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Free cooling mecánico

Impulsar el ahorro y la optimización energética de las empresas gracias a la refrigeración libre

Nuno Cubal, Consultor proyectos HVAC -Smart Buildings, Johnson Controls BT&S13/09/2022
La energía es cada vez más cara. El rápido aumento de los costes está afectando tanto a los hogares como a las empresas, en particular a las que tienen grandes necesidades energéticas. Por ejemplo, las empresas con determinadas instalaciones o procesos de fabricación que requieren aire acondicionado las 24 horas del día, como en la industria alimentaria, los centros de datos o los medicamentos. Para estas empresas, la eficiencia energética es una de las principales prioridades. Ya sea por razones puramente económicas o con el objetivo principal de proteger nuestro clima: la presión para actuar es cada vez mayor.

Las empresas que necesitan climatizar sus materias primas, sus procesos o sus productos finales, en un primer momento, hacen bien en cambiar a una solución moderna de calefacción y refrigeración. Las nuevas máquinas y tecnologías suelen funcionar de forma más eficiente desde el punto de vista energético y emiten menos gases de efecto invernadero. Esto último también es un aspecto importante, ya que según la reglamentación F-Gas (517/2014), las empresas están obligadas a reducir las emisiones de CO2 relacionadas con el uso de refrigerantes en sistemas HVAC en un 79% para el 2030.

Johnson Controls ya se ha comprometido a alcanzar el objetivo de cero emisiones de alcance 1 y 2 para 2040, diez años antes del objetivo del Acuerdo Climático de París. La empresa pretende reducir sus emisiones operativas en un 55% y las de sus clientes en un 16% para 2030. Su cartera de soluciones para la calefacción y la refrigeración es muy amplia: incluye, por ejemplo, la York YZ, una enfriadora condensada por agua con un compresor centrífugo de levitación magnética, sin aceite y diseñado para un rendimiento ultraeficiente, que funciona con R-1233zd(E), un refrigerante no inflamable con un bajo potencial de calentamiento global (GWP) de 4,5. Esto puede suponer un ahorro energético de hasta el 35% anual con menores costes de funcionamiento. Al mismo tiempo, se reducen las emisiones de CO2.

La York YZ es un ejemplo de cómo las enfriadoras modernas pueden proporcionar una mayor eficiencia energética y, por tanto, menores costes de funcionamiento en virtud de su diseño tecnológico. Además, se puede conseguir un mayor ahorro de energía con las enfriadoras condensadas por agua si se aplica el principio del free cooling hidráulico. Las máquinas YZ van un paso más allá: en muchos casos, el 'free cooling mecánico' es una alternativa aún más eficiente.

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El principio del free cooling

En free cooling convencional, el agua refrigerada se enfría parcial o totalmente con aire exterior frío, a través de unas baterías de agua colocadas en el condensador. En el caso del free cooling frigorífico, el medio refrigerante se pre-enfría simplemente con el aire exterior frío a través de un intercambiador de calor independiente integrado en la unidad.

En cambio, en el caso de las enfriadoras condensadas por agua, el sistema de free cooling es más complejo. Dependiendo del diseño del sistema, el principio de free cooling requiere un bypass de la instalación para poder aprovechar el agua de condensación directamente para la demanda de frío del edificio, siendo necesario un intercambiador intermedio.

En general, sin embargo, se recomienda el free cooling para cualquier sistema diseñado para funcionar todo el año. Porque, ya sea un hospital, un centro comercial, una aplicación industrial, un edificio de oficinas, un laboratorio o un centro de datos, el free cooling con aire exterior frío reduce la energía necesaria para alcanzar la capacidad de refrigeración mecánica necesaria, lo que reduce los costes energéticos de forma respetuosa con el clima. Al mismo tiempo, los costes de implantación son bajos.

Free cooling con enfriadoras condensadas por agua

En algunos proyectos, las enfriadoras sólo se utilizan durante unas 1.500 horas en verano, una época en la que las temperaturas en este país suelen oscilar entre los 20 °C y los 40 °C. Una enfriadora de líquido refrigerada por agua se encarga entonces de la refrigeración de las unidades de tratamiento de aire (UTA), por ejemplo.

Durante el periodo de transición, las temperaturas exteriores descienden entre 16 °C y 0 °C y las UTAs ya no necesitan refrigeración adicional y podrán trabajar en modo free cooling térmico. En cambio, la carga de refrigeración se limita ahora a la llamada carga base y sólo incluye las cargas del interior del edificio. Sin embargo, en las enfriadoras condensadas por agua convencionales, se requiere una temperatura del agua de condensación de al menos 18 °C para el buen funcionamiento de la enfriadora. Por lo tanto, para garantizar su funcionamiento durante todo el año, debe instalarse una válvula de control del agua de condensación, que mantiene la temperatura mínima del agua de condensación durante su funcionamiento (véase el diagrama 1).

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Diagrama 1.

 

Cuando las temperaturas descienden a grados negativos en invierno, una opción es utilizar el free cooling convencional en modo de cambio para cubrir la carga base. En este caso, la enfriadora puede desconectarse por completo. En su lugar, la capacidad de free cooling se genera mediante un intercambiador de calor de placas adicional, y la enfriadora de recirculación se utiliza como free cooling. El intercambiador de calor de placas debe diseñarse para la temperatura del consumidor más baja.

En este escenario de cambio, el número de horas de funcionamiento de la enfriadora se reduce y la planta se vuelve más eficiente en general. Sin embargo, la parte de la refrigeración libre pura es comparativamente baja, porque el principio sólo puede ponerse en marcha cuando la temperatura del agua de refrigeración está unos 2-3K por debajo de la temperatura deseada del agua refrigerada. Además, hay que instalar un intercambiador de calor de placas, una bomba y una válvula de tres vías entre el lado del agua refrigerada y el lado del agua de refrigeración, lo que provoca pérdidas de presión adicionales en el lado de la bomba durante todo el año, que a su vez requieren energía (véase el diagrama 2).

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Diagrama 2.

Una alternativa: free cooling mecánico

El “free cooling mecánico” es la capacidad de las enfriadoras de líquido YZ de Johnson Controls de aceptar una temperatura de entrada al condensador inferior a la temperatura de consigna del agua enfriada. Esta capacidad excepcional es posible gracias a los rodamientos magnéticos y al diseño sin aceite.

La velocidad del compresor se ajusta mediante el accionamiento de velocidad variable (VSD) para minimizar la elevación (presión diferencial del compresor) y aprovechar las bajas temperaturas del agua de refrigeración en los meses más fríos, todo ello con un rendimiento excepcional de la relación de eficiencia energética (EER).

A cambio, las operaciones de la planta funcionan sin problemas durante todo su tiempo de funcionamiento. Ya sea en verano, en un periodo de transición o en invierno, su funcionamiento se optimiza en función de la temperatura exterior en todo momento. En función de la temperatura exterior, la temperatura del agua de condensación desciende sucesivamente hasta un límite de unos 4,4 °C, de modo que finalmente puede estar por debajo de la temperatura del agua fría (véase el diagrama 3).

Para ello, el refrigerador se conecta directamente a la enfriadora y, por lo general, no es necesaria una válvula de 3 vías. La temperatura mínima de entrada del agua de refrigeración ya no está limitada a 16 °C o 18 °C como en las enfriadoras condensadas por agua convencionales, sino que puede reducirse a 4,4 °C. Esta temperatura mucho más baja da lugar a un nivel de presión extremadamente bajo entre los lados de alta y baja presión de la máquina y el compresor puede trabajar menos. Las eficiencias EER alcanzables son de hasta 40 °C y más.

El software de simulación certificado por el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI) predice con precisión el rendimiento de la enfriadora en todo el rango de funcionamiento. Ha sido validado con numerosas pruebas certificadas por AHRI y Eurovent y sigue los mismos límites de funcionamiento que la enfriadora real. Así, proporciona la garantía de capacidad y eficiencia en todos los puntos. Esto permite optimizar todo el sistema de HVAC para conseguir el menor consumo energético, incluidos los manipuladores de aire, las torres de refrigeración y las bombas.

El sistema hidráulico asociado tiene un diseño sencillo y robusto, por lo que no supone un esfuerzo adicional de instalación y, por tanto, no hay pérdidas de presión adicionales que afecten al sistema durante todo el año. Aunque la enfriadora está en funcionamiento continuo con refrigeración libre mecánica, esto forma parte del concepto de ahorro de energía.

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Conclusiones

Ya sea convencional o mecánica, las empresas deberían aprovechar el free cooling como opción de optimización energética, ya que se puede conseguir un gran ahorro de energía con un esfuerzo manejable. Deberían calcular las distintas opciones de free cooling y decidir individualmente. Sin embargo, el free cooling mecánico para enfriadoras condensada por agua es una alternativa en muchos casos porque no requiere un intercambiador de calor de placas ni válvulas adicionales. El sistema tiene un diseño más sencillo, requiere menores costes de inversión y, además, puede funcionar durante todo el año.

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