EDUARDO

ANDRÉS

MUÑOZ

NAVARRO

PROYECTO DE

OPTIMIZACIÓN

ENERGÉTICA

MEDIANTE FREE

COOLING INDIRECTO

PARA LA

CLIMATIZACIÓN DE

SALA ELÉCTRICA EN

CHUQUICAMATA

Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Ingeniería de Ejecución en Climatización Trabajo de Titulación

29 de mayo de 2012

INTRODUCCIÓN

MINERÍA: ALTOS CONSUMOS ELÉCTRICOS.

CODELCO consume el 13,3% de la electricidad generada en Chile.

SALAS ELÉCTRICAS

Responsables de la transmisión de la energía eléctrica a las diversas faenas mineras.

Rápido crecimiento de la minería conlleva a soluciones de corto plazo.

Los equipos en su interior generan calor, debido a la potencia eléctrica que circula.

SOLUCIÓN DE CLIMATIZACIÓN

Los equipos eléctricos requieren trabajar a ciertos niveles de temperatura y humedad para un funcionamiento óptimo y una buena vida útil.

La solución ideal es la Climatización de Precisión; no obstante, para disminuir costos, se instalan equipos heavy duty.

Debido al uso heavy duty (24 hrs / 365 días) el consumo eléctrico de estos equipos de Climatización suelen ser altos.

PRESENTACIÓN GENERAL DEL

PROBLEMA

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema que permita la optimización energética

mediante Free-Cooling Indirecto, para la climatización de sala

eléctrica en Chuquicamata.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar variables climatológicas de Chuquicamata.

Seleccionar la tecnología más favorable al Free-Cooling a

implementar.

Desarrollar un proyecto de ingeniería aplicable a una sala eléctrica

en Chuquicamata.

Evaluar la optimización energética que aportaría el nuevo sistema.

OBJETIVOS DEL TRABAJO

CLIMATIZACIÓN DE

SALAS ELÉCTRICAS

Las salas eléctricas son recintos que se emplean como

subestaciones transportables para distribuir la energía

eléctrica en Media y Baja Tensión, en lugares donde no es

conveniente instalar subestaciones de obra civil.

Por lo general las Salas Eléctricas pre-fabricadas son

construidas enteramente en acero y materiales no

combustibles. Los equipos contenidos en las salas eléctricas

son completamente pre-alambrados y probados en fábrica.

SALAS ELÉCTRICAS

Sala e léctr ica

t ipo Shel ter

con una

so luc ión de

c l imat ización

mediante

equipos

mochi la heavy-

duty.

SALA

ELÉCTRIC

A TIPO

SHELTER

TEMPERATURAS Y HUMEDADES

PARA INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS

HEAVY DUTY

Split

Mochila

Rooftop

PRECISIÓN

TIPOS DE EQUIPOS DE AIRE

ACONDICIONADO

EQUIPO DE

AIRE

ACOND.

TIPO SPLIT

EQUIPO DE

AIRE

ACOND.

TIPO

MOCHILA

EQUIPO DE

AIRE

ACOND.

TIPO

ROOFTOP

CLIMATIZAD

OR DE

PRECISIÓN

COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE

AIRE ACONDICIONADO

Para una correcta operación, la Sala Eléctrica debe poseer

climatización, de lo contrario varios de los componentes

podrían perder eficiencia, quemarse o provocar otros

perjuicios a la faena. En caso de falla del climatizador es

conveniente poseer una redundancia. Existen dos fi losofías:

N+1: N es la cantidad de climatizadores que enfrían la sala.

Se agrega 1 climatizador más, el cual respalda a cualquier

de los equipos del conjunto de climatizadores en operación,

para ello, se ha dividido la carga térmica en N

climatizadores, haciendo una redundancia en 1.

N+N: N es la cantidad de climatizadores que enfrían la sala.

Se agrega la misma cantidad de equipos, los cuales

respalden el conjunto de climatizadores en operación.

FILOSOFÍA DE FUNCIONAMIENTO

DESCRIPCIÓN

GEOGRÁFICA DE LA

ZONA

Chuquicamata, es una mina de cobre y oro a cielo abierto,

considerada la más grande del mundo en su tipo. Ubicada

en la Precordillera de Domeyko, a 15 km al norte de Calama

en la Provincia de El Loa, II Región de Antofagasta, Chile, a

2.700 msnm.

CARACTERÍSTICAS GEOGRÁFICAS

ESTUDIO DE VARIABLES

CLIMATOLÓGICAS DE LOS ÚLTIMOS

15 AÑOS

MÉTODO DIRECCIÓN

METEOROLÓGICA DE CHILE

MÉTODO METEORED

MÉTODO METEONORM

MÉTODO PEDRO SARMIENTO

MODELACIÓN DE TEMPERATURAS

MODELACIÓN: ASHRAE

MEDIA DE TEMPERATURAS PARA

CALAMA

RESULTADO DE LA MODELACIÓN

ASHRAE

RESULTADO DE LA MODELACIÓN

ASHRAE

RESULTADO DE LA MODELACIÓN

SARMIENTO

RESULTADO DE LA MODELACIÓN

SARMIENTO

DISTRIBUCIÓN DIARIA DE

TEMPERATURAS (MAYO)

MAYO

Día |Hr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

1 7,0 6,3 5,7 5,1 4,7 4,3 4,2 4,6 8,6 11,8 14,7 17,3 19,5 20,9 21,4 21,1 19,9 18,6 16,2 13,9 11,9 10,2 8,8 7,5

2 7,0 6,3 5,6 5,0 4,5 4,2 4,0 4,4 8,5 11,6 14,5 17,2 19,4 20,7 21,3 21,0 19,9 18,6 16,2 14,0 12,0 10,3 8,9 7,6

3 7,0 6,3 5,6 4,9 4,4 4,0 3,9 4,2 8,3 11,4 14,3 17,0 19,2 20,6 21,3 21,0 19,8 18,5 16,2 14,0 12,1 10,4 9,0 7,7

4 6,9 6,2 5,5 4,8 4,3 3,9 3,7 4,0 8,2 11,3 14,2 16,9 19,1 20,5 21,2 20,9 19,8 18,5 16,3 14,1 12,2 10,5 9,1 7,8

5 6,9 6,2 5,4 4,7 4,2 3,7 3,6 3,8 8,0 11,1 14,0 16,7 19,0 20,4 21,1 20,8 19,7 18,5 16,3 14,2 12,3 10,6 9,2 7,9

6 6,9 6,1 5,3 4,6 4,0 3,6 3,4 3,6 7,9 10,9 13,8 16,6 18,8 20,3 21,1 20,8 19,7 18,4 16,3 14,3 12,4 10,7 9,3 8,0

7 6,9 6,1 5,3 4,5 3,9 3,4 3,2 3,4 7,7 10,8 13,7 16,4 18,7 20,2 21,0 20,7 19,7 18,4 16,4 14,3 12,4 10,8 9,4 8,1

8 6,9 6,0 5,2 4,4 3,8 3,3 3,1 3,2 7,5 10,6 13,5 16,3 18,5 20,1 20,9 20,6 19,6 18,3 16,4 14,4 12,5 10,9 9,4 8,2

9 6,9 6,0 5,1 4,3 3,7 3,1 2,9 3,0 7,4 10,4 13,3 16,1 18,4 20,0 20,9 20,5 19,6 18,3 16,4 14,5 12,6 11,0 9,5 8,3

10 6,9 6,0 5,1 4,2 3,5 3,0 2,8 2,8 7,2 10,3 13,2 15,9 18,3 19,9 20,8 20,5 19,5 18,2 16,5 14,6 12,7 11,1 9,6 8,3

11 6,9 5,9 5,0 4,1 3,4 2,9 2,6 2,6 7,1 10,1 13,0 15,8 18,1 19,8 20,7 20,4 19,5 18,2 16,5 14,7 12,8 11,2 9,7 8,4

12 6,9 5,9 4,9 4,0 3,3 2,7 2,4 2,4 6,9 9,9 12,8 15,6 18,0 19,7 20,7 20,3 19,4 18,1 16,5 14,7 12,9 11,3 9,8 8,5

13 6,9 5,8 4,8 3,9 3,2 2,6 2,3 2,2 6,8 9,8 12,7 15,5 17,9 19,6 20,6 20,3 19,4 18,1 16,6 14,8 13,0 11,4 9,9 8,6

14 6,9 5,8 4,8 3,8 3,0 2,4 2,1 2,1 6,6 9,6 12,5 15,3 17,7 19,5 20,5 20,2 19,3 18,1 16,6 14,9 13,1 11,5 10,0 8,7

15 6,8 5,8 4,7 3,7 2,9 2,3 2,0 1,9 6,5 9,4 12,3 15,2 17,6 19,4 20,4 20,1 19,3 18,0 16,6 15,0 13,2 11,6 10,1 8,8

16 6,7 5,6 4,6 3,6 2,8 2,1 1,8 1,8 6,3 9,3 12,2 15,0 17,5 19,3 20,4 20,0 19,2 17,9 16,5 14,8 13,1 11,5 10,0 8,7

17 6,6 5,5 4,4 3,5 2,6 2,0 1,7 1,7 6,2 9,2 12,1 14,9 17,4 19,2 20,3 20,0 19,1 17,8 16,4 14,7 13,0 11,4 9,8 8,5

18 6,4 5,3 4,3 3,3 2,5 1,9 1,6 1,6 6,0 9,0 12,0 14,8 17,3 19,1 20,3 19,9 19,0 17,7 16,3 14,6 12,8 11,2 9,7 8,4

19 6,3 5,2 4,1 3,2 2,4 1,8 1,5 1,5 5,9 8,9 11,8 14,7 17,2 19,0 20,2 19,8 19,0 17,6 16,2 14,5 12,7 11,1 9,6 8,2

20 6,1 5,1 4,0 3,1 2,2 1,6 1,4 1,4 5,8 8,8 11,7 14,6 17,1 19,0 20,2 19,7 18,9 17,6 16,1 14,4 12,6 11,0 9,4 8,1

21 6,0 4,9 3,9 2,9 2,1 1,5 1,3 1,3 5,6 8,6 11,6 14,4 17,0 18,9 20,1 19,7 18,8 17,5 16,0 14,3 12,5 10,9 9,3 8,0

22 5,9 4,8 3,7 2,8 2,0 1,4 1,2 1,2 5,5 8,5 11,4 14,3 16,9 18,8 20,0 19,6 18,7 17,4 15,9 14,2 12,4 10,7 9,2 7,8

23 5,7 4,6 3,6 2,6 1,8 1,3 1,0 1,1 5,4 8,3 11,3 14,2 16,8 18,7 20,0 19,5 18,6 17,3 15,8 14,1 12,2 10,6 9,0 7,7

24 5,6 4,5 3,4 2,5 1,7 1,1 0,9 1,0 5,2 8,2 11,2 14,1 16,7 18,6 19,9 19,5 18,6 17,2 15,7 13,9 12,1 10,5 8,9 7,5

25 5,4 4,3 3,3 2,4 1,6 1,0 0,8 0,9 5,1 8,1 11,0 14,0 16,6 18,5 19,9 19,4 18,5 17,1 15,6 13,8 12,0 10,3 8,7 7,4

26 5,3 4,2 3,1 2,2 1,4 0,9 0,7 0,8 4,9 7,9 10,9 13,8 16,5 18,5 19,8 19,3 18,4 17,0 15,5 13,7 11,9 10,2 8,6 7,2

27 5,1 4,1 3,0 2,1 1,3 0,8 0,6 0,7 4,8 7,8 10,8 13,7 16,4 18,4 19,8 19,2 18,3 16,9 15,4 13,6 11,8 10,1 8,5 7,1

28 5,0 3,9 2,9 1,9 1,2 0,6 0,5 0,6 4,7 7,7 10,6 13,6 16,3 18,3 19,7 19,2 18,2 16,8 15,3 13,5 11,6 9,9 8,3 7,0

29 4,9 3,8 2,7 1,8 1,0 0,5 0,4 0,5 4,5 7,5 10,5 13,5 16,1 18,2 19,6 19,1 18,1 16,7 15,2 13,4 11,5 9,8 8,2 6,8

30 4,7 3,6 2,6 1,7 0,9 0,4 0,2 0,4 4,4 7,4 10,4 13,4 16,0 18,1 19,6 19,0 18,1 16,6 15,1 13,3 11,4 9,7 8,1 6,7

31 4,6 3,5 2,4 1,5 0,8 0,3 0,1 0,3 4,3 7,3 10,2 13,2 15,9 18,0 19,5 18,9 18,0 16,6 15,0 13,2 11,3 9,6 7,9 6,5

DISTRIBUCIÓN MENSUAL DE

TEMPERATURAS (MAYO)

DISTRIBUCIÓN ANUAL DE

TEMPERATURAS

DISTRIBUCIÓN ANUAL DE

TEMPERATURAS

RANGOS FAVORABLES AL FREE

COOLING

TECNOLOGÍAS

EXISTENTES DE FREE

COOLING

El Free-Cooling es un término en inglés que se puede

traducir como “Enfriamiento libre” o “Enfriamiento gratuito”.

El Free Cooling ocurre cuando la entalpía del aire externo a

un recinto es menor a la entalpía del aire interno, existiendo

un flujo calórico desde el aire interno al aire externo de

manera directa o indirecta (Ver sección 4). Es un sistema de

ahorro energético o de recuperación de energía, según

como se le util ice.

FREE COOLING

Se denomina Free Cooling Directo, como aquel sistema de Free Cooling que introduce aire exterior del ambiente, generalmente filtrado, directamente a la sala sin haber pasado previamente por algún tipo de serpentín de enfriamiento (evaporador, batería de agua helada, etc.), serpentín de calefacción, deshumectador o algún tipo de humidificador.

FREE COOLING: DIRECTO

Este t ipo de Free CoolingIndirecto, por lo general, uti l iza un Intercambiador de Calor que realiza el intercambio energético desde el aire interno hacia el aire externo sin que estos gases tengan posibil idad de mezclarse. Es por ello que generalmente se debe proveer de un sistema consistente en un intercambiador de calor de placas y de dos venti ladores en el interior de una caja. Dicho Intercambiador de Calor es comúnmente conocido como una unidad Recuperadora de calor.

FREE COOLING: INDIRECTO (AIRE-

AIRE)

Tipo de Free Cooling Indirecto donde el agua es el medio

que realizará el intercambio calórico; transportando el calor

generado en el interior hacia su rechazo en el exterior. Este

tipo de Free Cooling Indirecto puede ser realizado mediante

alguna de las siguientes posibles aplicaciones:

Mediante Chiller y Unidades Manejadoras de Aire, donde el equipo

enfriador de agua (Chiller) rechazará el calor generado en el

interior.

Mediante Climatizadores con condensador interno, que rechacen el

calor a través de agua, mediante dry cooler.

Ambas opciones requieren que los equipos posean una

modalidad mecánica, y de control, para realizar el Free

Cooling.

FREE COOLING: INDIRECTO

(AIRE-AGUA/AGUA-AIRE)

El Free Cooling Dinámico (DFC, Dynamic Free Cooling) es un sistema híbrido desarrollado por STULZ, para su línea CyberAir 2 y actualmente CyberAir 3. La tecnología desarrollada por esta empresa logra un gran ahorro energético, puesto que es el primer sistema de aire acondicionado de precisión en el mundo que cambia automáticamente al mejor modo de funcionamiento según la carga térmica suplida por el climatizador.

FREE COOLING DINÁMICO (DFC)

FREE COOLING DINÁMICO

Consumo de energía

DX

Co

mp

res

so

r Co

olin

g

FC

Fre

e C

oo

ling

EF

CE

xte

nd

ed

Fre

e C

oo

ling

MIX

Co

mp

res

so

r

& F

ree

Co

olin

g DFC

» Selección automatica del modo de operación más eficiente,

dependiente de temperatura externa y carga térmica

» Operación con compresor o solo Free Cooling en 4 modos

» La válvula de expansión electrónica mejora el COP en modo mixto

(Compresor + Free Cooling)

PROYECTO DE

INGENIERÍA

SITUACIÓN EXISTENTE

EXISTENTE

Equipo : Acondicionador de Aire.

Tipo : Compacto “Mochi la”

Montaje : En muro.

Flujo de descarga de aire : Hor izontal .

Uso : Heavy Duty .

Marca : Carr ier Company.

Capacidad : 17,58 kW

Serie : 50BW

Modelo : 50 BW E 60 38 3 5 D.

Cantidad : 4 .

Filosofía de operación : N = 4.

Expansión : Di recta de Refr igerante.

Enfriamiento del Condensador : Aire.

Refrigerante : R-22 (HCFC)

Consumo anual : 211.956,96 kWh.

CLIMATIZADOR EXISTENTE

P&ID

SITUACIÓN PROYECTADA

SITUACIÓN PROYECTADA

CONSUMO ELÉCTRICO: DX

CONSUMO ELÉCTRICO: MIX

CONSUMO ELÉCTRICO: EFC

CONSUMO ELÉCTRICO: FC

ESTUDIO DE

FACTIBILIDAD

ECONÓMICA

Costo sistema actual:

Costo sistema proyectado:

COSTOS DE LOS SISTEMAS

RETORNO DE INVERSIÓN

CONCLUSIONES Y

OBSERVACIONES

FIN DE LA

PRESENTACIÓN