Análisis energético, por la universidad Miguel

TÍTULO:
ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO
INVERTER CONECTADO DIRECTAMENTE A PANELES SOLARES
FOTOVOLTAICOS
AUTOR/ES:
QUILES, P.V.*1, ALEDO, S.*2, AGUILAR, F.J.*1
PONENTE/ES:
QUILES, P.V.*1,
EMPRESA/ORGANISMO:
*1 Universidad Miguel Hernández, Departamento de Ingeniería Mecánica y
Energía, Avda de la Universidad s/n Ed. Quorum 5, 03202 Elche, Alicante
*2 Prointer S.L., C/ Nicolás de Bussí nº 30, 03320 Elche, Alicante.
RESUMEN
El presente trabajo muestra un estudio experimental del funcionamiento de
un equipo de expansión directa tipo “inverter” de una potencia nominal de 3,52
kW. El equipo se encuentra conectado con la red eléctrica convencional y
además, en paralelo con 3 paneles fotovoltaicos de 235 Wp cada panel.
El estudio demuestra que el uso de paneles fotovoltaicos para el
accionamiento de los sistemas de aire acondicionado es una solución muy
interesante, más aún cuando el precio de la energía eléctrica ha aumentado de
forma importante los últimos años, al tiempo que el precio de los paneles
fotovoltaicos ha disminuido de forma importante, y ya está por debajo de 1€/Wp.
Las principales ventajas de la instalación propuesta son su alta eficiencia, su
facilidad de montaje y su alta fiabilidad. El equipo se encuentra conectado de
forma simultánea a la red y a los paneles fotovoltaicos, no requiriéndose ni
baterías ni inversores, principales causantes de la mayoría de fallos de estas
instalaciones.
En el trabajo se ha realizado una instalación experimental donde se han
monitorizado las principales variables de funcionamiento, tanto del equipo de
expansión directa como de la instalación fotovoltaica. Se han registrado cada
cinco minutos los siguientes parámetros: temperatura ambiente exterior,
radiación solar, temperatura del local, temperaturas y presiones del ciclo
frigorífico, consumo eléctrico del equipo de aire acondicionado desde la red
eléctrica convencional, tensión e intensidad de los paneles fotovoltaicos
conectados al equipo y tensión e intensidad de los paneles fotovoltaicos de
referencia.
Las medidas tomadas han permitido evaluar la potencia eléctrica consumida
por el equipo, diferenciando entre red convencional y producción fotovoltaica.
Como resultado se ha podido obtener el consumo energético diario y mensual
del equipo, incluyendo el porcentaje de contribución solar fotovoltaica.
Asimismo, la medida de la temperatura y la presión en el circuito frigorífico han
permitido calcular el EER del equipo.
Se ha dispuesto una instalación solar fotovoltaica de idénticas características
conectada a red a la que se ha denominado instalación de referencia, gracias a
la cual se ha podido comparar el funcionamiento de los paneles conectados a la
red eléctrica con los paneles conectados al equipo de aire acondicionado,
evaluando la pérdida de eficiencia de estos últimos.
Las medidas fueron tomadas con el equipo en funcionamiento 12 horas al
día: entre las 8 y las 20 horas. Los resultados muestran cómo es posible
alcanzar una contribución solar superior al 50% durante meses de verano. La
utilización de la energía producida por los paneles depende en gran medida de
la demanda térmica del local, y su funcionamiento puede ser optimizado hasta
alcanzar contribuciones solares superiores al 60%. EL EER calculado mediante
la relación entre la energía térmica útil y el consumo eléctrico procedente de la
red ha alcanzado un valor estacional próximo a 8.
1.
INTRODUCCIÓN
La climatización de los edificios tanto en frío como en calor se ha convertido
en una práctica muy habitual en muchas zonas climáticas de Europa. En
determinadas zonas y para determinadas aplicaciones, el consumo energético
derivado del uso de equipos de aire acondicionado puede llegar a representar la
mitad del consumo total de los edificios [1].
La enorme preocupación por la escasez de los recursos energéticos, así
como por los cada vez más acentuados efectos del cambio climático, nos
obligan a desarrollar tecnologías más respetuosas con el medioambiente y
capaces de sustituir con garantías el uso de los combustibles fósiles.
En este sentido, se ha observado que, para ciertas aplicaciones, la demanda
térmica de los edificios tiene una relación muy directa con las horas de radiación
solar. Ello hace pensar en la utilización de sistemas de climatización que
aprovechen de una u otra manera la radiación solar como principal fuente de
energía.
Las tecnologías más extendidas son las que utilizan la energía térmica solar
para la climatización, empleando máquinas de absorción o de adsorción. En
algunos casos de utilizan captadores solares planos de alta eficiencia, en otros
casos tubos de vacío y algunas instalaciones trabajan con concentradores
parabólicos.
Otra de las tecnologías documentadas se centra en la utilización de un
sistema híbrido Fotovoltaico y Térmico, donde el calor disipado por el panel
fotovoltaico es captado por el fluido de trabajo y utilizado para la calefacción del
edificio [2]. En [3] se vuelve a presentar otra tecnología basada en la
refrigeración mediante sistemas híbridos Fotovoltaico y Térmico.
Una última alternativa pasa por la utilización de paneles solares fotovoltaicos
para la producción de la energía eléctrica que accione el compresor de una
unidad de aire acondicionado. En [4] se describe, entre otros, un sistema de
refrigeración con condensador por agua enfrentado a una torre de refrigeración,
con unidades interiores de agua y que emplea energía solar fotovoltaica para
hacer funcionar el compresor. Según dicho artículo, los sistemas de
refrigeración por absorción y los sistemas de refrigeración solar fotovoltaica
presentan los mayores potenciales de ahorro energético.
En [5] se vuelve a hacer una comparativa entre diferentes sistemas de
refrigeración con aporte solar. La comparativa en este caso se realiza entre la
tecnología fotovoltaica con baterías, regulador e inversor y la tecnología térmica.
Dentro de esta segunda tecnología se plantean tres opciones, sólidos
desecantes, frío por absorción y frío por adsorción. Toman especial relevancia
en este caso, la menor superficie de captación necesaria en el caso de la
tecnología fotovoltaica, así como la tendencia a la baja del precio de los paneles
fotovoltaicos en el mercado, que actualmente es inferior a 1 €/Wp.
De los documentos estudiados se puede deducir que, para instalaciones de
gran potencia puede resultar más atractiva la opción del frío solar por absorción,
ya que el precio de los equipos se diluye entre el resto de los componentes.
Mientras tanto, para instalaciones de menor potencia, por debajo de unos 100
kW, cobra gran importancia la fiabilidad y sencillez de las instalaciones de
refrigeración mediante energía solar fotovoltaica.
En resumen, se podría entender que el uso de paneles solares fotovoltaicos
(FV) para alimentar sistemas de aire acondicionado (AC) es una aplicación
atractiva que puede reportar importantes ventajas frente al uso de sistemas
convencionales, cómo son su facilidad de montaje, su alta fiabilidad de
funcionamiento, y su alta eficiencia energética, especialmente cuando hay
correlación entre horas de sol y demanda térmica.
2.
EQUIPO ANALIZADO. OBJETIVO DEL ESTUDIO
Se ha realizado un análisis de funcionamiento de un equipo de expansión
directa tipo “inverter” conectado simultáneamente a dos fuentes de energía: la
red convencional (c.a. 230 V) y paneles fotovoltaicos (c.c. 24-30 V). Se consigue
así una ventaja añadida al eliminar las baterías y el inversor, que son los
componentes de la instalación causantes de gran parte de las averías
registradas en estas instalaciones. Los paneles fotovoltaicos se conectan
directamente a la unidad exterior, no requiriéndose ningún tipo de requisito
administrativo para realizar la conexión.
Este artículo presenta un estudio experimental centrado en el análisis del
funcionamiento de un equipo de expansión directa tipo “inverter” con una
potencia térmica nominal de 3,52 kW. El equipo se encuentra conectado de
forma simultánea con la red eléctrica convencional y con 3 paneles fotovoltaicos
de 235 Wp/panel de potencia eléctrica nominal conectados en paralelo (véase
Figura 1).
Figura 1 Equipo de aire acondicionado tipo “inverter” analizado.
Tal y como se verá en el análisis de funcionamiento, el equipo es capaz de
priorizar el consumo de los paneles fotovoltaicos frente al consumo de red. De
esta forma se consiguen ahorros de energía primaria y de emisiones de CO2
muy importantes.
Los datos técnicos del equipo proporcionados por el fabricante se muestran
en la Tabla 1 y los de los paneles fotovoltaicos en la Tabla 2.
Tabla 1. Datos técnicos de catálogo del equipo de expansión directa.
KAYSUN SUITE SOLAR 3D
Unidad
Mín.
Nom.
Max.
Capacidad frigorífica
kW
0,95
3,52
4,15
Potencia absorbida frío
kW
0,19
0,86
1,18
EER
---
Capacidad calorífica
kW
Potencia absorbida calor
kW
COP
---
3,83
Refrigerante
---
R410A
4,09
1,03
3,81
4,5
Tabla 2. Datos técnicos de catálogo de los paneles fotovoltaicos.
EURENER 235
Simb.
Unidad
Nom.
Potencia nominal
PN,PV
W
235
Área del panel
APV
m
1,67
EFPV
%
13,74
Intensidad de cortocircuito
ICC
A
8,25
Tensión de circuito abierto
VOC
V
37,08
Intensidad nominal
IN,PV
A
7,66
Tensión nominal
VN,PV
V
30,01
Eficiencia nominal del panel
2
Se debe mencionar la facilidad de montaje de la instalación, donde la unidad
inverter de instala como cualquier equipo convencional y la conexión de los
paneles fotovoltaicos se realiza directamente en dos bornes situados en la tapa
lateral de la unidad exterior.
Además de la facilidad de instalación, destaca asimismo la fiabilidad que ha
demostrado el equipo durante los 4 meses que ha estado funcionando. El
equipo ha trabajado algunos días en régimen 12 horas (de 8 a 20 h) y otros días
en régimen 24 horas y no se ha producido ninguna avería ni incidencia en 120
días consecutivos.
El estudio realizado hasta el momento y presentado en este trabajo, se
centra en el régimen de refrigeración e incluye los resultados de los meses de
julio, agosto, septiembre y octubre de 2012. El perfil de funcionamiento
analizado se centra en horario de oficina de 8 a 20 h, pudiéndose extrapolar los
datos al funcionamiento en horario de 9 a 18 h.
Los objetivos principales del estudio son los siguientes:
 Determinar la Eficiencia Energética de Refrigeración diaria, mensual y
estacional de un equipo de expansión directa tipo “inverter”, teniendo en
cuenta el ahorro energético producido por los paneles solares
fotovoltaicos. El uso analizado se corresponde con el horario de
funcionamiento de 8 a 20 h.
 El trabajo pretende demostrar las posibilidades reales de la tecnología
inverter con acoplamiento de paneles fotovoltaicos. Las eficiencias
obtenidas podrán ser extrapolables a equipos de expansión directa de
mayor tamaño e incluso a enfriadoras.
A medio y largo plazo se pretenden conseguir los siguientes objetivos:
 Analizar la eficiencia cuando el equipo trabaja en otros regímenes de
funcionamiento.
 Determinar a solución óptima (potencia pico de paneles, batería, sí/no y
capacidad), en función de la aplicación concreta: zona climática, horario
de funcionamiento y carga media del equipo.
 Caracterizar el comportamiento de la máquina con la instalación
fotovoltaica instalada, para poder introducir la instalación en los
programas de Certificación Energética.
3.
INSTALACIÓN DE ENSAYOS
Para llevar a cabo el estudio se dispuso una instalación de ensayos,
representada en la Figura 2.
El subsistema ”A” está formado por el equipo de aire acondicionado tipo
inverter de 3,52 kW de potencia térmica nominal. Dicho equipo se encuentra
conectado, de forma simultánea, a una línea de corriente alterna (230 V)
procedente de la red eléctrica convencional, así como a una línea de
alimentación de corriente continua (24 - 30 V) procedente de paneles solares
fotovoltaicos.
La unidad interior se emplea para la climatización de un local perteneciente a
un edificio de oficinas situado en Alicante (España). La unidad exterior se ubica
sobre la cubierta plana de dicho edificio.
La producción de energía solar fotovoltaica procede del subsistema B, el
cual está formado por 3 paneles solares fotovoltaicos de 235 W de potencia pico
conectados en paralelo. Los paneles se sitúan sobre la cubierta plana del
edificio, con una inclinación de 30º y con orientación sur.
Figura 2 Instalación de ensayos realizada para la monitorización del equipo y la toma
de datos de funcionamiento.
Además, se toman datos de 3 paneles solares fotovoltaicos (subsistema C
de la Figura 1) conectados a la red eléctrica convencional a través de un equipo
inversor. El subsistema C se emplea para medir la energía producida por los
paneles fotovoltaicos conectados a red. De esta manera se puede determinar el
factor de funcionamiento de los paneles fotovoltaicos como la relación entre la
energía entregada por el subsistema B y la entregada por el subsistema C. La
influencia del comportamiento del equipo de aire acondicionado sobre la
producción energética de los paneles fotovoltaicos hace que el factor de
funcionamiento tome siempre valores inferiores a 1.
Para el registro de datos se han dispuesto una serie de sondas y equipos de
medida a lo largo de toda la instalación. Para la adquisición de datos se emplea
un datalogger HP Agilent 34970A. La lectura de datos se realiza con una
frecuencia de 5 minutos. Los parámetros incluidos en la lectura se han detallado
en la Tabla 3.
Tabla 3. Parámetros registrados en el día 24 de julio a las 14:00 h.
Nomenclatura
14:00; 24/07
Ud.
Tª entrada compresor
T1
14,24
ºC
Tª descarga compresor
T2
63,54
ºC
Tª salida condensador
T3
35,97
ºC
Tª entrada evaporador
T4
ºC
Tª exterior
TO
8,08
30,69
ºC
Tª local
TI
23,29
ºC
Presión de evaporación
PE
8,38
bar
Magnitud
Presión de condensación
PC
bar
Potencia absorbida red
PRED
22,09
35,51
Tensión fotovoltaica equipo
VPV
25,42
A
Intensidad fotovoltaica equipo
IPV
V
A
W
Tensión fotovoltaica red
VPV,RED
20,27
26,08
Intensidad fotovoltaica red
IPV,RED
21,32
V
G
962
W/m2
Humedad Relativa
HR
53,1
%
Velocidad de viento
VW
1,41
m/s
Dirección de viento
DW
43
º
Irradiancia Solar
Las medidas de IPV y IPV,RED se determinan a partir de un valor de caída de
tensión producida en una resistencia Shunt calibrada al paso de la corriente de
electricidad, tal y como se ha representado en la Figura 2.
Para la medida de la potencia eléctrica consumida por el compresor (PCOM)
se utiliza un Analizador de Redes de la marca Chauvin Arnoux modelo C.A.
8334.
La instalación tiene la capacidad de simular distintos tipos
funcionamiento, siendo ensayados 3 tipos de funcionamiento típicos:
de
 Funcionamiento 12 horas: de 8 a 20 h
 Funcionamiento 9 horas: de 9 a 18 h
 Funcionamiento 24 horas.
En este trabajo se presentan únicamente los resultados obtenidos para el
funcionamiento de 8 a 20 h. Por el análisis de algunos datos correspondientes a
otros usos de funcionamiento, se ha observado que la eficiencia del sistema
depende de forma importante del horario de uso y de la carga de la instalación
de climatización.
4.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Las medidas de los parámetros analizados permiten evaluar la potencia
eléctrica consumida por el equipo, diferenciando entre red convencional y
producción fotovoltaica. Como resultado se puede determinar el consumo
energético diario y mensual del equipo, incluyendo el porcentaje de contribución
solar fotovoltaica. Asimismo, la medida de las temperaturas y las presiones del
circuito frigorífico permiten calcular el EER del equipo y de la instalación.
El estudio experimental incluye los resultados de julio a octubre de 2012. A
continuación se presenta la metodología de postprocesado y los resultados
obtenidos.
4.1. Análisis energético de la instalación
El objetivo del estudio es conocer el potencial de ahorro energético del
equipo de aire acondicionado (AC) inverter directamente conectado a una
fuente de energía fotovoltaica bajo diferentes condiciones de funcionamiento:
horario, condiciones climáticas y carga.
La potencia consumida por el equipo de aire acondicionado desde la fuente
de energía solar se calcula como:
]
W
[
V
VP

V
V
IP
PP

(1)
La potencia consumida desde la red eléctrica convencional PRED se mide con
un vatímetro instalado en la alimentación a la máquina (ver esquema de la
Figura 2). La potencia total consumida por el equipo de aire acondicionado se
puede conocer a partir de la suma de las dos potencias anteriores.
]
W
[
D
E

V
T
O
PR
PP
PT

(2)
Se ha establecido una relación entre la potencia eléctrica total consumida
por la máquina (PTOT) y la potencia consumida por el compresor (PCOM) medida
con un Analizador de Redes Chauvin Arnoux C.A. 8334:
0
7
W
 ︵ ︶
T
O
M
O
PT
1
2
9
,
0
W
PC
︵ ︶
(3)
La potencia producida por el campo solar fotovoltaico conectado a la red
eléctrica se calcula aplicando el mismo producto que para PPV:
]
W
[
D
E
R
,
V
VP

D
E
R
,
V
IP
D
E
R
,
V
PP

(4)
En las Figuras 3 a 6 se representa la variación de los parámetros calculados
para un día tipo analizado de cada mes.
Figura 3 Medidas eléctricas tomadas el 24 de julio.
Figura 4 Medidas eléctricas tomadas el 11 de agosto.
Figura 5 Medidas eléctricas tomadas el 13 de septiembre.
Figura 6 Medidas eléctricas tomadas el 9 de octubre.
Para conocer la energía entregada por la red y por los paneles a lo largo de
un día tipo analizado se han sumado los valores de potencia registrados por el
tiempo ∆t, transcurrido entre un registro y el siguiente, llegando a las siguientes
ecuaciones:
V
D
E
D
E
R

]
h
W
k
[
t
PR
E

]
h
W
k
[
t

D
E
R
,
V
D
E
R
,
V
P
PP
E


]
h
W
k
[
t
PP
V
P
E

(5)
(6)
(7)
La energía total consumida por el equipo se calcula nuevamente como la
suma de la energía procedente del campo solar y la energía suministrada por la
red eléctrica, como sigue:
D
E
R
]
h
W
k
[
E

V
P
E
T
O
T
E

(8)
La contribución solar resulta del cociente entre la energía procedente de los
paneles solares y la energía total consumida por el equipo.
T
O

0
0
1
V
P
E ET
%
S
C
 
(9)
Se ha comprobado que los paneles conectados al equipo analizado
presentaban un comportamiento distinto al de los paneles fotovoltaicos
conectados a la red eléctrica. En algunos momentos la potencia eléctrica
generada por los paneles fotovoltaicos es superior a la potencia demandada por
el equipo de aire acondicionado, bien porque éste a parado o porque su
consumo es bajo por ser la demanda térmica del local pequeña (véase Figuras
5 y 6). Esta situación origina un porcentaje de pérdidas de energía respecto a la
instalación fotovoltaica conectada a la red.
Se ha definido, por tanto, el factor de producción (F) como la relación entre
la potencia entregada por los paneles solares conectados al equipo y la
potencia máxima que éstos habrían entregado de no verse influidos por los
mencionados efectos, la cual se supone igual a la potencia generada por los
paneles fotovoltaicos conectados a red.
0
0
1

D
E
R
,
V
P
E
V
P
E
%
F
 
(10)
Resulta interesante también conocer el porcentaje de carga de la máquina
durante los días tipo analizados. Este valor se calcula como el cociente entre la
energía total consumida por la máquina durante el día tipo y la consumida
durante un día al 100% de carga, según la expresión siguiente:
0
0
1

0
0
1
,
T
O
T
E
T
O
T
E
%
C
 
(11)
Para conocer la energía consumida al 100% de carga (ETOT,100) se han
empleado los datos de un día con una elevada demanda térmica, donde se
forzó al equipo a trabajar al 100% durante las 12 horas del ensayo. Este dato se
aproxima en gran medida al calculado a partir de la potencia nominal de la
máquina y el tiempo total de funcionamiento.
]
h
W
k
[
2
1

M
O
PN
0
0
1
,
T
O
T
E

(12)
Las Tablas 4 a 7 muestran los resultados obtenidos para diferentes días tipo
analizados del mes de julio, agosto, septiembre y octubre.
Tabla 4. Parámetros energéticos de julio de 2012.
JULIO 23/07/2012 24/07/2012 25/07/2012 26/07/2012 27/07/2012 30/07/2012 31/07/2012 PROMEDIO EPV kWh 3,26 4,09 3,64 3,59 3,37 3,52 3,83 3,61 ERED kWh 2,90 2,22 2,39 3,71 4,95 6,86 5,73 4,11 ETOT kWh 6,17 6,31 6,03 7,30 8,32 10,38 9,56 7,72 CS % 52,9% 64,8% 60,4% 49,2% 40,5% 33,9% 40,0% 46,8% EPV,RED kWh 3,69 4,41 4,28 4,14 3,69 3,67 3,98 3,98 F % 88,4% 92,7% 85,1% 86,9% 91,5% 95,9% 96,1% 90,8% C % 51,8% 53,0% 50,6% 61,3% 69,9% 87,1% 80,3% 64,9% EPV,RED kWh 3,51 3,62 3,42 3,60 3,35 3,60 3,89 3,57 F % 97,3% 96,2% 96,1% 94,2% 96,5% 94,5% 95,4% 95,7% C % 87,2% 72,8% 81,9% 80,5% 61,3% 54,6% 63,3% 71,7% EPV,RED kWh 3,89 3,82 3,37 3,71 3,61 F % 69,2% 70,5% 72,7% 70,8% 83,8% C % 31,4% 33,0% 33,8% 33,3% 40,0% Tabla 5. Parámetros energéticos de agosto de 2012.
AGOSTO 01/08/2012 02/08/2012 11/08/2012 12/08/2012 13/08/2012 14/08/2012 15/08/2012 PROMEDIO EPV kWh 3,41 3,48 3,29 3,39 3,24 3,40 3,71 3,42 ERED kWh 6,97 5,19 6,46 6,20 4,06 3,11 3,82 5,11 ETOT kWh 10,38 8,67 9,75 9,59 7,29 6,50 7,54 8,53 CS % 32,9% 40,1% 33,7% 35,4% 44,4% 52,2% 49,3% 40,0% Tabla 6. Parámetros energéticos de septiembre de 2012.
SEPTIEMBRE 11/09/2012 12/09/2012 13/09/2012 14/09/2012 17/09/2012 EPV kWh 2,69 2,69 2,45 2,63 3,02 ERED kWh 1,05 1,24 1,57 1,34 1,74 ETOT kWh 3,74 3,93 4,02 3,96 4,76 CS % 72,0% 68,5% 60,9% 66,3% 63,5% 18/09/2012 24/09/2012 PROMEDIO 2,39 2,32 2,60 1,84 1,36 1,45 4,23 3,68 4,05 56,6% 63,1% 64,3% 2,70 2,70 3,40 88,5% 86,1% 76,5% 35,5% 30,9% 34,0% EPV,RED kWh 3,64 3,33 3,70 3,55 3,43 3,50 3,00 1,98 2,02 3,13 F % 61,0% 71,2% 65,1% 71,7% 70,6% 69,2% 78,6% 89,7% 76,7% 71,3% C % 26,2% 27,8% 29,1% 46,8% 30,0% 30,5% 30,1% 30,0% 26,5% 30,8% Tabla 7. Parámetros energéticos de octubre de 2012.
OCTUBRE 01/10/2012 02/10/2012 03/10/2012 04/10/2012 08/10/2012 09/10/2012 10/10/2012 11/10/2012 12/10/2012 PROMEDIO EPV kWh 2,22 2,37 2,41 2,55 2,42 2,42 2,36 1,78 1,55 2,23 ERED kWh 0,90 0,94 1,06 3,02 1,15 1,21 1,23 1,80 1,61 1,44 ETOT kWh 3,12 3,32 3,47 5,57 3,57 3,63 3,59 3,58 3,16 3,67 CS % 71,2% 71,5% 69,5% 45,7% 67,8% 66,7% 65,7% 49,8% 49,0% 60,8% Por último, se puede estimar cualquier consumo energético de los paneles
fotovoltaicos en forma media estacional a partir de la siguiente expresión:
 

T
C
O
,
V
P

E
5
1
2
 
T
P
E
S
,
V
P
E
0
3
2
2 5
1

O
T
S
O
G
A
,
V
P

E
1
3

O
I
L
U
J
,
V
P
E
1
3
M
,
V
P
E

(13)
Donde se puede emplear una ecuación similar para las distintos parámetros
calculados en las Tablas 3 a 6.
La Tabla 8 incluye los resultados promedio de consumos energéticos,
contribución solar y factor de uso de la instalación durante el funcionamiento en
verano, con horario de funcionamiento de 8 a 20 h.
Tabla 8. Parámetros energéticos estacionales de verano de 2012.
VERANO 2012 JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE PROMEDIO EPV kWh 3,61 3,42 2,60 2,23 2,90 ERED kWh 4,11 5,11 1,45 1,44 2,74 ETOT kWh 7,72 8,53 4,05 3,67 5,64 CS % 48,8% 41,1% 64,4% 61,9% 55,3% EPV,RED kWh 3,98 3,57 3,40 3,13 3,50 F % 90,9% 95,7% 77,4% 72,7% 82,6% C % 64,9% 71,7% 34,0% 30,8% 47,3% Se puede comprobar cómo días en los que la carga de funcionamiento del
equipo C(%) es muy alta, el factor de producción F(%) se incrementa. Sin
embargo, en esos mismos días analizados también se consume más energía de
la red (ERED), por lo que la contribución solar CS(%) disminuye.
Aunque se ha centrado el estudio para perfiles de funcionamiento de 12
horas, arrancando a las 8 y parando a las 20 h, es posible extrapolar el
funcionamiento al horario de 9 horas (de 9 a 17h). En este caso, la contribución
solar resulta por encima del 65% El análisis del funcionamiento en estas
condiciones y en funcionamiento 24h se completará en verano de 2013.
4.2. Análisis de la eficiencia del circuito frigorífico
Como parte de la investigación se ha trabajado sobre el circuito frigorífico
para determinar la eficiencia de éste, con y sin el aporte de energía solar.
Como datos de entrada del estudio se dispone de las temperaturas en los
cuatro puntos de interés del circuito frigorífico, además de la presión del
evaporador y la presión del condensador. En las Figuras 7 y 8 se incluye la
evolución de los mencionados parámetros durante un día tipo analizado de julio.
Figura 7 Temperaturas del ciclo frigorífico; 24 de julio de 2012.
Figura 8 Presiones del ciclo frigorífico; 24 de julio de 2012.
Partiendo de las temperaturas y presiones anteriores y utilizando un software
de cálculo (EES), que incluye una base de datos de refrigerantes y sus
propiedades, se han podido determinar las propiedades del refrigerante en cada
uno de los puntos analizados.
A partir de las propiedades del refrigerante calculadas se obtienen el calor
útil cedido al local (QU), utilizando para ello el siguiente proceso.
Se calcula el flujo másico de refrigerante (mR) como el cociente entre el la
potencia medida en el compresor y el trabajo específico calculado como la
diferencia entre la entalpía de entrada y salida al compresor.
]
s
/
g
k
[
1
Mh
O
PCh2
R
m


(14)
A continuación, se obtiene el calor útil (QU) cedido al local en el evaporador
como el producto del flujo másico de refrigerante y la diferencia de entalpías
entre la entrada y salida del evaporador.
 ︶
]
W
k
[
h4
R
h1
m
U
Q
 ︵
(15)
La Figura 9 muestra como ejemplo de las medidas realizadas, el calor útil
proporcionado por la máquina junta a la potencia eléctrica fotovoltaica, de la red
y total, correspondientes al día 24 de julio de 2012.
Figura 9 Calor útil proporcionado por la máquina, potencia eléctrica fotovoltaica, de
la red y total; 24 de julio de 2012.
La energía útil (EU) cedida al local a lo largo de un día tipo se calcula como la
suma de las potencias útiles por el tiempo transcurrido entre lectura y lectura de
datos, según la siguiente expresión.
]
h
W
k
[
t

U
Q
U
E

(16)
Para evaluar la eficiencia energética se han definido los siguientes tres
parámetros de Eficiencia Energética de Refrigeración.
La eficiencia energética del ciclo (EERCICLO), definida como el cociente entre
la energía útil y la energía consumida por el compresor en un día, un mes o la
temporada de refrigeración completa.
(17)
M
O
C
E
U
E
O
L
C
I
C
R
E
E

La eficiencia energética de la máquina (EERMAQ), calculada a partir de la
relación entre el calor útil cedido al local y la potencia total consumida por el
equipo.
U
E ET
Q
A
M
R
E
E
(18)
T
O

Y por último, la eficiencia energética de la instalación (EERINST), determinada
a partir de la expresión anterior, considerando únicamente el consumo de la
fuente energética no renovable.
U
E ER
T
S
N
RI
E
E
(19)
D
E

Del procesado en detalle de un día concreto (en julio sería el día 24) se
obtiene a Eficiencia Energética de Refrigeración de la Máquina EERMAQ, que
se considera constante para todo el mes. De esta forma se obtienen los
resultados mostrados en las Tablas
Tabla 9. Parámetros de Eficiencia Energética de julio de 2012.
JULIO 23/07/2012 24/07/2012 25/07/2012 26/07/2012 27/07/2012 30/07/2012 31/07/2012 PROMEDIO EPV kWh 3,26 4,09 3,64 3,59 3,37 3,52 3,83 3,61 ERED kWh 2,90 2,22 2,39 3,71 4,95 6,86 5,73 4,11 ETOT kWh 6,17 6,31 6,03 7,30 8,32 10,38 9,56 7,72 ECOM kWh 5,24 5,37 5,13 6,21 7,08 8,82 8,13 6,57 QU kWh 18,46 18,90 18,05 21,85 24,92 31,07 28,62 23,13 CS % 52,9% 64,8% 60,4% 49,2% 40,5% 33,9% 40,0% 46,8% Eficiencia de la máquina de julio: EERMAQ=2,994 (correspondiente al día 24/07)
EERINST % 6,36 8,50 7,56 5,90 5,03 4,53 4,99 5,63 Tabla 10. Parámetros de Eficiencia Energética de agosto de 2012.
AGOSTO 01/08/2012 02/08/2012 11/08/2012 12/08/2012 13/08/2012 14/08/2012 15/08/2012 PROMEDIO EPV kWh 3,41 3,48 3,29 3,39 3,24 3,40 3,71 3,42 ERED kWh 6,97 5,19 6,46 6,20 4,06 3,11 3,82 5,11 ETOT kWh 10,38 8,67 9,75 9,59 7,29 6,50 7,54 8,53 ECOM kWh 8,83 7,37 8,29 8,15 6,20 5,53 6,41 7,25 QU kWh 29,71 24,81 27,91 27,44 20,89 18,62 21,58 24,42 CS % 32,9% 40,1% 33,7% 35,4% 44,4% 52,2% 49,3% 41,1% EERINST % 4,27 4,78 4,32 4,43 5,15 5,99 5,64 4,94 Eficiencia de la máquina de agosto: EERMAQ=2,863 (correspondiente al día 14/08)
Tabla 11. Parámetros de Eficiencia Energética de septiembre de 2012.
SEPTIEMBRE 11/09/2012 12/09/2012 13/09/2012 14/09/2012 17/09/2012 18/09/2012 24/09/2012 PROMEDIO EPV kWh 2,69 2,69 2,45 2,63 3,02 2,39 2,32 2,60 ERED kWh 1,05 1,24 1,57 1,34 1,74 1,84 1,36 1,45 ETOT kWh 3,74 3,93 4,02 3,96 4,76 4,23 3,68 4,05 ECOM kWh 3,18 3,34 3,42 3,37 4,05 3,60 3,13 3,44 QU kWh 13,40 14,06 14,39 14,18 17,04 15,14 13,16 14,48 CS % 72,0% 68,5% 60,9% 66,3% 63,5% 56,6% 63,1% 64,3% EERINST % 12,76 11,37 9,16 10,62 9,80 8,24 9,71 10,01 Eficiencia de la máquina de septiembre: EERMAQ=3,578 (correspondiente al día 13/09)
Tabla 12. Parámetros de Eficiencia Energética de octubre de 2012.
OCTUBRE 01/10/2012 02/10/2012 03/10/2012 04/10/2012 08/10/2012 09/10/2012 10/10/2012 11/10/2012 12/10/2012 PROMEDIO EPV kWh 2,22 2,37 2,41 2,55 2,42 2,42 2,36 1,78 1,55 2,23 ERED kWh 0,90 0,94 1,06 3,02 1,15 1,21 1,23 1,80 1,61 1,44 ETOT kWh 3,12 3,32 3,47 5,57 3,57 3,63 3,59 3,58 3,16 3,67 ECOM kWh 2,65 2,82 2,95 4,74 3,04 3,09 3,05 3,04 2,69 3,12 QU kWh 10,73 11,41 11,93 19,18 12,30 12,49 12,36 12,31 10,88 12,62 CS % 71,2% 71,5% 69,5% 45,7% 67,8% 66,7% 65,7% 49,8% 49,0% 60,8% EERINST % 11,94 12,08 11,29 6,34 10,70 10,33 10,03 6,85 6,75 8,79 Eficiencia de la máquina de octubre: EERMAQ=3,442 (correspondiente al día 9/10)
Tabla 12. Parámetros de Eficiencia Energética de verano de 2012.
VERANO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE PROMEDIO EPV kWh 3,61 3,42 2,60 2,23 2,90 ERED kWh 4,11 5,11 1,45 1,44 2,74 ETOT kWh 7,72 8,53 4,05 3,67 5,64 ECOM kWh 6,57 7,25 3,44 3,12 4,79 QU kWh 23,13 24,42 14,48 12,62 17,90 CS % 46,8% 40,0% 64,3% 60,8% 55,1% EERINST % 5,63 4,78 10,01 8,79 7,81 Eficiencia energética estacional de la instalación con horario de 8 a 20 h.
Los valores promedio mensuales se han obtenido directamente como la
media de los valores promedio diarios. El coeficiente de eficiencia energética
estacional se ha determinado a partir de la siguiente expresión:
 

T
C
O
P

R
E
E
5
1
2
 
T
P
E
S
R
E
E
0
3
2
2 5
1

O
T
S
O
G
A

R
E
E
1
3

O
I
L
U
J
R
E
E
1
3
M
R
E
E

(20)
Obteniéndose un valor de EERM=7,81.
Si se trabaja con los datos obtenidos con horario de 8 a 20 h para simular la
demanda de energía si la máquina funcionara de 9 a 17h, se llega a la
conclusión que la Eficiencia Energética de Refrigeración Medida EERM será
superior a 10.
5.
CONCLUSIONES

Se ha monitorizado una máquina de aire acondicionado “inverter” con
conexión directa de paneles fotovoltaicos entre julio y octubre de 2012.

Los resultados sobre el rendimiento de la máquina de trabajo de 8 a 20h (12
horas) se han obtenido en varios días de estudio.

Cuando la carga del equipo (C) es muy alta, el factor de producción (F)
aumenta. Sin embargo, en los mismos días, hay también un mayor consumo
de energía de la red (ERED), por lo que la contribución solar (CS) disminuye

Es posible obtener contribuciones solares superiores a 50% en los meses de
verano La utilización de la energía producida por los paneles depende en
gran medida de la demanda y su rendimiento puede ser optimizado para
obtener contribuciones solares más alto que 60%

El EER estacional evaluadas por la relación entre la energía térmica útil y la
electricidad consumida de la red es de aproximadamente 8, y puede ser
superior a 10 si el horario de trabajo es de 9h (de 9 a 17h)
6.
REFERENCIAS
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with building-integrated solar collectors for use in sub-tropical regions like Hong
Kong. Applied Energy 90 (2012) 189-195.
[2] J. Jie, L. Keliang, C. Tin-tai, P. Gang, H. Wei, H. Hanfeng. Performance
analysis of a photovoltaic heat pump. Applied Energy 85 (2008) 680-693.
[3] H.A. Zondag. Flat-plate PV-Thermal collectors and systems: A review.
Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 891-959.
[4] K.F. Fong, T.T. Chow, C.K. Lee, Z. Lin, L.S. Chan. Comparative study of
different solar cooling systems for buildings in subtropical city. Solar Energy 84
(2010) 227-244
[5] T. Otanicar, R. Taylor, P. Phelan. Prospect for cooling – An economic and
environmental assessment. Solar Energy 86 (2012) 1827-1299.