) estuvo terminada y fue cuando Climatewell comenzó con la venta global de sus productos de refrigeración sostenible. A partir de ese momento la compañía ha seguido creciendo y ha sido galardonada en numerosas ocasiones. b) Gama de enfriadoras por absorción Las máquinas de absorción comercializadas por ClimateWell difieren bastantes de las máquinas de absorción estándar. A continuación se desarrollarán las principales características de estas máquinas llamadas ClimateWell 10. ClimateWell 10 ClimateWell 10 es una máquina de absorción modular que se distingue de las máquinas estándar de absorción de tipo bromuro de litio básicamente en tres aspectos. Figura 3.8. Máquina de absorción ClimateWell 10. Cuenta con un depósito almacén interno en cada uno de los dos acumuladores. De esta forma la máquina puede almacenar energía química con una gran densidad gracias a las propias sales de Cloruro de Litio. Esta energía puede ser utilizada por consiguiente tanto para refrigerar como para calentar. Es importante señalar que lo que se almacena es energía química, y no energía térmica. Jose Antonio Vicente Soltero 104 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Funciona de manera intermitente con dos acumuladores en paralelo (Barril A y Barril B). Ha sido diseñado para emplear unas temperaturas relativamente bajas, con lo que está optimizado para su empleo con colectores térmicos solares. La enfriadora de absorción de ClimateWell no trabaja con Bromuro de Litio/Agua sino con Cloruro de Litio/Agua. ClimateWell 10 puede operar en tres modos diferentes: carga, calefacción y refrigeración. El modo de carga almacena energía secando una sal (Cloruro de Litio) que puede ser utilizada posteriormente cuando sea necesario. Gracias a que ClimateWell 10 posee dos sistemas conectados en paralelo, mientras uno se carga y almacena energía el otro puede producir frío. El rendimiento de operación o COP en modo de refrigeración es de 0,68 medido en condiciones normales de funcionamiento. La máquina ClimateWell 10 tiene una potencia frigorífica de 10 kW en el funcionamiento normal, es decir un sistema cloruro de Litio/agua cargándose y el otro dando refrigeración. Sin embargo, si los dos sistemas trabajan en refrigeración la potencia puede llegar a 20 kW. En la tabla 3.3 viene resumido estos datos. Modo
Capacidad
de
almacenamiento
Potencia
Máxima
Capacidad
Frío 60 kWh 10/20 kW Calor 76 kWh 25 kW Tabla 3.3. Características de ClimateWell 10. (Fuente: ClimateWell). La capacidad de almacenamiento que se indica en la tabla 3.3 es la capacidad de almacenamiento máxima, cuando ambos barriles funcionan como almacén de energía. Brevemente se describirán los tres diferentes modos de operación de la máquina ClimateWell 10: En el modo de carga el líquido caliente procedente de la fuente térmica entra en el intercambiador de calor haciendo entrar en ebullición a la solución LiCl, volviendo el LiCl a su forma cristalina original. Al mismo tiempo, se evapora el agua y se libera vapor al condensador/ evaporador, donde se condensa en el intercambiador de calor con la temperatura relativamente inferior. En el modo de refrigeración El agua retorna del sistema de distribución a una temperatura superior a la que deja el condensador / evaporador (hemos refrigerado el edificio). Este calor hace que el agua del evaporador entre en ebullición y el vapor pase al reactor, donde se Jose Antonio Vicente Soltero 105 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción condensa, ya que el reactor está más frío en relación. El vapor que se condensa en agua en el reactor, se diluirá en una solución LiCl. La solución LiCl diluida es bombeada entonces a través de la cesta filtrante, lugar donde se mezcla con la sal y recupera su saturación. Es necesaria la saturación para proporcionar continuamente una diferencia de temperatura entre el condensador/ evaporador y el reactor. El modo de calefacción no es más que el proceso inverso a la refrigeración. La energía cargada es extraída en forma de calor mediante la conexión del condensador / evaporador al disipador de calor y el reactor al sistema de distribución. El agua retorna del sistema de distribución a una temperatura inferior a la que deja el reactor (hemos calentado el edificio). Esta agua hace que el agua del condensador / evaporador entre en ebullición y el vapor pase al reactor, donde se condensa. El vapor que se condensa en agua en el reactor, se diluirá en una solución LiCl. La solución LiCl diluida es bombeada a través de la cesta filtrante de sal, lugar donde se mezcla con la sal y recupera su saturación. Es necesaria la saturación para proporcionar una diferencia continua de temperatura entre el condensador/ evaporador y el reactor. 3.2.4 Yazaki a) Información general Yazaki Corporation es una empresa japonesa fundada en 1929. Yazaki es una de los mayores proveedores de automoción de todo el mundo, y fue nombrada entre las 20 mayores compañías de automoción por la revista Automotive News en 2010. Pero Yazaki no solo se centra en el campo de la automoción, y su línea de productos abarca cables eléctricos, instrumentos medidores, equipos de gas, aire acondicionado y sistemas de energía solar. Aunque la empresa aún tiene su sede en Japón, cerca de 90% de sus 257.100 trabajadores se encuentran fuera de Japón. De hecho Yazaki se encuentra entre las 100 empresas que reciben el mayor número de patentes de Estados Unidos. Es a partir de los años 80 cuando Yazaki empezó a trabajar con equipos de absorción. En España es la empresa Absorsistem S.L. la que se encarga de la distribución de los equipos de Yazaki. Todos los sistemas que comercializa funcionan con la solución Bromuro de Litio‐Agua y son condensadas por agua. b) Gama de productos Yazaki comercializa dos gamas distintas de máquinas de absorción. La serie WFC S son enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas por agua caliente. La otra serie llamada CH son enfriadoras de absorción de doble efecto accionadas por llama directa y se divide en dos sub‐series atendiendo a la potencia. La serie CHK engloba a las máquinas de menos de 350 kW mientras que la serie CH MG engloba a las máquinas de más de 350 kW. Serie WFC S
Jose Antonio Vicente Soltero 106 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Como ya se ha mencionado, la serie S agrupa a las máquinas de absorción de simple efecto que funcionan gracias a una corriente de agua caliente. La temperatura de alimentación de esta corriente de agua debe de oscilar entre 70 y 95°. El COP nominal de esta gama de enfriadoras es de 0,7 y todas son condensadas por agua, por lo que necesitan torre de refrigeración. Dentro de esta serie hay 5 tamaños distintos y abarcan una potencia que va desde 17,5 kW hasta 175 kW. Los distintos tamaños de la gama WFC‐S se muestran en la tabla 3.4. Figura 3.9. Máquina de absorción WFT‐SC20 de Yazaki. Existen dentro de esta serie de enfriadoras dos sub‐series que se diferencian en que una de ellas solo puede producir refrigeración (serie WFC‐SC) mientras que la otra también puede funcionar como bomba de calor (serie WFC‐SH). Tipo de enfriadora
Capacidad de
refrigeración
WFC‐SC5/SH5 17,5 kW WFC‐SC10/SH10 35,0 kW WFC‐SC20/SH20 70,0 kW WFC‐SC30/SH30 105,0 kW WFC‐SC50/SH50 175,0 kW Tabla 3.4. Tamaños de la gama WFC‐SC y WFC‐SH de Yazaki. (Fuente: http://www.yazaki‐
airconditioning.com) Cada una de las enfriadoras que se mencionan en la tabla 3.5 tiene su propia ficha técnica en la que se engloban las principales características técnicas. En la tabla 3.4 se incluye la tabla de especificaciones de la enfriadora WFC‐SC10/SH10. Jose Antonio Vicente Soltero 107 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Tabla 3.5. Tabla de especificaciones técnicas de WTF‐S20. (Fuente: Yazaki). Serie CH
Las máquinas de la serie CH son equipos de producción de refrigeración por absorción de doble efecto que son accionados por llama directa mediante la combustión de gas natural. Esta serie también funciona con una solución de Bromuro de Litio y agua. El COP nominal es 1 y al ser accionadas por llama directa es imposible utilizarlas en aplicaciones de refrigeración solar. Como se mencionó antes, esta serie está formada por dos sub‐series en función de su potencia, la serie CHK y la serie CH MG. La serie CHK está formada por las máquinas de menos potencia. Engloba a un total de 6 tamaños que van desde 105 hasta 352 kW. La serie CH MG la forman las enfriadoras de más de 350 kW, engloba únicamente 2 tamaños: las máquinas CH MG 150 de 527 kW y las máquinas CH MG 200 de 703 kW. Jose Antonio Vicente Soltero 108 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción A continuación, en la tabla 3.6 se incluye la tabla de datos técnicos de la serie 16TJ extraída del catálogo. Tabla 3.6. Tabla de especificaciones técnicas de CH MG150. (Fuente: Yazaki). 3.2.5. Broad
a) Información general Broad es una compañía de origen chino fundada en 1988 por Zhang Yue. Es una empresa que se centra en equipos de aire acondicionado centralizados. Broad exporta sus productos a más de 60 países y es conocida como una de las pocas empresas de fabricación china que ha sido reconocida por sus políticas verdes y su compromiso con el medio ambiente. En los últimos años ha comenzado a interesarse por productos de ahorro de energía y construcción de edificios sostenibles a través de su filial Broad Sustainable Building. Uno de sus productos estrellas y que viene fabricando desde hace años son los equipos de refrigeración por absorción. Todos ellos trabajan con la mezcla Bromuro de Litio‐agua y son condensados por agua por lo que la torre de refrigeración se hace indispensable. En España es la compañía Frigicoll la que trabaja con los equipos de Broad. Jose Antonio Vicente Soltero 109 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción b) Gama de productos La gama de productos de Broad es muy amplia, existiendo multitud de series distintas. Las series se organizan, por un lado dependiendo de la fuente de calor con la que puedan ser accionadas y por otro lado dependiendo si son equipos de simple o de doble efecto. En la tabla 3.7 se clasifican las series de enfriadoras de absorción que comercializa Broad. Número de
Fuentes de
calor
Fuentes de calor
Llama directa Modelo
Simple
Doble
efecto
efecto
‐
BZ
Vapor BDS BS Agua Caliente BDH BH Gases de escape
Llama directa + Gases de escape Agua caliente + Gases de escape Llama directa + Vapor
Llama directa + Agua caliente Llama directa + Gases de escape + Agua caliente BDE
BE
233 – 11.630
233 – 6.978 / 233 –
11.630 233 – 6.978 / 233 –
11.630 233 – 11.630
‐ BZE 233 – 11.630 ‐ BHE 233 – 11.630 ‐
BZS
233 – 11.630
‐ BZH 233 – 11.630 ‐ BZHE 233 – 11.630 1 2 3 Potencia frigorífica (kW)
Tabla 3.7. Clasificación de las máquinas de absorción de Broad. Para explicar las distintas gamas existentes las clasificaremos según la fuente de calor con la que se accionan: llama directa, gases de escape, vapor, agua caliente y por último máquinas mixtas. Serie BZ Las máquinas de la serie BZ de Broad son enfriadoras/calentadoras de doble efecto accionadas por llama directa. Pueden usarse distintos tipos de combustibles como gas natural, biogás y gasoil. Al ser necesaria la combustión, estas máquinas no son aptas para su uso en aplicaciones de refrigeración solar. Jose Antonio Vicente Soltero 110 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.10. Máquina de absorción de la serie BZ de Broad. (Fuente: Broad). Un mismo equipo de la gama BZ es capaz de producir agua fría para refrigeración, agua caliente para refrigeración y agua caliente sanitaria. La serie BZ tienen una gama de 24 tamaños diferentes cuyos rangos de potencias son: para frío 233 – 11630 kW; para calor 179 – 8967 kW; para ACS 80 – 1600 kW. El COP nominal para la aplicación de refrigeración es 1,36. Serie DE y BDE Las máquinas de la serie BE y BDE son enfriadoras de absorción que funcionan mediante gases de escape que pueden ser producidos en un sistema de cogeneración, motor o turbina de gas. La serie BE engloba a máquinas de doble efecto que pueden funcionar también como bomba de calor mientras que la serie BDE son máquinas de simple efectos que únicamente trabajan como enfriadoras. Al ser accionadas por gases de combustión no pueden ser utilizadas como refrigeración solar. Tanto la serie BE como la BDE tienen una gama de 24 tamaños diferentes, cuyas potencias oscilan entre 233 y 11630 kW. El COP de las máquinas BE es 1,41 mientras que el de la serie BDE es 0,79, bastante menor al ser máquinas de absorción de simple efecto. Serie BH y BDH Las máquinas de la serie BDH y BH son enfriadoras de absorción accionadas por agua caliente siendo la serie BH máquinas de doble efecto y la serie BDH de simple efecto. Las máquinas de la serie BDH demandan agua caliente a una temperatura nominal de 85°C mientras que las de la serie BH requieren agua sobrecalentada a una temperatura nominal de 170°C. Ambas series pueden ser utilizadas en aplicaciones de refrigeración solar. El rango de potencia de ambas series no es el mismo, para la serie BH las potencias pueden variar de 233 hasta 11630 kW mientras que en la serie BDH las potencias varían de 209 a 6978 kW. Al ser maquinas una serie máquinas de simple efecto y la otra serie de doble efecto tampoco tienen el mismo COP, la serie BH tiene un COP de 1,41 y la serie BDH de 0,76. Jose Antonio Vicente Soltero 111 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.11. Máquina de absorción de la serie BH de Broad. (Fuente: Broad). Serie BDS y BS
Las máquinas de la serie BDS y BS pertenecientes a Broad son enfriadoras alimentadas por vapor de agua siendo la serie BDS máquinas de simple efecto y las de la serie BS de doble efecto. Estas series, aunque están recomendadas para plantas de trigeneración donde se utilice vapor o procesos donde exista una fuente de vapor residual, al funcionar con vapor de agua son aptas para la refrigeración solar siempre y cuando el sistema de captación elegido consiga el vapor de agua a las condiciones necesarias. La serie BS abarca un rango de potencias que va de 233 kW hasta los 11630 kW y las máquinas que la componen tienen un COP nominal de 1,41. Sin embargo las máquinas de la serie BDS, de simple efecto, tienen un rango de potencias de refrigeración de 233 – 6978 kW y un COP nominal de 0,79. Figura 3.12. Máquina de absorción de la serie BS de Broad. (Fuente: Broad). Jose Antonio Vicente Soltero 112 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Series Mixtas
Existen series mixtas que necesitan de dos fuentes de energía primaria y también existen series mixtas que funcionan con tres fuentes de energía. Todos los modelos de series mixtas tienen el mismo rango de potencias, entre 233 y 11630 kW. Además todas las máquinas de estas series son enfriadoras de doble efecto. En primer lugar se describen las series mixtas con dos fuentes de energía: BZS: Puede funcionar simultáneamente con llama directa y con vapor a 8 bares. Los modelos estándares admiten hasta el 100% de su capacidad con llama directa y hasta el 100% con vapor. El COP de esta serie es 1,36 para llama directa y 1,41 con vapor. BZH: Puede funcionar simultáneamente con llama directa y con agua sobrecalentada a 170°C. Los modelos estándares admiten hasta el 100% de su capacidad con llama directa y hasta el 100% con agua sobrecalentada. El COP de esta serie es 1,36 para llama directa y 1,41 para agua sobrecalentada. BZE: Puede funcionar simultáneamente con llama directa y con gases de escape en torno a 500°C. Los modelos estándares admiten hasta el 100% de su capacidad con llama directa y hasta el 30% con gases de escape. El COP de esta serie es 1,36 para llama directa y 1,41 para gases de escape. BHE: Puede funcionar simultáneamente con gases de escape y con agua caliente a 98°C. Los modelos estándares admiten hasta el 100% de su capacidad con gases de escape y hasta el 23% con agua caliente. El COP de esta serie es 1,41. Solo existe una serie de Broad que pueda funcionar simultáneamente con tres fuentes de energía primaria, la serie BZHE. BZHE: Puede funcionar simultáneamente con llama directa con gases de escape a 500°C y con agua caliente a 98°C. Los modelos estándares admiten hasta el 100% de su capacidad con llama directa y hasta el 30% con gases de escape y hasta el 23% con agua caliente. El COP de esta serie es 1,36 para llama directa y 1,41 para agua caliente y gases de escape. El modelo BZHE se adapta a la aplicación típica de cogeneración con motores, aprovechando directamente los gases de escape y el agua caliente de refrigeración del bloque motor, con la posibilidad adicional de utilizar combustible directo con independencia de las otras dos fuentes. Ninguna de estas series está específicamente desarrollada para aplicaciones de refrigeración solar, aunque algunas series que trabajan con agua caliente, como la serie BHE, podrían combinarse con captadores solares para obtener el agua caliente requerida, pero funcionaría solo al 23% de su potencia, y sería mas conveniente utilizar la serie BH. Jose Antonio Vicente Soltero 113 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 3.2.6 Thermax
a) Información general Thermax es una empresa de ingeniería y medio ambiente de origen indio y con sede en la india y Gran Bretaña. Fue fundada en 1980 y actualmente ofrece sus productos en más de 70 países. La empresa fabrica calderas, máquinas de climatización convencionales, enfriadoras de absorción. Thermax también se encarga del diseño de instalaciones energéticas y ofrece soluciones para tratamiento de aguas y de residuos. Todos los equipos de absorción fabricados por Thermax trabajan con el par Bromuro de Litio‐
agua y son condensados por agua, por lo que es necesario el uso de la torre de refrigeración. b) Gama de productos Thermax produce una gran diversidad de enfriadoras de agua por absorción y por ello primero es necesario hacer una clasificación de las distintas series existentes. Fuentes de
calor
Llama directa Vapor
Agua Caliente Gases de escape Modelo
Simple
Doble
efecto
efecto
‐ 2V SS
2B
2G (SH) LT, 5G 2D Tabla 3.8. Clasificación de enfriadoras de absorción fabricadas por Thermax. Es importante añadir que las máquinas que están diseñadas para ser instaladas junto a un sistema de captación solar como fuente de energía externa son aquellas que funcionan con agua caliente, es decir, las series LT, 5G y 2G. Serie 2V
La serie 2V engloba a las enfriadoras de absorción de doble efecto que funcionan mediante llama directa procedente de la combustión de gas Natural, LPG, Keroseno o Propano. El rango de potencias de esta serie abarca desde 175 kW hasta 5450 kW y el COP nominal es 1,43. La enfriadora produce agua fría que entre 1 y 4 grados. Jose Antonio Vicente Soltero 114 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.13. Máquina de absorción de la serie 2V de Thermax. (Fuente:
www.thermaxglobal.com). Series SS
Las máquinas de esta serie son enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas mediante vapor de agua a una presión de hasta 3,5 bares. Esta serie de máquinas a pesar de funcionar con vapor no están especialmente diseñadas para su uso integrado en la refrigeración solar. El rango de potencias de refrigeración de esta serie va desde 350 kW hasta 7650 kW. El COP nominal de esta serie está entre 0,7 y 0,75. Serie 2B
La serie 2B es la equivalente a la serie SS pero en vez de ser enfriadoras de absorción de simple efecto son enfriadoras de doble efecto. El vapor de agua que demandan las enfriadoras de esta serie debe de producirse a una presión entre 3 y 10 bares. El rango de potencias de esta serie va desde 175 kW hasta 8800 kW y el COP nominal oscila entre 1,38 y 1,43. Serie 2D
La serie 2D está compuesta por enfriadoras de absorción de doble efecto activadas por gases de escape, la temperatura de estos gases debe de estar comprendida entre 275 y 600 °C. El rango de potencias de refrigeración de esta serie va desde 175 kW hasta 8800 kW. El COP nominal de esta serie está entre 1,4 y 1,45. Jose Antonio Vicente Soltero 115 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.14. Máquina de absorción de la serie 2B de Thermax. (Fuente:
www.thermaxglobal.com). Serie Cogenie LT
Las máquinas de esta serie son enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas mediante agua caliente a una temperatura que puede oscilar entre 75 y 120°C. Esta serie de enfriadoras son ideales para trabajar en aplicaciones de refrigeración solar ya que la temperatura del agua que necesitan para funcionar se puede conseguir con la mayoría de los sistemas de captación. El rango de potencias de refrigeración de esta serie va desde 35 kW hasta 700 kW. El COP nominal de esta serie está entre 0,65 y 0,72. . Figura 3.15. Máquina de absorción de la serie Cogenie LT de Thermax. (Fuente:
www.thermaxglobal.com). Jose Antonio Vicente Soltero 116 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Serie 5G Esta serie es una serie totalmente análoga a la serie LT, son enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas por agua caliente. La diferencia entre ambas series recae en la potencia de refrigeración. En el caso de la serie LT eran máquinas menores de 700 kW y la serie 5G empieza a partir de esa misma potencia. Esta serie, puede utilizarse utilizando captadores que puedan proporcionar agua a temperaturas 70 y 95 grados. El rango de potencias de refrigeración de esta serie va desde 700 kW hasta 4850 kW. El COP nominal de esta serie está entre 0,7 y 0,75. Serie 2G La serie 2G engloba a enfriadoras de absorción de doble efecto accionadas también por agua caliente que debe de oscilar entre 150 y 180°C. Al igual que la serie HS, esta serie puede funcionar en aplicaciones de refrigeración solar aunque la temperatura requerida para su accionamiento sea bastante elevada y habría que optar por concentradores que alcanzasen altas temperaturas, como los CPC. El rango de potencias de refrigeración de esta serie va desde 175 kW hasta 8800 kW. El COP nominal de esta serie está entre 1,4 y 1,45, muy superior que las máquinas de simple efecto de las series HS y LT. Figura 3.16. Máquina de absorción de la serie 2G de Thermax. (Fuente:
www.thermaxglobal.com). Jose Antonio Vicente Soltero 117 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 3.3. Fabricantes de enfriadoras de adsorción 3.3.1 MYCOM‐Mayekawa
a) Información general Mayekawa Manufacturing Company es una empresa japonesa que fue fundada en 1924 por Kisaku Maekawa en Tokio. Empezó comercializando equipos de refrigeración por compresión verticales, especiales para producción y almacenamiento de hielo. Actualmente Mayekawa es una multinacional presente en decenas de países y especializada en la fabricación de equipos de climatización industrial, compresores alternativos y de tornillo y todo tipo de equipos relacionados con la actividad de producción. Dentro de los equipos de climatización, Mayekawa produce varias series de equipos de refrigeración que utilizan el ciclo de adsorción, todos ellos utilizan como par de trabajo gel de zeolita/agua. b) Gama de productos La serie en la que se engloban las diferentes máquinas de adsorción de la compañía MYCOM‐
Mayekawa se llama AdRef‐Noa y está compuesta por tres máquinas distintas cuya principal diferencia es el tamaño, tanto en potencias frigoríficas como en dimensiones. Serie Z‐3515 Las enfriadoras por adsorción Z‐3515 son las máquinas de menor potencia que fabrica Mayekawa. La potencia frigorífica es 105 kW y el COP medido en condiciones nominales es 0,6. La sub‐serie Z3515, al igual que toda la serie AdRef‐Noa, son ideales para combinarla con sistemas de captación solar ya que la temperatura a la que el agua de regeneración tiene que llegar a la máquina es 65 – 80°C. Serie Z‐3525
Las enfriadoras por adsorción de mediana potencia tienen el nombre de Z‐3525. La potencia frigorífica aumenta hasta 215 kW y por lo tanto también aumenta el peso de ésta, pasando de 6.600 a 10.000 kg. El COP medido en condiciones nominales se mantiene en 0,6 ya que el ciclo es el mismo. La temperatura requerida para la regeneración es la misma que en las máquinas anteriores, entre 65 y 80°C, y por eso también son ideales para el uso en refrigeración solar. Aunque, como es lógico, el caudal de agua necesario aumenta considerablemente pasando de 20 a 40 m3/h. Serie Z‐6025
Jose Antonio Vicente Soltero 118 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Las Z‐6025 son las enfriadoras de adsorción más grandes que produce Mayekawa con una potencia de refrigeración de 430 kW. El peso aumenta hasta llegar a los 15.000 kg mientras que, como ya se ha mencionado, el COP se mantiene constante y con un valor de 0,6. La temperatura que tiene que alcanzar la corriente de agua tras su paso por la fuente de calor es también (65 ‐ 80°C) mientras que el caudal se incrementa hasta 80 m3/h. Figura 3.17. Máquina de adsorción de la serie AdRef‐Noa Z‐3515 de Mayekawa. En la tabla 3.9 se engloban las principales especificaciones de las máquinas de Mayekawa. Modelos
Características
Potencia frigorífica
Agua fría
Fuente calor
Agua de
refrigeración
Bomba de refrigerante
Bomba de vacío
Peso neto
temp. salida caudal
temp. entrada caudal
temp. entrada caudal
Z‐3515
Z‐3525
Z‐6025
kW
105
215 430
°C m3/h
15 12,1
15 24,3 15 48,7
°C m3/h
68 20
68 40 68 80
°C m3/h
kW
kW
kg
27 50
0,3
0,4
6.600
27 99 0,55 0,4 10.000 27 198
1,1
0,75
15.000
Tabla 3.9. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de Mayekawa. Jose Antonio Vicente Soltero 119 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 3.3.2. Nishiyodo
a) Información general Nishiyodo Kuchou Manufacturing Company es una compañía japonesa con más de 30 años de experiencia. Fue la primera empresa en desarrollar y comerciar una máquina de refrigeración por adsorción. En España es la empresa ICOGEN S.A. la que se encarga de la distribución de los equipos de esta firma. Todos los equipos fabricados por Nishiyodo trabajan con Gel de sílice y agua. b) Gama de productos La compañía Nishiyodo comercializa a través de ICOGEN la serie ADCM1 de enfriadores de adsorción. Existen cuatro modelos distintos de máquinas de adsorción, cada uno con potencias nominales diferentes, pero todos trabajan con el mismo ciclo de adsorción y por lo tanto poseen el mismo COP nominal. En la tabla 3.10 pueden verse la potencia y el COP de cada modelo. Serie ADCM1
Rendimiento
Potencia frigorífica
COP
kW
60
0,7
185
90
0,7
264
145
0,7 422 180
0,7
528
Tabla 3.10. Clasificación de la serie ADCM1 en función de la potencia. (Fuente: icogen‐sa.com). Todos los modelos de la serie ADCM1 están diseñados para una temperatura de entrada del agua caliente de 90°C, pero gracias a su gran flexibilidad de funcionamiento pueden funcionar con potencias y rendimientos muy cercanos a los nominales con temperaturas de entrada entre 80 y 70°C. De hecho, las enfriadoras de adsorción de Nishiyodo pueden operar con una temperatura de entrada del agua caliente de tan solo 50°C, obviamente con potencias y rendimientos muy reducidos. Jose Antonio Vicente Soltero 120 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.18. Máquina de adsorción de la serie ADCM1 de Nishiyodo. En el catálogo del fabricante se añaden tablas para cada modelo donde puede apreciarse la potencia frigorífica o la producción de agua a 7° que cada máquina puede alcanzar cuando la temperatura del agua caliente disminuye de su valor de diseño (80°C). La tabla 3.11 extraída del catálogo, muestra las variaciones antes señaladas para el modelo ADCM1‐90. Tabla 3.11. Comportamiento del modelo ADCM1‐090 ante variaciones de la temperatura del agua caliente. (Fuente: icogen‐sa.com). Jose Antonio Vicente Soltero 121 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 3.3.3 SorTech
a) Información general SorTech AG es una compañía alemana fundada en 2002 que tiene su sede en la ciudad de Halle (Saale). Es una empresa que se dedica desde su fundación al desarrollo y venta de equipos de refrigeración por adsorción. Pese a que no es una empresa grande, actualmente tiene menos de 50 trabajadores, ha vendido más de 500 equipos refrigeración por adsorción y su mercado abarca Europa, Norte América, Sur América y parte de Asia y África. Los equipos de adsorción fabricados por SorTech, unos trabajan con Gel de sílice y otros con Zeolita y están pensados para usarse en aplicaciones de refrigeración solar. b) Gama de productos SorTech fabrica dos series de enfriadoras por adsorción, la primera de ellas llamada eCoo 2.0 y trabaja con Gel de sílice y agua, la segunda serie se llama eZea y a diferencia de la primera eZea trabaja con Zeolita. Una de las características de las máquinas producidas por SorTech es que son máquinas de pequeña potencia que deben de acoplarse si se quiere alcanzar potencias mayores. Serie eCoo 2.0
Tal y como se acaba de mencionar, la serie eCoo 2.0 está compuesta por máquinas de adsorción que trabajan con Gel de sílice. La potencia nominal de las máquinas de esta serie es 16 kW y el COP puede alcanzar valores de 0,65. Aunque la potencia del equipo es reducida, gracias al acoplamiento en cascada pueden alcanzarse potencia de hasta 240 kW con el mismo rendimiento además los equipos eCoo 2.0 están diseñados para que el acoplamiento se pueda realizar rápida y de forma segura. Serie eZea
La serie eZea está compuesta por máquinas de adsorción de 13 kW que trabajan con Zeolita y agua. El COP de esta serie es 0,53 y es ligeramente inferior al de la serie eCoo 2.0 debido a que la Zeolita tienen menor capacidad de adsorción y, en términos generales, el ciclo por adsorción con Zeolita posee menor rendimiento que el ciclo con Gel de sílice. A igual que la serie eCoo 2.0, las máquinas de la serie eZea están diseñadas para que puedan ser acopladas de manera sencilla y eficaz pudiendo alcanzar una potencia máxima de 200 kW. Jose Antonio Vicente Soltero 122 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.19. Máquina de adsorción de la serie eZea de SorTech. Para comparar ambas series, en la tabla 3.12 se engloban las principales especificaciones y datos extraídos del catálogo de cada serie, como la temperatura de entrada del agua caliente, la de salida del agua fría, el rendimiento, peso, etc. Modelos
Características
Potencia frigorífica
Rendimiento
Agua fría
Fuente calor
temp. salida caudal temp. entrada caudal temp. Agua de
entrada refrigeración
caudal
Potencia máx. con acoplamiento
Superficie requerida
Peso neto
kW
COP
eCoo
2.0
16 0,65 13 0,53 °C 12 12 m /h
2,4 2,4 °C 3
eZea
75 80 3
m /h
2,2 2,2 °C m3/h
kW
m2
kg
28 4,5 250 0,5 357 28 4,5 200 0,38 235 Tabla 3.12. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de SorTech. (Fuente: www.sortech.de). Jose Antonio Vicente Soltero 123 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Por lo tanto, para los mismos caudales de entrada y salida la serie eZea demanda una mayor temperatura del agua de regeneración y aun así produce menos potencia frigorífica que la serie eCoo 2.0. Por otro lado, el tamaño de la serie eCoo 2.0 es bastante superior que el de la serie eZea. 3.3.4 Invensor Gmbh
a) Información general Invensor Gmbh es una compañía alemana fundada en el año 2006 en Berlín, actualmente tiene su sede en esta misma ciudad. Invensor desarrolla y produce enfriadoras adsorción, de baja y alta temperatura exterior, para climatización de interiores accionadas por calor residual o por energía solar. Las enfriadoras por adsorción fabricadas por Invensor utilizan la Zeolita y el agua como pareja de trabajo. Su mercado principal está en Europa, aunque ha vendido numerosos equipos en Asia, África y América. b) Gama de productos Invensor comercializa dos series de máquinas de adsorción, la serie LTC y la serie HTC. La serie LTC o Low Temperature Chillers está pensada para climas en las que la temperatura exterior no supere los 35°C, la serie HTC o Hight Temperature Chillers se ha diseñado para temperaturas exteriores superiores a 35°C. Serie LTC
La serie LTC está formada por la enfriadora LTC 10 plus y la LTC 10 vario. Ambas enfriadoras son muy parecidas, ambas tienen 10 kW de potencia frigorífica nominal, el COP es de 0,65, funcionan con el mismo rango de temperaturas, etc. La diferencia entre ambas está en el diseño interior, LTC 10 vario está diseñada para poder acoplarse entre ellas para poder conseguir potencias frigoríficas superiores. Se describirá las principales especificaciones de la enfriadora LTC 10 plus sabiendo que la LTC 10 vario tiene las mismas características. La temperatura nominal de entrada del agua caliente en la máquina LTC 10 plus es 72°C, aunque con temperaturas cercanas a 65°C la enfriadora puede producir potencias muy cercanas a la nominal. Gracias a que se accionan con estas temperaturas tan bajas son ideales para conectarlas a un sistema de captación solar, ya que la gran mayoría de captadores solares pueden alcanzar las temperaturas demandadas por la LTC 10 plus. Jose Antonio Vicente Soltero 124 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.20. Máquina de adsorción LTC 10 plus de Invensor. Serie HTC
La serie LTC está formada por la enfriadora, al igual que la serie anterior, por dos máquinas diferentes, la HTC 18 plus y la HTC 18 vario. Ambas enfriadoras son muy parecidas, ambas tienen 18 kW de potencia frigorífica nominal, el COP es de 0,55, funcionan con el mismo rango de temperaturas, etc. La diferencia entre ambas es la misma que la que se daba en la serie LTC, la HTC 18 vario está especialmente diseñada para el acoplamiento entre ellas. La temperatura nominal de entrada del agua caliente en la máquina HTC 18 plus es 85°C, bastante superior a la serie LTC debido a que se ha diseñado para un funcionamiento con temperaturas exteriores muy elevadas. La temperatura de entrada del agua caliente sigue siendo adecuada para el uso de captadores solares y a esto hay que sumarle que como temperatura del ambiente exterior es muy alta la energía que incida en ellos será superior también, por lo que es muy aconsejable la instalación de captadores solares. En la tabla 3.13 se resumen las principales especificaciones de las máquinas LTC 10 plus y HTC 18 plus. Hay que recordar que las principales especificaciones técnicas de las máquinas LTC 10 vario y HTC 18 vario son iguales que sus análogas. Jose Antonio Vicente Soltero 125 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Modelos
Características
Potencia frigorífica
Rendimiento
Agua fría
Fuente calor
temp. salida caudal temp. entrada caudal temp. Agua de
entrada refrigeración
caudal
Consumo de Energía eléctrica
Peso neto
kW
COP
LTC 10 plus
16
0,6
HTC 18
plus
18 0,55 °C 15 14 m /h
2,9 3,9 °C 3
72 85 3
m /h
2,5 3,6 °C m3/h
W
kg
27 5,1
395
390
27 6 495 420 Tabla 3.13. Tabla de especificaciones de las enfriadoras por adsorción de Invensor (Fuente: www.invensor.com). 3.4. Comparación de los equipos de absorción y adsorción aptos para refrigeración solar. En este apartado se recopilará y clasificará la información más importante de cada uno de los fabricantes de enfriadoras de absorción y adsorción que puedan ser usadas en aplicaciones de refrigeración solar y se comparará con las enfriadoras del resto de fabricantes. En primer lugar hay que destacar que actualmente no existe ninguna máquina de absorción que está condensada por aire entre los fabricantes que se han destacado en este documento. Esto no implica que no existen equipos con esta tecnología instalados en el mundo. De todos estos equipos, sin duda la máquina de absorción condensada por aire diseñada por la empresa española Rotártica, solar 045, es la que está más presente en el mundo, a pesar de la quiebra de Rotártica en 2010. La máquina de absorción de Rotártica tenía 4,5 kW de potencia y un COP nominal igual a 0,5. La mayoría de los equipos de refrigeración solar instalados en el mundo son máquinas de simple efecto, ya sean de absorción o de adsorción. Esto se debe principalmente a que la temperatura demandada por estos equipos puede obtenerse de manera óptima por los sistemas de captación solar que existen en el mercado. Es por eso que, a pesar de su rendimiento más limitado, los equipos de simple efecto son mucho más habituales que los de doble efecto. Jose Antonio Vicente Soltero 126 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En la tabla 3.14 aparecen los principales modelos de máquinas de absorción y adsorción con algunas de sus características más importantes. De entre toda la gama de productos de los fabricantes, se destaca las que pueden ser utilizadas para la refrigeración solar, por lo tanto se excluyen las máquinas de absorción accionadas por llama directa o por gases de combustión. En el caso de las enfriadoras por adsorción, la gran mayoría de las máquinas existentes son compatibles con la refrigeración solar gracias a su baja temperatura de accionamiento, a diferencia de las máquinas de absorción que pueden ser accionadas por llama directa, gases de escape, vapor o agua caliente. Fabricante
Modelo
Tecnología
Potencia
frigorífica
(kW)
T
T agua
agua
caliente
fría
(°C)
(°C)
COP
Peso
Carrier 16LJ Absorción
264 ‐ 1846 95 6,7 0,7 4.000 ‐ 21.100 York YIA Absorción
420 ‐ 4842 90 6,7 0,7 5.182 ‐ 40.837 ClimateWell 10 Absorción
10 ‐ 20 90 10 0,68 875 Yazaki WFC S Absorción
17,5 ‐ 175 88 7 0,7 420 – 2.725 Broad BDH Absorción
209 ‐ 6978 90 7 0,76 4.000 – 50.000
35 ‐ 700 90 6,7 0,68 1.500 – 4.500 Thermax Cogenie LT Absorción
Thermax 5G Absorción
700 ‐ 4850 120 6,7 0,74 6000 ‐ 47.000 Myekawa Z Adsorción
105 ‐ 430 68 15 0,6 4.600 ‐ 15.000 Nishiyodo ADCM1 Adsorción
185 ‐ 528 90 7 0,7 ‐ 16 75 12 0,65 357 Adsorción
13 80 12 0,53 235 Adsorción
10 72 15 0,6 390 Adsorción
18 85 14 0,55 420 SorTech SorTech Invensor Invensor eCoo 2.0 Adsorción
eZea LTC 10 plus HTC 18 plus Tabla 3.14. Características de las enfriadoras por absorción y adsorción accionadas por agua caliente. La tabla 3.15 engloba solo las máquinas de absorción accionadas por una corriente de agua caliente, sin embargo, los equipos de simple efecto que son accionados por una corriente de vapor también son susceptibles de ser utilizados en aplicaciones de refrigeración solar, con la condición de que el sistema de captación elegido pueda aportar el vapor de agua a las condiciones necesarias. En la tabla 3.9 se muestran las enfriadoras de absorción de simple efecto accionadas por vapor. Jose Antonio Vicente Soltero 127 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Fabricante
Modelo
Potencia
frigorífica
(kW)
Presión
de
Vapor
(°C)
T agua
fría (°C)
COP
Carrier 16 TJ 352 ‐ 2461
10 kPa 6,7 0,7 Broad BDS 209 ‐ 6978
150 kPa
7 0,79 Thermax SS 350 ‐ 7650
150 kPa
7 0,73 Peso
3900 –
20.100 4.000 –
49.000 4.400 –
72.700 Tabla 3.15. Características de las enfriadoras por absorción accionadas por vapor de agua. Es interesante comparar el COP nominal de cada una de las máquinas en función de la temperatura del agua caliente o de la presión de vapor (dependiendo del tipo de equipo) y es lo que se representa en la figura 3.14 y 3.15. Las enfriadoras más interesantes, a priori, serán las que ante una temperatura menor del agua caliente puedan ofrecer el mayor rendimiento. La máquina BDH de Broad alcanza el COP más elevado demandando temperaturas de agua calientes medias Para estas comparaciones hay que tener también en cuenta el tamaño ya que es difícil conseguir máquina de muy baja potencia con rendimientos elevados, es el ejemplo del equipo ClimateWell 10 tiene un COP de valor 0,68 y es accionada por agua a 90°C para producir agua fría a 10°C. También hay que tener en cuenta la temperatura del agua fría que produce que, como pasa en el caso de ClimateWell 10 y en otros casos de adsorción, es bastante superior a la de las otras máquinas. Aunque las máquinas de absorción de simple efecto son las más utilizadas para refrigeración solar, si el sistema de captación solar puede alcanzar temperaturas muy altas puede ser interesante usar sistemas de doble efecto debido a su mayor COP. No es frecuente encontrar instalaciones de doble efecto accionadas por energía solar, aunque con la mejora de eficiencia de los captadores solares se han incrementado significativamente en los últimos años. Fabricante
Modelo
Broad Thermax BH 2G Potencia
frigorífica
(kW)
233 ‐ 11630
175 ‐ 8800
T agua
T agua
caliente
fría (°C)
(°C)
180
7
180
7
COP
Peso
1,41
1,42
5.000 – 92.000
2.800 – 78.300
Tabla 3.16. Características de las enfriadoras por absorción de doble efecto accionadas por agua caliente. Jose Antonio Vicente Soltero 128 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En la tabla 3.16 puede apreciarse como las dos enfriadoras de doble efecto aptas para la refrigeración solar son muy parecidas en casi todos sus parámetros. Necesitan temperaturas muy altas que tienen que obtenerse con concentradores lineales de Fresnel o con CPC, ya que no es frecuente que captadores de tubo de vacío alcancen temperaturas de 170°C. La figura 3.21 Es un diagrama en la que se aprecia la máxima potencia de refrigeración (aptas para frío solar) que oferta cada una de los fabricantes, tanto de adsorción como de absorción. El fabricante que mayor potencia oferta es Broad, seguido de la compañía india Thermax. Se puede apreciar, en primer lugar, la gran diferencia de potencia entre las enfriadoras de absorción y las de adsorción, aunque hay que tener en cuenta que mediante el acoplamiento de varias máquinas de adsorción pueden conseguirse potencias mucho mayores. En segundo lugar, también destaca la diferencia que existe entre las potencias de máquinas de simple efecto y de doble efecto, teniendo estas últimas mucha más potencia. 11630
Potencia de Refrigeración (kW)
12000
10000
8800
7650
8000
6978
6000
4842
4000
2461
2000
10
175
430
528
16
18
0
Absorción Simple efecto
Absorción Doble efecto
Adsorción
Figura 3.21. Comparación en función de las potencias máximas de refrigeración. Como ya se ha indicado a lo largo del proyecto, las instalaciones de absorción son bastante más numerosas en la actualidad que las de adsorción, pero también hay que tener en cuenta que el número de fabricantes de adsorción es mucho menor y por lo tanto la competencia también lo es. El diagrama de la figura 3.22 muestra la cuota de mercado de los principales fabricantes de enfriadoras de adsorción y absorción en 2011. Jose Antonio Vicente Soltero 129 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 3.22. Cuota de mercado de enfriadoras de absorción y adsorción. (Fuente: Allouhi, A. et al. (2014)). En Otros se está refiriendo a las siguientes compañías: Maekawa, York, Sonnenklima y Pink entre otras. El primer punto a destacar es la gran importancia en que tienen en el mercado compañías que se especializan exclusivamente en la pequeña escala, como ClimateWell, Rotártica y SorTech. La razón es lógica, el número de instalaciones de pequeña escala es más elevado que el de media y gran escala y por lo tanto las ventas de estas compañías son mayores. Entre los fabricantes más importantes que se destacan en el gráfico solo hay dos fabricantes de enfriadoras de adsorción (SorTech e Invensor) lo que vuelve a recalcar que la absorción está más implantada en el mercado actual. Jose Antonio Vicente Soltero 130 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Capítulo 4: INSTALACIONES
4.1. Introducción En este capítulo se realizará una revisión de instalaciones de refrigeración solar tanto de absorción como de adsorción instaladas a lo largo del mundo. Se estudiarán los parámetros más importantes de cada una de ellas, como por ejemplo las potencias, el COP, los tipos de captadores solares utilizados en la instalación y la superficie de captación, el volumen de acumulación y algunos otros datos. Además se hará una descripción de cada instalación y se aportarán datos medioambientales, de ahorro de energía y económicos encontrados. Antes de describir cada una de las instalaciones es preciso estudiar globalmente las instalaciones de refrigeración solar, tecnologías más usadas, tamaños, países en los que se instalan, etc. En el final del año 2013 se estimaba que había 1.050 sistemas de refrigeración solar instalados en el mundo y esa cifra ha seguido incrementándose en el año 2014. La tendencia en la última década es claramente creciente, como se puede ver en la figura 4.1. extraída de artículos de la Agencia Internacional de la Energía y confirma el potencial de futuro que tiene este tipo de tecnología. Jose Antonio Vicente Soltero 131 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 4.1. Evolución del número de instalaciones de climatización solar en el mundo. (Fuente: Agencia Internacional de la Energía, SHC Programme). Hay que añadir que existen más instalaciones de climatización solar pero que no han podido ser contabilizadas la mayoría de ellas instalaciones de pequeña escala instaladas en hogares. Aproximadamente el 75% de las instalaciones están ubicadas en Europa, la mayoría en España, Alemania e Italia. En la figura 4.2. aparece la distribución por países de las instalaciones de refrigeración solar en el año 2009. “Others” hace referencia un conjunto de países formado por Armenia, Australia, Bélgica, Dinamarca, Egipto, Japón, Kosovo, Malta, México, Países Bajos, Singapur, Sudáfrica, Suiza, Siria, Turquía, Reino Unido, Emiratos Árabes Unidos y EEUU. Una de las cosas más llamativas es la gran cantidad de instalaciones de pequeña escala que hay en España que triplica a la de los otros países. La razón principal es el boom que se generó en el año 2008 con la aparición de máquinas de pequeña escala de la mano de ROTARTICA. Figure 4.2. Repartición de las instalaciones de refrigeración solar en el año 2009. (Fuente: Agencia Internacional de la Energía, SHC Programme). Jose Antonio Vicente Soltero 132 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Aproximadamente, las instalaciones de pequeña escala representan el 65% del total y la mayoría de estas instalaciones están instaladas en edificios de oficinas y casas privadas mayoritariamente. Las instalaciones de gran escala en su mayoría se utilizan en Oficinas, residencias y hospitales. Hay que tener en cuenta que los datos que se muestran en el gráfico no están actualizados pero sirven para tener una visión global de la repartición de las instalaciones. Otro factor importante es el que afecta al tipo de tecnología que se utiliza en cada una de las instalaciones. Como se ha analizado en el capítulo 2, cada una de las tecnologías tiene ventajas e inconvenientes y su elección se ve afectada por factores muy variados, la localización, tipo de instalación, inversión, tamaño y uso del edificio entre otros. Pese a todos estos factores, hay una tecnología que domina claramente el mercado de la climatización solar y es la absorción. Esto se debe principalmente a nivel de madurez de esta tecnología y a su buen funcionamiento tanto en grande como en pequeña escala. Allouhi et al. (2014) hace un análisis de las instalaciones de refrigeración solar, proporcionando un gráfico, figura 4.3., de la distribución de las instalaciones según la tecnología. Como ya se ha mencionado, las instalaciones de absorción son mayoritarias (82%), seguidas de lejos por las de adsorción (11%). En último lugar están las instalaciones de desecante (7%), entre las que se pueden distinguir las de desecante sólido y desecante líquido. Dado el nivel de madurez de las instalaciones de desecante líquido, que actualmente se encuentran en investigación, su presencia en el porcentaje es mínima, por lo que prácticamente todas las instalaciones contabilizadas en desecante utilizan desecante sólido. Figura 4.3. Porcentaje de uso de las diferentes tecnologías de refrigeración solar. (Fuente: Allouhi et al. (2014)). Jose Antonio Vicente Soltero 133 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Otro factor importante en las instalaciones de climatización solar es la elección del tipo de captador solar. Si es verdad, como ya se explicó en el capítulo 2, que muchas veces la propia tecnología marca la elección de captador por la temperatura que necesita para funcionar, pero en la mayoría de las instalaciones la elección es bastante abierta. Por ejemplo, para una instalación de absorción de simple efecto, se podría elegir colectores de placa plana simple, colectores de placa plana con superficie selectiva, colectores de aire y captadores de tubo de vacío. La elección debe tomarse en función del clima, disposición de espacio para colocar los captadores, y presupuesto. Por ejemplo, con colectores de placa plana el coste económico sería menor pero también sería menor el nivel térmico que si se eligiese captadores más caros como los de tubo de vacío. En la figura 4.4. se tiene una representación del uso de los diferentes tipos de captadores en las instalaciones de refrigeración solar. La mayoría de las instalaciones que existen usan captadores de placa plana, los segundos captadores más utilizados son los de tubo de vacío. Aunque esta diferencia es grande lleva reduciéndose varios años y sigue haciéndolo gracias al abaratamiento que han sufrido los captadores de tubo de vacío. Le siguen los captadores de placa plana de alta eficiencia, que son captadores un poco más caros que los de placa plana pero consiguen una temperatura ligeramente superior. Por último los captadores menos utilizados en refrigeración solar son los captadores solares de aire y los CPC. Los captadores de aire tienen consiguen temperaturas demasiado bajas y al utilizar aire como primer fluido térmico pierden densidad térmica. Los CPC por el contrario consiguen temperaturas demasiado altas para la mayoría de las instalaciones además de tener un elevado precio, por lo que su uso se suele restringir a tecnologías en las que se requieren altas temperaturas, como la absorción de doble efecto. Captadores de placa plana
Captadores tubo de vacío
Captadores solares de aire
Captadores planos de alta eficiencia
Concentradores parabólicos compuestos (CPC)
3%
2%
7%
19%
69%
Figura 4.4. Colectores solares utilizados en instalaciones de refrigeración solar. (Fuente: Allouhi et al. (2014)). Jose Antonio Vicente Soltero 134 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción A continuación se mostrará una serie de instalaciones de refrigeración solar separadas en dos apartados, refrigeración por absorción y refrigeración por adsorción. Se aportarán los datos más importantes de cada una de ellas. La mayoría de las instalaciones son instalaciones de alta y mediana potencia. Esto se debe a la dificultad de conseguir datos económicos, medioambientales y técnicos de instalaciones de pequeña potencia instaladas en viviendas privadas. Jose Antonio Vicente Soltero 135 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Jose Antonio Vicente Soltero 136 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2. Instalaciones de sistemas por absorción 4.2.1. Oxford Gargens Retirement village, Woodstock.
Tipo de edificio: Residencia de ancianos Localidad: Woodstock, Ontario, Canadá. Año: 2010. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 105 kW. Modelo: Yazaki WFC‐5C30. COP: 0,6. Tipo de captadores: Captadores de tubo de vacío. NARVA 162 S‐power. Área de captación: 520 m2. Cobertura solar sobre el total: más del 40% de la carga en verano. Volumen de acumulación: Dos tanques de 450 litros. Figura 4.5. Oxford Gargens Retirement village. 1‐ Descripción La residencia está formada por más de 9.000 m2, 101 habitaciones individuales, piscina cubierta y numerosos espacios comunes. El consumo diario de agua ronda los 9.000 litros. El sistema de Jose Antonio Vicente Soltero 137 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigeración solar se añadió al sistema de 320 kW ya existente que cubría la demanda de frio del edificio. El sistema de refrigeración solar consta de un enfriador por absorción de 105 kW y de 162 captadores de tubos de vacío con un total de 520 m2 (figura 3.2). Es la instalación de refrigeración solar más grande de Canadá. El sistema cubre más del 40% de la carga de refrigeración en verano y se espera un aumento hasta más del 50% con unas modificaciones en el control que se han efectuado. Cuando el sistema de captación produce más energía de la necesaria para la refrigeración, la energía sobrante se emplea para calentar el agua de uso doméstico y la piscina cubierta. Esto aporta una gran reducción del consumo de gas natural del edificio. El sistema cubre también cubre más del 15% de la demanda de calefacción en invierno. Figura 4.6. Instalación de captadores de tubo de vacío. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Durante la primera temporada de frío la instalación consiguió ahorrar más de 50.000 kWh de electricidad. Pero se espera que en el año 2014 la instalación de refrigeración solar consiga un ahorro cercano a los 100.000 kWh de electricidad. Además, la instalación en los meses de verano, gracias a la energía sobrante, consigue una reducción del consumo de gas natural del 50%. 3‐ Datos económicos El coste de la instalación fue de aproximadamente 1 millón de dólares. Pero el sistema fue subvencionado tanto por Canadá, con una subvención de 143.333 dólares por ser una instalación de energía renovable, como por la provincia de Ontario, con otros 140.000 dólares. Por lo que el coste del proyecto descontando las subvenciones fue de unos 700.000 dólares. Jose Antonio Vicente Soltero 138 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.2. Hospital Moot, Pretoria.
Tipo de edificio: Hospital. Localidad: Pretoria, Sudáfrica. Año: 2009. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 35kW. Modelo: Yazaki WFC‐SC10. COP: 0,65. Tipo de captadores Tubos de vacío. Superficie de captación: 200 m2. Cobertura solar sobre el total: cerca del 50% de la demanda. Volumen de acumulación: Dos tanques de 6000 litros. Figura 4.7. Captadores solares Hospital Moot. 1‐ Descripción Es el primer sistema de refrigeración solar instalado en Sudáfrica. Con respecto a los sistemas instalados en la mayor parte de Europa, esta instalación tiene un COP ligeramente superior debido a la mayor irradiación y al mayor número de horas de sol que tiene Sudáfrica. Jose Antonio Vicente Soltero 139 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Los 52 captadores de vacío consiguen calentar el agua hasta cerca de los 100°C y es enviada hasta el sistema de almacenamiento, los dos tanques de 6000L, o directamente al enfriador por absorción, dependiendo de la demanda de refrigeración. El sistema de refrigeración por absorción está acompañado por un sistema de refrigeración convencional que se encarga de la refrigeración cuando la energía solar no es suficiente para la absorción. Al final del primer año de funcionamiento el aporte de la refrigeración solar fue cerca de un 45%. Este aporte ha ido aumentando en los años siguientes. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El primer año de funcionamiento se consiguió ahorrar un 60% de electricidad gracias a la refrigeración solar y también al aporte de agua caliente de los captadores. Este ahorro se ha conseguido incrementar año tras año hasta llegar a un ahorro cercano al 70%. 3‐ Datos económicos El coste de la instalación se estima que rondó los 600.000 Euros. No se tiene constancia de ayudas o subvenciones aportadas por el estado de Sudáfrica. Se espera que la instalación se aumente hasta los 150kW en los próximos años para poder hacer frente a la totalidad de la carga de refrigeración con el sistema de absorción. Jose Antonio Vicente Soltero 140 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.3. Desert Mountain Hight School, Arizona
Tipo de edificio: Escuela‐Educación. Localidad: Arizona, USA. Año: 2014. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 1750 kW. Modelo: Broad. COP: 0,7. Tipo de captadores: Captadores planos de alta eficiencia. Superficie de captación: 4865 m2. Cobertura solar sobre el total: 60‐70% durante el curso académico. Volumen de acumulación: 34.500 litros de acumulación. Figura 4.8. Desert Mountain Hight School, Arizona. 1‐ Descripción Esta es la instalación mayor instalación de refrigeración solar que existe actualmente en el mundo y fue diseñada por la empresa austriaca SOLID, líder en este tipo de instalaciones. El colegio está situado en una de las zonas más calientes y con más radiación de USA, pudiéndose alcanzar los 43 grados en verano. Durante el verano, cuando hay algunas zonas que no se usan y el sistema de refrigeración se limita a algunas zonas, el sistema de frío por absorción cubre el 100% de la demanda de refrigeración. Sin embargo durante el periodo escolar, es necesario el uso de un sistema de refrigeración tradicional para aportar toda la demanda de refrigeración. Jose Antonio Vicente Soltero 141 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Los 4.865 m2 de captadores solares, situados tanto en la cubierta de los edificios como en los aparcamientos, calienta el agua hasta los 80°C. Después la máquina de Broad de 1750 kW se encarga de producir el frío. También existe una torre de refrigeración de 4.250 kW necesaria para evacuar el calor producido en la absorción. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El sistema de absorción aporta un ahorro del 60‐70% de la electricidad total consumida en el colegio. Esto equivale aproximadamente a 1,9 millones de dólares a los 10 años. Además el sistema proporciona parte de la energía necesaria para calentar el ACS por lo que se consigue también un ahorro de gas natural considerable. 3‐ Datos económicos El coste de toda la instalación asciende a unos 8 millones de Euros. La instalación ha sido financiada en gran parte por el estado de Arizona y el resto por el sector privado. La subvención está sujeta a una condición, se analizará la energía producida después de 10 años y ésta debe superar un valor estimado suponiendo cierto rendimiento de la instalación. Así se asegura que la subvención solo se mantiene si el rendimiento de la instalación es bueno. Jose Antonio Vicente Soltero 142 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.4. United World College, Singapur.
Tipo de edificio: Colegio/Residencia. Localidad: Singapur. Año: 2011. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 1500 kW. Modelo: Phoenix. COP: 0,68. Tipo de captadores: Captadores planos de alta eficiencia. Superficie de captación: 3900 m2. Cobertura solar sobre el total: 100% del ACS y 30‐60% de la refrigeración. Volumen de acumulación: Dos tanques de 30.000 litros. Figura 4.9. United World College, Singapur. 1‐ Descripción El colegio United World College posee un campus de 76.000 m2, 4 edificios y aproximadamente 2700 alumnos, muchos de ellos internos. El colegio se diseñó pensando en la eficiencia y las energías renovables. La empresa austriaca SOLID se encargó del diseño de la instalación solar. En su momento fue la mayor planta de refrigeración solar del mundo y actualmente solo es superada por la instalación de Desert Mountain Hight School, Arizona. Jose Antonio Vicente Soltero 143 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Esta instalación es muy característica, debido a que combina de manera muy eficiente el aire acondicionado y el agua caliente sanitaria, ambos impulsados por la energía que se obtiene en los captadores solares. El sistema puede cubrir el 100% de la demanda de agua caliente sanitaria y aportar una parte importante de la carga de refrigeración del campus. Un sistema de refrigeración tradicional se encarga de completar la demanda de refrigeración. Los 3900 m2 de captadores planos de alta eficiencia tipo Gluatmugl HT (que poseen una eficiencia superior) calientan el agua hasta cerca de los 95°C. El agua caliente es enviada al tanque de almacenamiento y después de esto, gracias a un complejo sistema de control y regulación, el agua caliente es enviada a la instalación de ACS, a la máquina de absorción o a ambas, dependiendo de las necesidades de ese momento. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales La instalación existente en el United World College asegura un gran ahorro tanto de electricidad como de Gas Natural. El gasto de Gas Natural para el ACS se reduce al mínimo, ya que esa energía es aportada por la energía solar cuando hay suficiente radiación. Por otro lado, el consumo eléctrico por climatización supone el 60‐75% del consumo eléctrico de un edificio en climas cálidos. Gracias al sistema de absorción, dependiendo de la época del año y de la energía disponible, se consigue ahorrar más del 40% del consumo eléctrico en determinadas épocas del año. 3‐ Datos económicos El coste total de la instalación ronda los 6 millones de Euros. Una parte de ese coste fue financiado por subvenciones propias de Singapur pero la gran parte fue financiada por dos bancos Austriacos RLB‐Stmk y OeKB. Jose Antonio Vicente Soltero 144 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.5. Caixa Geral de Depositos, Lisboa.
Tipo de edificio: Banco público. Localidad: Lisboa, Portugal. Año: 2009. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 545 kW. Modelo: Bingshan. COP: Sin datos. Tipo de captadores: Captadores planos de alta eficiencia. Superficie de captación: 1600 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Dos tanques de 10.000 litros. Figura 4.10. Caixa Geral de Depositos, Lisboa. 1‐ Descripción El edificio central de la Caixa Geral de Depositos está situado en Lisboa, tiene 17 plantas y un espacio de oficinas de unos 100.000 m2 donde trabajan cerca de 6.000 personas. Este edificio Jose Antonio Vicente Soltero 145 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción tiene una de las mayores instalaciones solares de Europa que se encarga de aportar energía para ACS, calentamiento y refrigeración. Los 1600 m2 de captadores solares planos fabricados por Okotech ocupan casi por totalidad la cubierta del edificio. Estos se encargan de calentar el agua hasta los 85°C. La energía obtenida se emplea, como ya se ha comentado para ACS y climatización. Anualmente se consigue aportar mediante la energía solar un 45% del ACS y cerca de un 15% de la climatización del edificio gracias a la máquina de absorción de 545 kW. Figura 4.11. Paneles solares en la cubierta del edificio Caixa Geral de Depositos. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Gracias a la energía aportada por la instalación se ha conseguido ahorrar más de 1,3 millones de KWh de electricidad al año, lo que equivale a unos 200.000€ cada año. Además evita la emisión de 900 toneladas de CO2 por año aproximadamente. 3‐ Datos económicos La inversión total de la instalación rondó los 1.4 millones de euros. Se estima que el gasto de mantenimiento asociado a la instalación será de 6000 euros por año. Según estudios realizados por el propio banco, se estima un payback o periodo de retorno de 11 años. Jose Antonio Vicente Soltero 146 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.6. Edificio Fundación de Inditex Arteixo, A Coruña
Tipo de edificio: Oficinas y Almacén. Localidad: A Coruña, España. Año: 2004. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 170 kW. Modelo: Carrier 16JB014. COP: 0,6. Tipo de captadores: Captadores planos de superficie selectiva. Superficie de captación: 1620 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Dos tanques de 30.000 litros. Figura 4.12. Edificio Inditex, Arteixo. 1‐ Descripción Este edificio está dedicado principalmente a oficinas y una parte a almacén. El edificio está compuesto por dos plantas de 10.000 m2 cada una. La palta superior se dedica al diseño de Jose Antonio Vicente Soltero 147 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción todo lo referente a Zara. La planta baja, la componen oficinas principalmente. En total unos 500 trabajadores ocupan el edificio todos los días. Inicialmente el sistema tenía dos bombas de calor y una enfriadora (eléctricas) que garantizaba ACS a 55°C y refrigeración. Con la instalación solar que se implantó, compuesta por los captadores y la máquina de absorción se consigue una importante reducción del consumo energético. Cuando el agua que está en los tanques supera los 55°C ya está disponible para ser enviada al colector de ACS. En verano, donde la demanda de agua caliente es mucho menor, cuando en los tanques se superan los 80°C, se envía el agua a la máquina de absorción, por lo que la enfriadora trabaja con una carga menor produciéndose un ahorro eléctrico. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Mediante la instalación se ahorra un total de 565.060 kWh al año, lo que supone cerca del 20% del consumo eléctrico total del edificio. En consecuencia de este ahorro, se consigue una reducción de las emisiones de CO2, en este caso de 250 toneladas al año. 3‐ Datos económicos El coste total de inversión fue de 900.000 euros. Estuvo sujeta a importantes subvenciones tanto de la Consellería de Industria y Comercio de la Xunta de Galicia (100.000€) como por el IDAE (300.000€). Jose Antonio Vicente Soltero 148 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.7. Oficinas de ESAB, Dubái.
Tipo de edificio: Oficinas. Localidad: Dubái, Emiratos Árabes Unidos. Año: 2010. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 6 máquinas de 10 kW cada una. Modelo: ClimateWell 10. COP: 0,63. Tipo de captadores: Captadores de tubo de vacío. Superficie de captación: 200 m2. Cobertura solar sobre el total: Varía entre el 30‐100% de la carga de refrigeración. Volumen de acumulación: Sin datos. Figura 4.13. Cubierta del edificio de oficinas de ESAB. 1‐ Descripción ESAB, proveedor mundial de productos de soldadura, impulsó la instalación de climatización solar en una de sus oficinas de Dubái. El edificio tiene una superficie de 6.000 m2 y el sistema de refrigeración solar instalado consta de 6 máquinas CLimateWell de pequeño tamaño (10 W) además de un campo de captadores de tubo de vacío de 200 m2. Jose Antonio Vicente Soltero 149 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción La energía que aporta el sistema ClimateWell es distribuida por todo el edificio mediante un novedoso sistema de distribución denominado Hollow Core Slab. Este sistema distribuye el aire enfriado por la absorción a través de conductos alojados en las losas de hormigón, siendo esta energía aportada directamente al edificio. Este sistema de distribución reduce significativamente el consumo del edificio. Dependiendo de la radiación disponible y la demanda de refrigeración el sistema de absorción puede cubrir entre el 30 y el 100% de la demanda de refrigeración. Como media anual, el sistema de refrigeración solar aporta el 50% de la carga de refrigeración. El edificio y la instalación solar han sido galardonados con numerosos premios debido a su enorme eficiencia, como el premio a “Mejor edificio verde de Oriente Medio” por Construction Weekly en 2010 o la certificación LEED Platinum de Green Building. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Con este sistema se consigue reducir los costes energéticos de la refrigeración en un 65%. Concretamente el consumo eléctrico se redujo en 900.000 kWh al año además de una reducción de emisiones de CO2 de 100 toneladas al año. 3‐ Datos económicos El coste total de la instalación fue de aproximadamente 900.000 euros que fue financiado exclusivamente por fuentes privadas. Jose Antonio Vicente Soltero 150 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.8. Hospital público de Echuca
Tipo de edificio: Hospital. Localidad: Echuca, Victoria, Australia. Año: 2010. Tecnología de refrigeración: Absorción simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 500 kW. Modelo: Broad. COP: 0,68. Tipo de captadores: Captadores tubo de vacío. Superficie de captación: 300 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Un tanque de 10.000 litros. Figura 4.14. Hospital de Echuca. 1‐ Descripción Este proyecto fue promovido por las autoridades Australianas dentro del marco de eficiencia energética y energías renovables. El diseño fue elaborado por la empresa de ingeniería WSP Lincolne Scott. Parte del sistema de refrigeración tradicional fue sustituido por la instalación de Jose Antonio Vicente Soltero 151 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigeración solar que se encarga de proporcionar refrigeración a 3 plantas del hospital de Echuca. Los 300 m2 de captadores de tubo de vacío, suministrados por la empresa Greenland System´s, se encargan de suministrar la energía necesaria para la máquina de absorción, consiguiendo temperaturas del agua de casi 100°C. Esa agua llega a la máquina de absorción de Broad (500 kW) que produce agua fría a 6‐7°C que se emplea para la refrigeración de las tres plantas mencionadas, incluyendo quirófanos, salas de espera, habitaciones y consultas. El resto del edificio es refrigerado por un sistema de compresión tradicional. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El sistema de refrigeración solar ha conseguido disminuir un 15% el consumo pico de electricidad. Anualmente este ahorro se traduce en cerca de 100.000$. Además se han reducido las emisiones de gases de efecto invernadero en 300 toneladas de CO2 equivalente por año. 3‐ Datos económicos El coste total del proyecto, que incluyó el reemplazamiento del sistema de refrigeración tradicional por la máquina de absorción y la instalación de los colectores solares, ascendió a 2.191.000 dólares. El estado de Victoria subvencionó parte de la inversión, aportando 445.000 dólares. Jose Antonio Vicente Soltero 152 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.9. Fábrica de ISOFOTON, Málaga.
Tipo de edificio: Fábrica/Oficinas. Localidad: Málaga, España. Año: 2006. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 35 kW. Modelo: Yazaki WFC SC10. COP: 0,67. Tipo de captadores: Captadores tubo de vacío. Superficie de captación: 200 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Dos tanques de 5.000 litros. Figura 4.15. Edificio de oficinas de ISOFOTON, Málaga. 1‐ Descripción El complejo que se construyó en 2006 alberga la nueva fábrica, almacenes, zona de I+D y el edificio destinado a oficinas. Este edificio cuenta con una instalación de energía solar fotovoltaica y térmica que alimenta a una máquina de absorción que se encarga de refrigerar una de las plantas. Jose Antonio Vicente Soltero 153 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Los captadores solares de tubo de vacío, fabricados por la propia empresa ISOFOTON y situados en la cubierta, alimentan dos tanques de 5.000 litros cada uno. Son muchos metros de captadores para una máquina de absorción de solo 35 kW. Esto es debido a que los captadores también aportan la energía necesaria para la demanda de ACS del edificio. Uno de los tanques está conectado a la instalación del agua y el otro a la de refrigeración solar. Cuando la temperatura del tanque de la instalación de agua supera los 55°C ya se puede emplear para al sistema de agua caliente. Para alimentar a la máquina de absorción de Yazaki la temperatura de los tanques tiene que superar los 85°C. A parte de la instalación de captación solar, el edificio tiene 1364 módulos fotovoltaicos que proporcionan una potencia aproximada de 85 kWp. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales La máquina de absorción es de pequeña potencia en comparación con la superficie del edificio y por lo tanto no tiene un gran impacto en la factura eléctrica. El mayor ahorro se produce en el sistema de ACS, evitando el consumo de Gas Natural o cualquier otro combustible en la caldera. Se evita la emisión de unas 200 toneladas de CO2 equivalentes por año. 3‐ Datos económicos No se tienen los datos del coste exclusivo de la instalación solar debido a que formó parte de la construcción de las nuevas instalaciones de la empresa. La superficie total de las instalaciones rondan los 28.000 m2 donde se incluyen la fábrica, almacenes oficinas, etc. La inversión total para la construcción de las nuevas instalaciones fue de 54 millones de euros. Jose Antonio Vicente Soltero 154 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.10. Hotel Rethimno Village, Creta.
Tipo de edificio: Hotel. Localidad: Creta, Grecia. Año: 2001. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 105 kW. Modelo: Sin datos. COP: Sin datos. Tipo de captadores: Captadores de placa plana. Superficie de captación: 448 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Dos tanques de 10.000 litros. Figura 4.16. Hotel Rethimno Village, Creta. 1‐ Descripción El hotel Rethimno Village se encuentra en la localidad de Rethimno perteneciente a la isla griega de Creta. Aloja principalmente turistas, dispone de 170 habitaciones y una superficie aproximada de 3.000 m2. El diseño de la instalación de refrigeración solar es obra de SOLE S.A. Jose Antonio Vicente Soltero 155 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El sistema está compuesto por 448 m2 de colectores de placa plana selectiva que se encargan de alimentar la máquina de absorción. Además dispone de 200 m2 de colectores de polipropileno para calentar una piscina. Los colectores suministran agua caliente a una temperatura aproximada de 75°C, el agua le llega a la máquina de absorción que produce agua a una temperatura de entre 8 y 10°C. La potencia útil de la máquina es de 105 kW. En el sistema además existe una caldera de 600 kW que sustituye al campo de colectores los días nublados o cuando se requiera y no se disponga de energía solar necesaria. El proyecto fue galardonado en 2001 por el CRES (Centro de Recursos de Energía Renovables) de Grecia como mejor inversión de ahorro de energía del país. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales La cobertura de la refrigeración solar en el edificio es del 43%. Con el sistema se consigue ahorrar aproximadamente 200.000 Kwh cada año lo que equivale a más de 35.000 € anuales. Respecto a los beneficios medioambientales, gracias a la refrigeración solar se evita la emisión de más de 100 tonelada de CO2 equivalente por año. 3‐ Datos económicos El coste total de la inversión fue de 264.123 euros. El proyecto fue financiado hasta un 50% por el programa Nacional para la Energía (del Ministerio de Desarrollo griego). Jose Antonio Vicente Soltero 156 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.11. Centro de Energía Solar de Gurgaon, India.
Tipo de edificio: Oficinas. Localidad: Gurgaon, Haryana, India. Año: 2011. Tecnología de refrigeración: Absorción de triple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 100 kW. Modelo: Thermax. COP: 1,6 – 1,75. Tipo de captadores: Captadores cilindro‐parabólicos. Superficie de captación: 288 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Sin datos. Figura 4.17. Captadores solares del SEC, Gurgaon. 1‐ Descripción La empresa Thermax, además de proporcionar la máquina se encargó del diseño de la instalación en el Centro de Energía Solar (SEC) en Gurgaon, India. Jose Antonio Vicente Soltero 157 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Es un proyecto de investigación y demostración y es el primero en incluir una máquina de triple efecto en un sistema de refrigeración solar. La instalación de 100 kW se encarga de refrigerar unas 13 habitaciones y salas del SEC que tienen un porcentaje de uso elevado. Los captadores solares necesitan proporcionar el fluido térmico (en este caso vapor) a unas temperaturas muy elevadas para que la máquina pueda funcionar con rendimientos aceptables. Debido a esto, se eligieron captadores cilindro‐parabólicos que proporcionan el vapor a una temperatura de entre 140 y 210°C. Por si la radiación solar no es suficiente existe una caldera de keroseno que se encarga de asegurarse que la temperatura del vapor es óptima. La máquina tiene el COP más alto del mercado, superior a 1,35. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El proyecto ha intentado demostrar la validez de este tipo de máquina de triple efecto en la refrigeración solar. Se han conseguido una importante reducción del espacio necesario para la refrigeración, cercana al 30 %. Además sujeto al obvio aumento del rendimiento por ser una máquina de tripe efecto. 3‐ Datos económicos Aunque el sistema funciona de manera óptima, el coste de la instalación es mucho mayor que la de una instalación del mismo tamaño pero con una máquina de absorción de simple efecto. Este importante aumento de la inversión necesaria se debe a que el coste de los captadores cilindro‐parabólicos es mucho más elevado que el de los captadores planos o los captadores de tubo de vacío. Además el precio de una máquina de triple efecto es también muy superior al de la máquina correspondiente de simple efecto. El aumento de la inversión con respecto a un sistema de simple efecto puede superar el 50%. Jose Antonio Vicente Soltero 158 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.12. Metro Cash & Carry, Roma.
Tipo de edificio: Tienda. Localidad: Roma, Italia Año: 2008. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 700 kW. Modelo: Carrier Corporation. COP: 0,65. Tipo de captadores: Captadores plano de alta eficiencia. Superficie de captación: 3.000 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: dos tanques de 15.000 litros. Figura 4.18. Cubierta del Metro Cash & Carry de Roma. 1‐ Descripción Metro Cash & Carry es una cadena de tiendas presente en la mayoría de países de Europa. En 2008 se inauguró la primera tienda con refrigeración solar de la cadena y además una de las más grandes de Europa. La instalación en Roma forma parte del proyecto de la Jose Antonio Vicente Soltero 159 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción franquicia “Energy Saving Today”, que tiene como principal objetivo reducir el consumo de energía de sus tiendas y la emisión de CO2. La instalación posee 3.000 m2 de captadores planos, proporcionados por el grupo italiano Riello, en la cubierta de la tienda. Los captadores alimentan la máquina de absorción de 700 kW del grupo Carrier, que se encarga de producir agua a unos 8‐10 °C. La instalación fue diseñada por la empresa de ingeniería británica AP y además tiene 2 tanques de 15.000 litros y una torre de enfriamiento de más 900 kW. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Con la instalación del sistema de refrigeración solar se consigue reducir el consumo global de electricidad de la tienda en un 12% y se evita la emisión de más de 800 toneladas de CO2 equivalente cada año. 3‐ Datos económicos El coste de la instalación superó los 1.7 millones de euros. Una parte, en torno al 35%, fue subvencionada por el plan de la UE por el ahorro energético. Jose Antonio Vicente Soltero 160 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.13. Oficinas de Digicel, Kingston.
Tipo de edificio: Oficinas. Localidad: Kingston, Jamaica. Año: 2012. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 600 kW. Modelo: Broad. COP: Sin datos. Tipo de captadores: Captadores planos “Gluatmugl HT”. Superficie de captación: 982 m2. Cobertura solar sobre el total: La demanda base de refrigeración, en torno al 50%. Volumen de acumulación: Dos tanques de 5.500 litros. Figura 4.19. Cubierta del edificio de oficinas de Digicel, Kingston. 1‐ Descripción Con la construcción del nuevo edificio de oficinas de la empresa de telecomunicaciones Digicel se optó por una apuesta por la eficiencia energética y la reducción de consumo eléctrico. El Jose Antonio Vicente Soltero 161 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción diseño del sistema de climatización solar fue realizado por la empresa S.O.L.I.D.. Fue el primer proyecto de esta empresa austriaca en la zona. El edificio consta de 11 plantas con una superficie total de 13.685 m2 que se dividen principalmente en tres zonas, las zonas de oficinas, las de comedor y cafetería y por último las zonas auxiliares. Además del sistema de refrigeración solar por absorción, también están instalados un sistema fotovoltaico con más de 300 m2 de paneles y una turbina de viento. El sistema de climatización se compone por 982 m2 de captadores planos del tipo Gluatmugl HT, que tienen un rendimiento mayor que los captadores planos convencionales. Están instalados con una inclinación de 20° en la cubierta del edificio. La máquina de absorción de simple efecto se instaló pensando también en que al cabo de unos años se pudiera implementar con un sistema de cogeneración que pudiera ser instalado. Los paneles solares alimentan a al enfriador con agua a unos 80°C y esta genera agua a menos de 10°C. El sistema de frío solar cubre la demanda base de refrigeración, mientras que el resto se consigue con un sistema de refrigeración convencional de refrigeración. Ambos enfriadores alimentan en paralelo al sistema de distribución centralizada de agua fría. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Con el sistema tanto de refrigeración solar como fotovoltaico se consiguen ahorrar cerca de 950 MWh cada año lo que equivale a unos 200.000 dólares. Con la respectiva reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, de aproximadamente 600 toneladas de CO2 equivalentes cada año. 3‐ Datos económicos La inversión total del sistema rondó los 3 millones de dólares, según estudios de la propia empresa el periodo de recuperación será unos 11 o 12 años. Jose Antonio Vicente Soltero 162 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.14. Centro de Innovación Empresarial, Trento.
Tipo de edificio: oficinas. Localidad: Pergine, Trento, Italia. Año: 2004. Tecnología de refrigeración: Absorción simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 108 kW. Modelo: Yazaki WFC‐5C30. COP: 0,65. Tipo de captadores: Captadores planos con superficie selectiva. Superficie de captación: 265 m2. Cobertura solar sobre el total: Una media anual del 70% de la carga de refrigeración. Volumen de acumulación: Dos tanques de 2.000 litros cada uno. Figura 4.20. Captadores solares en la cubierta del edificio, Trento. 1‐ Descripción El edificio se encuentra en el área industrial en desarrollo del municipio de Pergine, a 11 kilómetros de Trento. El Centro de Innovación Empresarial es un edificio de dos plantas de reciente construcción con 9.815 m2 de superficie. Jose Antonio Vicente Soltero 163 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El edificio consta de 265 m2 de captadores solares, fabricados por SOLEL SunPro, que proporcionan el agua caliente para la refrigeración por absorción, aunque si la demanda es baja o nula, la energía sobrante se destina al calentamiento del ACS del edificio. Los captadores suministran agua a unos 90°C a la máquina de absorción de 108 kW que se encarga de producir agua a menos de 10 grados. En verano la carga simultánea máxima es de 170 kW por lo que fue necesaria la instalación de una máquina de refrigeración convencional. La máquina de refrigeración por compresión mecánica que se instaló fue de 120 kW, por lo que entre ambas máquinas pueden alcanzar 228 kW, con un margen de 54 kW (38%) para la carga máxima en verano. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales La instalación, incluyendo tanto los meses de invierno como los de verano, ahorra al año 120,5 MWh de energía eléctrica, gracias tanto a la refrigeración por absorción en verano como al aporte de energía de los captadores solares al sistema de ACS y a la contribución de éstos en la calefacción en invierno. Se consigue además una reducción de unas 100 toneladas de CO2 equivalentes. 3‐ Datos económicos El coste total de la inversión fue de 540.000 euros. La mayoría del dinero vino de fuentes privadas aunque el proyecto estuvo también subvencionado por la provincia de Trento que cofinanció el 32% de los costes totales de la planta. Jose Antonio Vicente Soltero 164 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.15. Edificio de oficinas de la empresa Ott & Spiess, Langenau.
Tipo de edificio: Oficinas. Localidad: Langenau, Alemania. Año: 1997. Tecnología de refrigeración: Absorción simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 35 kW. Modelo: Sin datos. COP: 0,57. Tipo de captadores: Tubos de vacío flujo directo. Superficie de captación: 45 m2. Cobertura solar sobre el total: 10% de la demanda de refrigeración. Volumen de acumulación: un tanque de 2.000 litros. Figura 4.21. Oficinas de Ott & Spiess, Langenau. 1‐ Descripción El edificio de la empresa Ott & Spiess se instaló un equipo de absorción para contribuir en la cubrir la demanda de refrigeración del edificio. La máquina de absorción se encarga de la refrigeración de una zona del edificio de 415 m2 que se consigue mediante techos fríos y un Jose Antonio Vicente Soltero 165 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción sistema de ventilación. La máquina de absorción se encuentra en un área parcialmente acristalada para que sea visitada por las personas interesadas en el sistema. El sistema de colectores proporciona calor tanto para la máquina de absorción en la temporada estival como para la calefacción durante el invierno. En caso de que la temperatura proporcionada por los captadores sea, una planta de cogeneración (potencia térmica 19,5 kW, eléctrica 9 kW) suministra el calor adicional. Si aun así no es suficiente, arranca un quemador de gas de 50 kW. El agua fría producida se suministra al sistema de techos fríos y al sistema de ventilación a una temperatura de 13°C. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El sistema de refrigeración aporta en torno al 10% de la carga total del edificio. Debido a la limitada potencia de la planta de cogeneración, la energía térmica de la unidad no entra en conflicto con las ganancias del sistema solar. Con este diseño se puede conseguir una gran utilización tanto del sistema solar térmico como de la planta de cogeneración, evitando los picos de consumo de electricidad durante el verano. 3‐ Datos económicos El coste total de la inversión incluyendo los techos fríos y el suelo radiante fue de 285.000 €. El proyecto contó con la ayuda del Ministerio Federal de Educación e Investigación. Jose Antonio Vicente Soltero 166 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.16. Sheikh Zayed Desert Learning Center, Abu Dhabi.
Tipo de edificio: Museo. Localidad: Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos. Año: 2012. Tecnología de refrigeración: Absorción de simple efecto (LiBr‐H2O). Capacidad de refrigeración: 400 kW. Modelo: Sin datos. COP: Sin datos. Tipo de captadores: Captadores planos de alta eficiencia. Superficie de captación: 1134 m2. Cobertura solar sobre el total: 20 – 25 % de la carga total. Volumen de acumulación: Dos tanques de 13.000 litros. Figura 4.22. Sheikh Zayed Desert Learning Center, Abu Dhabi. 1‐ Descripción El edificio Sheikh Zayed forma parte de un gran proyecto turístico sostenible que se está construyendo en Abu Dhabi, 400 hectáreas de superficie en la que se incluyen hoteles, safaris, áreas residenciales, etc. Este edificio es un centro de aprendizaje, funcionará como un museo y un lugar donde aprender sobre el desierto, su clima y biodiversidad y se prevé que atraiga a Jose Antonio Vicente Soltero 167 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción más de 1.600 visitantes por hora. El edificio es pionero, tanto en su diseño como en su reducido impacto al medio ambiente. Sheikh Zayed Desert Leraning Center es uno de los edificios de gran tamaño más autosuficientes (14.000 m2), gracias a las sistemas pasivos para aprovechar la ganancia solar, captadores solares, los paneles fotovoltaicos puede cubrir más del 80% de la demanda de energía además se han aplicado importantes sistemas de ahorro de agua y de energía. El edificio ha sido galardonado en el programa LEED ( Leadership in Energy and Enviromental Design) de USA con el LEED Platinum Standard además de otros premios nacionales. Figura 4.23. Cubierta del edificio Sheikh Zayed Desert. Los más de 1100 m2 de captadores solares proporcionan agua a una temperatura de 90°C, que es almacenada en dos tanques de 13.000 litros cada uno y cuando es necesario se envía el agua a la máquina de absorción o bien al sistema de ACS. La máquina de absorción produce agua caliente a unos 15°C que es bombeada al sistema de distribución. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El consumo total del Sheikh Zayed Desert Leraning Center es un 40% menor que cualquier edificio convencional de su tamaño. Una de las causas es la refrigeración solar, que permite ahorrar energía eléctrica y disminuir las emisiones de CO2. Además el consumo de agua es un 80% menor gracias a los sistemas de ahorro y aprovechamiento del agua que se han utilizado en el edificio. 3‐ Datos económicos El coste total del edificio ascendió a 56 millones de euros. No se tiene constancia del coste exclusivo de sistema de frio solar (captadores + sistema de refrigeración por absorción).
Jose Antonio Vicente Soltero 168 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.2.17. Escuela Superior de Ingeniería, Sevilla
Tipo de edificio: Universidad. Localidad: Sevilla, España. Año: 2008. Tecnología de refrigeración: Absorción de doble efecto. Capacidad de refrigeración: 175 kW. Modelo: Broad BZH15. COP: 1,15. Tipo de captadores: Concentradores lineales de Fresnel. Superficie de captación: 352 m2. Cobertura solar sobre el total: Sin datos. Volumen de acumulación: Sin datos. Figura 4.24. Concentradores lineales de Fresnel en la cubierta de la ESI. 1‐ Descripción La Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla cuenta en la actualidad con cerca de 6.000 alumnos y 400 profesores. En el año 2008 la compañía energética Gas Natural puso en marcha una instalación piloto de refrigeración solar en colaboración con la Escuela Técnica Superior de Ingenieros y con la financiación de Corporación Tecnológica de Andalucía. Jose Antonio Vicente Soltero 169 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El objetivo principal de esta infraestructura, la primera de Europa con concentradores Fresnel y una máquina de absorción de doble efecto, fue la de disponer de una herramienta de estudio que permita establecer los parámetros técnicos, económicos y medioambientales del diseño de este tipo de instalaciones. Además de disponer una instalación de referencia que pueda demostrar la viabilidad técnica de esta aplicación. El edificio cuenta en la cubierta con 352 m2 de concentradores lineales de Fresnel que aprovechando la radiación solar calientan un caudal de 12 m3/h de agua hasta una temperatura objetivo de 180°C. Si la temperatura excede de los 190°C todos los espejos son dirigidos hacia abajo por el sistema de control debido a razones de seguridad. El fluido caloportador es enviado a la máquina de absorción de doble efecto que tiene una capacidad nominal de 174 kW con un COP nominal de 1.34. No obstante la media diaria de la capacidad de refrigeración en un día normal de funcionamiento es de 135 kW (77% de la capacidad total) con un COP medio de 1.1 ‐ 1.25. La fracción solar media es de 0,75 pero cuando la planta funciona en un día nublado, el consumo de gas se incrementa hasta el 60% de la energía necesaria en el generador 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Durante un día de funcionamiento normal, la energía media diaria que es necesario aportar al generador de la máquina es 950 kWh. De los cuales, el 25% es aportado po la caldera de GN (250 kWh) y el resto es aportado por os captadores solares (700 kWh). La instalación de captadores solares permite que los 700 kWh diarios no se produzcan en la caldera, evitándose la emisión de unas 60 toneladas de CO2 al año. 3‐ Datos económicos El coste de la instalación rondó los 700.000 euros incluyendo los materiales y la instalación de estos. El elemento más costoso fue el campo de captadores que superó los 300.000 euros. Jose Antonio Vicente Soltero 170 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.3. Instalaciones de sistemas por adsorción 4.3.1. Hospital Universitario de Friburgo, Friburgo.
Tipo de edificio: laboratorios. Localidad: Friburgo, Alemania. Año: 1999. Tecnología de refrigeración: Adsorción. Capacidad de refrigeración: 70 kW. Modelo: Nishiyodo NAK 20/70. COP: 0,6. Tipo de captadores: Tubos de vacio. Superficie de captación: 230 m2. Cobertura solar sobre el total: 32% de la demanda de refrigeración. Volumen de acumulación: 6.000 litros. Figura 4.25. Captadores solares en la cubierta del Hospital de Friburgo. 1‐ Descripción Jose Antonio Vicente Soltero 171 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En el hospital de la Universidad de Friburgo se gestionan varias instalaciones de laboratorios. En uno de estos laboratorios hay instalado un sistema de refrigeración solar por adsorción. El área total refrigerada del edificio es de aproximadamente 360 m2. Hay dos sistemas de ventilación de caudal variable que emplean intercambiadores de flujo cruzado para intercambiar energía. En época calurosa, el aire se enfría con el agua fría que proporciona la máquina de adsorción pudiendo alcanzar el aire una temperatura de 18°C. Los 230 metros cuadrados de captadores solares proporcionan calor para la máquina de absorción en la estación estival y en invierno para calentar la renovación del aire. Además incorpora un depósito de 6.000 litros para agua caliente. Si la temperatura del depósito es menor que la necesaria, el calor necesario lo proporciona la red de vapor del hospital. Según las medidas tomadas en 2002, el rendimiento de la máquina en los días de verano estaba en torno a los 0,6. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Con este concepto de sistema en el que se utiliza de manera constante la red de vapor que existe en el hospital se reducen las cargas máximas tanto en los consumos de vapor como en la electricidad en los periodos de máxima carga de refrigeración que coinciden con las máximas ganancias de los captadores solares. 3‐ Datos económicos El coste total de la inversión del sistema alcanzó 352.000 euros en 1999 sin contar con los costes de monitorización. El proyecto contó con la ayuda del Ministerio Federal de Economía y Trabajo y de la empresa Sulzer Infra. La ayuda conjunta fue de 262.000 euros. A parte se conoce que el coste anual de explotación y mantenimiento asciende a 12.000 euros. Jose Antonio Vicente Soltero 172 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.3.2. Edificios Grupo Sarantis S.A., Viotia.
Edificios Grupo Sarantis S.A., Viotia. Tipo de edificio: oficina y almacén. Localidad: Viotia, Grecia. Año: 1999. Tecnología de refrigeración: Adsorción. Capacidad de refrigeración: Dos máquinas de 350 kW. Modelo: Sin datos. COP: 0,6. Tipo de captadores: Captadores de placa plana. Superficie de captación: 2.700 m2. Cobertura solar sobre el total: 66% de la demanda de refrigeración. Volumen de acumulación: Sin datos. Figura 4.26. Superficie de captación del Gr Sarantis, Viotia. 1‐ Descripción El proyecto se denominó “PHOTONIO” y engloba la instalación de un sistema de aire acondicionado centralizado que utiliza la energía solar para calentar o enfriar los nuevos edificios de la empresa. Jose Antonio Vicente Soltero 173 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El espacio climatizado tiene un área de 22.000 m2 y para captar la energía solar se instaló 2.700 m2 de colectores de placa lana selectiva por la empresa SOLE, S.A. Para enfriar este espacio se necesitan unos 2.700 MWh. Los colectores solares suministran a dos máquinas de adsorción de 350 kW agua entre 70 y 75°C y estas máquinas producen agua a 10°C. Figura 4.27. Máquinas de adsorción de 350 kW del sistema. Además se instalaron tres máquinas de 350 kW de aire acondicionado convencionales para cubrir toda la demanda. En invierno los captadores alimentan directamente a los fancoils que hay en el edificio, cuando la energía no es suficiente se utiliza una caldera que proporciona la energía restante necesaria. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Durante el año 2001 se evaluó el comportamiento de la instalación y se observó que la producción de energía solar fue de 1.719 MWh de los cuales 1.090 MWh fueron en refrigeración y 629 MWh en calefacción. Lo que hace que la cobertura solar sea del 66%. Este ahorro en energía eléctrica también supone una gran reducción de las emisiones de CO2. En el caso del grupo Sarantis se evita la emisión de aproximadamente 2.000 toneladas al año. 3‐ Datos económicos El coste total de la inversión ascendió a 1,3 millones de euros, siendo el 50% financiado por el Programa Nacional para la Energía (del Ministerio griego de Desarrollo). El proyecto recibió el galardón “Premio Mundial a la Energía en 2001” por ser la tercera mejor inversión mundial de energía sostenible. Jose Antonio Vicente Soltero 174 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.3.3. Proyecto MEDICOOL en almacén del grupo HEFAME
Tipo de edificio: Almacén farmacéutico. Localidad: Santomera, Murcia, España. Año: 2014. Tecnología de refrigeración: Adsorción. Capacidad de refrigeración: 1210 kW. Modelo: Sin datos. COP: 0,6. Tipo de captadores: Captadores tubo de vacío. Superficie de captación: 3600 m2. Cobertura solar sobre el total: Puede llegar al 100% de la carga de refrigeración. Volumen de acumulación: Sin datos. Figura 4.28. Almacén del grupo HEFAME, Murcia. 1‐ Descripción Medicool es un proyecto financiado por el programa LIFE. Se trata de una colaboración público‐
privada entre la Hermandad Farmacéutica del Mediterráneo (HEFAME), la Consejería de Universidades, la Agencia de Gestión de Energías de la Región de Murcia (ARGEM) y está cofinanciado por el programa LIFE+ de la Unión Europea. Jose Antonio Vicente Soltero 175 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción El proyecto Medicool, desarrollado entre 2011 y 2014, ha demostrado la implementación efectiva de una planta de frío solar por adsorción capaz de satisfacer las necesidades de climatización de un almacén de productos farmacéuticos. El sistema está compuesto por dos máquinas de adsorción, una de 535 kW y la otra de 675 kW que cubren la demanda de refrigeración del almacén de 22.500 m2. Los captadores solares producen la energía necesaria para el funcionamiento de ambas. En primer lugar, cuando la temperatura empieza a superar los 60°C, la máquina de adsorción de menor tamaño empieza a funcionar. Para la máquina de 675 kW es necesario alcanzar temperaturas superiores a los 75°C. Figura 4.29. Máquinas de adsorción y torres de enfriamiento. A parte de las máquinas de adsorción existe una enfriadora convencional por si la radiación solar no es suficiente para climatizar el almacén y mantener su temperatura a 25°C y dos torres de refrigeración de 844 kW cada una. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Los beneficios sociales y medioambientales son numerosos. Durante su primer año de funcionamiento se ahorró 1.257 MWh de energía eléctrica, lo que supone un ahorro anual de casi 200.000€. Conforme la tarifa eléctrica aumente, el ahorro también será mayor. Jose Antonio Vicente Soltero 176 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción En cuanto al beneficio medioambiental, gracias al uso de la refrigeración solar se consiguen evitar la emisión de 950 toneladas de CO2 anualmente. Esto equivale a la capacidad de absorción de 135 hectáreas de bosque. 3‐ Datos económicos Las inversiones que se han llevado a cabo para la instalación de la planta Medicool han ascendido a más de 7 Millones de euros, de los que más de un 75% ha sido gasto en equipos. Sin embargo las lecciones aprendidas en la construcción y demostración del sistema permiten estimar un coste de instalación inferior a 4 millones de euros. La diferencia es debida a complicaciones durante la instalación. De los 7 millones de euros 5,4 millones fueron aportados por el grupo HEFAME mientras que el 1,6 restante procederá de subvenciones tanto regionales como del programa europeo LIFE. Jose Antonio Vicente Soltero 177 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Jose Antonio Vicente Soltero 178 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.3.4. Restaurante en el ISE de Friburgo, Friburgo.
Tipo de edificio: Restaurante. Localidad: Friburgo, Alemania. Año: 2007. Tecnología de refrigeración: Adsorción. Capacidad de refrigeración: 7,5 kW. Modelo: SORTECH ACS 05. COP: 0,44. Tipo de captadores: Captadores de placa plana. Superficie de captación: 22 m2. Cobertura solar sobre el total: 30% de la carga total de refrigeración. Volumen de acumulación: Un tanque de 2.000 litros. Figura 4.30. Instituto de Energía Solar (ISE), Friburgo. 1‐ Descripción En el año 2007 con la intención de disminuir el consumo por refrigeración del restaurante situado en el instituto de Energía Solar (ISE) de Friburgo, se instaló un sistema de refrigeración solar por adsorción para acondicionar una zona de 45 m2. Para ello se instaló en la cubierta un sistema de captadores solares de placa plana con una superficie total de 22 m2 que, utilizando la radiación solar consiguen calentar el agua hasta Jose Antonio Vicente Soltero 179 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción unos 75°C. Una caldera se encarga de calentar el agua si la radiación solar es insuficiente. La máquina de adsorción SORTECH ACS de 5,5 kW es alimentada con el agua caliente produciendo agua fría a 10°C. El sistema de climatización en verano funciona como un sistema de refrigeración con COP medio de 0,44, en invierno los captadores solares, o en su lugar la caldera, calientan el agua y esta se utiliza directamente para la calefacción del local. Figura 4.31. Captadores solares en la cubierta del ISE. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales El Instituto de Energía Solar (ISE) es un ejemplo de eficiencia energética ya que su consumo en climatización en la mayoría de las zonas es muy reducido gracias a las medidas de enfriamiento pasivo que componen el edificio. Sin embargo en zonas como el comedor‐cocina, debido a las altas cargas internas, si es necesaria la refrigeración. Gracias al uso del sistema de adsorción, la refrigeración se consigue con un consumo eléctrico muy bajo. 3‐ Datos económicos Sin datos. Jose Antonio Vicente Soltero 180 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.3.5. Shanghai Research Institute of Building Science, Shanghai
Tipo de edificio: Oficinas. Localidad: Shanghay, China. Año: 2006. Tecnología de refrigeración: Adsorción. Capacidad de refrigeración: 17 kW. Modelo: SWAC. COP: 0,3 – 0,4. Tipo de captadores: Captadores de tubos de vacío. Superficie de captación: 90 m2. Cobertura solar sobre el total: 70% Volumen de acumulación: 2500 litros. Figura 4.32. Shanghai Research Institute of Building Science, Shanghai. 1‐ Descripción Este edificio se construyó con la idea de minimizar el consumo energético del mismo. Par ello el edificio cuenta con energía termosolar (encargada de suministrar energía para el sistema de Jose Antonio Vicente Soltero 181 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigeración solar y otra parte para el sistema de ACS), energía fotovoltaica, un sistema novedoso de ventilación natural y un diseño que le permite aprovechar en mayor medida la luz natural. El edificio tiene instalado en la cubierta un sistema de 90 m2 de captadores de tubo de vacío, orientados al sur‐oeste y que tienen una inclinación de 40° con la horizontal. Los captadores calientan a una temperatura media de 70,2 °C, esta energía es la que se utiliza para hacer funcionar las dos máquinas de adsorción. Cuando se produce más agua caliente de la que se demanda en ese instante, el agua es almacenada en un tanque de 2.500 litros. El COP medio que se consiguió fue de 0,35, produciendo agua a 8 – 9 °C que es enviada a los diferentes fan‐
coils del edificio. 2‐ Beneficios sociales y medioambientales Con el sistema de refrigeración solar se consiguió un ahorro de energía medio diario de unos 200 kWh, con un rendimiento medio de los captadores de tubo de vacío de 39,7%. Esto supone un ahorro cerca de 80 MWh de energía eléctrica cada año. 3‐ Datos económicos Sin datos. Jose Antonio Vicente Soltero 182 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción 4.4. Conclusión Como conclusión, en este apartado se presentará en primer lugar un estudio de las instalaciones de refrigeración solar por absorción y adsorción. Se compararán un conjunto de 103 instalaciones existentes a lo largo del mundo entre las que se encuentran las que se han descrito en los apartados anteriores (la lista completa se podrá encontrar en el anexo). El Ratio L/kW relaciona el volumen de almacenamiento con la potencia de la máquina de absorción. Es decir, cuanto mayor sea el ratio la instalación tendrá más litros de acumulación por cada kW nominal de refrigeración de la máquina. La figura 4.33. Contiene una gráfica donde se aprecia la evolución del ratio L/kW con la potencia de cada instalación y gracias a ella se puede determinarse como varía el volumen necesario de almacenamiento en función de la potencia de la instalación. Figura 4.33. Evolución del ratio L/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. Salvo excepciones, el ratio se mantiene por debajo de 400. Es decir lo normal es que por cada kW de refrigeración el volumen de acumulación necesario sea menor de 400 litros. También se aprecia que a partir de los 200 kW el ratio L/kW disminuye drásticamente, por lo que por norma general se puede afirmar que cuanto mayor sea la potencia de refrigeración del sistema Jose Antonio Vicente Soltero 183 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción menor será el ratio L/kW y por lo tanto menor será los litros necesarios por cada kW. Es importante destacar que el volumen de acumulación necesario también influye la aplicación y el tipo de edificio en el que se realiza la instalación, ya que puede que ese depósito se utilice en parte para ACS.Otro ratio que puede dar información importante es el ratio m2/kW que nos indica los metros cuadrados de captadores que son necesarios por cada kW de refrigeración solar instalado. La primera clasificación que hay que hacer es en función del tipo de captador instalado ya que un captador de placa plana necesitará, como norma general, más m2 por kW que un captador de tubo de vacío. La figura 4.34 contiene un gráfico en el que se muestra el ratio m2/kW medio de las instalaciones en función del tipo de captador instalado. Figura 4.34. Evolución del ratio m2/kW en función del tipo de captador solar. En donde FP son captadores de placa plana, ETC son captadores de tubo de vacío, CPC son captadores cilindro parabólicos, LFC son concentradores lineales de Fresnel y PTC son captadores parabólicos de seguimiento solar. Se obtiene que para captadores de placa plana son necesarios 3,6 m2 por cada kW valor que desciende hasta los 2,4 m2 por cada kW para captadores de tubo de vacío. Cuando el captador utilizado es un CPC el valor casi se mantiene (2,36) y para LFC y PTC desciende progresivamente hasta los 1,55 m2 por kW en PTC. Los ratios calculados para LFC y PTC no son concluyentes debido al reducido número de instalaciones analizadas con esos tipos de captadores. Además a esto habría que añadir que en ocasiones los captadores instalados no solo alimentan a equipo de refrigeración solar, sino que contribuyen al calentamiento del ACS y otras aplicaciones. Jose Antonio Vicente Soltero 184 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 4.35. Ratio m2/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. La figura 4.35 muestra el ratio m2/kW de cada instalación respecto de la potencia nominal de refrigeración. No se puede sacar una conclusión clara de la gráfica debido a la gran dispersión de los datos. Una de las posibles razones a la gran disparidad de valores (sobre todo en las instalaciones de menor tamaño), incluso para instalaciones con el mismo tipo de captador, es que se aprovecha la necesidad de captadores solares para instalar más superficie de la requerida por la refrigeración y así contribuir en aplicaciones como el agua caliente sanitaria. La figura 4.36 es la misma que la figura 4.35 pero haciendo zoom en el intervalo de potencia donde se concentra la mayoría de instalaciones (0 ‐ 800 kW). En esta gráfica si se puede intuir una tendencia decreciente cuando la potencia aumenta pero sigue sin ofrecer datos concluyentes. Jose Antonio Vicente Soltero 185 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 4.36. Ratio m2/kW en función de la potencia nominal de refrigeración. Tras la descripción de cada una de las instalaciones y analizar el conjunto de 103 instalaciones incluidas en el ANEXO puede concluirse que existe una enorme variedad de tamaños, aplicaciones en la que se usan, precios y características técnicas entre las instalaciones, no solo entre las explicadas anteriormente sino en todas las existentes en el mundo. Por lo que a continuación se intentará concentrar la información y dar una visión global acerca de las instalaciones de refrigeración solar por absorción y adsorción existentes en el mundo. La figura 4.37 contiene un diagrama donde aparece la distribución de las instalaciones en función del tipo de aplicación. Una gran parte de las instalaciones de refrigeración solar están instaladas en edificios de oficina (47%), es el uso más habitual. Si el edificio es de nueva construcción, normalmente se dimensiona la instalación de frio solar para que cubra la demanda de cierta parte del edificio y el resto se cubre con un sistema de refrigeración convencional. La frecuencia de los demás tipos de edificio es muy similar, destacando edificios residenciales (10%), hoteles (7%) y comercios (7%). Jose Antonio Vicente Soltero 186 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 4.37. Distribución de las instalaciones de refrigeración solar en función del tipo de edificio. Uno de los aspectos más importantes y difíciles de analizar es el precio de las instalaciones. El precio de un kW en una instalación de absorción difiere mucho del precio de un kW en una instalación de adsorción. Lo mismo ocurre con instalaciones de tamaños diferentes aun siendo de la misma tecnología. Un primer paso, también bastante importante, sería conocer el porcentaje que cada elemento de la instalación aporta al coste total. Está claro que estos resultados no son exactos, son aproximaciones que nos dan una idea de la distribución de costes en una instalación de refrigeración solar. En el artículo A., Allouhi (2014) se distinguen entre instalaciones de pequeña y gran escala. La figura 4.38 Y 4.39 nos representan la distribución de costes entre los componentes de las instalaciones de pequeña y gran escala respectivamente. Figura 4.38 Distribución de los costes de una instalación de pequeña escala en función de los componentes Jose Antonio Vicente Soltero 187 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Figura 4.39 Distribución de los costes de una instalación de pequeña escala en función de los componentes Comparando las figuras 4.38 y 4.39 se aprecia como algunos componentes tienen pesos muy similares en ambas instalaciones. Por ejemplo los colectores aportan un 35% al coste total en ambos casos, siendo el componente más caro de la instalación. Debido a la gran importancia de los captadores solares en el coste es muy beneficioso para la refrigeración solar que el precio de los sistemas de captación solar siga disminuyendo. En el precio de los enfriadores la diferencia entre la pequeña y la gran escala si es significativa. El coste de las enfriadoras aumenta mucho con el tamaño en comparación con el resto de componentes y es por eso que su porcentaje en el coste de las instalaciones de gran escala sea superior al de las instalaciones de pequeña escala (27 y 15% respectivamente). En cuanto a los equipos auxiliares ocurre lo contrario. El peso en el coste de instalaciones pequeñas es mayor que en instalaciones grandes. La mayoría de los equipos auxiliares como acumuladores, quemadores auxiliares, torres de refrigeración, válvulas y bombas son necesarios en cualquier tipo de instalación. Como el precio de mayoría de los quipos auxiliares no aumenta tanto con el tamaño como los enfriadores, el porcentaje en el coste en pequeñas escala es mayor que en el de gran escala. Existe una gran dificultad en dar un coste estimado a la instalación completa de un sistema de refrigeración, debido a la gran dependencia de este con el tamaño de la instalación y a la variación de coste que han sufrido tanto los sistemas de absorción y adsorción como los captadores solares. Aun así, A., Ghafoor (2014) obtuvo unos ratios del coste del sistema de refrigeración solar que pueden dar una idea del precio. Para los sistemas de absorción con bromuro de litio que utilizan colectores de placa plana el coste total es de 1500 – 2000 €/kW, donde se incluyen los costes de colectores, enfriadoras, tanque de almacenamiento, torre de Jose Antonio Vicente Soltero 188 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción refrigeración, accesorios y montaje. Para sistemas de adsorción usando captadores de placa plana el ratio fluctúa, dependiendo del tamaño entre otros factores, entre 2000 y 2500 €/kW. Si en vez de captadores de placa plana, se utilizan captadores de tubo de vacío el precio se incremente en torno a 300 – 600 €/kW. Jose Antonio Vicente Soltero 189 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Jose Antonio Vicente Soltero 190 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Capítulo 5: RESUMEN Y CONCLUSIÓN
5.1 Resumen de la tecnología A día de hoy, el interés en la búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas a los combustibles es máximo. Con el objetivo de disminuir progresivamente la dependencia energética con respecto a los combustibles fósiles se están llevando a cabo numerosos proyectos y planes que fomentan el desarrollo de nuevas fuentes de energía, más sostenibles y respetables con el medio ambiente. En la última década, muchos de estos planes se han centrado en el consumo energético del sector residencial, desarrollándose tecnologías sostenibles como captadores solares y placas fotovoltaicas, entre otras, que ayudan a disminuir el consumo doméstico. Desde hace años, la demanda de energía para refrigeración se está incrementándose en muchas zonas del mundo como zonas de climas moderados con altos niveles de desarrollo (la mayoría de los países de Europa) o como en países como China donde la calidad de vida h aumentado considerablemente. Tanto es así que en muchos países miembros de la UE ha cambiado el pico anual de consumo eléctrico y ha pasado del invierno al verano. Éstos son los principales factores que justifican el creciente desarrollo e interés de los sistemas de refrigeración solar, los cuales consumen energía solar en sustitución de combustibles tradicionales o energía eléctrica, cuyo consumo se reduce más de una sexta parte con respecto a la refrigeración tradicional. Una característica importante y que beneficia mucho a estos Jose Antonio Vicente Soltero 191 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción sistemas es el acoplamiento de la carga máxima de refrigeración con el momento de máxima radiación y por lo tanto máxima capacidad de refrigeración. A lo largo del capítulo 2 se han clasificado, descrito, analizado y explicado las distintas tecnologías de refrigeración solar. De entre todas ellas se destacan principalmente 3 tecnologías que se recogen en la tabla 5.1. Absorción Adsorción Simple efecto Doble efecto
Rango de potencia (kW) 4,5 ‐ 11.000 Evaporativa con desecantes Solido 10 ‐ 520 Líquido
50 ‐ 450 COP 0,3 ‐ 0,77 1,1 ‐ 1,45 0,3 ‐ 0,7 0,3 ‐ 0,65 0,6 ‐ 1,5 Tª de accionamiento (C°) 65 ‐ 90 125 ‐ 160 55 ‐ 90 45 ‐ 90 Tipo de colectores FPC ‐ ETC ETC ‐ CPC FPC ‐ ETC FPC ‐ SAC ‐ ETC Tabla 5.1. Resumen de las tecnologías de refrigeración solar. La refrigeración por absorción es la más extendida de las tres tecnologías, la sigue la refrigeración por adsorción y por último la refrigeración evaporativa con desecante. De entre estas tres tecnologías en este proyecto se han desarrollado las dos que actualmente son más utilizadas, los equipos de refrigeración por absorción y por adsorción. Analizando los datos de la tabla 5.1, en especial el COP de cada tecnología, se podría concluir que dada su bajo rendimiento estos equipos no pueden competir con los equipos de refrigeración por compresión, que tienen un COP superior a 3,5. Pero hay que analizar no solo el rendimiento, sino los costes de producción de la energía que se consume. Para los equipos de compresión la energía que consume es eléctrica, con su correspondiente precio, sin embargo, el consumo energético mayoritario de los sistemas de refrigeración solar es gratis o de valor muy bajo (energía solar o energía térmica desechable proveniente de otro proceso). Una vez analizados sus ventajas frente a la refrigeración convencional, hay que destacar las principales desventajas de las máquinas de absorción y adsorción y de toda la refrigeración solar en general. Las máquinas de absorción y adsorción tienen un elevado tamaño y peso en comparación con los equipos de compresión. Pero sobre todo, la mayor desventaja de estos sistemas es su elevado coste inicial, que puede ser entre tres y cuatro veces superior al de los equipos de compresión. Jose Antonio Vicente Soltero 192 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Como desventaja funcional más importante de los equipos de absorción y adsorción, a parte de su bajo rendimiento, es la necesidad de instalar torres de refrigeración donde se evacua e calor del proceso absorbido por el agua de condensación. Desde hace años, se ha incrementado el interés en desarrollar máquinas condensadas con aire y que mantengan rendimientos similares a las condensadas por agua. El objetivo de este interés es facilitar la integración de los equipos en el sector residencial y en el de la automoción, ya que en estos sectores la necesidad de instalar una torre de refrigeración hace casi inviable la integración de estas tecnologías. 5.2 Resumen fabricantes Hay que diferenciar entre fabricantes de absorción y adsorción. El número de fabricantes de absorción es más elevado que el de adsorción debido a la mayor presencia de equipos de absorción en el mercado. Tanto para absorción y adsorción la mayoría de los fabricantes son europeos (Alemania principalmente) y asiáticos. Casi la totalidad de fabricantes de absorción ofertan máquinas que trabajan con Bromuro de Litio y agua y en algunos pocos casos con amonio y agua. En cuanto a los fabricantes de adsorción utilizan principalmente gel de sílice y agua, aunque también existen máquinas de adsorción con zeolita y agua. Las gamas de potencias de cada tecnología vienen en la tabla 5.1. Es fácil de apreciar como la gama de potencia de las máquinas de absorción es mucho más amplia. Para instalaciones mayores de 500 kW en donde se pretenda usar máquinas de adsorción, al no existir máquinas de potencias superiores, se opta por el acoplamiento de varias máquinas de menor tamaño. En cuanto a los fabricantes de absorción, no solo son superiores en número sino también es superior las distintas tipos de máquinas que se ofertan. Existen máquinas de absorción de simple efecto y de doble efecto, existen máquinas accionadas por vapor, agua caliente, gases de escape o por llama directa. Muchas clases de máquinas de absorción no están diseñadas para la refrigeración solar. Una aplicación diferente al frío solar y que también es muy interesante es la trigeneración. La trigeneración se define como la producción de calor, electricidad y frío desde una misma fuente de energía. La trigeneración ha sufrido un desarrollo importante en los últimos años, existiendo numerosas instalaciones en el mundo (la mayoría de gran tamaño). Jose Antonio Vicente Soltero 193 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Tanto para absorción como adsorción el rango de potencias más demandado es 60‐130 kW. Son máquinas de potencia media que suelen instalarse para reducir el consumo pero no para cubrir la demanda completa de climatización. Las dimensiones aproximadas de una máquina (tanto de adsorción como de absorción) que está dentro de este rango de potencia son 1,3 metros de largo, 1,6 de ancho y 2,1 metros de altura. En el COP nominal característico de las máquinas más demandadas si hay que diferenciar entre absorción y adsorción. Las máquinas de absorción (de simple efecto) de este rango de potencias tienen un COP nominal que puede llegar a 0,7 en determinados fabricantes como Yazaki, mientras que para máquinas de adsorción de estas potencias el COP nominal más altos que se encuentra es 0,65 en las máquinas fabricadas por SorTech. 5.3. Resumen Instalaciones Las instalaciones existentes tanto de absorción como de adsorción se encuentran principalmente en Europa, seguida de Asia y Norte américa. El clima mediterráneo es idóneo para el frío solar, ya que los veranos son calurosos, con alta radiación solar, y los inviernos suelen ser suaves y es por eso que los países donde el número de instalaciones es mayor son España e Italia. Aunque el clima no sea tan beneficioso como el mediterráneo, la existencia de numerosos fabricantes alemanes ha provocado que en Alemania existan también un gran número de instalaciones de refrigeración solar. La mayoría de sistemas de absorción y adsorción están instalados en edificios de oficinas y, en una menor proporción, en residencias, hoteles y comercios. El coste de estos sistemas y su distribución entre elementos que componen la instalación dependen en gran medida del tamaño de la instalación. Los elementos con mas peso en el coste son los colectores solares, un 35 % en grandes y pequeñas instalaciones. Otros componentes con un gran porcentaje en el coste son las enfriadoras de absorción o adsorción y los sistemas auxiliares. Como norma general, las instalaciones de adsorción necesitan una temperatura menor que las de adsorción. Las temperaturas típicas de diseño son en torno a los 70 – 75°C para las instalaciones de adsorción y de 85 – 90°C para las de absorción. Por otro lado, los rendimientos (COP) típicos de las instalaciones de absorción son superiores que las de adsorción, 0,55 ‐ 0,7 frente a 0,45 ‐ 0,6 de las instalaciones de adsorción. La relación superficie de captadores y potencia nominal de refrigeración depende del tipo de captador utilizado. Para los más comunes, captadores de placa plana y de tubo de vacío la Jose Antonio Vicente Soltero 194 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción relación m2/kW está en torno a 3,6 y 2,5 respectivamente. Por ejemplo, para una instalación tipo de 120 kW se necesitarían aproximadamente 430 m2 de captadores de placa plana o 300 m2 de captadores de tubo de vacío. Como se ha mencionado antes, es muy poco común que un sistema de refrigeración solar por absorción o adsorción cubra la demanda completa de un edificio, el porcentaje típico de demanda cubierta suele estar entre 25 y 60%, dependiendo de la instalación y del tipo de edificio. 5.4. Conclusión Si bien es verdad que existe un variado mercado de fabricantes y que en los últimos años el número de instalaciones ha seguido aumentando, los sistemas de refrigeración solar aún no están al mismo nivel competitivo que los sistemas de compresión. Existen varias causas y la mayoría tienen que ver con los defectos de estos sistemas frente a los tradicionales. La primera causa es el elevado coste inicial de los equipos y de la instalación (3 o 4 veces superior que la instalación de compresión). Durante los últimos diez años, el coste de los captadores se ha reducido considerablemente, si se mantiene el esfuerzo en desarrollar y mejorar los sistemas de captación, reduciendo su coste y aumentando el rendimiento, afectará positivamente al mercado de la refrigeración solar. Además, debido a la reducción de las reservas de petróleo y otros combustibles y su encarecimiento se espera un progresivo aumento del coste de la electricidad. Este hecho beneficia en gran medida a los sistemas de absorción y adsorción los cuales, a diferencia de los sistemas de refrigeración por compresión, tienen un consumo muy reducido de electricidad. Por otro lado, si se mantienen el interés en los sistemas de adsorción y absorción, con el tiempo los sistemas serán optimizados y sus costes se reducirán. Otra causa importante es la necesidad de gran cantidad de radiación solar para operar, por lo que en zonas que no tengan muchas horas de sol al año la rentabilidad de estos equipos desciende. Por otro lado, los edificios en los que se quiera instalar un sistema de refrigeración solar necesitan una gran superficie libre en la cubierta para la instalación de captadores solares, en torno a 3,6 m2 por kW. Aunque la necesidad de instalar captadores solares permite diseñar sistemas integrados capaces de refrigerar y suministrar energía para el agua caliente sanitaria, reduciendo el consumo eléctrico o de combustible del sistema de ACS. Jose Antonio Vicente Soltero 195 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Otras causas destacables son su desconocimiento, incluso para personas del sector de la refrigeración. No existen muchos profesionales que sepan trabajar con estas tecnologías y los estándares guías o herramientas de diseño son muy reducidas. A pesar de los inconvenientes frente a la refrigeración por compresión, la refrigeración por absorción y adsorción tienen un futuro muy prometedor gracias a su bajo consumo eléctrico, poco mantenimiento y su respeto por el medio ambiente gracias a que no usa refrigerantes que sean dañinos ni tóxicos. Jose Antonio Vicente Soltero 196 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción ANEXO
Jose Antonio Vicente Soltero 197 INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Aplicación
Tecnología
1
Australia
Ipswich
Ipswich Hospital
Hospital
Absorción
300
Parabólico de seguimiento solar
560
6000
2
Australia
Melburne
Echuca Hospital
Hospital
Absorción
500
Tubo de vacío
300
10000
3
Austria
Eberstalzell
Sunmaster
Office
Absorción
80
Placa plana
1000
85000
4
Austria
Gleisdorf
Rathaus Gleisdorf
Office
Absorción
35
Placa plana
240
4500
5
Austria
Gleisdorf
Feistritzwerke Gleisdorf
Office
Absorción
24
Placa plana
100
20000
6
Austria
Graz
Fa. Para
Office
Absorción
105
Placa plana
350
2000
7
Austria
Haid
Ferngas OÖ
Office
Absorción
70
Tubo de vacío
70
1000
8
Austria
Rohrbach
BH Rohrbach
Office
Absorción
30
Placa plana
120
4000
9
Austria
Saxen
Gasokol
Office
Absorción
30
Placa plana
85
9000
10
Austria
St. Veit a.d. Glan
General Solar
Office
Absorción
35
Placa plana
77
1000
11
Austria
Trofaiach
Office (bank)
Absorción
70
Placa plana
100
18300
12
Belgio
Brussels
13
Canada
Ontario
14
China
Beijing
15
China
Jiangmen (Canton)
Raiffeisenbank Trofaiach
Renewable Energy House
Oxford Gardens Retirement
Office
Absorción
35
Placa plana
81,1
4000
Retired people house
Absorción
105
Tubo de vacío
520
9000
Tianpu
Office
Absorción
200
Tubo de vacío
1018
Multiuse
Absorción
100
Placa plana
500
Logistic/Office center
Absorción
500
Placa plana
670
Office
Adsorción
Placa plana
90
16
China
Qingdao
Olympic Village Logistic Center
17
China
Shanghay
Shanghai Research Institute of Building Science
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
70%
35
0,23
100
315
2500
Página 197‐ 1
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Aplicación
Tecnología
18
China
Rushan (Shandong)
Solar Energy Hall
Exhibition hall
Absorción
176
Tubo de vacío
540
12000
19
Cyprus
Nicosia
bakery
Absorción
70,3
Tubo de vacío
120
6800
59%
20
Denmark
Skive
Office
Absorción
70
Placa plana
265
40000
0,15
21
Dubai
Dubai
office ESAB
Office
Absorción
60
Tubo de vacío
161
21
France
Argenteuil
Usine Givaudan
Office
Absorción
105
Tubo de vacío
300
22
France
Banyuls
Cave GICB
Winecellar
Absorción
52
Tubo de vacío
130
1000
100%
23
France
Basse Terre (Martinique)
DIREN
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
123
0
0,38
57
24
France
Le Port
TECHNIFROID
Industry
Absorción
35
Placa plana
100
25
France
Maclas
residence
Absorción
10
Tubo de vacío
24
26
France
Port‐Louis (Guadaloupe)
School
Absorción
175
Tubo de vacío
430
3000
27
France
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
90
500
28
France
IUT St Pierre LPBS
University
Absorción
30
Placa plana
90
1500
29
France
Sainte Maxime
Cultural center
Public building
Absorción
35
Tubo de vacío
90
1500
30
France
Sophia Antipolis
CSTB
Office & Labo
Absorción
35
Tubo de vacío
90
300
47%
40
31
France
Sophia Antipolis
Usine GALDERMA
Office
Absorción
210
Tubo de vacío
570
1000
32
France
Talence
ISTAB
Laboratory
Absorción
35
Tubo de vacío
90
1500
33
France
Vignola (Corse)
CRES
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
90
Saint Denis (Réunion)
Saint Pierre (Réunion)
La panadería L’ Amor Rouge
Skive municipal administration building
Résidence du Lac / SIEL
High Quality Environmental labelled high school
Kristal ‐ llE DE La Rréunion
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
400
30%
Página 197‐ 2
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Aplicación
Tecnología
Office
Absorción
44
Tubo de vacío
348
1600
Office
Absorción
70
Placa plana
229
6000
Restaurant
Hospital Universitario de Friburgo
Paradigma
Restaurant
Adsorción
5,5
Placa plana
22
2000
30%
Hospital
Adsorción
70
Tubo de vacío
230
6000
0,32
Office
Absorción
54
Cilindro parabólico
180
0,1
Press and Information Centre of the German Government
Ministery for Traffic, Building 34
Germany
Berlin
35
Germany
Berlin
36
Germany
Friburgo
37
Germany
Friburgo
38
Germany
karlsbad‐ Langensteinbach
39
Germany
Köln
Wollferts
Office
Absorción
70
Tubo de vacío
176
40
Germany
Langenau
Ott & Spies
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
45
2000
41
Germany
Miesbach
office bank
Absorción
20
Placa plana
100
7500
42
Germany
Oberhausen
Office & Labo
Absorción
58
Tubo de vacío
108
43
Germany
Rodewisch
IT‐school
Classrooms
Absorción
32
Placa plana
100
44
Greece
Athènes
American college I
Office
Absorción
168
Tubo de vacío
615
45
Greece
Athènes
Office
Absorción
35
Placa plana
160
46
Greece
Creta
Hospital
Absorción
70
Placa plana
500
15000
47
Greece
Creta
Hotel
Absorción
105
Placa plana
448
20000
48
Greece
Heraklion
Office
Absorción
125
Placa plana
300
20000
49
Greece
Rethymno
Hotel
Absorción
105
Placa plana
448
50
Greece
Viota
Office
Adsorción
750
Placa plana
2700
Raiffeisenbank Miesbach
Fraunhofer Umsicht
Solar Lab Demokritos
Hospital general de Sitia
Hotel Rethimno Village
Ayuntamiento de Kazantzakis
Rethymno Village hotel
Oficinas Grupo Sarantis
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
0,58
78%
160
0,66
Página 197‐ 3
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Aplicación
Tecnología
51
India
Haryana
Solar System Solar Energy Center in Gurgaon
Laboratory
Absorción
100
Cilindro parabólico
288
52
Italy
Bolzano
EURAC
Education center
Absorción
300
Tubo de vacío
615
10000
53
Italy
Bolzano
Luigi Einauidi
Education center
Absorción
300
Tubo de vacío
595
8000
340
54
Italy
Bolzano
San Maurizio
Absorción
250
Tubo de vacío
550
8000
555
55
Italy
Bolzano
Fire Station Bolzano
Nurse training center
Firefighters headquarter
Absorción
175
Placa plana
105
12600
145
56
Italy
Como
Como Municipality
Offices
Absorción
480
Tubo de vacío
340
57
Italy
Como
Pubblic Library
Library
Absorción
280
Tubo de vacío
260
58
Italy
Correggio
Fortec srl
Industry
Absorción
44
Tubo de vacío
63
School
Absorción
35
Tubo de vacío
70
0,32
59
Italy
Imola
Scuola media ecosostenibile
60
Italy
Pergine
Baxter
Office
Absorción
105
Tubo de vacío
240
61
Italy
Roma
Wholesale, offices and canteen
Absorción
700
Placa plana
3000
30000
62
Italy
Trento
METRO Cash & Carry
Centro de Innovación de negocios
Office
Absorción
108
Placa plana
265
4000
0,7
63
Jamaica
Kington
Digicel Offices
Office
Absorción
600
Placa plana
982
11000
0,5
Investigación
Absorción
108
Placa plana
227
4000
Offices
Absorción
90
Placa plana
227
4000
Office
Absorción
70
Cilindro parabólico
250
64
Kosovo
Pristina
65
Kosovo
Pristina
66
Portugal
Sintra
EAR‐Tower Pristina
Bureaux Union Européenne
Centrale contrôle traffic autoroutier
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
47%
0,75
930
120
30
Página 197‐ 4
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Aplicación
Tecnología
67
Portugal
Lisbon
CGD Caixa Geral de Depósitos
Office (bank)
Absorción
545
Placa plana
1579
20000
68
Singapur
Singapur
School
Absorción
1500
Placa plana
3900
60000
0,45
69
Spain
Arteixo
Office
Absorción
170
Placa plana
1620
60000
0,15
70
Spain
Barakaldo
Social & Cultural Centre Clara
Auditorium
Absorción
229
Placa plana
150
71
Spain
Barcelona
Fabrica del Sol Building
Office
Absorción
105
Tubo de vacío
120
72
Spain
Barcelona
Peracamps‐Public Health Agency
Laboratories
Absorción
35
Placa plana
81
6000
4%
73
Spain
Benidorm
Hotel
Absorción
125
Tubo de vacío
345
74
Spain
canarias
Hotel
Absorción
175,8
Placa plana
2700
45000
75
Spain
canarias
office
Absorción
35,2
Placa plana
68,4
6000
76
Spain
Cornelia del Vallès
Office
Absorción
105
Cilindro parabólico
214
77
Spain
Derio
Laia hotel
Hotel
Absorción
105
Placa plana
160
600
78
Spain
Derio
Residence
Residence
Absorción
10
Tubo de vacío
21,6
600
100%
79
Spain
El Oso
FONTEDOSO
Industry
Absorción
105
Placa plana
504
15000
0,65
Absorción
105
Tubo de vacío
102
United World College
Inditex head offices
Belroy palace Hotel
Hotel IFA continental
technological institute
Siemens Controlmatic
80
Spain
Fustinana
Maison de retraite
Retired people house
81
Spain
Madrid
Fundacion Metropoli Building
Office
Absorción
105
Tubo de vacío
72
82
Spain
Madrid
Sport Centre
Absorción
170
Tubo de vacío
507
83
Spain
Madrid
Office
Absorción
105
Placa plana
111
Daoiz y Velarde Sport Centre
Viessmann Head Offices
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
323
0,3
Página 197‐ 5
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Placa plana y Tubo 100
2000
35
de vacío
Pais
Ciudad
Nombre de la instalación
Aplicación
Tecnología
84
Spain
Madrid
University of Carlos III
Labo
Absorción
85
Spain
Madrid
TRASLUZ
Office
Absorción
390
Tubo de vacío
204
86
Spain
Madrid
Edificio de producción vegetal fitotécnia
Investigación
Absorción
17,6
Placa plana
83,4
87
Spain
Malaga
residence
residence
Absorción
10
Placa plana
34
0,81
88
Spain
Murcia
Almacenes Grupo HEFAME
Warehouse
Adsorción
1210
Tubo de vacío
3600
0,85
89
Spain
Málaga
Isofoton Offices
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
200
90
Spain
Pamplona
Cener Offices
Office
Absorción
350
Tubo de vacío
240
Spain
Santiago de Compostela
Stella‐Feuga
Office
Absorción
115
Placa plana
600
352
91
3000
10000
0,2
92
Spain
Seville
ESI
University
Absorción
175
Lineales de Fresnell
93
Spain
Seville
University of Sevilla
Laboratory
Absorción
35
Placa plana
151
94
Spain
Tarragone
University Rovira i Virgili CREVER
Office
Absorción
35
Tubo de vacío
96
95
Spain
Toledo
Education Department Regional
Office
Absorción
252
Tubo de vacío
750
96
Spain
Valencia
office
Office
Absorción
10
Placa plana
45
2500
97
Spain
Valencia
SRB Energy
Office
Absorción
162
Placa plana
660
10000
98
Spain
Valladolid
CARTIF I, Boecillo Technology Park
Office
Absorción
35
Placa plana y Tubo de vacío
77,5
8000
1
99
South African
Pretoria
hospital Moot
Hospital
Absorción
35
Tubo de vacío
200
6000
0,45
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
0,11
5000
27%
Página 197‐ 6
INSTALCIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN
Pais
Ciudad
100
Turkey
Dalaman
101
UAE
Abu Dahbi
102
UAE
Dubai
103
USA
Arizona
Nombre de la instalación
Contribución de la Tanque de Potencia nominal Inst. de Área de captación almacenamiento dede refrigeración Tipo de captador
refrigeración solar (m )
(L)
(kW)
(%)
Parabólico de 180
150
seguimiento solar
Aplicación
Tecnología
Hotel
Absorción
Museum
Absorción
400
Placa plana
1134
Esab Offices
Office
Absorción
60
Tubo de vacío
200
Desert Mountain Hight School
School
Absorción
1750
Placa plana
4865
Iberotel Sarigerme Park
Sheikh Zayed Desert Leraning Center
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción.
Jose Antonio Vicente Soltero
ANEXO
26000
Potencia de refrigeración auxiliar (KW)
0,25
50%
34500
0,65
Página 197‐ 7
PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción Jose Antonio Vicente Soltero 198 PFC Análisis de Sistemas de Refrigeración Solar por Absorción y Adsorción BIBLIOGRAFÍA
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Broad y Nishiyodo España. <http://icogen‐sa.com/> Broad. <http://www.absorcionbroad.com/> Building Innovations from Austria in the Arab World. <http://ostaustria.org/bridges‐
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Invensor. <http://www.invensor.com/> Maekawa. <http://www.mayekawa.ca/> Medicool. < http://medicool.org/guias‐tecnicas/> Solar today. < http://www.solartoday‐digital.org/solartoday/201106/?pg=38#pg38> SOLID. < http://www.solid.at/en/references/solar‐cooling> SorTech. <http://www.sortech.de/> Thermax España. < http://www.absorsistem.com/productos/thermax > Thermax. < http://www.thermaxglobal.com/ > Yazaki. <http://www.yazaki‐airconditioning.com/> York by Jonhson Controls. <http://www.johnsoncontrols.com/> Jose Antonio Vicente Soltero 203