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Lunes, 06 Mayo 2019 08:14

CHILLERS, la evolución de un mercado creciente

foto principal 00Los Chillers, más conocidos en nuestro mercado como enfriadoras de agua, son unidades de climatización que producen agua fría para utilización en sistemas de climatización para confort o sistemas de climatización para procesos industriales

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Para definir las dos tipologías de Chillers, se utilizan dos palabras, la primera palabra hace referencia al tipo de fuente para el intercambio de calor, que puede ser aire o agua y la segunda palabra, hace referencia a la fuente utilizada para la trasferencia de calor con el interior, normalmente también aire o agua.

En el mundo de las enfriadoras existen dos tipologías: 

  • Condensadas por aire o Aire – Agua, unidades que para el intercambio de calor con el exterior por aire (Aerotermia) y utilizan agua como fluido transportador de calor para las unidades terminales.
  • Condensadas por agua o Agua – Agua, unidades que para el intercambio de calor con el exterior utilizan agua, que puede provenir de una torre, abierta o cerrada o incluso del suelo (Geotermia). En esta última tipología, cuelga también una sub categoría que son las enfriadoras de Absorción.

A nivel general, el mercado de las enfriadoras de agua, se vio afectado positivamente por un crecimiento de una media anual de 20% desde el año 2013 según datos de AFEC (Asociación de Fabricantes de Equipos de Climatización). Dicho crecimiento se refleja por la constante demanda de mayor eficiencia energética, el objetivo de bajar el potencial de calentamiento global, conseguir cero impacto en la capa de ozono y sobretodo, obtener mejor regulación y confort en las instalaciones, esto debido a la gran flexibilidad que aportan los sistemas de agua en diferentes aplicaciones (variación de las temperaturas de impulsión, ajuste más fino de las temperaturas de confort, control de humedad, etc.), y  por último, que no menos importante, al incremento gradual de los impuestos por parte de la Administración relacionados con algunos tipos de gases refrigerantes. 

Esta tipología de sistemas, son los elegidos para edificios que buscan una mayor eficiencia, o incluso edificaciones que buscan un certificado LEED o BREEAM debido al bajo consumo energético de estas unidades, conjuntamente con las nuevas tecnologías en distribución de agua, unidades terminales y la evolución en sistemas de control, cada vez más precisos e  “inteligentes”.

Mejora de la eficiencia energética

De acuerdo con la Agencia de Protección Ambiental (EPA), se estima que el 5% del consumo diario de energía del mundo se gasta en combustible para el calentamiento de agua. Además, en los países de Europa Occidental, el 25% de la energía primaria utilizada es para aplicaciones de refrigeración y calefacción.

A medida que la presión medioambiental continúa sobre los recursos naturales, las facturas de energía siguen aumentando, y hay que buscar nuevas soluciones respetuosas con el  medioambiente. 

En un edificio común, el consumo eléctrico correspondiente al HVAC es de un 37-40%, de ahí la importancia de utilizar equipos cada vez más eficientes. 

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Nuevas normativas y adaptación de los productos al mercado

> La adaptación al Ecodiseño

La directiva del Ecodiseño para confort (regulación 2281/2016), se aplica desde 2018 al mercado Europeo de HVAC y obliga a una adaptación del impacto ambiental de los productos de HVAC. El Ecodiseño es ahora requerido para todos los productos de HVAC fabricados con el certificado CE. Fue presentado en dos etapas, Etapa 1 o TIER 1 que como se ha mencionado anteriormente, empezó en 2018, y el TIER 2 que entra en vigor en 2021.

 Básicamente esta normativa consiste en obligar a los fabricantes de productos HVAC, a que produzcan sus máquinas con una mejor eficiencia energética a cargas parciales, minimizando el impacto ambiental.

> Nuevos refrigerantes

La regulación europea F-gas está promoviendo el “phase-down” o reducción en el uso de los refrigerantes HFO de alto GWP, como el R410a y R134a, con una reducción gradual de la cantidad refrigerantes con alto GWP utilizado en el mercado. 

Esta reducción gradual se hace en dos etapas, teniendo como objetivo para 2030 una reducción del CO2 equivalente en 80%. 

El “phase-down”, no implica ningún tipo de prohibición de los refrigerantes HFO, simplemente compete a los fabricantes adaptarse gradualmente a los refrigerantes de bajo GWP para conseguir el objetivo propuesto en la reducción de CO2

Se puede apreciar en el mercado de enfriadoras y otras máquinas de expansión directa, nuevos refrigerantes alternativos de bajo GWP como el R454B, R32, R513A, R1234ze, R1233zd, ofreciendo, aproximadamente, las mismas prestaciones utilizando un refrigerante que ayudará a la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera.

> Nuevos refrigerantes

Para entender el impacto de las enfriadoras de agua en este consumo de energía, necesitamos entender unos conceptos básicos: 

EER/COP: Factor de eficiencia energética en modo refrigeración (EER) o calefacción (COP) – Dividiendo la potencia térmica nominal por el EER/COP obtenemos el consumo eléctrico nominal de la máquina. 

SEER/SCOP (factor de eficiencia energética estacional) – Eficiencia de la unidad en modo refrigeración (SEER) o en modo calefacción (SCOP) calculada en base a una demanda anual. El SEER y el SCOP se convierten, según Ecodiseño, en ŋ s,c  y ŋ s,h aplicando unos factores de corrección. 

SEPR (factor de eficiencia energética estacional – “Process cooling” - Eficiencia de la unidad en modo refrigeración para los procesos que no sean de confort. Procesos de baja, media temperatura (LOT1)

ESEER (factor de eficiencia energética estacional Europeo) – Eficiencia de la unidad en modo refrigeración calculada en base a una demanda anual según las condiciones Eurovent. Este valor va siendo substituido por el SEER como podremos apreciar en la página oficial de Eurovent. 

Podríamos decir, que una enfriadora que tenga un EER alto, como por ejemplo un valor de 3.00, tendría un consumo a condiciones nominales, de aproximadamente, unas tres veces menos que la energía térmica producida. Este consumo se puede considerar como un valor de referencia pero algo lejos de la realidad, una vez que las condiciones nominales de trabajo solamente ocurrirán un número reducido de veces al año. 

En una instalación bien dimensionada, las enfriadoras de agua, suelen trabajar aproximadamente 74% de las horas de funcionamiento, a una capacidad que varía entre el 50% y el 75%. A este rango de capacidad se conoce como “cargas parciales”. 

Para obtener una grandeza del consumo de la maquina lo más real posible, se debe considerar el valor SEER y SCOP de la máquina, facilitado por el fabricante.

El SEER es una medida en ratio, que nos indica la eficiencia de la máquina, considerando en el cálculo de esa eficiencia, el porcentaje de horas de funcionamiento a diferentes cargas parciales, obteniendo un ratio de consumo medio anual más cercano a la realidad. 

Tipologías de enfriadoras:

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 > Enfriadoras de agua (Aire – Agua)

Las enfriadoras condensadas por aire (Aire – Agua), se nos presentan en el mercado en 2 versiones: 

  • “Solo Frio”: que funcionan solamente en modo refrigeración, que según modelo, poseen la capacidad para producir agua fría durante todas las estaciones del año.
  • Bomba de Calor: Unidades reversibles que producen frio y también agua caliente de 30ºC hasta 55ºC.

Componentes principales de las enfriadoras Aire - Agua:

Compresor; El corazón de la máquina. Los compresores pueden ser de varias tipologías y se eligen en base a la aplicación que tendrá esa instalación. Los más usuales en esta tipología de máquinas son los siguientes:

Compresor tipo Scroll

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Utilizados para potencias aproximadas desde 4kw hasta 600kW, pueden incluir variación de velocidad de compresión (Inverter), lo que representa un aumento importante en la eficiencia de la máquina, o ser “On-OFF”. Para grandes potencias se suelen utilizar varios compresores scroll que trabajan en “tándem” para conseguir una parcialización de potencia y eficiencia mejorada. Son compresores relativamente económicos, con un índice de fallos muy reducido. En contrapartida son compresores que trabajan con refrigerantes con una presión superior y que poseen un número de horas de funcionamiento máximo algo inferior a otras tecnologías.

Compresor tipo Tornillo

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Utilizado para potencias desde 160kW hasta 2000kW (limite aproximado de la gama Aire-Agua). 

Son compresores de gran tamaño que pueden conseguir grandes potencias solo con un compresor. Posibilidad de regulación de capacidad de 25% a 100% mediante válvulas de descarga o corredera, y de un 10% a 100% mediante regulación de la velocidad de compresión con un VSD (Inverter) o utilizando los dos sistemas de regulación simultáneamente para conseguir la máxima eficiencia. Son compresores más costosos pero más fiables y  robustos para un funcionamiento continúo ideales para procesos industriales donde se busca fiabilidad.

Evaporador; El evaporador es el intercambiador entre refrigerante/agua, donde se hace el intercambio de calor entre el circuito frigorífico y el fluido (agua) del sistema terminal. Estos evaporadores pueden ser de dos tipologías, placas y tubular. 

El evaporador de placas

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Es un evaporador más compacto, más económico y que requiere una carga de refrigerante reducida, pero más sensible a suciedades en el agua, y con una presión de funcionamiento más limitada. Podemos encontrar evaporadores de placas simples (solo un evaporador y un circuito), evaporador de doble circuito (un evaporador con doble circuito frigorífico integrado) y el doble evaporador (dos o más evaporadores, uno por circuito frigorífico de la maquina).

El evaporador tubular

foto 8Es un evaporador con una robustez superior, aguanta unas presiones de funcionamiento elevadas y es algo más permisivo con las condiciones del agua de la instalación. En contrapartida, es un evaporador de grandes dimensiones, con una carga de refrigerante más elevada. 

En el mercado existen tres tipologías de evaporador tubular, Inundado (elevada eficiencia pero alta carga de refrigerante), Semi-inundado o Falling film (buena eficiencia con hasta menos 60% de refrigerante) y el DX (baja eficiencia con reducida carga de refrigerante). 

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 Baterías de condensación; Son las baterías de intercambio de calor del refrigerante con el aire exterior. Pueden ser baterías cobre-aluminio, o Microcanal (imagen siguiente) y se pueden pedir a los fabricantes con diferentes opciones de tratamiento anticorrosivo. 

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 Ventiladores de Condensación; Ventiladores responsables por el intercambio de calor del aire con las baterías de condensación. Este componente es muy importante en una enfriadora ya que su eficiencia representa un impacto importante en el consumo de la enfriadora y su control mantiene un funcionamiento óptimo a todo el momento.  Con el pasar de los años se fue evolucionando este componente para mejorar sus prestaciones.

foto 11La evolución más importante fue la introducción de VSDs y motores EC (variación de la velocidad) que no solo logro un aumento de la eficiencia como también una mejora importante en los niveles de ruido de las enfriadoras aire – agua.

Principales características de las enfriadoras Aire – Agua

  • Amplio rango de funcionamiento desde 4kW a 2000kW térmicos. 
  • Eficiencias elevadas con SEER de hasta 5
  • Son unidades compactas y autónomas de fácil instalación.
  • Bajo mantenimiento 
  • Producción de agua caliente autónoma. 
  • Instalación exterior que requiere espacio en cubierta con áreas mínimas para ventilación.
  • En algunos rangos de funcionamiento el nivel sonoro puede ser elevado.

> Enfriadoras de agua (Agua – Agua)

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Como referido anteriormente en las unidades condensadas por aire, en las enfriadoras condensadas por agua, también existen básicamente 2 versiones:

“Solo Frio”: Funcionan solamente en modo refrigeración, que según modelo e instalación, poseen la capacidad para producir agua fría durante todas las estaciones del año.

“Bomba de Calor”: Como punto a destacar está la posibilidad de producir agua caliente hasta 90ºC.

Componentes principales de las enfriadoras Agua - Agua:

Compresor; El corazón de la máquina. Los compresores pueden ser de varias tipologías y se eligen en base a la aplicación que tendrá esa instalación. Los más usuales en esta tipología de máquinas son los mismos que en las enfriadoras condensadas por aire con la adición a dos nuevas tipologías:

Compresor tipo centrifugo de levitación magnética

foto 13Compresores de alta eficiencia y fiabilidad con 80% menos de piezas móviles que los motores tradicionales. Sistema de cojinetes magnéticos para un funcionamiento sin necesidad de aceite, que representa un aumento del rendimiento y bajos requisitos de mantenimiento. 

Valores de modulación que pueden ir de un 10% a 100%.Los compresores del tipo centrifugo, al contrario de otras tecnologías, no hacen una compresión del refrigerante pero si un movimiento centrifugo del refrigerante a alta velocidad. La rotación de las turbinas esta de tal manera equilibrada que conjuntamente con la disminución de piezas móviles y rozamientos, los convierte en los compresores con más longevidad del mercado.

Compresor tipo centrífugo: 

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 Compresores utilizados especialmente en máquinas condensadas por agua de gran potencia que pueden llegar a 11.000kW de potencia térmica, con un solo compresor. 

Posibilidad de modulación con VSD consiguiendo valores de modulación de 15% a 100%. Pueden ser de tipología hermética o abierta con diferentes tipos de motores acoplados, eléctricos, combustión, etc. 

Son compresores robustos y de alta eficiencia. 

Evaporador; Tal como vimos en las enfriadoras condensadas por aire, estos pueden ser de dos tipologías, placas y tubular. En una enfriadora condensada por agua, es más usual la utilización del evaporador tubular debido a su mayor robustez. 

Condensador; En una enfriadora agua – agua, el  condensador hace un intercambio de calor entre el refrigerante y el agua de condensación que puede provenir de una torre de enfriamiento, agua de mar o geotermia. Estos condensadores son normalmente tubulares con la posibilidad de varios tratamientos anticorrosivos. Existen también condensadores de placas de alta eficiencia y con una reducción significativa  en la carga de refrigerante pero con el hándicap de requerir una calidad de agua de condensación más controlada. 

Principales características de las enfriadoras Agua – Agua: 

  • Más potencia disponible, hasta 22.000kW térmicos. 
  • Eficiencias muy elevadas con SEER de hasta 8.9
  • Son unidades compactas para instalación interior que no requieren espacio en cubierta. 
  • Necesidad de condensar con un equipo externo (Agua de mar, torre enfriamiento abierta o cerrada, geotermia, etc.) 
  • Menor tamaño que las unidades Aire-Agua
  • Gran ciclo de vida de las unidades
  • Baja emisión sonora.

> Enfriadoras de Absorción 

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 Son enfriadoras de agua que aprovechan el calor sobrante de cualquier proceso, sea en agua caliente o en vapor, para poder generar agua fría hasta 4ºC, con potencias en refrigeración de hasta aproximadamente 14000kW.

Este “fenómeno” se consigue por la capacidad del Bromuro de Litio en absorber refrigerante en estado líquido - Agua (R718) y su posterior evaporación a través de una fuente externa de calor. El Absorbedor y el Generador hacen la función de “compresor” como en una enfriadora común, pero consiguen dicha compresión por un proceso químico y no por elementos mecánicos como las enfriadoras convencionales.

Componentes principales de las enfriadoras de Absorción: Evaporador, Absorbedor, Condensador, Generador 

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 Principales características de las enfriadoras Absorción: 

  • Agua como refrigerante natural (R718)
  • Bajo consumo eléctrico
  • Aplicación donde exista calor sobrante (Incineradoras, Cogeración, Turbinas de gas, etc.)
  • Muy bajo nivel sonoro
  • Larga longevidad del producto

> Sistemas modulares y control

Es una práctica cada vez más común, la instalación de varias máquinas modulares que trabajen contra la misma instalación, facilitando la instalación de enfriadoras en espacios más reducidos, o aumentando la redundancia para esos procesos más decisivos donde queremos garantizar siempre una temperatura constante. Un sistema modular se puede utilizar también para futuras ampliaciones de potencia térmica, sin necesidad de cambiar equipos existentes. 

En esta tipología de sistemas, es fundamental el buen control de los diferentes módulos para que trabajan de manera eficiente y equilibrada. Hay fabricantes que ofrecen esta modularidad de serie con algunas gamas de equipos garantizando que varias máquinas conectadas modularmente, funcionan como una única máquina de gran capacidad. 

foto autor chill

 

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