Optimización de sistemas de aire acondicionado: el enfoque de ThermoPsychro

Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado proporcionan confort térmico y una calidad del aire aceptable en edificios, oficinas y hogares. Actualmente, estos sistemas representan aproximadamente el 20% del consumo energético total. La psicrometría se define como el estudio del aire húmedo, que es una mezcla de aire seco y humedad. Se utiliza no solo en procesos de calefacción y refrigeración para garantizar el confort de los ocupantes de los edificios, sino también en el aislamiento de viviendas.

La eficiencia energética en los sistemas de aire acondicionado es una prioridad creciente en la ingeniería, especialmente dado el impacto ambiental y los elevados costos energéticos asociados con estos sistemas. Mejorar la eficiencia de la climatización no solo optimiza el consumo de energía, sino que también contribuye a la sostenibilidad de los edificios y a la mejora del confort interior. Los sistemas de aire acondicionado tienen el desafío de mantener condiciones de confort térmico en ambientes interiores. Sin embargo, no es suficiente con simplemente ajustar la temperatura. La humedad juega un papel crucial en la percepción de confort. Cuando el aire está muy húmedo, las personas tienden a sentir más calor, lo que provoca que los sistemas enfríen más de lo necesario. En el lado contrario, cuando el aire es demasiado seco, se genera incomodidad, llevando al usuario a apagar el sistema o ajustarlo incorrectamente.

El desafío es claro: encontrar la combinación adecuada de temperatura y humedad que permita un ambiente confortable mientras se optimiza el consumo energético. En este contexto, los sistemas de aire acondicionado modernos deben ser más inteligentes, capaces de adaptarse a estas variables para minimizar el uso de energía, pero sin sacrificar la calidad del ambiente.

ThermoPsychro forma parte de un conjunto de programas desarrollados por el autor con el fin de dar solución a diseños y análisis dentro del campo de la ingeniería térmica y la energía (https://thermosuite.com). El software ofrece una tecnología de simulación avanzada y muy completa, para ayudar al diseñador. ThermoPsychro es un software desarrollado en un entorno amigable, para calcular con precisión y rapidez sistemas en los que intervienen el aire húmedo (sistemas climatización, cámaras frigoríficas, etc). Con este software, los ingenieros pueden determinar la mejor configuración de un sistema de aire acondicionado, lo que permite optimizar su rendimiento y garantizar, entre otros aspectos, que el espacio se mantenga climatizado con el menor consumo posible de energía.

El software es una herramienta muy potente, ya que posee una gran versatilidad de combinación de datos de entrada (parámetros de diseño y termodinámicos), aportando los resultados del análisis/diseño de forma numérica y gráfica (diagrama psicrométrico y diagramas de flujo). Además, posee la posibilidad de trabajar con un número importante de instalaciones por defecto (que pueden cubrir las necesidades del diseñador):

i) Los procesos psicrométricos básicos pueden ser analizados: calentamiento y enfriamiento sensibles, humidificación y deshumidificación, mezcla de corrientes diversas, enfriamiento evaporativo (una y dos etapas), torre de refrigeración, inyección de vapor, etc.

ii) Unidades de Tratamiento de Aire (UTA), ver figura 1.

iii) Unidad Desecante Rotativa: ciclo Pennington, modo ventilación modificado, modo recirculación y ciclo Dunkle.

También es posible crear un nuevo diseño mediante la herramienta PADs (figura 2), donde los dispositivos son elegidos de un menú y los parámetros de diseño pueden ser elegidos en menú individual desplegable. El software permite la opción de trabajar en modo definición de parámetros, o modo diseño, donde la carga térmica del espacio a climatizar debe ser introducida por el usuario. También permite trabajar en modo “diagrama”, donde los procesos pueden ser dibujados directamente sobre el diagrama psicrométrico, quedando definidas todas las variables termodinámicas de cada estado. En definitiva, se trata de una herramienta muy versátil en todos los aspectos.

El software permite muchos más tipos de análisis de los mostrados en este artículo, en https://thermopsychro-docs.thermosuite.com pueden consultarse otros análisis,  lo que convierte a este software en una herramienta potente, útil y necesaria para los técnicos especialistas de tratamiento de aire, tanto en la industria como en el ámbito de enseñanzas técnicas empleando la versión educacional.

Figura 2. Herramienta PADs.

Se ha elegido un sistema de aire acondicionado con doble recirculación (figura 1). Este tipo de sistema permite mezclar aire recirculado con aire exterior, lo que reduce la cantidad de aire que debe ser enfriado desde cero. Sin embargo, la clave está en cómo se gestiona la combinación entre el aire recirculado y el aire fresco, ya que una mala proporción puede llevar a un uso excesivo de energía o a un confort insuficiente. El software permite ajustar las proporciones de aire fresco y aire recirculado según las exigencias impuestas en el diseño. Esta recirculación no solo ayuda a reducir el gasto energético, sino que también mejora la eficiencia del sistema al minimizar la carga de trabajo que implica enfriar aire completamente nuevo. A través de simulaciones precisas, ThermoPsychro ofrece soluciones que permiten a los ingenieros ajustar la configuración óptima y/o adecuada del sistema diseñado.

Se ha elegido en este análisis el modo diseño, y la opción de elegir una configuración por defecto, por lo que el usuario debe definir inicialmente el tipo de UTA:

• Oficina/local (esta es la elegida)
• Restaurante
• Cámara frigorífica

La carga térmica (reparto de calor sensible y latente, número de ocupantes e infiltración de aire) de la oficina a climatizar se recoge en la figura 3, mientras que los datos de entrada elegidos (porcentajes de aire recirculado y temperatura de impulsión), altura sobre el nivel del mar (presión barométrica) y las condiciones en el exterior y en espacio a climatizar, se recogen en la figura 4.

Figura 3. Carga térmica del espacio a climatizar.

ThermoPsychro realiza un análisis detallado, ayudando a evitar el sobreenfriamiento y la excesiva deshumidificación, lo que lleva a un ahorro significativo de energía y una mejora en la eficiencia global del sistema. Además, el análisis exergético global del sistema desarrollado, permite detectar y cuantificar aquellos aspectos que hacen que los sistemas térmicos no funcionen adecuadamente (irreversibilidades), con lo que es posible verificar el margen de mejora de cada dispositivo y actuar en consecuencia, para mejorar el diseño.

Los beneficios de utilizar herramientas como ThermoPsychro son claros. A través de simulaciones precisas, los sistemas de aire acondicionado pueden optimizar sus parámetros operativos para maximizar la eficiencia. Al reducir la cantidad de energía consumida en el enfriamiento del aire y mantener las condiciones de confort, no solo se mejora el rendimiento del sistema, sino que también se reducen los costos operativos.

Figura 4. Entrada de datos de la Unidad de Tratamiento de Aire.

No se ha elegido la opción modo “diagrama”, por lo que el software obtiene el diagrama psicrométrico (a nivel del mar), mostrado en la figura 5. Se trata de un diagrama donde se muestra una representación gráfica que relaciona los parámetros físicos de la mezcla del aire y la humedad, dirigido a estudiar las propiedades termodinámicas del aire húmedo; muy útil y válido para los ingenieros y técnicos especializados.

En este estudio, se aplican la primera y la segunda ley de la termodinámica a un proceso de aire acondicionado, y el resto de ecuaciones propias del estudio del aire húmedo. Se obtienen numerosos cálculos (ver figuras 6 y 7), por ejemplo, las propiedades de los estados, la tasa de transferencia de calor (sensible y latente) en equipos, la destrucción de exergía, caudales de circulación, eficiencias (energética y exergética), parámetros de diseño (factores de bypass, punto de rocío del aparato, factor SHF, etc), etc. Se puede generar un fichero pdf de todos los datos del proyecto realizado.

Un balance energético completo y exhaustivo (incluyendo el espacio a climatizar) es mostrado en la figura 8, representándose los flujos de calor y los flujos de entalpía (producto del caudal másico de aire y la entalpía). De este diagrama se obtiene información muy válida y necesaria para el estudio de sistemas ya implantados o para el diseño de una nueva instalación.

La exergía representa la energía cuantitativamente útil o la posibilidad de realizar o recibir el trabajo de las diferentes corrientes (masa, calor, trabajo) que fluyen por el sistema. El análisis exergético se utiliza para detectar y cuantificar las causas de la imperfección termodinámica del proceso en cuestión e indica la posibilidad de su mejora termodinámica. La aplicación de métodos exergéticos a las tecnologías de calefacción, refrigeración y aire acondicionado proporciona una mejor comprensión de su comportamiento y mejores herramientas para su mejora. Las irreversibilidades son flujos que se pierden o destruyen; las internas se dibujan mediante un triángulo y las externas (exergía asociada a flujo de calor cedido) mediante una flecha, así según la figura 9, el elemento más crítico es el serpentín de enfriamiento (deshumidificador), con una irreversibilidad interna del 15.56 %, y una irreversibilidad externa total del 19.2 %. Mayor detalle se muestra en la figura 10.

A largo plazo, la integración de estas tecnologías de simulación avanzada puede transformar la manera en que se gestionan los sistemas de climatización en edificios comerciales, industriales y residenciales. La optimización energética en sistemas de aire acondicionado no es solo una cuestión de reducir costos, sino también de mejorar la sostenibilidad y la eficiencia en el uso de recursos. Con herramientas avanzadas como ThermoPsychro, es posible lograr un control detallado de la climatización, asegurando que se mantenga el confort en los espacios interiores sin comprometer el consumo energético. La tecnología no solo permite mejorar el rendimiento de los sistemas térmicos, sino que también contribuye a un futuro más eficiente y respetuoso con el medio ambiente.