Eficiencia energética y terminología usada en equipos de refrigeración y aire acondicionado by ASHRAE PUCP

EFICIENCIA ENERGÉTICA Y TERMINOLOGÍA USADA EN EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO Ponente: Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo | Gerente de Ingeniería COLD IMPORT

ASHRAE PUCP Student Branch

Trayectoria: Ingeniero Mecánico Electricista. Asesor y Consultor de Empresas Públicas y Privadas. Conferencista Internacional en temas de Refrigeración y A.A. Gerente de la División de Ingeniería de COLD IMPORT S.A. Miembro de la Junta Directiva de la Asociación Peruana de Ventilación, Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción (APVARC). Miembro de la Directiva de la Asociación de Técnicos en Refrigeración, Aire Acondicionado y American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Equipamiento (ATRAEEngineers – Perú).

TEMAS: Conceptos termodinámicos. ¿Qué es eficiencia energética y formas de medir la eficiencia energética? Instituciones que normalizan los equipos y nomenclatura que usan para "eficiencias’’. Información que brindan los fabricantes de compresores y equipos de Refrigeración y de Aire acondicionado

Ciclo de Conferencias ASHRAE PUCP 2011

TEMA Eficiencia Energética en Equipos de Refrigeración y de Aire Acondicionado

EXPOSITOR

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo Gerente de la División de Ingeniería de Cold Import S.A.

Leyes de la Termodinámica

• Ley Cero: Equilibrio Térmico • Primera ley: Conservación de Energía

• Segunda ley: Dirección del Flujo de Calor y Eficiencia Térmica • Tercera ley: Entropía Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) Físico e ingeniero militar francés, pionero en el estudio de la termodinámica. Siglo XIX: la máquina de vapor estaba cobrando cada vez mayor importancia económica e industrial pero prácticamente no se había realizado ningún estudio científico sobre este desarrollo tecnológico. Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia (1824), donde expuso los dos primeros principios de la termodinámica.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Motor de Carnot

Foco caliente

Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco caliente a la temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T2.

Foco frío

En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, un sistema cilindroémbolo ó una turbina produce el trabajo y cede calor al foco frío que es la atmósfera.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Máquina Frigorífica de Carnot Foco caliente

La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, y se denomina Máquina Frigorífica. Se extrae calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cede calor Q1 al foco caliente.

Foco frío

En una máquina frigorífica real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer calor del foco frío (un ambiente cerrado ó un producto) y se cede calor al foco caliente, que normalmente es la atmósfera pero también puede ser el agua disponible.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Bomba de Calor de Carnot Foco caliente

Es la misma máquina de Carnot que también funciona en sentido inverso. Se extrae calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cede calor Q1 al foco caliente. En una bomba de calor real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer calor del foco frío (el ambiente exterior) y se cede calor al foco caliente, que normalmente es una habitación.

Foco frío

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y volumen

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y la entropía Rendimiento:

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Diagrama del ciclo invertido de Carnot en función de la temperatura y la entropía Coeficiente de Funcionamiento ó Coeficiente de Performance:

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Ciclo invertido de Carnot con un fluído condensable

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Ciclo invertido de Carnot con un fluído condensable

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Componentes de la Máquina Frigorífica de Carnot

Compresor Condensador Dispositivo de Expansión o de Estrangulación Evaporador Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Compresión de régimen seco en un diagrama Temperatura – Entropía (T- s)

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Eficiencia Energética de los Equipos de Aire Acondicionado y Refrigeración Depende de diversos factores: 

Tecnología usada en el mecanismo del proceso de compresión (Compresor)



Materiales y tecnología usada para transferencia de calor (Condensador- Evaporador)



Ingeniería y tecnología de otros componentes (Válvulas de expansión, válvulas reguladoras, descargadores y variadores de capacidad, motoventiladores)



Arquitectura mecánica, eléctrica y electrónica del equipo ó sistema.



Fluído refrigerante empleado.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Tipos de Compresores Compresor Scroll Compresor alternativo ó Reciprocante

Compresor Rotativo

Compresor de Tornillo

Compresor Centrífugo

Ingº Ernesto Sanguinetti R.

Componentes de la Máquina Frigorífica

Compresor Condensador Dispositivo de Expansión o de Estrangulación Evaporador Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Unidades Condensadoras de Aire Acondicionado para R-410A y para R-22 de la misma capacidad

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Unidades Condensadoras de Aire Acondicionado para R-410A y para R-22 de la misma capacidad

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Consumo Energético Promedio en Edificios 1. Aire Acondicionado

45%

2. Iluminación 3. Ascensores

4. Bombas 55%

5. Teléfonos 6. Equipos de Oficina 7. Computadores

100% Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Distribución de la Energía Consumida Agua Caliente

Equipos y utensilios Refrigeración, bombas, torres de enf. y Acces. Iluminación

Unidades acondicionadoras

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Consumo de energía

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Consumo Energético Promedio en un Supermercado

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Consumo Energético solo en Refrigeración en un Supermercado

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Entidades que dan Normas y Certifican los Equipos de Aire Acondicionado y Refrigeración •

ASHRAE:

American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers

•

ARI:

Air Conditioning and Refrigeration Institute (inicialmente American Refrigeration Institute)

•

AHRI:

Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute (desde fines del 2007 reemplaza a ARI)

•

ANSI:

American National Standards Institute

•

ETL:

Electric Testing Labs (fundada por Thomas A. Edison – 1896)

•

UL:

Underwriters Laboratory

•

NRTL:

Nationally Recognized Testing Laboratory

•

OSHA:

Occupational Safety and Health Administration

•

CSA:

Canadian Standards Association

•

QMI:

Quality Management Institute

•

ISO:

International Organization for Standarization (ISO en griego es IGUAL) Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Eficiencia Energética de Compresores

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Eficiencia Energética de Compresores

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Eficiencia Energética de Compresores

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Terminología utilizada para medir y comparar la Eficiencia Energética de los equipos Algunos términos muy usados son: 

EER = Energy Efficiency Ratio = Relación de Eficiencia Energética ó de Energía



SEER = Seasonal Energy Efficiency Ratio = Relación de Eficiencia Energética Estacional



COP = Coefficient Of Performance = Coeficiente de Funcionamiento



HSPF = Heating Seasonal Performance Factor = Factor de Eficiencia de Calefacción Estacional



IPLV = Integrated Part Load Value = Valor Integrado a Carga Parcial



IEER = Integrated Energy Efficiency Ratio = Relación de Eficiencia Energética Integrada. Reemplazará a IPLV.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Relación de Eficiencia Energética (EER) Norma AHRI 340/360‐2007



EER es definido como la capacidad de enfriamiento neto (en Btu/hr) dividido entre la energía eléctrica total consumida (en watts)



El EER se calcula a un punto de operación particular muy específico y es típicamente aplicado para equipos comerciales. EER = Capacidad (BTU/hr) / Energía Eléctrica Consumida (watt) Energía Eléctrica Consumida = Watts motocompresor + Watts motor de ventilador interior + Watts motor de ventilador del condensador

Los fabricantes deben clasificar sus unidades por las condiciones de operación definidas por ARI. Deberá ser un EER determinado oficialmente por mediciones reales de prueba de laboratorio. Las condiciones EER definidas por ARI para aire acondicionado son:  Entrada de Aire al Evaporador = 80ºF (TBS)/67ºF (TBH)  Aire del Ambiente (aire del condensador) = 95ºF Sin embargo, la misma ecuación puede ser aplicada en cualquier otra condición de operación específica. En este caso, el valor resultante es un valor de aplicación específico que muchas veces aparece como EERA. El valor del EER se encuentra expresado en Btu/hr/watts, es dimensional y es una “relación de eficiencia” y no un valor de eficiencia. Debido a que las unidades no son mencionadas al expresar valores EER, es importante no interpretar esto como un “porcentaje” o “eficiencia actual”. Por ejemplo, un valor de 9.7 EER no significa que la unidad es 9.7% eficiente.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Relación de Eficiencia Energética Estacional (SEER) Norma AHRI 340/360‐2007 La Relación de Eficiencia Energética Estacional es similar al EER en que su propósito es el de representar la eficiencia de una unidad mientras se encuentre en el modo de enfriamiento. Sin embargo, existen diferencias entre ellas:  El SEER tiene en cuenta el consumo de energía en un ciclo de funcionamiento de los motores de ventilación y compresores, esto es entre un arranque y una parada.  El EER es calculado sólo a un punto (las condiciones estándar ARI) .  El SEER se calcula a dos diferentes puntos que simulan la operación a niveles de humedad más altos y más bajos para las condiciones de entrada de aire al evaporador. Por ahora el SEER es sólo definido para unidades monofásicas y trifásicas hasta de 5 TON, sin embargo, se calcula algunas veces para equipos más grandes. El cálculo del SEER requiere una prueba de rendimiento y mediciones en laboratorio, a dos diferentes puntos, como veremos a continuación. El primer punto tiene el propósito de simular condiciones “secas” del serpentín y es introducir aire al evaporador con 80ºF (TBS)/57 ºF (TBH), estando el aire del ambiente exterior a 82ºF. La unidad se arranca en éste punto y las medidas de rendimiento son tomadas hasta qua apague cumpliendo un ciclo de trabajo, es decir, entre un ciclo de encendido y apagado. Luego, el mismo procedimiento es realizado cuando ingresa aire al evaporador con 80ºF (TBS)/67ºF (TBH) manteniendo el aire del ambiente exterior a con 82ºF, para simular condiciones de serpentín “húmedo”. Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Relación de Eficiencia Energética Estacional (SEER) (CONTINUACION)

El cálculo del SEER implica pruebas de laboratorio, de manera similar a todas las otras relaciones de eficiencia energética , con la excepción de que el SEER requiere medidas de energía para ser registradas desde el arranque para que luego la unidad se encuentre en operación de estado estable hasta que se encuentre en reposo para al cumplir un ciclo ( si es el caso, hay que seguir tomando datos aún luego de la parada porque puede seguir existiendo consumo de amperios después de la parada del compresor debido a la operación del motor de ventilación, calentador de cárter, etc). Es imposible calcular el SEER sin una cantidad considerable de información que solo se puede recolectar con pruebas específicas en laboratorio. Similarmente al EER, el SEER es un valor dimensional (BTU/hr/watt), sin embargo, es citado siempre como un número sin dimensiones. Desde Enero del 2006 todos los equipos de aire acondicionado residenciales vendidos en Estados Unidos deben tener un SEER mínimo de 13, con excepción de los equipos tipo ventana. Los que tengan más de 14 se les denomina además “ENERGY STAR”

EJEMPLO Si tenemos un equipo de aire acondicionado tipo Split de 5 TON (60,000 BTU/hr) que trabaja 8 Hr diarias durante 100 dias al año la cantidad de BTU que elimina al año es: 60,000 BTU/hr x 8 hr/dìa x 100 días/año = 48`000,000 BTU/año Si tiene un SEER=13 su consumo de energía al año es: 48`000,000BTU/año / 13 BTU/hr/watt = 3,200 Kw-hr/año

Si el precio de la energía eléctrica es US$ 0.10 /Kw-hr, el costo de ésta energía consumida al año es: 3,200 Kw-hr/año x US$0.10/Kw-hr = US$320/año

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Coeficiente de Funcionamiento ó de Performance (COP) Normas AHRI 340/360 y/o AHRI 210/240 El coeficiente de funcionamiento es usado para medir la efectividad ó eficiencia energética principalmente de una unidad ó equipo tipo bomba de calor, de cualquier capacidad de enfriamiento nominal. Para evaluar la eficiencia de una bomba de calor mientras esté en el modo de enfriamiento, se deberá usar el EER o el SEER. El COP es un valor no dimensional definido como Capacidad de Calefacción (BTU/hr convertidos a watts) dividido por la energía consumida por la bomba de calor (en watts). En una bomba de calor común, el refrigerante del evaporador extrae el calor del aire exterior (cuando se encuentra en modo de calefacción) y este calor, mas el equivalente de calor del trabajo de compresión es rechazado hacia el aire que está fluyendo por el serpentín del condensador que a su vez recirculará por el espacio que necesita ser calentado ó tener calefacción. Existe siempre energía que puede extraerse del aire exterior, sin embargo, a menores temperaturas éste se torna más difícil de extraer. Es por ello que el COP disminuye para ambientes muy fríos.

Según la AHRI, el COP debe ser calculado a dos temperaturas de ambiente diferentes (47º F y 17ºF). La fórmula para calcular el COP es:

COP = Capacidad neta (watts) / Energía consumida (watts) Como se mencionó, pocos usan el COP para equipos de enfriamiento. Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Coeficiente de Funcionamiento y Relación de Eficiencia Energética 1.

COP para el Ciclo por Compresión de vapor

COP para el Ciclo de Absorción

Relación de Eficiencia Energética

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Factor de Performance de Calefacción Estacional (HSPF) Norma AHRI 340/360 y/o AHRI 210/240

El Factor de Funcionamiento ó de Performance de Calefacción Estacional es usado para medir la eficiencia energética de una unidad en el modo de calefacción y sólo aplica a bombas de calor. Es definido como la calefacción total entregada (incluyendo el calor por resistencias eléctricas suplementarias) dividido entre la energía eléctrica total necesaria para mantener los requerimientos de calefacción de un ambiente ó de un edificio para su periodo de uso anual normal. Las unidades son expresadas en Btu/hr dividido entre los watt-hr consumidos para el mismo período. El HSPF es únicamente aplicado a las bombas de calor (en modo de calefacción) que operan en corrientes monofásicas y que cuentan con capacidad de enfriamiento nominal menor a 5.5 toneladas. Debido a que el HSPF representa la eficiencia energética de calefacción temporalmente ó estacionalmente, el primer paso en el cálculo requiere las horas de operación para ubicaciones geográficas diferentes y modos diferentes de operación.

Considerando las horas totales de operación y las condiciones de diseño para cada lugar geográfico donde se tenga que instalar el equipo, se puede calcular el HSPF de la relación:

HSPF = Carga de calefacción total / Energía eléctrica consumida

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Valor Integrado de Carga Parcial (IPLV) Normas AHRI 340/360‐2007

El Valor Integrado de Carga Parcial fue desarrollado para evaluar el consumo de energía de un equipo en el modo de enfriamiento mientras se encuentre operando a un valor menor de su plena capacidad. El IPLV puede, esencialmente, ser descrito como un promedio ponderado de la relación de eficiencia de energía ó energética (EER) calculado a cada etapa de descarga en la que la unidad ó el equipo pueda operar. Por ello, el IPLV es similar al EER y al SEER en que los tres tienen el propósito de representar la eficiencia de enfriamiento de una unidad. La principal diferencia entre ellos es que el EER es calculado a un punto muy específico mientras que el IPLV es calculado sobre el rango completo de operación del equipo con su descarga de capacidad. Una mayor diferencia entre el SEER y los valores del IPLV es que el SEER toma en cuenta el “ciclaje” del equipo pero no considera que el compresor ó compresores pueden estar descargándose como lo hace el IPLV. El IPLV es importante debido a que un equipo ó una unidad típicamente opera a plena capacidad solo una fracción pequeña de tiempo de uso. El IPLV es una función de dos variables independientes; EER con Carga Parcial y el Factor de Carga Parcial (PLF). Hay fórmulas matemáticas y curvas que permiten calcular el IPLV que se pueden encontrar en las Normas AHRI340/360. Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Valor Integrado de Carga Parcial (IPLV) (CONTINUACION)

Un equipo ó una unidad que tiene pocas etapas de descarga tendrá un Factor de Carga Parcial más alto (lo que resulta en un IPLV más alto, mientras que todos los otros factores se mantengan iguales) que otro que tenga muchas etapas de descarga. Esto es verdad sin tener en consideración si la unidad use o no dichas etapas de descarga. Un IPLV más alto no significa que la unidad es más eficiente energéticamente. Es importante reconocer que más etapas de descarga resultarán en un IPLV más bajo; lo que significa que es más cercanamente unido a la carga de enfriamiento. Resultará con menor sobreenfriamiento del espacio acondicionado y mejor control de humedad. Adicionalmente, más etapas de descarga resultarán en menor ciclaje del equipo. Los ciclajes contínuos de un equipo típicamente conducirán a un desgaste prematuro y un gasto excesivo de corriente en la puesta en marcha. El IPLV representa la eficiencia energética de enfriamiento de un equipo ó una unidad operando sobre su gama completa de descarga. A menos que la unidad opere cerca o a su valor de plena carga al 100% del tiempo, un menor IPLV es más deseable para un mejor rendimiento general. NOTA: A la fecha, la metodología actual IPLV es imperfecta debido a que no representa apropiadamente todos los aspectos de carga parcial. AHRI ha definido una nueva relación de carga parcial IEER, que reemplazará al IPLV . Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Valor Integrado de Carga Parcial (IPLV) (CONTINUACION)

IPLV ó NPLV ≡

IPLV ó NPLV ≡ 1.12212 EER

1 0.01 / A+0.42 / B+0.45 / C+0.12 / D

A, B, C y D son los valores de EER a Carga Parcial de: 100%, 75%, 50% y 25% respectivamente.

%Tolerancia ≡ 10.5 – (0.07x%FL) +

1500 DTFL x%FL

Donde: FL = Plena Carga DTFL = Diferencia de Temperatura del Agua Helada a Plena Carga. Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Relación Integrada de Eficiencia Energética (IEER) Norma AHRI 340/360‐2007 Que también se denomina Relación de Eficiencia Energética Integrada (IEER) es un número que expresa el comportamiento de la eficiencia energética con carga de enfriamiento parcial calculado por el método descrito en el Estándar AHRI 340/360 Sección 6.2.2. El IEER tiene el propósito de ser una medición de mérito para el desempeño de las unidades ó equipos con carga parcial. Cada edificio ó cada local podrá tener diferentes comportamientos de cargas parciales debido a horarios de ocupación local, construcción del edificio, ubicación del edificio y requerimientos de ventilación. Para análisis específicos de energía, deberá usarse un análisis hora por hora. El IEER es calculado usando datos derivados de pruebas y empleando la siguiente fórmula: IEER = (0.020 x A) + (0.617 x B) + (0.238 x C) + (0.125 x D) donde: A = EER a 100% de capacidad neta a condiciones estándar ARI B = EER a 75% de capacidad neta y ambiente reducido (ver Tabla ARI) C = EER a 50% de capacidad neta y ambiente reducido (ver Tabla ARI) D = EER a 25% de capacidad neta y ambiente reducido (ver Tabla ARI) El IEER requiere que la unidad de eficiencia sea determinada a 100%, 75%, 50% y 25% de carga (capacidad neta) a las condiciones de presión estática especificadas en la Sección 6.2.2 Tabla 5. Si la unidad, debido a su lógica de control de capacidad no puede ser operada a los 75%, 50% o 25% de carga, entonces los 75%, 50%, o 25% de EER es determinado graficando el EER probado versus el porcentaje de carga y los segmentos de línea recta son usados para conectar los puntos actuales de rendimiento. La interpolación lineal es usada para determinar el EER al 75%, 50% y 25% de capacidad neta. Para la interpolación, un punto actual de capacidad igual o menor al punto ratio requerido deberá ser usado para graficar las curvas. No se permite la extrapolación de los datos. Como conclusión diremos que se deben hacer pruebas de laboratorio y buscar tablas en la Norma AHRI 340/360 para calcular el IEER.

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Product Data

38CKC 60 Hz Air Conditioner Sizes 018 thru 060

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Combination ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Combination ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Product Data

38AK007-012 38AKS008-044 with 40RM007-034 and 28CB,LA008,012 Commercial Air-Cooled Split Systems 10 to 60 Nominal Tons (35 to 210 Nominal kW)

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ARI* capacities

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Product Data

AquaSnap® 30RA010-055 Air-Cooled Chillers 50/60 Hz 10 to 55 Nominal Tons (25 to 200 kW)

Quality Assurance Approvals: ISO 9001 EN 9000:2000

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

ARI capacity ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

38AUZ07-14 shown

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

ARI capacity ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Product Data

AQUASNAP® 30RAP010-060 Air-Cooled Chillers with PURON® Refrigerant (R-410A) 10 to 60 Nominal Tons (35 to 210 Nominal kW)

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

AHRI* capacity ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Product Data

AQUASNAP® 30RB060-390 Air-Cooled Chillers 60 to 390 Nominal Tons (210 to 1370 kW)

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

ARI* capacity ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Product Data

EVERGREEN® 30HXA,HXC076-271 Condenserless and Water-Cooled Liquid Chillers with COMFORTLINK™ Controls 50/60 Hz 75 to 265 Nominal Tons (264 to 931 kW)

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

ARI capacity ratings

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Gracias por su Atención esanguinetti@coldimport.com.pe Telf.:242-9100 Fax: 241-9000

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo