10 minute read
¿Cómo disminuir el impacto ambiental del chiller?
Avances tecnológicos como los variadores de velocidad, los rodamientos magnéticos y el freecooling brindan a los chillers una eficiencia operativa superior, reduciendo notoriamente su huella ambiental
Por Karla Nájera
Con la cantidad de efectos ocasionados por el calentamiento global impactando de manera directa en la vida cotidiana, ha sido necesario que las diferentes industrias reaccionen y surjan diferentes iniciativas para contrarrestar los impactos que cada una tiene sobre el equilibrio planetario.
Por ejemplo, la Organización de las Naciones Unidas (ONU) creó el programa “Actúa Ahora”, con el cual busca concientizarnos y mejorar nuestros estilos de vida. Para garantizar la calidad de la información brindada por el programa, la ONU también se alió con Google. Otro ejemplo es el de Grupo Aeroméxico, que está empleando combustible sostenible de aviación, combinando turbosina con residuos de grasas animales y aceites vegetales, con el fin de reducir su huella de carbono.
Al igual que estas industrias, la de HVAC ha tomado acción para reducir el impacto derivado del uso de los sistemas que fabrica. Pero ¿qué se hace en la industria HVAC?
Tuvimos que cambiar el enfoque. Hoy en día, el aire acondicionado y la refrigeración ya no se consideran un lujo en la mayor parte del mundo, porque los sistemas HVACR son una necesidad para los edificios, los procesos industriales, el cuidado de la salud, el confort residencial y el hogar.
La operación continua de dichos sistemas requiere mucha energía, y aunque el uso de energías renovables (solar, viento, agua) ha crecido, la mayoría de la generación de energía todavía depende fuertemente de los combustibles fósiles. Por ello, la reducción del consumo anual de energía y la mejora en la eficiencia son imperativos para minimizar el impacto ambiental de estos sistemas.
Para lograr este objetivo, la industria HVAC comenzó una transición, pero ahora con un enfoque centrado en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y en la huella de carbono.
En un principio, la transición en los refrigerantes usados en la industria fue regida por el Potencial de Agotamiento del Ozono (PAO), es decir, por cuán destructivas eran estas sustancias para la molécula de ozono atmosférico. Esto dio pie a que, en 1987, se estableciera el Protocolo de Montreal, acuerdo internacional a cargo de la eliminación de refrigerantes con alto PAO, en especial los Clorofluorocarbonos (CFC) y los Hidroclorofluorocarbonos (HCFC).
Aunque el esfuerzo tuvo buenos resultados, esto no ha sido suficiente. En 2016, se creó la Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal, cuyo enfoque se centra en el calentamiento global. Sin embargo, a diferencia de la transición anterior, donde se estableció una prohibición absoluta a los CFC y HCFC, las acciones establecidas por la Enmienda en relación con los hidrofluorocarbonos (HFC) se centran en el uso responsable de dichos gases y deja abierta la posibilidad de usarlos, siempre y cuando su impacto en el calentamiento global sea moderado o bajo. Así surge el término Potencial de Calentamiento Global (PCG).
El PCG es definido como la cantidad de energía que absorberán las emisiones de 1 tonelada de un gas durante un período de tiempo, en relación con las emisiones de 1 tonelada de dióxido de carbono (CO2). Mientras más alto es el PCG de un gas, más calienta la Tierra en comparación con el CO2. El mayor desafío que enfrenta la industria HVAC actualmente son las regulaciones y normas, e incluso la ausencia de ellas, basadas en el PCG de los refrigerantes.
Un aspecto adicional que se debe considerar en relación con el PCG en la industria HVAC es que las emisiones totales de los sistemas son la suma de las emisiones indirectas y las emisiones directas. Las emisiones directas tienen que ver con el PCG nominal de los refrigerantes que usan los equipos HVAC; las emisiones indirectas, por otro lado, se relacionan con la cantidad de emisiones derivadas de la generación de la energía que consume un equipo HVAC durante su operación. Por lo tanto, la discusión no puede enfocarse únicamente en los gases refrigerantes y su PCG, sino que es preciso evaluar las emisiones indirectas.
En este sentido, cabe resaltar que las emisiones indirectas representan, típicamente, más del 80% de las emisiones totales de un equipo HVAC y varían según su eficiencia y funcionamiento.
Pensando eficiente
Cuando hablamos de un sistema HVAC comercial, lo primero que viene a la mente es el chiller o unidad generadora de agua helada, ya que representa más de 60% del consumo total de energía de un sistema HVACR. Estos equipos, por su principio de operación basado en el ciclo de refrigeración, usan gas refrigerante como parte fundamental de su funcionamiento y su eficiencia impacta directamente en las emisiones que generan.
En este sentido, si un chiller tiene una mejora de 1% en su eficiencia, se puede compensar 60% de las posibles emisiones de su ciclo de vida; si se alcanza 1.5% de mejora en la eficiencia, es posible compensar sus emisiones directas por completo.
Para que un sistema HVAC impacte lo menos posible en el ambiente, se debe buscar el uso combinado de la
tecnología más eficiente con el uso responsable del gas refrigerante. En la actualidad, existen diferentes tecnologías que pueden ayudar a incrementar la eficiencia de los chillers: los rodamientos magnéticos, los variadores de velocidad y el free-cooling.
Los rodamientos magnéticos
Un rodamiento es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste. Cuando hablamos de rodamientos magnéticos no nos referimos a otra cosa que a la inducción magnética.
La tecnología de rodamientos magnéticos es significativamente diferente de otras tecnologías de rodamientos, ya que posee electroimanes e imanes permanentes, que son controlados mediante un sistema digital y permiten a la flecha y al impulsor levitar para controlar su rotación y posición. Al lograr que la flecha o eje esté levitando, se elimina fricción y, por ende, también se eliminan pérdidas.
Entre los beneficios de usar este tipo de rodamientos están una eficiencia superior, operación silenciosa, excelente durabilidad, pero, especialmente, su bajo costo de mantenimiento. Los compresores centrífugos convencionales utilizan sistemas lubricados por aceite (es el más común y probado en muchos equipos), y representan un menor costo de inversión inicial; sin embargo, a la hora de la operación del equipo esto puede cambiar.
En el sistema tradicional se necesita todo un conjunto de elementos: una reserva de aceite, una bomba para el aceite, un intercambiador que enfríe el aceite y un filtro para evitar cualquier contaminante. También es importante cuidar la presión diferencial entre el evaporador y el condensador para mover el refrigerante y enfriar el aceite. En este tipo de sistemas, el manejo del aceite es un elemento crítico para el diseño.
En contraste, los sistemas que operan con rodamientos magnéticos no requieren aceite para este fin y solo se utiliza en pequeñas cantidades para lubricar ocasionalmente sellos y válvulas. De hecho, es posible evitar por completo el uso de aceites para dichos componentes. Adicionalmente, estos sistemas reducen en hasta 80% sus partes móviles y requieren un mantenimiento más simple.
Con el uso de rodamientos magnéticos, también podemos tener el beneficio de un mapa operativo más amplio. ¿A qué nos referimos? Bueno, cada ciudad es diferente, cada proyecto es diferente. Las cargas en un edificio pueden variar dependiendo de la temporada (verano o invierno). Entonces, es primordial que el chiller opere de manera estable y eficiente en condiciones fuera de diseño. Es decir, mantener su eficiencia en el mundo real.
Variador de velocidad
Un diseñador de sistemas HVAC, siempre debe considerar que el chiller va a operar máximo un 2% del tiempo en carga plena o condiciones de diseño. Es por esto que se deben cuidar los diseños de cada proyecto y preparar los equipos para tener un desempeño óptimo en el mundo real.
La especificación de un equipo comienza desde el medio de condensación (agua o aire), el tipo de compresor (scroll, tornillo, centrífugo, centrífugo magnético), pero incluye también el tipo de arranque del equipo.
Existen arrancadores electromecánicos (como autotransformador o estrella-delta), que llevan el chiller de 0 a 100% de golpe. Sin embargo, tomando en cuenta que, según la Enviromental Protection Agency, los chillers pasan la mayor parte de su tiempo de operación con una carga de entre 40 y 70%, su operación al ciento por ciento no es recomendada.
Por otro lado, existen los arrancadores de estado sólido y los variadores de velocidad (VSD, por sus siglas en inglés), con arranque más suave, que permiten controlar el consumo de energía. El uso de un VSD en un chiller permite regular la capacidad del equipo y, por lo tanto, regular la cantidad de gas refrigerante empleada para su operación, lo que brinda una reducción en el consumo de energía anual de hasta 30%, tomando ventaja de las condiciones fuera de diseño.
Free-Cooling
Por último, la tecnología más reciente es el free-cooling. Como mencionamos al principio, uno de los efectos principales del calentamiento global son las condiciones ambientales extremas; pero esta tecnología toma ventaja precisamente de dichas condiciones. El free-cooling no es más que aprovechar la temperatura del exterior para mandar el compresor del chiller a standby.
Dado que es una tecnología que depende de las condiciones exteriores, también es una tecnología cuyo medio de condensación es el aire y puede actuar en 3 modos diferentes, dependiendo de la temperatura ambiental:
1. Mecánico: Temperatura ambiente elevada o muy calurosa, el chiller actuará de modo convencional
2. Híbrido: La temperatura ambiente permite que se active el free-cooling; se conoce también como modo de pre-enfriamiento y permite reducir el consumo o energía usada mientras se llega a la temperatura de setpoint
3. Free-cooling: Se presentan temperaturas ambiente bajas y entonces la carga de enfriamiento puede ser entregada por el serpentín free-cooling.
Los compresores se apagan y los VSD de los ventiladores se encargan de modular para alcanzar la temperatura de setpoint
Esta tecnología ve oportunidad en proyectos de aplicación crítica, como hospitales o centros de datos, y depende del clima donde se realizará el proyecto.
Hemos mencionado 3 tecnologías diferentes y relacionadas con la eficiencia de un chiller; sin embargo, cada fabricante puede tener diferentes componentes en sus diseños, enfocados específicamente en mejorar la eficiencia de los equipos. Dicha combinación de tecnología y eficiencia nos ayuda a contrarrestar las emisiones indirectas de los sistemas HVAC.
