Guía de refrigeración solar

Autores de la guía:
Marc Delorme, Reinhard Six: Rhônalpénergie-Environnement (Francia)
Daniel Mugnier, Jean-Yves Quinette: Tecsol (Francia)
Nadja Richler: O Oe Energiesparverband (Austria)
Frank Heunemann: Berliner Energieagentur GmbH (Alemania)
Edo Wiemken, Hans-Martin Henning :
Fraunhofer-Gesellshaft fuer AngewandteForschung e.V. (Alemania)
Theocharis Tsoutsos, Effie Korma: Centre for Renewable Energy Sources (Grecia)
Giuliano Dall'o, Paola Frangnito: Associazione Rete di Punti Energia (Italia)
Pedro Oliveira, Joao Barroso: Agencia Municipal de Energia de Sintra (Portugal)
José Ramón López, Santiago Torre-Enciso: Ente Vasco de la Energía (España)
Con el respaldo de la Comisión Europea (Dirección General de Energía y Transporte)
y el Gobierno Vasco.
La reproducción del contenido de la guía debe ponerse en conocimiento de la
Comisión Europea y Rhônalpénergie-Environnement. Ni la Comisión Europea
ni ninguna otra persona en su nombre:
a) ofrece ningún tipo de garantía o manifestación, expresa o implícita, en relación con la información
que contiene esta publicación;
b) asume ningún tipo de responsabilidad respecto de la utilización o los daños que pudieran derivarse
de esta información.
Las opiniones expresadas en esta publicación no reflejan necesariamente los pareceres
de la Comisión.
Climasol
Índice
Guía de refrigeración solar
1
Introducción
1.1
1.2
¿Por qué refrigeración solar?
¿Son atractivas las tecnologías de refrigeración solar?
1.3
¿Cómo decidirse por una instalación de refrigeración solar?
2
Reducir las cargas de refrigeración en verano
2.1
2.2
Principios generales
Estrategias
2.3
Técnicas para la reducción de las cargas de refrigeración en verano
3
Aire acondicionado solar – Visión general
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Sistemas térmicos de refrigeración
Sistemas de refrigeración evaporativa con desecante
Colectores solares
Precauciones con las torres de refrigeración y las unidades
de acondicionamiento de aire
Costes de inversión y explotación
4
Plantas de refrigeración solar
p 4
p 6
p 10
p 16
Ubicación
10 ejemplos
5
Gestionar un proyecto
5.1
5.2
5.3
5.4
Selección de la tecnología – Esquema para toma de decisiones
Reglas básicas para el diseño y dimensionamiento
¿Por qué realizar un estudio de viabilidad?
Normas específicas en el Estado Español
6
Bibliografía, contactos
p 28
p 31
3
1
INTRODUCCIÓN
La demanda de aire acondicionado en el sector terciario aumenta cada vez más debido a un deseo de mayor
confort pero también como consecuencia de las altas temperaturas que se están produciendo durante la última década. Paralelamente, las técnicas pasivas o semipasivas utilizadas durante siglos para lograr óptimas
condiciones de confort en espacios cerrados parecen haber caído en el olvido en numerosos edificios de
reciente construcción.
El uso cada vez más extensivo de equipos eléctricos de refrigeración por compresión es responsable de una
mayor demanda de energía eléctrica en verano, que llega a alcanzar el límite de la capacidad del sistema
eléctrico en algunas zonas. Las emisiones de gases de efecto invernadero han aumentado, ya sea por la
mayor demanda de energía o por las fugas de fluidos de refrigeración, intensificando el círculo vicioso del
cambio climático.
Como se expone en la primera parte de esta publicación, existe un amplio abanico de soluciones pasivas, ya
sea para nuevos edificios en fase conceptual o para los ya existentes, que mejoran las condiciones de los
espacios cerrados sin necesidad de ningún sistema de aire acondicionado, reduciendo espectacularmente las
necesidades de refrigeración durante el periodo estival.
Además tenemos a nuestra disposición la radiación solar. Y las tecnologías de refrigeración solar que se exponen
en este documento han demostrado tanto su eficacia como su fiabilidad, algunas de ellas durante más de diez
años. Estas tecnologías emplean fluidos refrigerantes no dañinos (normalmente agua) y mucha menos energía
primaria que los sistemas clásicos. Así pues, ¿por qué no utilizar la energía solar para mantener los espacios cerrados durante el verano en unas condiciones óptimas de confort?
1.1 - ¿Por qué refrigeración solar?
Desde hace mucho tiempo se han venido utilizando distintos métodos
para prevenir el calor y reducir las temperaturas de los locales cerrados
en verano. En la zona del Mediterráneo, por ejemplo, se pintan los edificios de colores claros para que reflejen una parte de la radiación solar. Las
estrategias de refrigeración alternativas se basan en varias tecnologías de
refrigeración pasivas y de bajo consumo energético destinadas a proteger
los edificios por medio de medidas de diseño o componentes especiales
que moderen las ganancias térmicas o solares, o que expulsen el exceso
de calor al medio ambiente. Lo que pretenden todas estas técnicas es
reducir las cargas de refrigeración durante el verano y, con ello, la demanda de electricidad de los sistemas de aire acondicionado.
Durante el verano, la demanda de electricidad aumenta debido a un
mayor uso de sistemas de aire acondicionado, lo que incrementa la carga
eléctrica pico y provoca graves problemas de suministro eléctrico. La
escasez de energía es peor en años "secos" ya que las centrales hidroeléctricas se ven limitadas y no pueden ayudar a cubrir dicha carga.
4
El uso de energía solar para la refrigeración de edificios es un concepto
atractivo dado que la carga de refrigeración coincide, generalmente, con
la disponibilidad de energía solar, es decir, la demanda de refrigeración de
un edificio está más o menos en fase con la incidencia solar.
Los sistemas de refrigeración solares presentan la ventaja de que utilizan
fluidos totalmente inocuos, como agua o soluciones de determinadas
sales. Son energéticamente eficientes y medioambientalmente seguros.
Se pueden utilizar bien como sistemas independientes, bien conjuntamente con sistemas de aire acondicionado convencionales para mejorar
la calidad del aire de los espacios cerrados de toda clase de edificios. El
principal objetivo es utilizar tecnologías sin emisiones para reducir el
consumo de energía y las emisiones de CO2.
1.2 - ¿Son atractivas las tecnologías de refrigeración solar?
Pese a que existe un gran mercado potencial
para la tecnología de refrigeración solar, los
sistemas que hoy por hoy existen no son
económicamente competitivos frente a los
equipos de climatización a gas y eléctricos,
debido principalmente al elevado coste de
inversión de los sistemas de refrigeración
solares y al bajo precio de los combustibles
convencionales.
En términos generales, en relación con las tecnologías de energía solar, se constata que:
su coste desciende conforme se van produciendo masivamente;
su madurez técnica les permite satisfacer
las necesidades de los consumidores;
son mucho más respetuosas con el medio
ambiente que los sistemas de aire acondicionado convencionales.
Si se reduce el coste de los distintos componentes (colectores solares, máquina frigoríficas...) y se mejora su rendimiento la situación
podrá cambiar radicalmente; con todo es difícil
predecir la fecha en que dichas tecnologías
solares alcanzarán la madurez en términos
económicos.
De todo lo citado, se deduce que es necesario
algún tipo de incentivo a la inversión o alguna
tasa o impuesto energético que ayude a reflejar todos los costes medioambientales de los
combustibles convencionales. En muchos
países, la disponibilidad de ayudas proporciona
una solución atractiva económicamente.
Sólo se puede comparar una tecnología solar
con otra que utilice fuentes de energía
convencional si se incluyen en cada caso los
costes medioambientales y los costes sociales
(con efectos secundarios, costes de distribución y costes indirectos). También debe tenerse en cuenta la imposibilidad de predecir los
precios de los combustibles convencionales a
largo plazo.
1.3 - ¿Cómo decidirse por una instalación
de refrigeración solar?
¿Está convencido de que para salir del círculo vicioso del cambio climático necesitamos un planteamiento de nuestro consumo energético que tenga mucho más en cuenta el medio ambiente? ¿De
que el primer paso de dicho planteamiento consiste en reducir las necesidades de refrigeración
mediante técnicas pasivas o bioclimáticas? ¿Y de que si todavía se necesita un sistema de refrigeración, las tecnologías de refrigeración solar, respetuosas con el medio ambiente, podrían ser una
buena solución? Entonces, siga leyendo esta publicación.
La primera sección presenta las principales técnicas pasivas o semipasivas para reducir las cargas de
refrigeración durante el verano.
Después se describen las distintas tecnologías de refrigeración solar, a saber, absorción, adsorción y
sistemas de refrigeración evaporativa con desecante .
También contiene una extensa relación de instalaciones comerciales en funcionamiento, con diez
casos en distintos países, contextos climáticos, utilización y gama de técnicas aplicadas.
Por ultimo, aunque no por ello menos importante, se ofrecen consejos para que su proyecto de aire
acondicionado solar avance.
5
2
REDUCIR LAS CARGAS DE
REFRIGERACIÓN EN VERANO
Gracias a los sistemas de refrigeración con energía solar es posible enfriar los edificios sin que ello
repercuta en el medio ambiente. Ahora bien, aunque la energía solar que utilizan es gratuita, para una
misma potencia de refrigeración estos sistemas son más costosos que los sistemas de refrigeración
por compresión tradicionales.
Así pues, a la hora de instalar un sistema de refrigeración solar es necesario analizar detenidamente
las características del edificio en cuestión y adoptar todas las medidas que sean necesarias para reducir necesidades energéticas. El objetivo de este capítulo es resumir los principios, estrategias y técnicas aplicables para reducir las cargas de refrigeración en verano.
Los consejos que aquí se ofrecen abarcan tanto edificios en proyecto, en los que se podrá optar por
planteamientos y soluciones más innovadoras, como otros ya existentes, para los que hay, en cualquier caso, muchas estrategias disponibles.
2.1 - Principios generales
En los sistemas de refrigeración estivales, la potencia de refrigeración de
las máquinas frigoríficas se evalúa en función de la carga de refrigeración necesaria en este periodo del año, es decir, la suma de todas las cargas de refrigeración, ya sean internas y externas, que van a afectar al
equilibrio térmico entre el local cerrado y lo que quiera que haya en el
exterior (no solamente el entorno exterior como tal, sino también todos
los locales colindantes que no dispongan de un sistema de aire acondicionado). En verano, la cantidad de calor que hay que eliminar depende
de una serie de factores, alguno de los cuales, como la incidencia de la
radiación solar, varía en función de la hora del día.
los efectos de la inercia térmica de las estructuras de los edificios;
las cargas térmicas internas, tanto sensibles como latentes, debido a
la presencia de personas y a fuentes de calor (iluminación, distintos
tipos de máquinas, etc.);
el aumento de calor, tanto sensible como latente, debido a la infiltración y ventilación de la estancia.
El cuadro de flujo de la Figura 1 muestra que las características de los
elementos arquitectónicos que definen la envolvente de un edificio
influyen enormemente en la carga de refrigeración estival.
A continuación se enumeran los factores que repercuten en mayor medida en las cargas de refrigeración estivales:
los efectos de la radiación solar a través de superficies transparentes;
los efectos de la transferencia de calor a través de los cerramientos
tanto opacos como transparentes;
Un sistema de refrigeración previsto para los meses de verano debe ser
capaz de eliminar del edificio tanto el calor sensible como el latente.
Factores climáticos
radiación solar
humedad
específica del
aire exterior
dispositivos para
generar sombra
infiltración y
ventilación
masa térmica
como almacenamiento de
calor
radiación solar
a través de
superficies
acristaladas
cargas
internas
masa térmica
como almacenamiento de
calor
radiación y
transmisiones de
paredes y tejado
Edificio
personas
iluminación
otros equipos
transmisión sin
incluir paredes
y tejado
usuarios
calor total
sensible
6
temperatura
del aire
calor total
latente
calor total
que se ha de eliminar
Figura 1
Diagrama de flujo del
procedimiento de cálculo
para evaluar la carga de
refrigeración de un edificio
en verano
Calor sensible y calor latente en climatización
El calor sensible, que por lo general prevalece frente al calor latente, es la suma de aquellas cargas de
calor que resultan de un aumento de temperatura.
Procede del exterior del edificio y es el resultado de
la radiación solar, la diferencia de temperatura entre
el exterior y el interior del edificio (transmisión de
calor por conducción a través de los cerramientos) y
también de las denominadas cargas internas, tales
como las personas y cualquier fuente de calor (iluminación, máquinas, motores, etc.).
El calor latente, por el contrario, es la suma de
aquellas cargas de calor que resultan de un aumento de la cantidad de vapor de agua en el aire, es
decir, de un aumento de la humedad del aire, sin
aumentar la temperatura. El calor latente ambiental
procede del vapor que emiten las personas (respiración y transpiración) y de otras fuentes que producen vapor (refrigeración, secado de lavandería, etc.).
Cuando se ventila una estancia, el aire que viene de
fuera trae calor sensible ya que su temperatura es
superior a la temperatura ambiente, y calor latente,
dado su contenido de vapor.
Figura 2
Oficinas de la Cámara de Comercio en Friburgo
(Alemania); buen ejemplo de la aplicación de técnicas
para reducir cargas térmicas en verano (protección
solar y ventilación del tejado), dispositivos de
sombreamiento y tejado verde.
2.2 - Estrategias
La carga de refrigeración de un edificio en verano y, por consiguiente, los
requisitos de energía del sistema de refrigeración, se pueden reducir
adoptando estrategias "bioclimáticas" (Figura 3).
Reducción de cargas de calor en la fase de diseño:
protección frente al sol de ventanas, paredes y cubiertas de superficies
utilizando pantallas o filtros artificiales o naturales (Figuras 4 y 5).
mayor inercia térmica en combinación con ventilación nocturna;
adecuada ventilación.
PROTECCIÓN FRENTE AL SOL
En verano, la radiación solar penetra por las superficies acristaladas de la
envolvente del edificio (puertas y ventanas) provocando así un aumento
inmediato de energía que el sistema de refrigeración habrá de eliminar.
Para reducir el impacto de la radiación solar se puede recurrir a distintos
tipos de dispositivos que dan sombra:
dispositivos verticales (para fachadas orientadas al este u oeste)
u horizontales (para fachadas orientadas al sur) (Figura 7);
pantallas solares externas fijas o ajustables;
toldos exteriores (persianas enrollables o de lamas);
cortinas interiores (tipo venecianas o de tela);
acristalamiento especial.
Reducción de la temperatura exterior interviniendo en el entorno exterior
próximo al edificio mediante:
el aumento de la humedad relativa del aire por medio de estanques,
fuentes y vegetación;
el sombreamiento con vegetación (árboles, pérgolas, etc.);
la reducción de la reflexión solar externa (creando áreas verdes);
la selección de colores claros para las paredes exteriores.
Materiales
Protección
solar
Aberturas
Vegetación
Cargas internas
Orientación
Los dispositivos para generar sombra exteriores son los más eficaces ya
que impiden que la radiación solar alcance las superficies acristaladas.
Figura 5
Protección solar con salientes
horizontales y toldos
exteriores en una edificio de
oficinas de Dresde (Alemania).
Figura 3
En la fase de
planificación se puede
reducir la carga de
refrigeración durante el
verano recurriendo a
estrategias
bioclimáticas.
Ventilación
Figura 6
Saliente horizontal con módulos
fotovoltaicos integrados
(casas solares en
Friburgo (Alemania)]
Figura 4
Dispositivos verticales
para generar sombra
en un edificio de
oficinas de Dresde
(Alemania)
7
La eficacia de los distintos sistemas de protección solar depende de:
– la geometría de la protección solar
– la orientación de la fachada (E, O, S, SE, SO)
– la estación del año.
CONTROL DE LA MASA TÉRMICA
Grado de transmisión
La inercia térmica de un edificio repercute notablemente en la transferencia de calor al ambiente interior.
Las estructuras acumulan radiación directa del exterior y la liberan al
ambiente interior unas pocas horas más tarde.
Protección solar
horizontal
Grado de transmisión
Figura 7
Un edificio caracterizado por una gran masa térmica tarda más en calentarse, cediendo más lentamente el calor que entra a través de las paredes.
Por tanto, en los edificios que tienen una elevada inercia térmica los picos
del sistema de refrigeración son más bajos.
VENTILACIÓN
Grado de transmisión
Protección solar
vertical
Protección solar
horizontal y
vertical
combinada
Meses
Los gráficos de la Figura 7 muestran la eficacia de algunos sistemas de
protección solar.
La protección frente al sol de las superficies opacas de los revestimientos
exteriores también es importante dado que también son afectadas por la
radiación solar
Si no se pudiesen colocar los dispositivos de apantallamiento necesarios se podría optar por una buena elección de colores para la envolvente del edificio donde predominen los que tengan un bajo coeficiente de absorción.
En verano, la ventilación es uno de los modos más sencillos de conseguir
que los ocupantes de un edificio no tengan sensación de calor. Hay dos
estrategias posibles. La primera repercute directamente en el bienestar
psicológico de los usuarios y consiste en mover el aire de dentro del edificio con ventiladores de techo o aparatos similares, o dejar que el aire
circule mediante corrientes de aire que procede del exterior (siempre y
cuando éste no sea más cálido que el aire que hay dentro del edificio).
El segundo método, destinado a enfriar el edificio, consiste en airear
insistentemente las estancias siempre que el aire exterior sea más frío
que el aire de dentro del edificio: de este modo, las estructuras se enfrían
y prolongan el bienestar de los ocupantes incluso durante las horas más
cálidas del día.
Esto obliga a tener:
estancias con doble orientación (al menos dos paredes de cara al exterior en direcciones opuestas);
paredes con aberturas expuestas a bajas emisiones de ruido (para que
se puedan abrir y que el aire entre).
Controlar los tres elementos, la inercia térmica, la protección solar y la
ventilación, proporciona un destacado descenso de las temperaturas
medias interiores durante el verano.
Ventilación difícil
Ventilación correcta
Figura 8
Impacto térmico de la radiación solar en
relación con el color de la superficie
superficie clara
superficie oscura
Figura 9
La ventilación natural también depende de la disposición del edificio.
Las estancias con doble orientación y con al menos dos paredes al exterior
en direcciones opuestas simplifican la ventilación.
2.3 - Técnicas para reducir las cargas de refrigeración en verano
Si los edificios se proyectan cuidadosamente teniendo en cuenta los
parámetros de diseño comentados anteriormente, se puede reducir espectacularmente la necesidad de aire acondicionado durante el verano.
Aunque algunas de las técnicas comentadas sólo se pueden aplicar con
eficacia en edificios que aún se encuentren en fase de diseño, muchas de
las intervenciones para reducir la carga de refrigeración en verano también se pueden aplicar en edificios ya construidos a un coste razonable.
TÉCNICAS NATURALES Y REFRIGERACIÓN PASIVA
Las técnicas de refrigeración pasiva se pueden subdividir en dos grupos
fundamentales:
las que protegen el edificio con soluciones en su diseño que limitan las
ganancias térmicas procedentes del sol y las ganancias internas;
las que contribuyen a eliminar el calor estival del interior transportándolo a otros ambientes (agua, aire, tierra, etc.).
Los criterios de planificación que se habrán de adoptar se especifican claramente en el folleto "Natural and Low Energy Cooling in Buildings"
(véase la bibliografía).
8
REDUCCIÓN DE CARGAS DE REFRIGERACIÓN
DURANTE EL VERANO EN EDIFICIOS YA
CONSTRUIDOS
Las tecnologías comentadas en los párrafos anteriores pueden reducir
espectacularmente la carga térmica de un edificio, tanto en lo que a
demanda pico se refiere como al consumo de energía mediante:
la mejora de la gestión operativa del sistema de la planta del edificio;
la reducción de las cargas térmicas internas;
intervenciones estructurales en la envolvente del edificio;
intervenciones en el sistema de aire acondicionado.
La reducción de la carga depende de muchos factores: las características
técnicas de la envolvente, la orientación, la masa del edificio, la latitud,
las condiciones climáticas, etc. Se ha realizado una simulación por ordenador de un edificio de oficinas en el que se han considerado muchas
estrategias y el resultado ha mostrado que es posible lograr una reducción
espectacular (hasta un 45%) si se aplican estrategias bastante normales
de soluciones pasivas.
Descripción de la intervención
Gestión de
operación
Coste
Ahorros*
Regular la temperatura interior de cada espacio
Ninguno
0% - 6%
Aumentar la temperatura ambiente (p.ej. 27ºC en lugar de 25ºC)
Ninguno
4% - 8%
Aumentar la humedad relativa ambiental (p.ej. 60-55% en lugar de 50%)
Ninguno
1% - 5%
Utilizar correctamente los aparatos eléctricos y de iluminación.
Ninguno
3% - 7%
Gestionar correctamente las contraventanas y ventanas exteriores
Ninguno
0% - 5%
Bajo
4% - 6%
Bajo
2% - 4%
Medio
10% - 13%
Dispositivos para generar sombra interiores
Bajo
2% - 5%
Dispositivos para generar sombra exteriores
Medio
8% - 19%
Colocar salientes verticales (0,6 m)
Alto
2% - 18%
Colocar salientes horizontales (1,5 m)
Alto
1% - 9%
Colocar salientes horizontales (0,6 m)
Alto
2% - 8%
Colocar cristales dobles reflectantes
Alto
4% - 7%
Medio
3% - 11%
Pintar las paredes exteriores de colores claros de baja absorción
Bajo
1% - 8%
Revestimiento aislante de las paredes perimétricas
Alto
0,6% - 1%
Colocar paredes con cámara ventilada
Alto
0,2% - 0,6%
Medio
3% - 6%
Colocar dispositivos para generar sombra en la cubierta
Alto
2% - 8%
Instalar tejados ventilados
Alto
4% - 15%
Instalar una unidad de recuperación de calor a partir del aire extraído
Alto
2% - 4%
Medio
4% - 8%
Instalar sistemas de regulación eficaces
Alto
2% - 8%
Instalar terminales radiantes (techos fríos, vigas frías, etc.)
Alto
2% - 8%
Regular el sistema de iluminación (variación de la intensidad, detectores de
Reducción de las
cargas térmicas
internas
personas, etc.) con lámparas incandescentes
Regular el sistema de iluminación (variación de la intensidad, detectores de
personas, etc.) con lámparas fluorescentes
Utilizar aparatos de iluminación de bajo consumo de energía
(p.ej. lámparas fluorescentes en lugar de lámparas incandescentes)
Intervenciones en
la envolvente del
edificio
Colocar película reflectante
Aislar el tejado
Intervención en
el sistema de la
planta
Uso de estrategias de "free-cooling" y "night purge" (ventilación nocturna)
Tabla 1: Gestión técnica y funcional para la reducción de la carga térmica durante la temporada estival, en relación con los costes y ahorros de energía.
* los ahorros son el resultado de una simulación con ordenador hecha en un edificio de oficinas concreto por lo que no deben considerarse valores generales.
9
3
AIRE ACONDICIONADO SOLAR VISIÓN
GENERAL TÉCNICA
En los sistemas de aire acondicionado solares se utiliza calor del sol como motor del proceso de refrigeración. En
la siguiente tabla se muestran las tecnologías más comunes utilizadas junto con el calor del sol. Según esto, los
sistemas de aire acondicionado solares disponibles actualmente se pueden clasificar como:
– sistemas cerrados: son máquinas frigoríficas que proporcionan agua fría que se utiliza en unidades de acondicionamiento de aire para suministrar aire acondicionado (enfriado, deshumidificado) o que se distribuye a través de una red de agua fría a las estancias designadas para poner en marcha instalaciones de estancias descentralizadas, p.ej., fancoils. Las máquinas disponibles en el mercado para este fin son las máquinas frigoríficas de
absorción (las más comunes) y las máquinas frigoríficas de adsorción (unos pocos centenares en el mundo pero
de creciente interés en la aplicación de sistemas de aire acondicionado solares);
– sistemas abiertos: que ofrecen un completo acondicionamiento del aire al suministrar aire enfriado y ajustado en humedad en función de las condiciones de confort. El "refrigerante" es siempre agua dado que está en
contacto directo con la atmósfera. Los sistemas más comunes son de tipo refrigeración evaporativa con desecante que utilizan un deshumidificador rotativo con sorbente sólido.
Método
Ciclo cerrado
Ciclo abierto
Ciclo refrigerante
Ciclo cerrado de refrigeración
El refrigerante (agua) está en contacto con la
atmósfera
Principio
Agua fría
Deshumidificación del aire y refrigeración
evaporativa
Fase de sorbente
Sólido
Líquido
Sólido
Líquido
Parejas de materiales
típicos
Agua - gel de sílice
Agua – bromuro de litio
Amoniaco - agua
Agua - gel de sílice
Agua - cloruro de litio
Agua - cloruro de calcio
Agua - cloruro de litio
Tecnología disponible
en el mercado
Refrigeración por adsorción
Refrigeración por absorción
Refrigeración evaporativa
con desecante
(Próximamente en el mercado)
50 – 430 kW
15 kW – 5 MW
20 kW – 350 kW
(por módulo)
COP típico
0.5 – 0.7
0.6 – 0.75 (efecto simple)
0.5 – >1
>1
Temperatura de
accionamiento
60 – 90°C
80 – 110°C
45 – 95°C
45 – 70°C
Colectores solares
Tubos de vacío,
colectores de placa plana
Tubos de vacío
Colectores de placa plana,
colectores solares de aire
Colectores de placa plana,
colectores solares de aire
Capacidad de
refrigeración típico
(kW frío)
10
Tabla 2: Visión general de las tecnologías de aire acondicionado solar más comunes.
3.1 - Máquinas frigoríficas térmicas
Las máquinas frigoríficas se caracterizan por tres niveles de temperatura:
- un nivel de temperatura alto, a la que se proporciona el calor que
acciona el proceso;
– un nivel de temperatura bajo, a la que se obtiene el efecto útil, el frío;
– un nivel de temperatura intermedio entre ambos, a la que se elimina
tanto el calor extraído del circuito de agua fría como el calor que acciona el proceso. Para eliminar este calor, en la mayoría de los casos se utiliza una torre de refrigeración húmeda.
Qheat
TH
TM
Qreject
Figura 10
Esquema básico del proceso: Qcold es el calor
extraído del agua fría en el evaporador del
máquina frigorífica
(energía de refrigeración),
Qheat es el calor necesario en la parte de
generación para accionar el proceso; y Qreject,
la suma de Qcold y Qheat se tiene que eliminar
a un nivel de temperatura medio TM.
Qheat lo suministra el sistema solar o fuentes
de calor de apoyo, p.ej., un quemador a gas.
TC
Agua caliente
Agua de refrigeración
GENERADOR
CONDENSADOR
ABSORBEDOR
EVAPORADOR
Agua de refrigeración
Agua fría
Figura 11
Dibujo esquemático de una máquina frigorífica de absorción
Qcold
Un valor clave que describe el grado de efectividad de una máquina frigorífica térmica es la eficacia (Coefficient Of Performance, COP), definida como el cociente entre el calor extraído del circuito de agua fría ("frío
suministrado") y el calor de accionamiento requerido, es decir, COPthermal
= Qcold / Qheat. Es distinto al COPconv de una máquina frigorífica eléctrica
convencional, definido como COPconv = Qcold / Eelectric, donde Eelectric representa el consumo eléctrico de la máquina frigorífica.
Esta definición de COPthermal no incluye ningún consumo de energía eléctrica adicional. Así pues, una comparación realista de las distintas tecnologías exige considerar la aportación de energía total, tanto el calor de
accionamiento, como la energía consumida por las bombas, los ventiladores, etc. Cabe señalar que cuanto menor sea el COP, mayor aportación
de calor se necesitará y más calor tendrá que eliminar la torre de refrigeración. Y al contrario, un valor alto del COP es una ventaja para reducir
tanto la aportación de calor como de energía eléctrica de las bombas que
impulsan los fluidos.
La temperatura de agua fría depende del sistema de refrigeración que se
haya instalado en los locales. Si se requiere deshumidificar el aire, es
necesario bajar por debajo del punto de rocío del ambiente por medio de
fancoils, para ello las temperaturas del agua fría estarán en una gama de
entre 6ºC y 9ºC. Para eliminar únicamente cargas de calor sensible, tal
como se consigue con aportación de aire frío o con instalaciones del estilo de techos fríos, basta con agua fría a una temperatura de entre 12ºC y
15ºC, lo que permite trabajar con la máquina frigorífica a mayor rendimiento.
El efecto de refrigeración se basa en la evaporación del refrigerante
(agua) en el evaporador a presiones muy bajas. El refrigerante vaporizado es absorbido en el absorbedor, diluyendo así la solución H2O/LiBr. Para
que el proceso de absorción sea eficiente es necesario enfriarlo. La solución se bombea continuamente hacia el generador, donde se logra regenerar la solución calentándola con una fuente de calor externa (p.ej. con
agua calentada mediante energía solar). El refrigerante que sale del generador en este proceso se condensa aplicando agua de refrigeración en el
condensador y circula por una válvula de expansión para entrar de nuevo
en el evaporador.
Normalmente, las capacidades de refrigeración de este tipo de máquinas
frigoríficas son de varios cientos de kW. Principalmente se alimentan con
calor procedente de algún sistema centralizado, calor residual o calor de
cogeneración. La temperatura del foco caliente necesaria es normalmente superior a 80ºC para máquinas de efecto simple, con un COP que se
sitúa en la gama de 0,6 a 0,8. Las máquinas de doble efecto con dos fases
de generador necesitan temperaturas de accionamiento por encima de
140ºC pudiendo alcanzar el COP valores de hasta 1,2.
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS DE ABSORCIÓN
Este tipo de máquinas frigoríficas es el más extendido en todo el mundo.
La compresión térmica del refrigerante se consigue utilizando una solución refrigerante/sorbente líquida y una fuente de calor, que sustituye el
consumo eléctrico de un compresor mecánico. Para agua fría a más de
0ºC, que es lo que se utiliza en los sistemas de aire acondicionado, normalmente se aplica una solución líquida H2O/LiBr con agua como refrigerante. La mayoría de los sistemas utilizan una bomba para impulsar la
solución líquida, pero ésta consume poca electricidad. Cuando se trabaje
con un máquina frigorífica de absorción H2O/LiBr habrá que evitar que la
solución cristalice controlando la temperatura de disipación de calor en
la máquina.
En la siguiente ilustración se muestran los principales componentes de
una máquina frigorífica de absorción.
Figura 12
Máquina frigorífica de absorción - Hotel Rethimno Village - Creta
11
Existen algunas máquinas frigoríficas de absorción con capacidades inferiores a 50 kW. En los sistemas de aire acondicionado solares con este
tipo de máquinas frigoríficas, a menudo se instalan estas unidades
pequeñas. Un prototipo, desarrollado recientemente para pequeñas
potencias, permite trabajar a cargas parciales reduciendo la potencia de
refrigeración con temperaturas de fuente de calor de 65 ºC y con un COP
de todavía 0,7 aproximadamente, lo cual es prometedor para combinar
con energía solar. Esto indica que aún hay posibilidades de mejorar los
rendimientos de las máquinas frigoríficas de absorción.
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS DE ADSORCIÓN
En este caso, en lugar de una solución líquida se utilizan sorbentes sólidos. Los sistemas disponibles en el mercado utilizan agua como refrigerante y gel de sílice como sorbente.
Las máquinas constan de dos compartimentos sorbentes (denominados 1 y
2 en la ilustración de más abajo), un evaporador y un condensador. Mientras que el sorbente del primer compartimento se regenera utilizando agua
caliente de una fuente de calor externa, p.ej., el colector solar; el sorbente
del compartimento 2 (adsorbedor) adsorbe el vapor de agua que viene del
evaporador. Es necesario enfriar este compartimento para que se produzca
una adsorción continua. El agua del evaporador cambia de fase a vapor
extrayendo el calor necesario del circuito de agua fría. Éste es, de hecho, el
efecto útil de refrigeración. Si la capacidad de refrigeración se ve reducida
a un valor predeterminado debido a la saturación del sorbente en el adsorbedor, las cámaras intercambian su función. Hasta la fecha, sólo unos pocos
fabricantes asiáticos producen máquinas frigoríficas por adsorción.
En condiciones de funcionamiento normales con una temperatura de
calor de accionamiento en torno a los 80ºC, el sistema alcanza un COP
próximo a 0,6; aunque puede funcionar incluso con temperaturas de
aproximadamente 60ºC. La capacidad de las máquinas frigoríficas oscila
entre 50 kW y 500 kW de potencia de refrigeración.
La simplicidad mecánica de las máquinas frigoríficas de adsorción y su
consecuente robustez es una ventaja.
Como no existe riesgo de cristalización, tampoco hay límites en las temperaturas de disipación de calor. No se necesita bomba para la solución
interna, con lo que el consumo eléctrico es mínimo. La desventaja es su
volumen y peso comparativamente elevado. Es más, puesto que la producción de máquinas frigoríficas de adsorción es pequeña su precio es
actualmente elevado. Como se prevén grandes e importantes mejoras en
los procesos de intercambio de calor de los compartimentos de adsorbedores, se puede asumir que las máquina frigoríficas de adsorción de futuras generaciones tendrán un volumen y un peso notablemente inferior.
CONDENSADOR
Agua de refrigeración
Agua de
refrigeración
Agua caliente
Agua fría
EVAPORADOR
Figura 13
Dibujo esquemático de un máquina frigorífica por adsorción
12
Figura 14
Máquina frigorífica por adsorción - Sarantis - Grecia
3.2 - Sistemas de refrigeración evaporativa con desecante
Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante son básicamente de ciclo abierto, utilizando agua como refrigerante en contacto directo con el aire. El ciclo de refrigeración térmico es una combinación de
refrigeración evaporativa y deshumidificación del aire gracias a un desecante , es decir, un material higroscópico. Para tal fin, se pueden emplear
sustancias líquidas o sólidas. Se utiliza el término "abierto" para indicar
que el refrigerante del sistema después de proporcionar el efecto frigorífico no se recupera, y que se suministra nuevo refrigerante en un circuito sin retorno. Por consiguiente, sólo se puede utilizar agua como
refrigerante dado que se produce un contacto directo con la atmósfera.
La tecnología comúnmente aplicada hoy en día emplea deshumidificadores rotativos, que utilizan gel de sílice o cloruro de litio como material sorbente.
REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON
SORBENTE SÓLIDO Y DESHUMIDIFICADORES
ROTATIVOS
En la siguiente ilustración se pueden ver los principales componentes de
un sistema de refrigeración evaporativa con desecante con energía solar.
A continuación se describe el proceso básico para proporcionar aire acondicionado.
calor de
apoyo
B: Caso de calefacción
En periodos con baja demanda de calefacción, puede que baste con recuperar calor del aire de renovación por medio de un deshumidificador rotativo en modo de giro rápido. Si aumentase la demanda, se aplicaría calor
de los colectores térmicos solares y, si fuese necesario, de una fuente de
calor de apoyo (4-5).
Normalmente, en los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante
se pueden utilizar como sistema de calefacción colectores solares térmicos de placa plana. El sistema solar puede estar compuesto por colectores
en los que el fluido sea agua y por un depósito de agua caliente para
aumentar el uso del sistema solar. Esta configuración necesita un intercambiador de calor agua/aire adicional para conectar el sistema solar al
circuito de aire. Una solución alternativa, con un coste de inversión bajo,
es el suministro directo del calor de regeneración por medio de colectores
solares de aire.
Cuando las condiciones exteriores son extremas, por ejemplo, en zonas
costeras de la región Mediterránea, el ciclo de deshumidificación deberá
tener un diseño especial. En tales casos, y debido a la alta humedad del
aire ambiental, un ciclo con configuración estándar no es capaz de reducir la humedad a un nivel suficientemente bajo como para emplear la
refrigeración evaporativa directa. Este problema se puede solucionar con
una máquina frigorífica evaporativa con desecante para acondicionamiento de aire de diseño más complejo que emplee, por ejemplo, otro
intercambiador térmico rotativo o máquinas frigoríficas adicionales alimentadas con agua fría.
REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON
SORBENTE LÍQUIDO
humidificadores
deshumidificador
cargas de
refrigeración
recuperación
de calor
Figura 15
Dibujo esquemático de un sistema de refrigeración evaporativa con desecante
Un nuevo avance, que próximamente se introducirá en el mercado, son
los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante donde la sustancia de sorción es una solución líquida de agua/cloruro de litio. Este tipo
de sistemas presenta varias ventajas como, por ejemplo, mayor deshumidificación del aire con la misma gama de temperatura de foco caliente
que los sistemas de refrigeración con desecante sólido. También tienen
mayor capacidad de almacenar energía almacenando solución concentrada. Esta tecnología es una opción futura prometedora para incrementar la utilización de sistemas térmicos solares en el sector del aire acondicionado.
A: Caso de refrigeración
El aire cálido y húmedo del exterior entra en el tambor de deshumidificación que gira despacio y es deshumidificado por la adsorción de agua
(1-2). Como el proceso de adsorción calienta el aire, se le hace pasar por
un tambor de recuperación de calor (2-3), lo que produce una refrigeración previa importante de la corriente de aire de suministro. Posteriormente, en un humidificador controlado, este aire se humidifica y con ello
se enfría aún más (3-4) según la temperatura y humedad deseada de aire
de suministro. El aire de renovación extraído de las estancias se humidifica (6-7) en un grado cercano al punto de saturación para explotar todo
el potencial de refrigeración y obtener, de este modo, una recuperación
de calor efectiva (7-8).
Finalmente, hay que regenerar el tambor de adsorción (9-10) mediante la
aplicación de calor a una temperatura relativamente baja que va de los
50ºC a los 75ºC con el fin de que el proceso de deshumidificación sea
continuo.
Figura 16
Sistema de refrigeración evaporativa con desecante líquido,
instalación del nuevo “Solar Building Innovation Center (SOBIC)”
Friburgo-Alemania.
13
3.3 - Colectores solares
En la siguiente tabla se muestran los colectores térmicos solares que se
pueden encontrar en el mercado. No se han considerado, no obstante, los
sistemas de alta temperatura como, por ejemplo, concentradores cilindro-parabólicos.
En los sistemas de aire acondicionado solares, la diferencia de funcionamiento con respecto a los sistemas de colectores térmicos solares para
producir agua caliente sanitaria consiste en la alta temperatura a la que
los colectores han de suministrar el calor útil. En máquinas térmicas de
refrigeración, la temperatura de accionamiento es básicamente de más
de 80ºC, siendo los valores más bajos del orden de 60ºC. En los sistemas
de refrigeración evaporativa con desecante, la temperatura de accionamiento es de más de 55ºC, pudiendo llegar hasta los 90ºC. Debido a los
grandes caudales del circuito de suministro de calor, es difícil lograr una
estratificación ideal en el almacenamiento de agua caliente, siendo también relativamente elevada la temperatura de retorno al colector solar.
Esto provoca ciertas restricciones a la hora de seleccionar el tipo de
colector.
Así pues, en los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante se
pueden instalar colectores de placa plana estándar y colectores solares de
aire. En configuraciones que utilizan máquinas de refrigeración por
adsorción o por absorción de efecto simple, el empleo de colectores de
placa plana selectiva se limita a áreas con elevada irradiación. Para otras
áreas y para máquinas frigoríficas que requieren temperaturas de accionamiento mayores habrá que instalar colectores más eficaces, por ejemplo, del tipo tubo de vacío. En los sistemas de colectores montados fijos
se pueden alcanzar temperaturas más elevadas con colectores de tubo de
vacío que utilicen concentración óptica. Se trata de una opción interesante
para los sistemas de aire acondicionado solares con máquinas frigoríficas
de absorción muy eficaces (doble efecto).
Tipo de colector
Colector solar de
aire
Colector de placa
plana
Colector estático de
parábola compuesta
Colector de tubo de
vacío (CTV)
Abreviatura en inglés
SAC
FPC
CPC
EHP, EDF, SYC
Cubierta de cristal
Cubierta de cristal
Cubierta de cristal
Ejemplo de CTV
Tubo de vacío de cristal
Aislamiento
Absorbedor Carcasa del
con canales de aire colector
Aislamiento Absorbedor con Carcasa del
canales para el fluido colector
Reflector Aislamiento Carcasa del colector
Absorbedor con canales para el fluido
Aleta del absorbedor con canal
(geometría concéntrica para la entrada y
salida del fluido)
Tubo de vacío de cristal para reducir
Principio
Calentamiento de un líquido
las pérdidas térmicas
Calentamiento directo
Calentamiento de un líquido
(agua, agua-glicol):
EHP: tubo de vacío con "heat pipe"
del aire
(agua, agua-glicol)
concentración de la radiación
EDF: tubo de vacío de flujo directo
sin seguimiento
SYC: tubo de vacío tipo Sydney
con concentrador-reflector
Principal área de
aplicación
Aplicación prevalente
en sistemas solares
de acondicionamiento
de aire
14
Tabla 3
Precalentamiento del aire de
Preparación de agua caliente
ventilación
sanitaria
Sistemas de refrigeración
abiertos, p.ej., sistemas de
refrigeración evaporativa con
desecante
Sistemas de refrigeración
evaporativa con desecante.
Máquinas térmicas de
refrigeración (simple efecto) con
colectores de
absorbedores selectivos
Preparación del agua caliente Preparación del agua caliente para
para uso doméstico e industrial
uso doméstico e industrial
Máquinas frigoríficas térmicas
Máquinas frigoríficas térmicas de
(simple efecto)
simple o doble efecto
3.4 - Precauciones con las torres de refrigeración y las unidades de
acondicionamiento de aire
Las unidades de aire acondicionado tradicionales con renovación de aire
generalmente utilizan sistemas de humidificación, y los sistemas de sorción necesitan torres húmedas de refrigeración. Ambas tecnologías pueden presentar riesgos de desarrollo de legionella si la instalación no cuenta con un plan de mantenimiento serio y continuado.
En el caso de máquinas de refrigeración con energía solar se habrán de
tomar las mismas precauciones que con el resto de instalaciones susceptibles de ser focos infecciosos de legionella. Estas precauciones las marca
la legislación actual. Esta normativa habrá de tenerse en cuenta a la hora
de diseñar estos sistemas.
3.5 - Costes de inversión y explotación
La mayoría de los proyectos realizados hasta el día de hoy son de investigación o demostración, por lo que todavía resta mucho trabajo a nivel
de diseño y proyecto por hacer. El trabajo técnico a la hora de desarrollar
un sistema de aire acondicionado solar es mayor que cuando se trata de
un sistema convencional. Ello se debe, por un lado, a la incorporación de
una instalación térmica solar y, por otro, a una mayor necesidad disipación de calor que las instalaciones de refrigeración convencionales, dado
que además de evacuar el calor extraído de los locales hay que disipar el
calor que acciona el proceso, el captado por los colectores solares.
Asimismo, algunos de los costes de componentes siguen siendo elevados
si tenemos en cuenta que su producción, como en el caso de las máquinas frigoríficas de adsorción, dista mucho de estar en un nivel industrial
a gran escala.
A modo de resumen se puede decir que los costes de inversión de estos
sistemas son notablemente superiores a los costes de inversión de las
soluciones con sistemas convencionales. Esto es en menor medida aplicable a los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante ya que el
mayor coste está en el sistema de ventilación, incluido tanto en el sistema solar como en el convencional, y el coste adicional de la instalación
de colectores solares se ve, en parte, compensado por la ausencia de la
máquina de refrigeración por compresión incluida en la configuración del
sistema convencional.
Por otro lado, se puede prever que el coste de explotación de los sistemas
de aire acondicionado solares sea notablemente inferior al coste de
explotación de un sistema convencional, principalmente si en el edificio
en cuestión el pico de consumo eléctrico lo provoca el compresor de la
máquina frigorífica convencional y ello obliga a contratar una mayor
potencia eléctrica disponible.
Aunque un cálculo preciso de lo que cuesta un sistema de aire acondicionado solar depende de cada caso, en términos generales el coste
anual, es decir, el coste total, incluyendo la inversión (coste de capital),
el coste de explotación y mantenimiento, etc., de un sistema de aire
acondicionado solar es actualmente superior al coste anual de un sistema convencional.
En cuanto a los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante, se
prevé que con una reducción moderada del coste de componentes
(prácticamente dentro de la gama de negociaciones con los distribuidores), este tipo de sistemas de aire acondicionado solares puedan ya
competir económicamente con las soluciones convencionales de algunas aplicaciones.
En los sistemas que utilizan máquinas frigoríficas térmicas es necesario
avanzar más para mejorar su rendimiento económico. Si bien se prevén
reducciones de costes importantes de las máquinas frigoríficas de adsorción y de los colectores de tubo de vacío, aún se requieren mayores
avances para aumentar la eficiencia (COP) de las máquinas frigoríficas.
Una mayor experiencia de los fabricantes, proyectistas e instaladores de
este tipo de sistemas dará lugar a un descenso de los costes de planificación, instalación y control. Con estas medidas, los sistemas pueden alcanzar, poco a poco, una gama de costes cercana a la de los sistemas convencionales pero siempre ahorrando importantes cantidades de energía primaria, con lo que se contribuye a reducir las emisiones nocivas para el
medio ambiente.
15
Wolfferts
LfU
1 Köln (AL)
14 Augsburg (AL)
Oficinas
AB - 70 kW 2
VTC - 196 m - 1995
Oficinas, sala reuniones
AD - 245 kW 2
FPC - 2000 m - 2000
Ott & Spies
2 Langenau (AL)
*
Oficinas
AB - 35 kW 2
VTC - 45 m - 1997
Bundespresseamt
Ecotec
3 Berlin (AL)
16 Bremen (AL)
Oficinas
AB - 70 kW 2
VTC - 348 m - 2000
Oficinas
AD - 70 kW 2
VTC - 175 m - 2000
University hospital
4 Freiburg (AL)
Laboratorios
AD - 70 kW 2
VTC - 230 m - 1999
IHK
5 Freiburg (AL)
*
*
Sala de reuniones
DEC - 60 kW2
SAC - 100 m - 2001
Fraunhofer Umsicht
Salón de actos, vestibulo
DEC - 30 kW2
SAC - 115 m - 1998
ILK
18 Dresden (AL)
Sala de reuniones
DEC - 18 kW
FPC - 20 m2 - 1996
Gründerzentrum
Oficinas, laboratorios
AB - 58 kW 2
VTC - 108 m - 2001
Sala de reuniones
DEC - 18 kW
FPC - 23 m2 - 1997
Fachhochschule
7 terium, Berlin (AL)
20 Stuttgart (AL)
Red de agua fría
AB - 70 kW 2
FPC - 229 m - 2000
Sala de exposiciones
DEC - 18 kW
SAC - 20 m2 - 1999
ZAE Bayern
Mayer
8 Garching (AL)
21 Alt-Hengstett (AL)
Oficinas, laboratorios
AB - 7 kW 2
VTC - 30 m - 1999
Fábrica
DEC - 108 kW
SAC - 100 m2 - 2000
Zander
Fraunhofer ISE
9 Stuttgart (AL)
22 Freiburg (AL)
Oficinas
AB - 143 kW 2
VTC - 300 m - 2000
Instalación prototipo
DEC - 24 kW 2
SAC+FPC - 40 m - 2000
10 Köthen (AL)
NCSR "Demokritos“
23 Solar lab Athens (GR)
Oficinas
AB - 15 kW 2
VTC - 100 m - 2000
Oficinas y laboratorios
AB - 35 kW 2
FPC - 160 m - 2003
Technologiezentrum
Stadtwerke
Sarantis SA
11 Remscheid (AL)
24 Viotia (GR)
Oficinas
AD - 105 kW2
FPC - 170 m - 1999
Industria (Almacenes)
AD - 700 kW 2
FPC - 2700 m - 1999
Bautzener Str
12 Dresden. (AL)
Oficinas
AD - 71 kW 2
FPC - 156 m - 1996
Götz
25 Rethymno Village
*
*
Hotel - Crete (GR)
Hotel
AB - 105 kW 2
FPC - 450 m - 2000
Lentzakis S.A.
13 Würzburg (AL)
26 Crete (GR)
Oficinas
AD - 70 kW2
FPC - 80 m - 1996
Hotel
AB - 105 kW 2
FPC - 450 m - 2002
*
N° Ubicación (País)
Tipo de edificio
Tecnología - Potencia de refrigeración (kW)
Tipo de colector - Área bruta - En funcionamiento desde
Tipo de colector
Stadtwerke
19 Riesa (AL)
I N S TA L A C I O N E S D E
instalaciones marcadas con asterisco se presentan
*conLasmás
detalle en las páginas siguientes.
17 Bückeburg (AL)
6 Oberhausen (AL)
Bundesverkehrminis-
16
Malteser-KrankenKamenz (AL)
Hospital
AD - 105 kW 2
TIM-FPC - 140 m - 2000
15 haus
4
VTC : Colector de tubos de vacío.
FPC : Colector de placa plana.
CPC : Colector de parábola compuesta.
SAC: Colector solar de aire.
Tecnología
Ab: Absorción.
Ad: Adsorción.
DEC: Refrigeración evaporativa con
desecante.
Centro Clara
Barakaldo (ES)
C L I M AT I Z A C I Ó N S O L A R
Aqui se presentan las plantas en operación
en edificios convencionales (fábricas, oficinas,
hoteles,...) detectadas en los países
participantes en el proyecto Climasol.
27 Campoamor,
Laia
40 Hotel
Derio (ES)
Centro social y cultural
AB - 229 kW 2
FPC - 163 m - 2004
Hotel
AB - 105 kW 2
FPC - 173 m - 2002
Departamento de
28 Educación
Toledo (ES)
41 Valladolid (ES)
CARTIF
Oficinas
AB - 252 kW 2
VTC - 1095 m - 2004
Oficinas y laboratorio
AB - 35 kW
FPC+VTC - 99 m2 - 2002
29 Barcelona (ES)
Siemens
42 Cornellá del Vallés (ES)
Oficinas
AB - 105 kW 2
VTC - 175 m - 2004
Oficinas
AB - 105 kW 2
CPC - 214 m - 2003
Fundación Metrópoli
30 Alcobendas (ES)
43 El Arenosillo (ES)
Oficinas
AB - 105 kW 2
VTC - 105 m - 2004
Laboratorio
AB - 10 kW
FPC+VTC - 53 m2 - 1994
Fábrica del Sol
INTA
Fontedoso
Daoiz y Velarde
Madrid (ES)
31 Polideportivo
44 El Oso (ES)
Polideportivo
AB - 170 kW 2
VTC - 740 m - 2003
Industria
AB - 105 kW 2
FPC - 528 m - 2003
Inditex
32 Arteixo (ES)
*
Oficinas, almacén
AB - 170 kW 2
FPC - 1626 m - 2003
Geriátrico
Stella-Feuga
45 Santiago de
Compostela (ES)
Oficinas
AB - 115 kW2
FPC - 63 m - 2003
*
33 Fustiñana (ES)
46 Ineti,
Lisboa (PT)
Geriátrico
AB - 105 kW 2
VTC - 149 m - 2003
Oficinas
DEC - 36 kW2
CPC - 48 m - 1999
Universidad Rovira i
34 Virgili - Tarragona (ES)
Agenzia per lo
47 Sviluppo - Trento (IT)
Oficinas
AB - 35 kW 2
VTC - 140 m - 2003
Oficinas, sala de exposiciones
AB - 108 kW2
FPC - 265 m - 2004
Sede central de
35 Viessmann - ESPAÑA
Pinto (ES)
Oficinas
AB - 105 kW
FPC+VTC - 123 m2 - 2001
Ökopark
48 Hartberg Styria (AU)
36 Benidorm (ES)
Hotel Belroy Palace
Bodega Peitler
49 Leutschach Styria (AU)
Hotel
AB - 125 kW 2
VTC - 345 m - 1992
Bodega
AB - 10 kW 2
FPC - 100 m - 2003
Escuela de Ingenieros
37 Sevilla (ES)
CSTB
50 Sophia Antipolis (FR)
Laboratorio
AB - 35 kW 2
FPC - 158 m - 2001
Laboratorios
AB - 35 kW 2
VTC - 58 m - 2003
Universidad Carlos III
38 Leganés (ES)
51 Guadeloupe (FR)
Laboratorio
AB - 35 kW
FPC+VTC - 128 m2 - 2000
Oficinas
AB - 35 kW 2
VTC - 100 m - 2003
Biblioteca Pompeu i
39 Fabra
Mataró (ES)
52 Banyuls (FR)
Biblioteca
DEC - 55 kW2
SAC - 105 m - 2002
*
*
Oficinas, salón de actos
DEC - 30 kW2
VTC - 12 m - 2000
DIREN
GICB
*
Bodega
AB - 52 kW 2
VTC - 215 m - 1991
ASDER
53 Chambéry (FR)
Salón de actos
DEC - 7 kW2
FPC - 16 m - 2004
17
Ott & Spiess
Langenau
NÚMERO EN EL MAPA: 2
PAÍS
Alemania
LUGAR
Langenau, Estado Federal de
Baden Württemberg
Descripción:
En el nuevo edificio de la empresa Ott & Spiess, la
refrigeración de un área de oficinas de 415 m2 se
consigue mediante techos fríos y con un sistema
de ventilación con un flujo de aire de 2.600 m3/h.
Las oficinas se encuentran en la fachada curva
sur/suroeste de un edificio de forma que aprovecha la radiación solar durante el invierno.
El agua fría la suministra una máquina de absorción.
El sistema de calefacción/refrigeración instalado se
encuentra en un área parcialmente acristalada para
que pueda ser visitado por las personas interesadas
en el sistema.
EDIFICIO
Oficinas
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
35 kW
TECNOLOGÍA
Refrigeración por absorción
El sistema de colectores térmicos, dotado de un
depósito tampón de agua caliente de 2 m3, proporciona calor tanto para la máquina de absorción en la temporada estival como para la calefacción durante el invierno. En el caso de que la
captación solar o la temperatura del depósito sea
baja, una planta de cogeneración para producir
calor y electricidad (potencia térmica 19,5 kW,
potencia eléctrica 9 kW) suministra calor adicional. Si la demanda de calor aún supera la capacidad del sistema solar y la de la planta de cogeneración, arranca un quemador de gas de 50 kW de
potencia térmica.
El agua fría de la máquina de absorción de agua/
bromuro de litio se almacena en un depósito
tampón de 1 m3 de capacidad. Debido a su aplicación en techos fríos y al sistema de ventilación,
el agua fría se suministra a una temperatura de
13ºC. Una torre de refrigeración húmeda se encarga de disipar el calor sobrante. En 1999, la eficiencia anual (COP: frío útil/calor de accionamiento) de la máquina de absorción fue de 0,56.
Aproximadamente un 9% de la demanda total de
calor del edificio para refrigeración y calefacción
procedió del sistema solar.
Datos económicos:
e
TIPO DE COLECTOR
Tubos de vacío,
flujo directo
Coste total de la inversión: 285.000
techos fríos y suelo radiante: 176.000 .
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
45 m2
Datos energéticos y medioambientales:
FUNCIONANDO DESDE
1997
e
y sin
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
El proyecto contó con la ayuda del Ministerio
Federal de Educación de Investigación.
como de la planta de cogeneración, evitando los
picos de consumo de electricidad durante el
verano. También se prevén ahorros de energía
primaria y de emisiones asociadas al CO2.
Contacto:
Wolfgang Mößle, Ingenieurbüro Ott & Spiess
e-mail: [email protected]
18
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
Hospital Universitario
de Friburgo
NÚMERO EN EL MAPA: 4
PAÍS
Alemania
LUGAR
Friburgo, Estado Federal de
Baden Württemberg
EDIFICIO
Laboratorios
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
70 kW
TECNOLOGÍA
Refrigeración por
adsorción
TIPO DE COLECTOR
Tubos de vacío, flujo
directo
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
230 m2
FUNCIONANDO DESDE
1999
Descripción:
El hospital de la Universidad de Friburgo, 'Klinikum
Freiburg' gestiona varias instalaciones de laboratorios. En un laboratorio aparte hay instalado un
sistema solar de aire acondicionado. El área total
refrigerada del edificio es de aproximadamente
550 m2.
Hay instalados dos sistemas de ventilación de
caudal variable (10.550 m2/h y 6.350 m2/h nominales) que emplean intercambiadores de flujo
cruzado para recuperar el calor en invierno.
Durante la época estival, los intercambiadores
enfrían el aire de renovación con el agua fría que
proporciona una máquina de adsorción. La temperatura de suministro de aire es de 18ºC.
El calor que proporciona el sistema de colectores
solares térmicos se utiliza en verano para alimentar la máquina de adsorción, y en invierno para
calentar la renovación de aire. El sistema incorpora un depósito de agua caliente de 6 m3 y un
depósito de agua fría de 2 m3. Si no hay suficiente radiación solar y la temperatura del depósito de
agua caliente es baja, el calor lo proporciona el
district heating del hospital (red de vapor del hospital). Una torre de refrigeración húmeda cerrada
disipa el calor del agua que se utiliza en los ciclos
de refrigeración del condensador y durante la fase
de adsorción.
Tras ajustes en el control de la máquina frigorífica, la evaluación de los datos de seguimiento de
2002 muestra valores diarios de eficiencia COP
(frío útil/calor de accionamiento) durante varios
días en verano en torno al valor previsto de 0,60.
Se consiguió una eficacia neta anual del colector
del 32%.
Datos económicos:
Coste total de la inversión del sistema: 352.000
(sin costes de monitorización).
_
El proyecto contó con la ayuda del Ministerio
Federal de Economía y Trabajo y de la empresa
Sulzer Infra. La financiación acumulada fue de
262.000 .
_
El coste anual de explotación y mantenimiento
asciende aproximadamente a 12.000 .
_
Datos energéticos y medioambientales:
Con este concepto de sistema utiliza de manera
constante la red de vapor que existe con lo que se
evitan cargas máximas tanto de consumos de
vapor como de electricidad durante los periodos
de máxima carga de refrigeración que coinciden
con las máximas ganancias del sistema de energía
solar. Se prevén ahorros de energía primaria y de
emisiones de CO2. En la máquina de adsorción
únicamente se emplean materiales respetuosos
con el medio ambiente.
Contacto:
Dipl.-Ing. Hendrik Glaser, University Hospital,
Department Energy supply. e-mail:
[email protected]
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
19
IHK (Cámara de Comercio)
Freiburg
NÚMERO EN EL MAPA: 5
PAÍS
Alemania
LUGAR
Freiburg, Estado Federal de
Baden Württemberg
EDIFICIO
Oficinas refrigeradas
2 salas de reuniones
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
60 kW
TECNOLOGÍA
Sistema autónomo solar
de refrigeración evaporativa
con desecante
TIPO DE COLECTOR
Colector solar de aire
de placa plana
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
100 m2
FUNCIONANDO DESDE
2001
Descripción:
En la Cámara de Comercio (IHK Südlicher Oberrhein) de Freiburg, el primer sistema solar autónomo de refrigeración evaporativa con desecante de
Alemania enfría dos salas de conferencias en verano y las precalienta durante el invierno. Las salas
tienen un área de 65 m2 la pequeña y 148 m2 la
grande. Pueden alojar hasta 120 personas y su
volumen global asciende a 815 m3. Las fachadas
están completamente acristaladas pero cuentan
con medios para generar sombra tanto en el interior como en el exterior. El caudal de aire del sistema de refrigeración evaporativa con desecante
varía de 2.500 m3/h a 10.200 m3/h. No se ha instalado ningún sistema de apoyo en la refrigeración
dado que las necesidades de refrigeración coinciden bastante bien con la mayor disponibilidad de
Para reducir el coste de los soportes de los colectores, éstos se han montado paralelos al tejado
cuya inclinación es de 15º. Puesto que se han utilizado colectores solares de aire y debido a la gran
correlación entre los aumentos de energía solar
disponible y de la carga de refrigeración no se ha
instalado almacenamiento de calor.
Debido al funcionamiento autónomo solar en
verano, se han producido desviaciones del área de
confort, según se define en la norma DIN 1946,
parte 2, dentro rango previsto para cortos periodos de tiempo de funcionamiento del sistema.
Datos económicos:
Gracias al ahorro en los soportes de los colectores
de aire solares, el coste específico del colector,
incluida la estructura de apoyo, es de 210 /m2
de área bruta, lo que equivale a un 10% del coste
total de la inversión del sistema (210.000 ).
_
_
El coste específico de la unidad de aire acondicionado es de aproximadamente 9,50 /m3 de
caudal de aire nominal (sin coste de instalación).
El proyecto contó con la ayuda de la CE (NNE51999-531).
_
Datos energéticos y medioambientales:
Los ahorros de energía primaria y medioambientales se calculan comparando las cifras de consumo de electricidad del sistema solar de refrigeración evaporativa con desecante con las cifras de
consumo de una unidad de acondicionamiento de
aire convencional con suministro de calor en
invierno proporcionado por una caldera a gas, y
una máquina frigorífica de compresión eléctrica
para enfriar el aire en verano.
En este cálculo, los ahorros de energía primaria
anual ascienden a 30.000 kWh eléctricos y los de
emisiones de CO2 a aproximadamente 8.800 kg al
año.
Contacto:
Carsten Hindenburg, Fraunhofer Institute for
Solar Energy Systems (ISE). e-mail: [email protected]
20
energía solar. En invierno, se emplea un sistema de
calefacción de apoyo para conseguir la temperatura del aire de renovación necesaria.
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
Gr. Sarantis S.A., Viotia
NÚMERO EN EL MAPA: 24
PAÍS
Grecia
LUGAR
Oinofyta, Viotia
Descripción:
El proyecto se denomina "PHOTONIO" y está relacionado con la instalación de un sistema de aire
acondicionado centralizado que utiliza energía
solar para calentar y enfriar los nuevos edificios y
almacenes de la empresa de productos cosméticos
Sarantis, S.A.
El espacio climatizado tiene un área de 22.000 m2
(130.000 m3) y lo que se hizo fue instalar un
campo de colectores de placa plana selectiva de
2.700 m2 fabricado en Grecia por la empresa
SOLE, S.A.
Datos económicos:
_
El coste total de la inversión ascendió a 1.305.943 ,
siendo el 50% financiado por el Programa Nacional para la Energía (del Ministerio griego de
Desarrollo).
EDIFICIO
Almacén de productos de
cosmética de la empresa
Gr. Sarantis S.A.
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
700 kW
TECNOLOGÍA
Refrigeración por
adsorción
TIPO DE COLECTOR
Colectores solares de
placa plana selectiva
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
2.700 m2
FUNCIONANDO DESDE
1999
El proyecto recibió el galardón "Premio Mundial a
la Energía 2001" por ser la tercera mejor inversión
mundial de energía sostenible de ese mismo año,
así como un reconocimiento del CRES (Centro de
Recursos de Energía Renovable) en Grecia por ser
la mejor inversión de ahorro energético de ese
país en 1999.
Datos energéticos y medioambientales:
Para enfriar el edificio se necesitan al año del
orden de 2.700.000 kWh. Los colectores solares
suministran a dos máquinas de adsorción agua
caliente a una temperatura de entre 70 y 75ºC, y
trabajando con un rendimiento del 60%. Ambas
máquinas de adsorción utilizan el agua caliente
solar como fuente de energía y producen agua fría
a una temperatura de 8-10ºC. Las máquinas de
adsorción carecen de piezas móviles y utilizan
niveles mínimos de electricidad para hacer funcionar las bombas de vacío (1,5 kW). La potencia
útil de cada máquina es de 350 kW (700 kW en
total). Para cubrir los máximos de demanda se han
instalado tres máquinas frigoríficas convencionales de 350 kW cada una. En invierno, los colectores solares a menudo producen agua caliente a
una temperatura aproximada de 55ºC que circula
directamente por los fancoils que hay en el edificio. Unas calderas sustituyen al campo de colectores durante los días nublados. El agua fría
(durante el verano) y el agua caliente (en invierno) se dirige a las unidades de acondicionamiento de aire locales donde enfrían o calientan el aire
ambiental si es necesario.
Resultados técnicos:
Periodo evaluado: 12 meses
Producción de energía solar: 1.719.000 kWh
Refrigeración: 1.090.000 kWh
Calefacción: 629.000 kWh
Carga total de energía convencional: 614.000 kWh
Cobertura solar: 66%
Reducción de CO2: 5.124.596 kg/año
Contacto:
GR. SARANTIS, S.A. (Propietario del edificio)
Atenas, Grecia
e-mail: [email protected]
Website: www.sarantis.gr
SOLE S.A. (diseño, suministro e instalación)
Acharnes, Grecia
e-mail: [email protected]: www.sole.gr
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
21
Hotel "Rethimno Village", Creta
NÚMERO EN EL MAPA: 25
PAÍS
Grecia
LUGAR
Creta, Rethimno
Descripción:
El hotel "Rethimno Village" se encuentra en
Rethimno Crete, en el Sur de Grecia. Aloja principalmente a turistas, dispone de 170 camas y una
tasa de ocupación del 100% en verano y del 45%
en invierno.
La instalación utiliza colectores de placa plana
(superficies selectiva, 448 m2) para climatización
(refrigeración y calefacción). El hotel también está
dotado de colectores de polipropileno (199 m2)
para calentamiento de la piscina. El diseño, suministro y la instalación del sistema es obra de SOLE
S.A.
Área total climatizada: 3.000 m2
Datos económicos:
_
EDIFICIO
Hotel
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
105 kW
TECNOLOGÍA
Refrigeración por
absorción
TIPO DE COLECTOR
Colectores solares de placa
plana - superficie selectiva
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
448 m2
FUNCIONANDO DESDE
2000
Coste total de la inversión: 264.123
El proyecto fue financiado hasta un 50% por el
Programa Nacional para la Energía (del Ministerio
de Desarrollo griego)
En el año 2000, el proyecto fue galardonado por
el CRES (Centro de Recursos de Energía Renovable) de Grecia como mejor inversión de ahorro
de energía del país.
Datos energéticos y medioambientales:
Los colectores solares suministran agua caliente a
una temperatura de 70-75ºC a una máquina de
absorción que funciona con una eficiencia del
60%. La máquina de absorción utiliza el agua
caliente como fuente de energía y produce agua
fría a una temperatura de entre 8 y 10ºC. También
se utiliza agua como refrigerante (en lugar de
freón o amoniaco).
La máquina de absorción tiene un consumo mínimo de electricidad para que funcione la bomba de
vacío (0,5 kW).
La potencia útil es de 105 kW. Una caldera a gas
de 600 kW sustituye el campo de los colectores en
días nublados o si se requiere aire acondicionado
durante la noche. En invierno, los colectores
solares producen agua caliente a 55ºC que circula directamente por los fancoils que hay en el edificio. El agua fría (en verano) y el agua caliente
(en invierno) es dirigida a las unidades de acondicionamiento de aire locales donde enfrían o
calientan el aire ambiental.
Resultados anuales
Energía solar: 650.743 KWh, carga total de
energía: 1.498.247 KWh, cobertura solar: 43%,
ahorro por energía solar: 650.743 kWh/año
Reducción de CO2: 1.094.972 kg/año
Contacto:
KOUTROULIS BROS S.A. (Propietario)
Rethimno, Crete - Grecia
Tel.: 28310 25523/22693
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
22
SOLE S.A. (diseño, suministro, instalación)
Acharnes, Grecia
e-mail: [email protected] / Website: www.sole.gr
Edificio Fundacional de
Inditex Arteixo – A Coruña
NÚMERO EN EL MAPA: 32
PAÍS
España
LUGAR
Arteixo – A Coruña
EDIFICIO
Oficinas y almacén
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
170 kW
TECNOLOGÍA
Refrigerador de
absorción (LiBr-H2O)
TIPO DE COLECTOR
Colectores solares de placa
plana - superficie selectiva
ÁREA BRUTA DEL
COLECTOR
1.626 m2
FUNCIONANDO DESDE
2003
Descripción:
El edificio donde se ubican los colectores solares
térmicos se trata del Edificio Fundacional de Inditex. Este edificio está dedicado principalmente a
oficinas y parte de almacén. El edificio está compuesta por 2 plantas de 10.000 m2 cada una. La
planta superior se utiliza para diseño de todo lo
referente a Zara (ropa y complementos) y es completamente diáfana, con una altura de 4,10
metros, climatizada con tres climatizadores a cuatro tubos, controladas por sondas de temperatura
ambiente y a una temperatura constante de 23ºC.
La planta baja está mas dividida, con lo cual se
combinan climatizadores con fancoils y también
tiene instalación a cuatro tubos, para que cada
cual regule la temperatura según sus necesidades;
el horario de funcionamiento es de 8 a 22 y de
lunes a viernes con una ocupación media de 500
personas en las dos plantas.
El sistema inicialmente tenía dos bombas de calor
y una enfriadora (eléctricas) para garantizar
durante todo el año agua caliente a 55ºC y agua
fría a 7ºC, con un retorno de 45ºC y 12ºC.
Con la instalación solar se acumula agua caliente
en dos tanques de 30.000 litros cada uno. Cuando se tiene más de 55ºC en los tanques, el control
da la orden al sistema solar para que envíe agua
al colector de agua caliente existente, con lo cual
las bombas de calor no arrancan. En verano como
la demanda de calor es pequeña en el momento
que los tanques superan los 80ºC se envía el agua
de retorno del sistema existente a la máquina de
absorción y una vez enfriada se introduce al
colector de agua fría, con lo cual la enfriadora
eléctrica trabaja menos.
Datos económicos:
_
Coste total de la inversión: 900.000
Subvencionado por la Consellería de Industria y
_
Comercio de la Xunta de Galicia (100.000 ) y por
el IDAE (300.000 ).
_
Datos energéticos y medioambientales:
Mediante la instalación solar se ahorra un total
de 565.060 kWh al año, lo que supone el 15% de
la energía total consumida en el edificio, con una
reducción en consecuencia de 282 t de CO2 y
otros gases contaminantes.
Contacto:
www.inditex.com
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
23
Ineti,
Lisboa
NÚMERO EN EL MAPA: 46
PAÍS
Portugal
LUGAR
Lisboa
Descripción:
Se trata del edificio del Departamento de Energías
Renovables de INETI donde se llevan a cabo actividades de investigación aplicada en los campos
oceanográfico, eólico, biomasa, fotovoltaico y
solar térmico. Aloja laboratorios mecánicos y químicos, así como oficinas para el personal.
Las 12 oficinas de la primera planta están climatizadas exclusivamente con un sistema de refrigeración evaporativa con desecante que incorpora
una bomba de calor y 24 colectores solares CPC
(área bruta de 48 m2, área de abertura de 46 m2)
situados en la cubierta plana del edificio.
EDIFICIO
Oficinas
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
36 kW
Las ventanas de las oficinas representan el 70%
del área de pared en contacto con el exterior y
están orientadas al sudoeste (28º Oeste), lo que
significa que se produce un pico de refrigeración
durante las últimas horas de la tarde.
El tamaño limitado del sistema de distribución de
aire obligó a incorporar una bomba de calor en el
diseño.
El clima es mediterráneo. El sistema ha sido
diseñado para las siguientes condiciones: el caudal de aire máximo es de 5.000 m3/h (sólo aire
exterior), con una temperatura en verano (aire
exterior) de 32ºC, humedad relativa de 40,4 % y
humedad absoluta de 12 gr/kg. En las estancias,
las condiciones de confort son: temperatura de
24ºC y humedad relativa del 50%.
Los usuarios de las oficinas han aceptado de buen
grado el sistema porque el confort ha tenido
siempre la máxima prioridad. Por lo tanto, el
grado de satisfacción es elevado.
Datos económicos:
TECNOLOGÍA
Unidad de refrigeración
evaporativa con
desecante y bomba
de calor
El sistema se ha desarrollado en el marco de un
proyecto europeo que se utilizará en una aplicación real pero con fines de demostración. Por este
motivo se ha adquirido con un conjunto completo de sensores con capacidad de control, segui-
TIPO DE COLECTOR
Colector de parábola
compuesta(CPC)
Datos energéticos y medioambientales:
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
48 m2
FUNCIONANDO DESDE
1999
Este apartado está directamente relacionado con
ahorros de energía derivados de la contribución
solar, que es, en la configuración actual, un valor
muy bajo.
El sistema ha estado funcionando según la configuración de diseño inicial que incorpora, como ya
se ha dicho, una bomba de calor para proporcionar refrigeración en verano. El tamaño de los
miento y demostración, lo que lo convierte en un
sistema muy costoso. El coste de reproducción de
este sistema, tal cual está, es decir, campo solar,
unidad de manipulación de aire, reserva y sistemas de control y seguimiento, ronda los 75.000
_
conductos de distribución limitó la tasa de caudal
y obligó a reducir su temperatura (imponiendo la
bomba de calor) para cubrir las necesidades de
refrigeración. Sea como fuere, el condensador
proporciona todo el calor necesario para regenerar el material del deshumidificador rotativo,
haciendo que la contribución solar sea superflua
muchas veces en verano.
Contacto:
João A. Farinha Mendes DER/INETI - Lisboa e-mail: [email protected]
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
24
Agenzia per lo Sviluppo
Pergine Trento
NÚMERO EN EL MAPA: 47
PAÍS
Italia
LUGAR
Pergine Valsugana-Trento
EDIFICIO
Centro de Innovación de
Negocios
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
108 kW
TECNOLOGÍA
Refrigeración por
absorción; (LiBr - H2O)
simple efecto
TIPO DE COLECTOR
Colector de placa plana
con cobertura selectiva
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
265 m2
FUNCIONANDO DESDE
2004
Descripción:
El edificio se encuentra en el área artesanal e
industrial en desarrollo del Municipio de Pergine,
a 11 km de Trento. El edificio de oficinas de dos
plantas de reciente construcción de 9.814,5 m3
está próximo a unos almacenes que se han renovado recientemente. En el edificio se ha instalado un equipo de climatización, además de un
sistema contra incendios de agua y agua caliente sanitaria (ACS).
El colector solar (30º - sur) produce en invierno
ACS a 45ºC, mientras que en verano puede producir ACS a 90ºC. Las cargas térmicas nominales en
invierno son del orden de 230 kW y se ha adecuado el sistema de district heating para dicha capacidad. Mientras que en invierno la suma de las
cargas térmicas de cada espacio corresponde a la
carga total del edificio, en verano, como es sabido, las cargas globales son inferiores a la suma
algebraica (cada espacio se calcula durante su
hora más crítica según su exposición al sol pero el
edificio en general tendrá una única hora crítica
que no se corresponde necesariamente a la carga
térmica máxima de todos los espacios).
Por consiguiente, la suma de las cargas en verano
(sin incluir la recuperación de calor térmico) es de
188 kW, con una carga simultánea máxima de
170 kW. En estas condiciones, los colectores
solares suministran 145 kW. El absorbedor puede
producir 108 kW. Cuando el cielo está nublado, la
carga térmica (en ausencia de radiación solar)
desciende de 170 kW a 120 kW.
En tales casos entra en funcionamiento la máquina de refrigeración por compresión para cubrir
esta demanda. En verano, las condiciones nominales del equipo de refrigeración por absorción y
compresión proporcionan, respectivamente, 108 kW
y 120 kW, para un total de 228 kW, con un margen de 58 kW (34%) para la carga máxima (calculado el 20 de julio a 32ºC).
Datos económicos:
Inversión total: 540.000
_
La provincia de Trento (Italia) cofinanció el 32%
de los costes totales de la planta.
Datos energéticos y medioambientales:
Ahorro de energía primaria en invierno =
258.000 MJ
Ahorro de energía primaria en verano =
176.000 MJ
La instalación solar ahorrará un total de
434.000 MJ ó 120.556 kWh por año, con una
reducción consiguiente de emisiones de 28 t de
CO2 y otros gases contaminantes.
El sistema ha sido diseñado para generar el 70%
de la refrigeración que necesita el edificio, utilizando solamente los colectores solares durante
los meses estivales de mayor radiación. El 30%
restante lo proporcionará un sistema eléctrica de
compresión instalado en paralelo al sistema de
absorción.
Contacto:
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
25
Edificio de investigación
"Ökopark Hartberg"
NÚMERO EN EL MAPA: 48
PAÍS
Austria
LUGAR
Hartberg, en Styria
EDIFICIO
Centro de investigación
TECNOLOGÍA
Refrigeración evaporativa
con desecante
Descripción:
El centro de investigación Ökopark Hartberg es la
primera planta piloto con sistema de refrigeración
evaporativa con desecante con fuente de energía
renovable que se instaló para hacer una demostración de este tipo de tecnología en Austria.
El edificio se utiliza para seminarios y conferencias, pero también cuenta con una infraestructura
de oficinas. Está distribuido en dos plantas (de
unos 140 m2 cada una) con una fachada acristalada orientada al Sur (en la planta inferior hay 11
colectores de tubos de vacío).
enfriamiento evaporativo) es suficiente para
cubrir las necesidades un 50-70% de los días
estivales y que sólo en días de mayor humedad
se necesita aire acondicionado basado en sorción (deshumidificar antes del enfriamiento evaporativo). El calor de la refrigeración con desecante lo producen colectores solares de 12 m2 y
una caldera de "pellets" de biomasa que sirve de
sistema de apoyo. Hay un depósito de almacenamiento de agua caliente de 2.000 litros para las
necesidades de refrigeración y calefacción.
La experiencia del verano del 2001 demostró que
el aire acondicionado adiabático (simplemente
Datos económicos:
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
30 kW
_
Inversión total sin incluir IVA: 105.000 , financiación: 60 %
El proyecto fue financiado por el Gobierno de Sty-
ria y Ökoplan GmbH de Hartberg. El Joanneum
Research de Graz se encarga de gestionar el
proyecto y de la planificación.
TIPO DE COLECTOR
Colector de tubos de vacío
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
12 m2
FUNCIONANDO DESDE
2000
Datos energéticos y medioambientales:
COP anual: 0,6 (carga de refrigeración anual/calor
de regeneración anual), COP en modo adiabático:
3 – 5; caudal de aire de suministro: 6.000 m3/h;
carga de refrigeración total: 20 kW (seco: 17.130
W, húmedo: 3.320 W); carga de calefacción total:
24 kW; máxima capacidad de refrigeración del
sistema DEC: 30.400 W; máxima capacidad de
refrigeración en el edificio: 21.800 W.
Contact :
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
26
En cuanto al medio ambiente, el uso de calor solar
y calor procedente de la biomasa está reduciendo
las emisiones de CO2 que se provocarían con combustibles fósiles. El consumo de energía necesario
para los ventiladores y el deshumidificador rotativo contribuye en escasa medida al calentamiento
global.
GICB (bodega)
Banyuls/Mer
NÚMERO EN EL MAPA: 52
PAÍS
Francia
LUGAR
Banyuls/Mer
EDIFICIO
Bodega
TECNOLOGÍA
Refrigeración por
absorción (LiBr)
CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
52 kW
TIPO DE COLECTOR
Colector de tubos de vacío
ÁREA BRUTA DE
COLECTORES
215 m2
FUNCIONANDO DESDE
1991
Descripción :
En 1989, la Asociación de Viticultores de Banyuls
(G.I.C.B) construyó una bodega para envejecer el
vino en botellas. La bodega tiene una superficie
útil total de 3.500 m2 y un volumen de 15.000 m3
dispuesto en tres niveles (dos semienterrados). La
capacidad de almacenamiento es de casi 3 millones de botellas. Los gestores de la bodega quisieron instalar un sistema de refrigeración solar porque pensaron que se adaptaría bien tanto a la
demanda de refrigeración como a sus intenciones
de respetar el medio ambiente.
El sistema de refrigeración consta de:
– 130 m2 de colectores de tubos de vacío (área
útil) Cortec Giordano en el tejado, orientados al
sur/suroeste;
– una sala de máquinas ubicada en el nivel 2 y
que aloja:
• un depósito tampón de 1.000 litros;
• un máquina frigorífica de absorción indirecta de simple efecto de tipo YAZAKI WFC 15,
con una potencia de refrigeración nominal
de 52 kW;
• varias bombas de circulación para los distintos bucles y un cuadro de gestión eléctrica;
• una torre de refrigeración abierta con una
potencia nominal de 180 kW, instalada en la
cara norte;
– tres unidades de acondicionamiento de aire
(una por nivel) que disponen de filtro,
intercambiador de frío para el agua fría (+ un
intercambiador de calor para el de la planta
inferior) y un ventilador centrífugo con un caudal de 25.000 m3/h
Datos económicos:
_
La instalación realizada en 1991 costó 294.000
sin incluir impuestos, lo que representa un sobrecoste de cerca de 150.000 en comparación con un
_
sistema de compresión tradicional. La inversión
permite ahorrar al año cerca del 40% del consumo
de energía de la bodega.
Datos energéticos y medioambientales:
Datos de las condiciones reales de trabajo de junio
a septiembre:
– Promedio de energía extraída del circuito primario = 298 kWh/día
– Promedio de energía extraída del circuito generador = 256 kWh/día
– Promedio de energía del evaporador =
145 kWh/día
– COP de la máquina de absorción = 0,57
El sistema, que utiliza energía gratuita, contribuye
doblemente a proteger el medio ambiente:
– al no manipular CFC ni HCFC. Estos fluidos de
refrigeración se emplean en los sistemas de
refrigeración tradicionales y probablemente ayudan a aumentar el efecto invernadero y la destrucción de la capa de ozono;
– al no producirse CO2, que también provoca el
aumento del efecto invernadero.
Este tipo de máquina de absorción es, además, una
máquina totalmente silenciosa (porque no tiene
piezas móviles) y, gracias a ello, su vida útil es
mucho mayor que la de las máquinas frigoríficas
eléctricas convencionales (que trabajan con compresores).
Contacto:
[email protected]
Más información: www.raee.org/climasol
www.eve.es
27
5
GESTIONANDO UN PROYECTO
Los sistemas de aire acondicionado solares son un tecnología nueva y en crecimiento en comparación con otros
campos de aplicación de la energía solar. Su novedad se refleja en el hecho de que la mayoría de los proyectos
realizados hoy son de tipo demostración, por lo que aún resta por desarrollar mucho más trabajo de diseño y planificación en sus respectivas fases de aplicación. Las soluciones técnicas posibles son varias, dependen del tipo
y uso que se le dé al edificio, de las condiciones circundantes como, por ejemplo, la infraestructura técnica que
pueda haber, y de otras condiciones como las climáticas. Este capítulo presenta un plan de decisiones para las
distintas tecnologías de aire acondicionado solar, reglas básicas de diseño y dimensionamiento, y buenas razones
para comenzar un proyecto por medio de un estudio serio de viabilidad.
5.1 - Seleccionar la tecnología
En la siguiente ilustración se muestra un esquema de toma de decisiones simplificado para tecnologías de aire acondicionado aplicable con sistemas
solares térmicos.
Edificio:
Medio de distribución:
Cálculo de la carga de refrigeración (parámetros del edificio,
p.ej., materiales, geometría, orientación; cargas internas,
condiciones metereológicas)
Carga de refrigeración, incluyendo la
renovación de aire necesaria
Tecnología:
Sistema de agua fría
Clima
Moderado y extremo
Máquina frigorífica térmica, red de agua fría
7°C – 12°C
¿Es factible y aconsejable la instalación de una unidad
central de acondicionamiento de aire?
no
Clima
sí
Moderado y extremo
Sistema de aire primario
(ventilación higiénica mínima)
+ sistema de agua fría
¿El aire de renovación es capaz de cubrir la demanda
de refrigeración?
no
Unidad convencional de
acondicionamiento de aire,
máquina frigorífica térmica,
red de agua fría 7°C – 12°C
sí
Clima
¿La tipología del edificio es adecuada para disponer un sistema de extracción del aire de ventilación (es el edificio suficientemente estanco)?
no
Moderado
Sistema evaporativo con
desecante , configuración
estándar; máquina frigorífica
térmica, red de agua fría
12°C – 18°C
sí
¿La tipología del edificio es adecuada para disponer un
sistema de extracción del aire de ventilación
(es el edificio suficientemente estanco)?
Extremo
no
Sistema de aire primario (ventilación higiénica
mínima+sistema de extracción) + sistema de agua fría
sí
Unidad convencional de
acondicionamiento de aire,
máquina frigorífica térmica,
red de agua fría 7°C – 12°C
Sistema evaporativo con desecante,
configuración especial, máquina
frigorífica térmica, red de agua fría
12°C – 18°C
Sistema todo aire (ventilación higiénica
mínima+sistema de extracción)
Clima
Moderado
Sistema evaporativo
con desecante,
configuración estándar
28
Figura 17
DEC = desiccant cooling (refrigeración evaporativa con desecante );
AHU = air handling unit (unidad de acondicionamiento de aire).
Extremo
Unidad convencional de
acondicionamiento de aire,
máquina frigorífica térmica
7°C – 12°C
Sistema evaporativo con desecante,
configuración especial.
Una asunción básica es la necesidad de controlar tanto la temperatura
como la humedad del interior del recinto. Por último, cada decisión desemboca en una solución que incluye la utilización de energía térmica solar
para acondicionar el aire de los espacios cerrados. El punto de partida
siempre es calcular las cargas de refrigeración basadas en el caso de diseño.
En función de las cargas de refrigeración, y también según el deseo de los
usuarios o propietarios, se puede aplicar un sistema de todo aire puro, de
agua o uno híbrido aire/agua para extraer el calor y la humedad del edificio. La decisión técnica básica es si el cambio de aire higiénico es o no suficiente para abarcar también las cargas de refrigeración (sensible + latente). Éste será el caso habitual en estancias o edificios con altas tasas de
ventilación, por ejemplo, las salas de conferencias.
Ahora bien, aplicar un sistema de aire de suministro/retorno sólo tiene sentido en un edificio relativamente estrecho dado que, de no ser así, las fugas
a través de la envolvente del edificio serían elevadas. En los sistemas de aire
con aire de renovación más extracción mecánica se pueden aplicar ambas
tecnologías térmicas: sistemas evaporativos con desecante y máquinas frigoríficas térmicas. En los demás casos, para emplear energía térmica solar
como fuente de energía, sólo se pueden utilizar máquinas frigoríficas térmicas. La temperatura mínima necesaria del agua fría la determina el
hecho de si la deshumidificación del aire se realiza por medio de una técnica convencional, es decir, enfriar el aire por debajo del punto de rocío, o
si se hace mediante un proceso con desecante . En el último caso, la temperatura del agua fría, si se necesita, puede ser mayor dado que sólo ha de
cubrir cargas sensibles. La aplicación del sistema evaporativo con desecante en climas extremos, es decir, en condiciones climáticas con altos valores
de humedad del aire ambiental, requiere configuraciones especiales del
ciclo desecante .
Algunos de los aspectos de diseño que no se pueden contemplar en esta
presentación son:
la necesidad de contar con un sistema de refuerzo para producir frío o
para permitir un funcionamiento autónomo solar del sistema solar de
aire acondicionado;
la flexibilidad de las condiciones de confort, p.ej., para posibilitar ciertas desviaciones de los estados de aire deseados;
las cuestiones económicas;
la disponibilidad de agua para humidificar el aire de suministro o las
torres de refrigeración;
hábitos de confort: el coste de inversión de los fan coils es más bajo pero
sólo permiten deshumidificar cuando se conectan a un sistema de
purga; los techos enfriados y otros sistemas de enfriamiento por gravedad exigen elevados costes de inversión pero proporcionan mayor
confort.
No se indica aquí qué tipo de tecnología térmica se aplica. Si se requiere un
sistema evaporativo con desecante con una máquina frigorífica adicional
para cubrir cargas pico, éste podrá ser, por cuestiones económicas, de compresión eléctrica.
5.2 - Reglas básicas de diseño y dimensionamiento
A partir de consideraciones básicas y de las experiencias obtenidas en los
proyectos de demostración, se han extraído una serie de "reglas" fundamentales para diseñar y dimensionar los sistemas solares de aire acondicionado:
Un sistema de refrigeración térmico con un COPtérmico (eficiencia del
sistema térmico) y una fuente de calor de combustible fósil como
apoyo necesita una fracción solar alta para conseguir importantes
ahorros de energía primaria. Lo debe garantizar un adecuado diseño
del sistema, por ejemplo, un área de campo solar suficientemente
grande, lugares de almacenamiento amplios y otras medidas de cara a
sacar el máximo partido al empleo del calor solar.
Alternativamente, también se puede emplear como sistema de apoyo
una máquina frigorífica convencional. En este caso, cada unidad de
frío que proporciona la máquina frigorífica térmica solar reduce el frío
que vaya a suministrar la unidad convencional. Semejante diseño da
pie a ciertos ahorros de energía primaria incluso con valores bajos de
fracción solar. En este caso, el sistema solar sirve principalmente para
reducir el consumo de energía eléctrica.
Cuando se aplica un apoyo de calor que utiliza combustibles, cualquier
sustitución de combustibles fósiles por combustibles procedentes de
fuentes renovables reducirá el consumo de energía primaria del sistema térmico.
Los sistemas autónomos térmicos no requieren ninguna otra fuente de
frío y, por tanto, siempre trabajan al límite con una fracción solar del
100%.
Los sistemas con una máquina frigorífica térmica con elevado COPtérmico
se pueden diseñar con una fracción solar incluso menor aunque se
aplique una fuente de apoyo de calor de combustible fósil. La razón es
que el calor del quemador de combustible fósil también se convierte a
un COPtérmico competitivo frente a un sistema convencional desde un
punto de vista de la energía primaria.
En cualquiera de los casos, debería maximizarse el empleo del colector solar suministrando calor también a otras cargas, como al sistema de calefacción, al de producción de agua caliente, o a ambos.
Se pueden encontrar recomendaciones adicionales sobre el diseño de sistemas solares de aire acondicionado en la guía para planificadores, instaladores y demás profesionales del proyecto SACE de la UE, Solar Air
Conditioning in Europe (http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm).
Figura 18
Integración de colectores solares en la cubierta del
DIREN - Guadalupe - Francia
29
5.3 - ¿Por qué realizar un estudio de viabilidad?
La elección de un diseño de sistema y de una tecnología de aire acondicionado adecuada requiere algo más que considerar solamente puntos de
funcionamiento nominales, ya que la fluctuación de las ganancias de
energía solar provoca que, en muchas ocasiones, los componentes del sistema funcionen en condiciones de carga parcial.
Es más, las condiciones de funcionamiento, así como las propiedades de
proceso de las nuevas aplicaciones como las máquinas de absorción o de
los completos sistemas de refrigeración evaporativa con desecante, no
son por el momento totalmente conocidos por la mayoría de los proyectistas e instaladores. Hasta la fecha es difícil encontrar en el mercado un
software fácil de usar que permita seleccionar de forma sencilla y rápida
el diseño más prometedor del sistema y la mejor tecnología de aire acondicionado solar.
Por este motivo se recomienda realizar al comienzo de la fase de planificación un estudio de viabilidad, dirigido por una oficina de ingeniería
experimentada. En un estudio de viabilidad se puede analizar lo siguiente:
seleccionar el diseño del sistema y la tecnología de aire acondicionado solar más prometedora;
dimensionar previamente los componentes, p.ej., dimensión del campo
de colectores solares y de los almacenamientos de calor/frío;
analizar distintas estrategias de control y su efecto en el rendimiento
del sistema;
calcular los valores de capacidad y eficiencia del sistema, como el coeficiente de rendimiento del sistema de refrigeración, la fracción solar
que supone el que el sistema térmico solar cubra las cargas, el rendimiento neto de los colectores, etc.;
calcular las cifras de consumo (electricidad, agua, gas);
calcular las cifras económicas clave y los ahorros de energía primaria.
Qué secciones de las enumeradas debe investigar el estudio de viabilidad
depende de cada proyecto y del nivel de detalle de la información requerida y disponible. Sea como fuere, los resultados de un estudio como el
citado pueden servir para comprender mejor el potencial de la tecnología
de aire acondicionado solar.
determinar las cargas de refrigeración y calefacción, y preparar las series
de tiempo de las cargas (p.ej. mediante la simulación del edificio);
5.4 - Reglamentación básica española sobre climatización
En cuanto a las características de los cerramientos del edificio o local a
climatizar, es decir, paredes, techos, suelos, cristales, etc., éste debe cumplir con las exigencias mínimas que se describen en la Normativa Básica
de la Edificación sobre Condiciones Térmicas, NBE-CT-79. Esta normativa
es del año 1979.
En cuanto a las instalaciones de climatización, éstas deben cumplir con
las exigencias mínimas descritas en el Reglamento de Instalaciones en los
Edificios, RITE. Esta normativa es del año 1998, y ha sido modificada en
el año 2003. En éste documento se hace referencia a las siguientes normas UNE, que pueden afectar a una instalación de climatización con
aporte solar de energía:
UNE 86-609-85: Maquinaria frigorífica de compresión mecánica.
Fraccionamiento de potencia.
UNE 94-101-86: Colectores solares térmico. Definiciones y caracteríticas generales.
30
UNE 100-001-85: Climatización. Condiciones climáticas para proyectos.
UNE 100-011-91: Climatización. La ventilación para una calidad aceptable del aire en la climatización de los locales.
UNE 100-014-84: Bases para el proyecto. Condiciones exteriores de
cálculo.
UNE 100-030-94: Climatización. Guía para la prevención de la legionela en instalaciones.
Respecto a esta última norma, se publicó el Real Decreto 865/2003, Condiciones higiénico-sanitarias para la prevención y control de la legionelosis, en
el que se describen las acciones a desarrollar para evitar la proliferación de
la legionelosis en instalaciones de climatización.
A la hora de la edición de esta guía está próxima la publicación del Código
Técnico de la Edificación, una nueva normativa que modificará alguna de las
anteriormente mencionadas.
Bibliografía:
- Natural and Low Energy Cooling in Buildings,
CRES, Programa Thermie, Comisión Europea, Dirección General XVII (Energía), 1994
- Design tools for low energy buildings, Technology selection and early design guidance,
Nick Barnard y Denice Jounzens, ECBCS, International Energy Agency, 2001
- Heating, Ventilating, and Air Conditioning Systems and Equipment,
ASHRAE Manual, ISBN 0-910110-87-5, Ed.: American Society of Heating, Refrigerating and
Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, 1992
- Solar-Assisted Air Conditioning in Buildings – A Handbook for Planners,
ISBN 3-211-00647-8, Springer Wien / New York; Ed: Hans-Martin Henning, publicado en el
marco de la Task 25 del Programa de calefacción y climatización solar de la Agencia Internacional
de la Energía (IEA), 2004
- Solar Thermal Systems,
ISBN 3-934595-24-3, Solarpraxis Berlin, Ed: Dr.Felix A. Peuser, Karl-Heinz Remmers,
Martin Schmauss, 2002
- Solar Cooling Technologies in Greece,
T. Tsoutsos, J. Anagnostou, C. Pritchard, M. Karagiorgas, D. Agoris, Energía Térmica Aplicada,
23, pp 1427-1439, 2003
Páginas Web:
– http://www.eve.es: Ente Vasco de la Energía
– http://www.iea-shc-task25.org/: Programa de calefacción y climatización solar de la
Agencia Internacional de la Energía (IEA): task 25 - Refrigeración solar de edificios
- http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm: Proyecto Europeo SACE - Aire aconcionado solar en Europa
- http://www.raee.org/climasol : Proyecto Europeo Climasol: Promoción de las tecnologías de
refrigeración solar
- http://www.tecsol.fr/RafrSol/index.htm
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septiembre 2004
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