ANALISIS COMPARATIVO ENTRE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO TIPO AGUA HELADA VS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO TIPO EXPÁNSION DIRECTA

Ing. Juan Robalino S.Ing.juan.robalino.s@gmail.com

Objetivo

Analizar las Ventajas y Desventajas de los sistemas de climatización tipo agua Helada (Chilled water) y expansión directa (Direct Expansion)

Introducción

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AGUA HELADA

Se le conoce como Chiller a un sistema de aire acondicionado refrigerado por agua que enfría el aire del interior de un espacio. Este equipo puede enfriar el agua hasta 6°C y es más eficiente que la torre de enfriamiento. Pero su costo es mayor.Estos equipos tienen la ventaja de llevar el agua refrigerada a las manejadoras a cualquier distancia mediante el bombeo adecuado.Algunas de las aplicaciones más comunes de los chillers son: – La industria HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): A gran escala los sistemas de aire acondicionado bombean el agua enfriada a las serpentinas en áreas específicas.Los sistemas de manejo de agua para cada área, abren y cierran el flujo de agua a través de áreas específicas manteniendo el aire en los cuartos a la temperatura deseada.

El Chiller se coloca en el exterior del edificio. En el interior del edificio se colocará las unidades termo-ventiladas denominadas FAN-COIL que son similares a las unidades interiores de un sistema de expansión directa. Las únicas conexiones entre la unidad interna y la unidad externa es un circuito hidráulico común cerrando un circuito.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO EXPANSION DIRECTA

Es el método mediante el cual el flujo másico de refrigerante suministrado al evaporador está limitado a la cantidad que pueda evaporarse completamente en su recorrido hasta el extremo final del evaporador, de tal manera que sólo llegue vapor a la entrada de succión del compresor. Estos evaporadores son los más comunes en sistemas frigoríficos y se utilizan mucho en los sistemas de climatización de verano, refrigeración de media y baja temperatura, pero no son aconsejables en instalaciones de refrigeración de gran tamaño.

El dispositivo de expansión que se utiliza normalmente con este método, para el control de flujo de refrigerante, es una válvula de expansión termostática o tubo capilar. Para asegurarse de tener una vaporización completa del refrigerante en el interior del evaporador y prevenir, así, que el refrigerante en estado líquido entre en la tubería de succión hacia de las válvulas de succión -lo que puede ocasionar el fenómeno denominado golpe de ariete, que puede ocasionar un grave deterioro de las láminas del compresor en el caso de los compresores, lo que incide en su rendimiento- se permite un sobrecalentamiento de 5 °C al final del evaporador, a fin de obtener vapor sobrecalentado; esto requiere aproximadamente del 10 al 20% de la superficie total del evaporador.

En los sistemas de expansión seca, o directa, la mayor parte de parte del flujo másico de refrigerante

que sale del dispositivo de expansión y llega al evaporador lo hace en estado líquido; otra parte menor

lo hace en estado de vapor, fenómeno producido por la“expansión directa”, en estos dispositivos.

ANALISIS

En la evaluación de la viabilidad en selección de un sistema de climatización se debe considerar los siguientes factores:

Costo y duración de Instalación Mantenimiento Seguridad Control y Monitoreo Diversidad de carga Redundancia Costos de Operación

Costo y Tiempo de Instalación del Sistema.

El costo Inicial de Instalación suele ser mayor en los sistemas de enfriamiento de agua Helada pero presenta una tasa de retorno elevada debido al ahorro energético y tiempo de vida útil de los equipos.

Mantenimiento

Dado que la mayor parte de los componentes del sistema de agua Helada se encuentran en un cuarto Técnico, es más fácil su mantenimiento. Los sistemas de Expansión directa no siempre presentan esta ventaja debido a que como cada unidad necesita una unidad condensadora o un sitio cerca del are a climatizar para el caso de unidades autocontenidas o rooftop, estas no se encuentran en un cuarto técnico por lo que el mantenimiento es de mayor duración y complejidad.

Seguridad

En cuestión de Seguridad, Los sistemas de agua Helada al trabajar con agua y no con refrigerante como lo hacen las Unidades de Expansión directa, son más seguras debido a que no presentan riesgo de escape o fuga de refrigerante toxico.

Control y Monitoreo

Las unidades de expansión Directa convencionales no presentan una forma de controlar y monitorear sus funciones en red, debido a que presentan una lógica diferente a las de los sistemas de agua Helada, los cuales se pueden monitorear y controlar sus parámetros de funcionamiento con un sistema de control centralizado.

En los sistemas de agua helada se puede controlar mejor las cargas parciales mediante el uso de válvulas eléctricos y variadores de frecuencia en las bombas.

Diversidad de Carga

En los sistemas de expansión directa se trabaja con la carga pico lo que genera un uso innecesario de energía, mientras que en los sistemas de agua helada se puede trabajar con cargas parciales debido a los variadores de frecuencia de las bombas que regulan el flujo de agua aumentando o reduciendo la capacidad de enfriamiento en el área a climatizar lo que resulta en un mayor ahorro energético.

Redundancia

Los sistemas de agua Helada presentan la opción de diseñarlos con redundancia para garantizar el continuo funcionamiento del sistema, si bien es cierto esto aumenta los costos de instalación, es recomendable para prevenir futuros inconvenientes provocados por falta de climatización en alguna área. Los sistemas de expansión directa igualmente necesitarían una inversión alta pero ineficiente pues se deberían implementar (N) Condensadoras y evaporadoras adicionales siendo el limitante que esto solo cubriría N fallos sin necesidad de que ambos componentes presenten la falla. Los sistemas de agua helada al estar conectado con una única red Hidronica, se puede poner en funcionamiento el equipo en reserva según la necesidad.

Costos de Operación

Los Costos de Operación se traducen básicamente en el consumo eléctrico de los Equipos. Los sistemas de Expansión directa como se indico en puntos anteriores trabajan a cargas picos lo que se traduce en un consumo eléctrico mayor.

Tiempo de Vida útil

En la tabla a continuación se presenta los tiempos de vida útil promedio de varios equipos y componentes de sistemas climatización

Equipment Economic life (years)

Air conditioning unit – Package (10 kW – 100 kW) 10 to 15

Air conditioning unit – Room type 7 to 10

Air conditioning unit – Split units (up to 10 kW) 7 to 10

Air conditioning unit – Split package (10 kW – 100 kW) 10 to 15

Air filters – Dry media disposable 6 to 18 months

Air filters – HEPA 1 to 5

Air filters – Kitchen hood grease filters (monthly clean) 3 to 6

Air handling unit – Custom built central station 20 to 30

Air handling unit – Proprietary line central station single or multiple zone 20 to 25

Automatic controls and instrumentation 20 to 25

Boilers – Cast iron 25 to 30

Boilers – Finned copper tube heat exchanger 20 to 25

Boilers – Fire tube 15 to 20

Boilers – Water tube 20 to 30

Boilers electrode 15 to 20

Coils to Cooling and heating 20 to 25

Cooling towers 10 to 25

Ductwork and fittings 20 to 30

Electric motors 20 to 25

Electric storage heaters 20 to 25

Electric strip heaters 8 to 12

Electrical final circuits and outlets 20 to 25

Electrical mains cables 25 to 30

Electrical switchgear and distribution equipment 25 to 30

Fans 15 to 20

Fire alarm systems 20 to 25

Gas convection heater 15 to 20

Generators – Diesel 15 to 20

Generators – Electric 15 to 20

Heat exchangers 20 to 25

Kitchen equipment 15 to 20

Laundry equipment 15 to 20

Lighting equipment 20 to 25

Pipe work and valves 20 to 25

Pumps 20 to 25

Radiators – Hot water 20 to 25

Refrigeration chillers – Absorption 20 to 25

Refrigeration chillers – Centrifugal 20 to 25

Refrigeration chillers – (Reciprocating, screw) 15 to25

Tanks 20 to 30

Variable air volume – Terminal units 15 to 25

Tabla 1. Tiempo de vida útil de componentes de sistemas de climatización.

Se puede observar que los sistemas de Agua Helada presentan un mayor tiempo de vida útil (25 años) en comparación de los sistemas de expansión directa (15 años).

ANALISIS ENERGETICO GENERAL

A continuación como ejemplo se compara un sistema de agua Helada de 220 Toneladas de refrigeración vs un sistema de expansión directa de la misma capacidad. Los consumos eléctricos se los ha obtenido de modelos referenciales.

CONSUMOS ELECTRICOS COMPONENETES SISTEMA DE AGUA HELADA

DESCRIPCION CANT CONSUMO TOTALKW/H

Chiller de 100 Ton 2 229.8

Bombas de agua 3 27

UMAS 5 45301.8

Tabla2. Consumos eléctricos sistema de agua Helada

CONSUMOS ELECTRICOS EXPANSION DIRECTA

DESCRIPCION CANT CONSUMO TOTALKW/H

Equipo tipo SPLIT XD de 25 ton EVAPORADORA 8 322

Equipo tipo SPLIT XD de 25 ton UNIDAD CONDENSADORA

8 80

402Tabla3. Consumo eléctrico Sistema de Expansión directa.

De los consumos eléctricos por cada sistema se puede observar que el sistema de expansión directa presenta un mayor cantidad de energía requerida del alrededor del 33%

Considerando las Eficiencias globales de los sistemas que son de:

Sistema de agua helada: Eficiencia 17 Sistemas convencionales de expansión directa: Eficiencia 12

Consumo eléctrico considerando la eficiencia de los Equipos:

W/h = Capacidad (BTUH)/Eficiencia

Sistema de agua helada consumo = 2 400 000/17

Consumo = 141.18 KWH

Sistema de expansión directa consumo = 2 400 000/12

Consumo = 200 KWH

Al usar las eficiencias de los Equipos tenemos que la diferencia entre sus consumos energéticos aumentan a un 41.7%, siendo más eficiente el Sistema de agua helada.

Evaluando los consumos a lo largo de 1 año de funcionamiento, el costo aproximado en energía eléctrica seria de:

Costo= Consumo (KW/H) * $0.10KW/H * 8640 Horas/año

Sistema de agua helada 141.18 * 0.10*8640

$121 979.52

Sistema de expansión directa 200 * 0.10*8640

$172 800.00

El sistema de agua helada presenta un ahorro estimado de $50 820 anuales

CONCLUSIONES

En general para Instalaciones que sobrepasan las 100 toneladas de Refrigeración como en nuestro caso de estudio, es recomendable el uso de sistemas de agua Helada sobre sistemas de expansión

directa (uno a uno) debido a las mayores eficiencias energéticas. Si bien es cierto estos sistemas presentan un costo de inversión mayor, el ahorro energético (41.7%) garantiza un retorno de

inversión, y mayor cantidad de años de operatividad.

REFERENCIAS

http://www.paullsair.com.au/home/paullsair-air-conditioning-blog/possible-locations-of-component-failure-in-the-standard-air-conditioning-system

http://commercial.taco-hvac.com/podcasts.html http://www.lennoxcommercial.com/technical-documents/ http://www.daikinapplied.com/chillers.php http://www.hvacprimesource.com/Chillers.html