Expo & Conferencias para la Refrigeración & el Aire Acondicionado

Junio 2 y 3 de 2016 • Centro de Convenciones Atlapa

Ciudad de Panamá, Panamá

Integración de tecnologías energéticamente eficientes para operar

sistemas de aire acondicionado solarI.M. César A. Isaza Roldán, Ph.D. – cesar.Isaza@upb.edu.co

Grupo de Investigación de Energía y Termodinámica

Centro de Investigación, Desarrollo y Calidad en Refrigeración y Climatización

Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín - Colombia

Contenido de la presentación

• Introducción:

- Alternativas de climatización con energía solar

- La tecnología de absorción en el actual contexto energético

• Aspectos tecnológicos de la refrigeración por absorción

- Tipos, mezclas, prestaciones y equipos comerciales

- Nuevos Desarrollos

- Ventajas e inconvenientes

• Tecnologías energéticamente eficiente aplicadas a sistemas de climatización solar

• Simulación energética

• Conclusiones

Energía solar

El uso de la energía solar es interesante en las zonas

intertropicales, entre las latitudes situadas entre 10° norte del Trópico

de Cáncer y 10° sur del Trópico de Capricornio. La irradiación promedio anual es 6 kW-h/m2-día (2.190 kW-

h/m2-año) sobre una superficie horizontal, con una diferencia

máxima de cerca de 3.000 W/m2-día.

Zonas geográficas con potencial de uso de la energía solar

Entre 15 y 35° de latitudes norte y sur, con insolación de cerca de 3.000 horas al año con radiación solar representando 2.300 a 4.6 kW/m2 día en invierno y 7 a 9.3 kW/m2-día en verano.

Zonas tropicales áridas

A 15° a cada lado del ecuador con 2.200 a 2.400 horas de insolación y radiación solar representando 3.5 a 6 kW/m2-día a través del año.

Zonas ecuatoriales

http://sig.simec.gov.co/UPME_EN_Radiación_Solar/

Tecnologías de refrigeración para el aseguramiento del desarrollo sustentable

• Sistemas de enfriamiento basados en los principios de absorción y adsorción.

• Refrigerantes ambientalmente amigables

• La refrigeración solar como una opción de sustentabilidad.

• La tecnología de desecantes para el suministro de enfriamiento, deshumdificación y ventilación.

• La trigeneración, combinación de enfriamiento, calor y generación de potencia.

• Otras tecnologías de enfriamiento como los sistemas a eyecto-compresión, el ciclo Sterling y los efectos termoeléctrico y termacústico.

Eficiencias y costos de tecnologías para refrigeración solar

Fuente: Kim & Infante Ferreira, Int. J. Refrig. 31(2008) 3-15

Eficiencias y costos de tecnologías para climatización por compresión de vapor

© SolarNext AG / Int. Conference Sustainable Cooling Systems, TECHbaseVienna, Austria / Dr. Uli Jakob

Eficiencias y costos de tecnologías para climatización con energía solar

© SolarNext AG / Int. Conference Sustainable Cooling Systems, TECHbaseVienna, Austria / Dr. Uli Jakob

Refrigerador solar con motor Stirling

TE TC, TA TG

A

SHX

G

E

C

T

P

PH

PL

QG

QE

QA

QC

Torre de enfriamiento

Colector solar

Tanque agua caliente

CA

Agua de enfriamiento

Agua helada

Refrigeración por Absorción Usando Energía de Baja Temperatura

40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Temperatura de generación [°C]

Efi

cie

nc

ia d

el C

ole

cto

r, C

OP

so

l [-

]

CO

P [-]

COPEficiencia

del colector

COPsol

Máximo COP en sistemas de enfriamiento operados con energía solar (Tamb = 30°C , Te = 0°C, Tc = 35°C, IC = 1000 W/m2).

• Aspectos ambientales

• Aspectos de la industria solar

• Diseño integral

• para potenciar la energía solar térmica y ahorrar energía primaria reducir emisiones de gases efecto invernadero disminuir picos de demanda eléctrica

• A pesar del creciente interés existente por estas tecnologías su implantación actual es todavía limitada en comparación con el potencial existente y el interés del mercado

Fuente: Yazaki ®

Principales argumentos a favor del desarrollo de los sistemas de enfriamiento solar

Coincidencia demanda - suministro

NH3 – H2O• Usado en refrigeración

industrial y acondicionamiento de aire para bajas capacidades.

• Problemas de rectificación.• Tiene restricciones de uso en

algunos lugares.• No requieren torre de

enfriamiento.• Trabaja a altas presiones (10-

15 bar Cond. y 3-5 bar Evap.)• Bajos COP.

H2O – LiBr• Usados en acondicionamiento

de aire.• Problemas de cristalización y

pérdida de vacío.• Requieren torre de

enfriamiento.• Requiere purga de gases

incondensables• Trabaja a bajas presiones (1

bar Cond. y 0,01 bar Evap.)) • Altos COP.

Comparación sustancias de trabajo

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración por Absorción

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración por Absorción

Características de las enfriadoras de absorción H2O/LiBr

Temperatura del agua fría producida: 5 – 10ºC.

Efecto Simple Doble Triple

Tª fuente calor (ºC) 80 - 120 120 -170 200 - 230

Capacidad (kW) 11 – 7,000 20 – 11,630 530 – 1,400

COPt 0.5 – 0.7 1.0 – 1.3 1.4 – 1.7

Estado de desarrollo Comercial ComercialExperimental y algún

modelo comercial

Fabricantes: Broad, Carrier, Ebara, Entropie,Hitachi, Kawasaki, LG, McQuay, Sanyo,Shuangliang, Thermax, Trane, Yazaki y York.

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración por Absorción

Características de los equipos de refrigeración de absorción de NH3/H2O

IndicesTemp.

Refrigeración-60 a 0ºC

TempRefrigeración

5 a 10ºC

Efecto Simple Simple GAX Doble

Tª fuente calor (ºC)

100 - 200 80 - 120 160 - 200 170 -220

Capacidad (kW) 10 – 6,500 10 - 30 10 - 90 < 110

COPt

0.25 – 0.6 (GAX 0.7+)

0.5 – 0.6 0.7 – 0.9 0.8 – 1.2

Estado de desarrollo

Comercial ComercialPequeños equipos

comercialesExperimental

Fabricantes:

- Alpina, Carrier, Colibri-Stork, Hans Günter GmbH.

- Pequeña potencia: Ambian, ABB, Cooling Technologies, Mattes, Pink, Robur…

18

Recientes desarrollos

Recientes desarrollos

Recientes desarrollos

Amoniaco/Agua

Recientes desarrollos

Agua/Silica Gel

Control en sistemas de climatización solar

Control en sistemas de climatización solar

Tecnologías Existentes de climatización solar por absorción

Tipo de Enfriadorade absorción

NH3/H2O H2O/LiBr

Simple efecto Simple efecto Doble efecto Triple efecto

COPt 0.5 – 0.75 0.65 – 0.8 1.1 – 1.4 1.6 – 1.8

Temp Fuente de Calor (ºC)

70 – 100120 – 180*

70 – 100 140 – 180 200 – 250

Tipo de captador solar(1) CSP, CTV, *SCS CSP,CTV SCS SCS

(1)CSP: Captadores Solares Planos

CTV: Captadores de Tubos de Vacío

SCS: Sistemas de Concentración Solar

Ejemplos de Instalaciones

Estadio de fútbol de Qatar (I)

- Captadores Solares Lineales de Fresnel (4 líneas con 16 módulos cada una)

- Área de apertura total 1,408m2

- Área bruta de apertura 2,100m2

- Circuito de agua presurizada a 15bar

Esquema de la instalación (Zahler, 2011)

Ejemplos de Instalaciones

Estadio de fútbol de Qatar (II)

- Depósito de almacenamientode frío con PCM (100 m3,Cambio de fase 15ºC, 5780kWh).

- Depósito de almacenamientoagua presurizada (40m3,140-200ºC).

- Enfriadora de doble efectoThermax HDG 30A-TCU(750kW – COP=1.39).

Ejemplos de Instalaciones

Otros ejemplos de instalaciones de climatización solar

Paneles SFV. Peso 18,5 kg

Dimensiones 1,65x0,99x0,04m Cantidad 52

Tipo Silicio PolicristalinoMarca Yingli

Potencia por panel 245 WpPotencia instalada 12,5 kWp

Área efectiva 85,8 m2

Conexión a la red Inversor Central Socio estratégico HYBRYTEC

Colectores HSC. Peso 60 kg Diámetro tubo 70 mmLongitud tubo 2000 mmNo. tubos 20Tipo Heat Pipe (Tubo de Calor)Marca Shandong Lucy New Energy Technology Co.,LtdModelo S-HSC-70-20Área efectiva 2,04 m2

Área efectiva instalada 20,8 m2

Bloque 24

Acceso peatonal

Instalación de colectores solares

1) Aislamiento2) Punto de condensación del tubo de calor3) Canal de cobre4) Sello soldado metal/vidrio5) Sello para polvo6) Tubo de calor y ducto de conducción7) Vacío8) Cubierta de aluminio9) Tapa protectora

Colectores de tubos de vacío tipo heatpipe

Chiller de absorción LiBr/Agua

Torre de enfriamiento: remueve el calor del chillerde absorción a través de un proceso de enfriamiento evaporativo

Unidades Manejadoras de Aire: combinan las unidades de ventilación y los intercambiadores de calor en una unidad

Chiller de absorción: sistema de producción de agua helada con agua caliente

Colectores solares térmicos: producen agua caliente con energía solar

Tanque agua heladaTanque agua caliente

7°C

12°C

22°C

85°C

90°C

2,9

m3/h

30°C 5 m

3/h

2 m3/h

35°C

Configuración inicial

Torre de enfriamiento: remueve el calor del chillerde absorción a través de un proceso de enfriamiento evaporativo

Chiller de absorción: sistema de producción de agua helada con agua caliente

Colectores solares térmicos: producen agua caliente con energía solar

Tanque agua heladaTanque agua caliente

15°C

20°C

80°C

85°C

Esterillas de agua helada: Tubos capilares en PP que intercambian calor por radiación

Configuración alternativa

1. AIRE FRESCO El aire exterior es impulsado hacia el acondicionador de aire por medio de un ventilador.

2. FILTRADO Luego, una serie de filtros de aire limpian el aire.

3. Intercambio de calor y masa (HMX) El aire ingresa a una serie de HMX que utilizan una nueva tecnología patentada.

4. AIRE Y AGUA CIRCULANTES Casi la mitad del aire que ingresa al HMX se satura con agua y regresa a la atmósfera, llevándose la energía calórica extraída del aire acondicionado.

5. AIRE ACONDICIONADO La otra mitad del aire que ingresa al HMX se enfría sin agregar humedad.

Enfriamiento evaporativo indirecto

Diagrama de Mollier

Simulación energética

Resultados condiciones climáticas

Resultados condiciones internas

Conclusiones

• Las esterillas de agua helada en paredes radiantes, es una tecnología de climatización que permiten operar a temperaturas de agua helada relativamente altas (14-17 °C). Con ellas se obtiene la misma sensación de confort, es decir, la misma temperatura operativa, con temperaturas de aire mayores. Por lo tanto, el sistema de ventilación se puede calcular para un caudal mucho menor de aire.

• El sistema de ventilación estará compuesto por un enfriador evaporativo indirecto, reduce la temperatura del aire exterior a través del fenómeno de enfriamiento evaporativo, pero sin el consecuente aumento de la humedad de la corriente de aire que ingresa al recinto.

Conclusiones

• Se deben desarrollar sistemas de control que permitan la operación óptima de los sistemas de climatización solar.

• La eficiencia del chiller de absorción deberá aumentar como consecuencia del uso de temperatura de evaporación mas elevadas.

• El uso de tecnologías energéticamente eficientes tales como las esterillas de agua helada y los sistemas de enfriamiento evaporativoindirecto potencializan el uso de sistemas de climatización ambientalmente sostenibles.

• Las condiciones del edificio seleccionado con un diseño bioclimático adecuado, favorece el uso de sistemas de climatización solar, con el fin de alcanzar temperatura de confort.

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