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Lunes, 06 Mayo 2019 08:20

CARRIER refrigeración HFO: Caracterizando la nueva generación de sistemas HVAC

foto portada 0La entrada en vigor del Reglamento F-Gas y de la Directiva y Reglamentos de EcoDiseño está modificando sustancialmente la oferta tecnológica  del sector de la climatización, condicionando su desarrollo futuro y caracterizando la evolución del diseño de las instalaciones venideras

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La necesidad de un bajo impacto ambiental, como suma de la reducción de los impactos directo e indirecto, y su obligada combinación con un incremento de la eficiencia, implica una nueva caracterización técnica de los productos afectados. 

Los HFOs y los Sistemas Hidrónicos: Una combinación ganadora

La elección del HFO R-1234ze para los equipos de compresión de tornillo y del HFO R-1233zd para las unidades de compresor centrífugo ha demostrado ser una solución a largo plazo que ya se encuentra comercialmente disponible y que es posible instalar sin limitación de carga de refrigerante con el actual RSIF de 2011.

Es importante detallar que el R-1234ze presenta no solo ventajas medioambientales frente al R-134a, sino también un amplio conjunto de ventajas técnicas asociadas a la aplicación del producto:

Los equipos HFO presentan un incremento de la eficiencia estacional del 5% de media, comparada con sus homólogos de R-134a. 

La huella de CO2 se reduce de forma global en un 10%, considerando los efectos directo (PCA del gas) e indirecto (eficiencia del equipo).

El mapa de operación del refrigerante R-1234ze posibilita temperaturas de producción de agua caliente hasta los 85ºC en un solo ciclo.

En paralelo, la menor presión de trabajo a iguales de operación que el R-134a da lugar a un incremento en la fiabilidad y vida útil.

La Directiva de Recipientes a Presión (PED. 68/2014/UE & 23/97/UE)  considera al refrigerante HFP dentro del grupo 2: NO peligroso.

La Normativa ADR de Transporte de Mercancías, considera al R-1234ze dentro del grupo 2.2: NO tóxico y NO inflamable.   

Los sistemas hidrónicos que utilizan unidades centralizadas con HFO, tanto si éstas están instaladas en exterior, como si están instaladas en salas técnicas interiores no presentan limitación de carga, pudiendo ser instalados en aplicaciones de confort humano y de procesos. 

Por lo que se refiere a la frecuencia de la verificación de fugas a realizar bajo el Real Decreto 115/2017, una unidad con R-1234ze ya no precisará prueba reglamentaria hasta los 714Kg de carga (bajo AR4).

Las unidades con HFO no están sujetas a las tasas de refrigerante.

Por lo que respecta a sus características químicas, el R-1234ze se sitúa como un referente de seguridad dentro del grupo A2L

  • No inflamable en la prueba ASTM E681-04 @ 21°C y NO inflamable por debajo de 30ºC de temperatura ambiente. 
  • Elevada energía de ignición: 61.000mJ, por lo que no está afectado por el impacto de la electricidad estática, ni requiere de ropa o herramientas diseñadas al efecto.
  • La velocidad de combustión se encuentra en el rango más bajo dentro del grupo A2L.

Todo este conjunto de características permiten concluir que estos nuevos gases posibilitan una evolución del mercado sin restricciones ni condicionantes en la cantidad de refrigerante comercializada en el mismo, garantizando un crecimiento natural del sector.

Combinando Tecnologías

Como es lógico, el diseño de nuevos equipos de tornillo que utilicen refrigerantes HFO no se desarrolla de forma aislada a la evolución del resto de tecnologías de impacto sobre el ciclo frigorífico. 

Con el objetivo de ir más allá de lo marcado por los requisitos de la Directiva de EcoDiseño (ErP)  y, en particular, del Reglamento 2281/2016/UE en vigor desde el 1 de Enero de 2018, los nuevos diseños están incidiendo de forma significativa en la incorporación de componentes que permitan potenciar el incremento de eficiencia asociado a los refrigerantes alternativos. 

Válvulas Vi.

El Volume index -Vi- (Índice de Volumen) es la relación entre el volumen de gas contenido en aspiración del compresor y el volumen del gas que se encuentra en  la cámara cuando abre para descargar. El índice Vi está inversamente relacionado con la Relación de Compresión.

La incorporación de una válvula Vi (Volume Index) de implantación vertical (para minimizar esfuerzos), combinada con un VFD para la gestión de capacidad, tiene un impacto significativo sobre el consumo. La válvula introduce en el diseño del compresor un procedimiento de máxima fiabilidad para ajustar la relación de compresión, de forma que la unidad se adapte de forma precisa a la demanda de la instalación (mediante el VFD), a la par que se alcanza un alto rendimiento (menor consumo), con independencia de las condiciones de operación, tanto a plena carga como a carga parcial.

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Motores Síncronos combinados con un control por variador

La utilización accionamientos síncronos y, en particular, de motores de  imanes permanentes en el movimiento de los compresores, implica una mejora del rendimiento cuando se le compara con el existente en el caso de motores asíncronos de inducción.

Este incremento del rendimiento está vinculado a la reducción de las pérdidas de energía asociadas a la tensión que es necesario inducir en el rotor de los motores de inducción. Las mencionadas pérdidas se corresponden tanto al rotor (pérdidas por la existencia de deslizamiento), como al estator (pérdidas en el cobre y en el hierro).

En los motores de asíncronos, existirá un diferencial entre la velocidad de sincronismo del estator y la velocidad de giro del rotor (deslizamiento), alcanzando esta diferencia un valor de, al menos, un 5%. Además, al variar la carga a vencer por el motor, lo hará la velocidad real de giro.

En los motores síncronos, la velocidad del rotor y la velocidad de sincronismo del estator son iguales (no existe deslizamiento). Como consecuencia, la velocidad de giro del rotor es constante, independiente de la carga a vencer y dependiente únicamente de la frecuencia de la corriente de alimentación y del número de polos. La ausencia de deslizamiento garantiza el incremento del rendimiento volumétrico del compresor.

En los motores síncronos de imanes permanentes se elimina la necesidad de un rotor bobinado y de las escobillas o anillos rozantes para su alimentación de corriente continua. Esto permite combinar el rendimiento de un motor síncrono con la robustez y simplicidad de un motor de inducción.           

Una comparativa Energética

Para llevar a cabo la comparativa, se ha considerado una aplicación de climatización de confort a 12ºC/7ºC, mediante enfriadoras aire-agua de compresor de tornillo bi-rotor con diferentes arquitecturas, optando por una capacidad en el entorno de 700kW para llevar a cabo el tratamiento ambiental. En la Tabla I se detallan las características de cada uno de estos escenarios.

Para llevar a cabo la comparación energética es preciso acotar y caracterizar el escenario de evaluación: 

Perfil Climático. Se ha optado por utilizar el perfil climático del Reglamento 2281/2016 (Cuadro 27 del Anexo III), con unos límites de temperatura de operación de 36,5ºC y 17ºC.

Perfil de Demanda. Funcionamiento de la unidad en edificio de aplicación terciaria con un total de 3.000 h/año. Demanda máxima de 680kW, con una variación lineal de carga del 15% al 100% entre los límites del perfil climático considerado. Funcionamiento de la bomba de agua en caudal constante o variable con una potencia de 10kW.

Coste energía y Coeficiente de paso para el cálculo de emisiones. Se ha considerado un coste de suministro de 0,12€/kWh. A efectos de emisiones, se ha considerado el coeficiente de paso del sistema península en energía final: 331 gr CO2/Kwhe.

foto 3Motores Asíncronos.

La evaluación se realiza en base a los cuatro primeros escenarios de la Tabla I, correspondientes todos ellos a compresores bi-rotor de motores asíncronos, grupos de bombeo de caudal constante y refrigerante R-134a.

Las unidades presentan un consumo de energía anual de entre 165.834kWh y 207.500kWh, con un coste energético de entre 19.900€ y 24.900€:

  • El bombeo constante supone un consumo de 30.000kWh.
  • La reducción de emisiones entre el escenario 1 y el 4 es del 20%.

foto 4Motores Síncronos de Imanes Permanentes.

La evaluación se realiza en base a los tres escenarios de la Tabla I, correspondientes todos ellos a compresores con motores síncronos de imanes permanentes.

Las unidades presentan un consumo de energía anual de entre 139.167kWh y 161.667kWh, lo que supone un coste energético de entre 16.700€ y 19.400€. La reducción de emisiones entre el escenario 1 y el 7 es de 33%.

foto 5Conclusiones

Las nuevas normativas están empujando con fuerza los desarrollos tecnológicos de los equipos. La necesidad de incorporar nuevos refrigerantes de muy bajo PCA en tecnologías capaz de gestionarlos, como la compresión de tornillo, no debe considerarse un hecho aislado, sino que irá acompañado de desarrollos que permitan  incidir de forma paralela y adicional en la eficiencia energética de las unidades.

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