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Climatización e Instalaciones

La obtención del rendimiento instantáneo por el método indirecto en enfriadoras

Félix Castro Irago. Ingeniero Técnico Industrial. Verificálitas OCA

29/01/2019

En mi labor como inspector de instalaciones térmicas, a día de hoy, me encuentro todavía con instalaciones en las que no se realiza de manera periódica la medida del valor del EER (Energy Efficiency Ratio) o COP (Coefficient of Performance) instantáneo del equipo frigorífico. En algunos casos es debido a un desconocimiento por parte del mantenedor de un procedimiento fiable y simple para llevar a cabo la obtención. Por eso trataré de describir en este articulo, de una manera general y resumida, cómo obtener el rendimiento de un equipo de frío por el método indirecto, desarrollado por el Idae en su magnífica y siempre útil guía técnica 'Procedimientos para la determinación del rendimiento energético de plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire'.

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Para todos aquellos que, de alguna manera, vinculamos nuestra vida profesional al apasionante y complejo mundo de las instalaciones térmicas, especialmente en labores de inspección, explotación o mantenimiento de las mismas, nos es muy conocido el contenido de la instrucción técnica IT. 3 del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (aprobado por el Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, y al que en adelante identificaremos por las siglas RITE.

La mencionada instrucción técnica, titulada 'Mantenimiento y Uso', expresa la necesidad de que este tipo de instalaciones se utilicen y mantengan de conformidad con los procedimientos en ella establecidos, de acuerdo con su potencia nominal y sus características técnicas. El objetivo no es otro que tratar de conseguir que el funcionamiento de las instalaciones, a lo largo de su vida útil, se produzca maximizando la eficiencia energética y garantizando la seguridad en la explotación, así como la durabilidad y la preservación del medio ambiente.

Como muchos de ustedes ya saben, en este apartado del RITE se indica la necesidad de realizar el mantenimiento de las instalaciones de acuerdo con el programa de mantenimiento preventivo que se ha establecido en el manual de uso y mantenimiento elaborado en la fase de diseño, señalando además cuáles son las operaciones mínimas de mantenimiento a realizar y sus correspondientes periodicidades, tanto para instalaciones de potencia menor o igual a 70 kW, como para las que superan esta potencia. Se establecen en esta instrucción técnica también las premisas referentes al programa de gestión energética de las instalaciones, señalando la necesidad de que las empresas mantenedoras realicen análisis y evaluación periódica del rendimiento de los equipos generadores, tanto de calor como de frío, estableciendo su periodicidad en base a la potencia térmica nominal instalada. Aborda también otras cuestiones, como las referentes a los registros que deben realizarse en las instalaciones de las aportaciones solares y consumos de agua y combustible, pero en esta ocasión nos centraremos en las medidas periódicas de los rendimientos de los generadores.

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Con respecto al reglamento precedente de 1998, podemos decir que no son tan marcados los cambios en lo referente a los parámetros a registrar en las medidas periódicas a realizar sobre los generadores de calor (calderas), donde seguimos usando los archiconocidos, aunque como es lógico, cada vez más evolucionados, analizadores de gases de combustión y opacímetros, frente a la evolución que han experimentado los aspectos a medir y registrar en los generadores de frío. En la imagen adjunta podemos ver la tabla 3.3 del RITE, donde se indican las medidas a realizar en los generadores de frío y su periodicidad en función de la potencia térmica.

En la tabla comprobamos cómo se exige, entre otros parámetros, la medida del valor del EER (Energy Efficiency Ratio) o COP (Coefficient of Performance) instantáneo del equipo frigorífico, o dicho de otra manera más coloquial, el rendimiento energético instantáneo, con una periodicidad determinada en función de la potencia térmica. Sin embargo, a día de hoy, me encuentro todavía con instalaciones en las que no se está realizando de manera periódica esta medición.

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Tabla 3.3 del RITE.

Me centraré en las máquinas que emplean agua como fluido secundario, es decir, enfriadoras de agua, por ser las más extendidas en su uso en instalaciones térmicas de cierta importancia. Este método se basa en la toma y evaluación de datos de funcionamiento correspondientes a los fluidos externos a la máquina, para lo cual no se necesitan equipos excesivamente complejos ni costosos. En este método las potencias instantáneas se determinan en el lado exterior, aplicando las leyes físicas del intercambio de calor sensible, sin cambio de estado, que se utilizan para el diseño de cualquier intercambiador de calor. De manera resumida, podemos afirmar que la obtención del rendimiento instantáneo del equipo frigorífico consiste en el cociente entre la energía térmica entregada por la máquina y la que ésta consume para generar la anterior, y es aplicable tanto a los equipos funcionando en régimen de refrigeración como en calefacción. Deberemos obtener, por un lado, la energía entregada por la enfriadora y por otro la consumida por la misma.

Para la energía que la máquina nos entrega necesitamos medir las temperaturas de entrada y salida del agua al intercambiador, es decir, del agua enfriada que enviamos a las unidades interiores de nuestra instalación, lo cual nos dará el salto térmico, y además se debe obtener el caudal de fluido que circula por el intercambiador. Conociendo estos dos valores aplicaremos la siguiente fórmula:

Pot = Q × ρ × Ce × ΔT

Cada uno de los términos se corresponden con lo siguiente:

  • Pot es la potencia térmica transferida al agua, o lo que la máquina me entrega, dicho de manera coloquial.
  • Q es el caudal volumétrico de agua circulando por el intercambiador. Veremos a continuación cómo podemos obtenerlo.
  • ρ es la densidad del fluido, en nuestro caso agua, valor conocido y tabulado, y que nos permitirá obtener el caudal másico a partir del volumétrico. Con suficiente aproximación, se puede emplear un valor de 1 kg/dm3 en los valores de presiones y temperaturas en los que normalmente se encuentra el agua de una instalación de refrigeración, o si queremos afinar más, podemos consultar el valor concreto para las condiciones de medida en tablas.
  • Ce es el calor específico del fluido, en nuestro caso, nuevamente agua. Un valor que nos proporcionará unos resultados suficientemente aceptables es el de 4.18 kJ/kg K, pero como hemos señalado para la densidad, puede emplearse también el valor concreto para las condiciones específicas de cada toma de muestras.
  • ΔT es el salto térmico del fluido externo en el intercambiador, es decir, lo que se ha enfriado o calentado el agua en su paso por la máquina y que hemos medido con un termómetro.

Por supuesto no es necesario decir que si nuestra instalación no emplea agua si no algún tipo de salmuera o solución específica, deberemos obtener y emplear los valores específicos para el fluido existente en la instalación, por ejemplo, solicitándolos al fabricante.

Pues llegados a este punto, para obtener la energía entregada por la enfriadora nos queda un parámetro clave: la obtención del caudal. Lo fácil sería que la instalación dispusiese de un medidor de caudal que nos facilitaría mucho el procedimiento, pues la obtención sería inmediata, pero esto no suele ocurrir, especialmente en las instalaciones con cierta antigüedad. Emplearemos entonces un método alternativo, basándonos en la diferencia de presiones existente a la entrada y salida del agua en el evaporador o en la bomba circuladora.

Mediremos, por lo tanto, con un manómetro, bien las presiones de entrada y salida al evaporador de la máquina, bien las presiones de aspiración e impulsión de la bomba que hace circular el agua por el evaporador de la máquina. Necesitaremos en este caso apoyarnos en documentación proporcionada por el fabricante, mediante las curvas características de pérdida de carga/caudal de los mencionados dispositivos donde estamos realizando las lecturas de presión. En el caso de la bomba, nos podrá permitir una mayor precisión a la hora de obtener el caudal realizar la lectura de la potencia consumida de la misma así como la presión existente a caudal cero.

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Ejemplo de curva características de una bomba.

En la imagen podemos ver un ejemplo de una curva característica de un circulador, donde se puede obtener el caudal teórico circulante para la pérdida de carga correspondiente. Obtenido este valor, ya tendremos todo lo necesario para aplicar la fórmula que hemos visto con anterioridad. Así pues, teniendo un poquito de cuidado con las unidades a la hora de hacer los números, ya habremos obtenido la energía entregada por la máquina, o como lo llamamos coloquialmente, “lo que la máquina me da”. Pero hemos visto que también necesitamos conocer la energía consumida por la enfriadora, es decir, la energía que está empleando para generar esa energía térmica que hemos calculado.

Este proceso es más sencillo que el anterior, y para ello podemos emplear directamente un analizador de redes, que conectaremos directamente a la acometida eléctrica de la enfriadora. La ventaja de este tipo de equipos es que nos dará directamente la potencia consumida, pues realiza todas las medidas necesarias para su obtención, tanto la intensidad como la tensión y el factor de potencia. Cierto que no es fácil en ocasiones disponer de este tipo de equipos, además de que son relativamente costosos, por lo que también podremos emplear una pinza amperimétrica con voltímetro. La tensión de fase la obtendremos por medición directa de la tensión instantánea en las bornas generales de entrada al equipo, y para equipos trifásicos, que serán los más frecuentes, se medirán las tensiones entre las tres fases y se calculará la media aritmética de los tres valores obtenidos. La intensidad de fase total absorbida la mediremos con la pinza amperimétrica en los conductores generales de suministro a la máquina, preferentemente a la salida del seccionador general y una vez más se obtendrá la media aritmética de los consumos de las tres fases.

Con este procedimiento no se obtiene el valor real del factor de potencia, el cos f, por lo que se podrá emplear el valor directamente suministrado por el fabricante o en su defecto, se adoptará el valor de 0,8, lo que permitirá una aproximación suficiente en los resultados para este tipo de instalaciones. Obtenidos ya todos los parámetros necesarios, calculamos la potencia eléctrica consumida con las fórmulas usuales de cálculo para instalaciones trifásicas o monofásicas, según el caso que tengamos bajo estudio, y ya podemos obtener el rendimiento instantáneo de la máquina (EER o COP), dividiendo la potencia entregada por la potencia consumida. Por supuesto, si existiesen más intercambiadores en la enfriadora en los que se estuviese realizando aprovechamiento energético, deberán ser también evaluados, del mismo modo que si existen otros consumos eléctricos necesarios para el funcionamiento de la misma.

En las tomas de datos sobre la máquina debemos anotar también las condiciones ambientales del momento de la prueba, ya que normalmente las medidas no pueden realizarse en las condiciones nominales de funcionamiento en las que el fabricante ha ensayado el equipo. Con los datos ambientales reales de la toma de datos deberemos emplear las tablas de rendimiento a carga parcial (recogen la variación del rendimiento al variar las temperaturas de entrada al condensador y de salida del evaporador) aportadas por el fabricante para extrapolar si el rendimiento obtenido es adecuado.

Por último, me gustaría finalizar señalando algunas premisas que debemos tener en cuenta a la hora de realizar las mediciones para obtener unos datos lo más fiables posibles:

  • Debemos emplear siempre equipos calibrados periódicamente, o si empleamos equipos existentes en la instalación, debemos contrastarlos con nuestros equipos calibrados.
  • No debemos efectuar medidas en regímenes transitorios de las máquinas, y realizaremos las medidas con la máquina funcionando a plena carga.
  • Antes de proceder a la toma de datos, la enfriadora deberá estar funcionando durante un tiempo mínimo de 10 minutos, con todos sus intercambiadores de calor en condiciones estables y en porcentaje de capacidad invariable.
  • Para las medidas de temperaturas será siempre preferible disponer de pocillos o dedos de guante con pasta conductora, que nos permitan el empleo de medidores de inmersión, y si esto no es posible y se deben usar medidores de contacto se deberán tomar las precauciones adecuadas para garantizar el buen contacto entre sonda y superficie.
  • Para las medidas eléctricas en tensión, debemos adoptar las debidas precauciones, así como emplear los equipos de protección personal adecuados, como guantes, gafas protectoras, etc.
  • Como consejo final, recomiendo realizar el proceso de obtención del rendimiento tres veces, empleando como resultado final la media de las tres medidas, puesto que siempre se producirán variaciones en los parámetros.

Referencias

  • Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.
  • Guía Técnica número 2 del Idae “Procedimientos para la determinación del rendimiento energético de plantas enfriadoras de agua y equipos autónomos de tratamiento de aire”.

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