Facultad de Ingeniería Industrial y
Mecánica
Carrera profesional de Ingeniería Mecánica
Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero
Mecánico
“Propuesta del Sistema de Aire
Acondicionado utilizando el Control de
Temperatura Honeywell T7350, para
Ahorro de Energía en la Empresa TLI
Aduanas SAC”
Bachiller:
Mamani Tunque, William
Lima – Perú
2016
II
DEDICATORIA
A gracias a Dios, por iluminar y guiar mi camino, a
mis padres, familia porque a pesar de los obstáculos
que presenta la vida siempre me dieron su apoyo en
los momentos más difíciles de mí carrera todo se
debe a ellos mis grandes tesoros en esta vida.
III
AGRADECIMIENTO
A mi alma mater, Universidad Tecnológica del Perú,
además a SENATI y GAMOR, por darme la
oportunidad de ser un ingeniero y técnico capacitado
para solucionar los problemas que presenta mi país.
IV
INDICE
RESUMEN ........................................................................................................................................ 13
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................. 15
CAPÍTULO I ..................................................................................................................................... 17
ASPECTOS GENERALES .............................................................................................................. 17
1.1. Descripción de la empresa ............................................................................... 18
1.2. Descripción del problema ..................................................................................... 19
1.2.1. Problema general ........................................................................................... 19
1.2.2. Problemas específicos ................................................................................... 20
1.3. Objetivos .............................................................................................................. 20
1.3.1. Objetivo general ............................................................................................. 20
1.3.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 20
1.4. Justificación e Importancia ................................................................................... 21
1.5. Limitaciones ......................................................................................................... 22
CAPÍTULO II .................................................................................................................................... 23
MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 23
2.1. Refrigeración y aire acondicionado ....................................................................... 24
2.1.1. Historia de la refrigeración y el aire acondicionado ........................................ 24
2.1.2. Ciclo de Carnot para refrigeración ................................................................ 26
2.1.3. Ciclo por compresión de vapor ...................................................................... 28
2.1.4. La carta psicométrica ..................................................................................... 32
2.1.5. Diagrama de Mollier ....................................................................................... 37
2.2. Sistema del aire acondicionado ............................................................................ 38
2.2.1. Definición del aire acondicionado .................................................................. 38
2.2.2. Clasificación de los equipos de aire acondicionado ...................................... 39
2.2.3. Diseño de ductos de aire acondicionado y ventilación ................................... 46
2.2.4. Tabla de ábaco de ductos pequeños ............................................................. 49
2.3. Conceptos de software para cálculos de ductos ................................................... 51
2.3.1. Reglamento nacional de edificaciones ........................................................... 53
2.3.2. Método como calcular el costo de los ductos ................................................. 54
2.4. Controles de temperatura (termostatos) ............................................................... 54
2.4.1. Termostato Honeywell programable T7350 .................................................... 55
V
2.4.2. Aplicaciones del termostato programable....................................................... 57
2.5. Software para uso de control de equipos de aire acondicionado y refrigeración ... 58
2.6. Accesorios electromecánicos que trabajan con el control de temperatura Honeywell
T7350 .......................................................................................................................... 63
2.6.1. Dampermotorizados ....................................................................................... 63
2.6.2. Válvula de agua de 3 Vías y 2 Vías ............................................................... 64
2.6.3. Sensor de movimiento .................................................................................. 67
2.6.4. Contactores eléctricos y fan relé ................................................................... 68
2.7. Cálculo de carga térmica para equipos de aire acondicionado ............................. 72
2.7.1. Método 1 Para climas templados .................................................................. 73
2.7.2. Método 2 Para climas tropicales ................................................................... 74
2.7.3. Método 3 Cálculo practico de carga térmica .................................................. 75
2.7.4. Método 4 Cálculo básico de la capacidad de un climatizador......................... 76
CAPÍTULO III ................................................................................................................................... 79
METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN .................................................................................................... 79
3.1. Metodología de solución ...................................................................................... 80
3.1.1. Tipo de investigación ..................................................................................... 80
3.1.2. Nivel de investigación .................................................................................... 80
3.1.3. Diseño de investigación ................................................................................ 80
3.2. Hipótesis de investigación .................................................................................... 80
3.2.1. Hipótesis general ........................................................................................... 80
3.2.2. Hipótesis especificas ..................................................................................... 80
3.3. Variables .............................................................................................................. 81
3.3.1. Variable dependiente ..................................................................................... 81
3.3.2. Variable independiente .................................................................................. 81
3.4. Indicadores ........................................................................................................... 81
3.5. Matriz de consistencia .......................................................................................... 82
3.6. Operacionalización de variables ........................................................................... 84
3.7. Diseño de instalación del equipo de aire acondicionado ...................................... 85
3.7.1. Cálculo de carga térmica con el método 1 ..................................................... 88
3.7.2. Cálculo de carga térmica con el método 2 ..................................................... 92
3.7.3. Cálculo de carga térmica con el método 3 .................................................... 94
3.7.4. Cálculo de carga térmica con el método 4 .................................................... 96
3.7.5. Selección del equipo de aire acondicionado .................................................. 98
3.8. Diseño del ducto para el aire acondicionado a instalar ....................................... 104
VI
3.9. Procedimiento de instalacion y uso del control de temperatura honeywell T7350
(programable) ............................................................................................................ 111
3.9.1. Pasos para programar el termostato en el area a climatizar ........................ 117
3.10. Procedimiento de instalación y uso del software webstat con los termostatos
T7350 ........................................................................................................................ 122
3.10.1. Instalación y procedimiento del termostato con el servidor WebStat .......... 123
3.11. Calculo con los 3 tipos de instalación de controles de temperatura .................. 128
3.11.1. Consumo de energía de la unidad con el termostato no programable
convencional (proyecto A) ..................................................................................... 128
3.11.2. Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell
T7350 (proyecto B) ................................................................................................ 132
3.11.3. Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell
T7350 y un sensor de movimiento (proyecto C) ..................................................... 135
CAPÍTULO IV ................................................................................................................................. 139
ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................................................................... 139
4.1. Análisis y presentación de resultados ................................................................. 140
4.1.1. Presentación del consumo mensual en kWh ................................................ 140
4.1.2. Presentación del consumo mensual en kWh en porcentajes........................ 141
CAPÍTULO V .................................................................................................................................. 142
EVALUACIÓN ECONÓMICA ........................................................................................................ 142
5.1. Comparación de los 3 sistemas de instalación del aire acondicionado ............... 143
5.2. Análisis de comparación económica de los proyectos A, B y C. ...................... 147
5.3. Diferencias económicas finales en los proyectos A, B y C. ............................. 148
5.4. Utilización del VAN y TIR para realizar comparaciones económicas en los
proyectos A, B y C. ................................................................................................ 149
CONCLUSIONES........................................................................................................................... 154
RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 155
BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................................. 156
ANEXOS ........................................................................................................................................ 159
VII
LISTA DE SIMBOLOS
BTU Unidad térmica inglesa
Ca Columna de agua
CFM Pies cúbicos por minuto
cm Centímetros
cm2 Centímetros cuadrados
ºC Grados centígrados
ºF Grados fahrenheit
Ft Pies
Ft2 Pies cuadrados
FPM Pies por minuto
Hr Hora
ºK Grados Kelvin
Lb Libras
m Metro
m2 Metros cuadrado
m3 Metros cúbicos
m/s Metros por segundo
m3/s Metros cúbicos por segundo
Hp Caballos de fuerza
kW Kilowatts
Seg Segundos
Kg Kilogramos
P Potencia
Pulg Pulgadas
RPM Revoluciones por minuto
TON o TR Toneladas de refrigeración
UMA Unidad manejadora de agua
V Velocidad
W Watts
A Área
TBS Temperatura de bulbo seco
TBH Temperatura de bulbo húmedo
kcal Kilocalorías
a Longitud de un lado del ducto
b Longitud de un lado adyacente del ducto
VIII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Vista frontal y plano de ubicación de la empresa……………………..……………………….…...…..18
Figura 1.2. (a) Plano segundo nivel. (b) Plano del área comercial……………………………..……………….....19
Figura 2.1. Antigua forma de climatizar a las personas……………………………………………..……...……….24
Figura 2.2. Ciclo de Carnot de la Refrigeración………………………………………………..………………...…..26
Figura 2.3. Ciclo por comprensión de vapor en refrigeración……………………………………….……………...28
Figura 2.4. Diagrama Presión – Entalpia………………………………………..……………………………..……..29
Figura 2.5. Clasificación de los refrigerantes………………………………………………..……..………………...31
Figura 2.6. Diagrama de la carta psicométrica para temperaturas normales………….………………………....33
Figura 2.7. Ubicación de temperatura de bulbo seco……………………………………………………….………35
Figura 2.8. Ubicación de temperatura de bulbo húmedo…………………………………..……………………….35
Figura 2.9 Ubicación de humedad relativa…………………………………………………………..……………….35
Figura 2.10. Ubicación líneas de granos de humedad………………………………………..……………..………36
Figura 2.11. Ubicación de contenido total de calor……………..……………...………………………………..…..36
Figura 2.12. Ubicación de la velocidad del aire…………………….……………….………………..……………...36
Figura 2.13. Diagrama de Mollier……………………………………………………..………………..……………...37
Figura 2.14. Zona de confort de invierno y verano...………………………………….………..……………………39
Figura 2.15. Aire acondicionado tipo ventana……………………………………………………..…………………40
Figura 2.16. Aire acondicionado tipo split ducto……………………………………….…………..…………………41
Figura 2.17. Aire acondicionado tipo split decorativo...………………………………….………..…………………42
Figura 2.18. Aire acondicionado tipo paquete……………………………………………………..…………………43
Figura 2.19. Equipo de aire acondicionado chiller enfriados por aire y enfriado por agua………………..….…44
Figura 2.20. Mantenimiento de la unidad condensadora…………………………………………..………………..45
Figura 2.21. Monitoreo de amperaje y voltaje de la unidad condensadora………………………..……………...46
Figura 2.22.Termostato honeywell programable T7350……..…….………………………….….…………...…….56
Figura 2.23. Diagrama eléctrico de conexión de termostato honeywell T7350...…………………...……...…….57
Figura 2.24. Diagrama de funcionamiento con el software Scada para HVAC……....……………..……………59
Figura 2.25. Arquitectura del sistema Tracer summit…..………….………......……...........................................60
Figura 2.26. Conexión del termostato honeywell T7350 con el servidor……...……....……………..……………61
Figura 2.27. Esquema de un dampermotorizado para aire acondicionado………..……………………………..63
Figura 2.28. Diagrama eléctrico de conexión del dampermotorizado Belimo AMB24………………….….…….64
IX
Figura 2.29. Válvulas de agua helada de 2 y 3 vías………………………………………………..………………..64
Figura 2.30. Esquema de instalación de una válvula de 3 vías de agua helada……………………………..…..65
Figura 2.31. Esquema eléctrico de una válvula de 3 vías de agua helada……................................................65
Figura 2.32. Información técnica de una válvula de 3 vías de agua helada……..………………………..……...66
Figura 2.33. Esquema de instalación de una válvula de 2 vías de agua helada……………..…………………..66
Figura 2.34. Sensor de movimiento 360 grados………………………………………..……………………………67
Figura 2.35. Esquema de conexión eléctrica del sensor de movimiento con una lámpara………………...…...68
Figura 2.36. Esquema de un contactor eléctrico monofásico……………………..………………………………..69
Figura 2.37. Esquema de contactos primarios y secundarios de un contactor…………..………..…………..…69
Figura 2.38. Esquema eléctrico de un relé con sus conexiones…………..………..…………..………………….70
Figura 2.39. Esquema eléctrico del relé con su diagrama de conexiones……..……………...………………….70
Figura 2.40. Esquema eléctrico de un equipo de aire acondicionado convencional con un termostato……….72
Figura 2.41. Datos técnicos de potencias eléctricas de equipos electrodomésticos….………………..………..78
Figura 3.1. Valores en la carta psicométrica de TBS, TBH y HR %………………...……….…………..………...87
Figura 3.2. Esquema del ambiente a climatizar………………….……………...…………………………………...91
Figura 3.3. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………………..………………………….92
Figura 3.4. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………………..………………………….94
Figura 3.5. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………...…...……………...………….....97
Figura 3.6. Diagrama de Mollier con entalpias halladas…………..……………...………..................................103
Figura 3.7. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en el área…...…………….......................110
Figura 3.8. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en isométrico……………………………...111
Figura 3.9. Esquema de conexión electrica para prueba del contro convencional..........................................112
Figura 3.10. Ubicación correcta del termostato a instalar………………………..………………………………..113
Figura 3.11. Esquema de conexion electrica con un sensor de movimiento en un termostato T7350…..…..114
Figura 3.12. Diagrama escalera de conexión eléctrica del termostato a instalar…………………….……..…..115
Figura 3.13. Esquema de conexion entre sensor de movimiento y el termostato…………………………..…..116
Figura 3.14. Esquema isométrico de disposición de los equipos de aire acondicionado…………...……..…..117
Figura 3.15. Botones para el seteo del termostato honeywell T7350 programable…………….……………....117
Figura 3.16. Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software………….....………...123
Figura 3.17. Puertos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software…………...124
Figura 3.18. Puntos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software…….………125
Figura 3.19. Instalación de cable de red en el servidor WebStat……………………...………………………….125
X
Figura 3.20. Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software webstat….……..…..126
Figura 3.21. Imagen del software WebStat en la pantalla de la PC…....………………………………….……..126
Figura 3.22. Visualización de los parámetros con el software WebStat.………...……………….……….……..127
Figura 3.23. Datos del termostato honeywell T7350 programable con el software WebStat.……...…..……..127
Figura 3.24. Ubicación del termostato honeywell T7350 programable con el software…………..………..…..128
Figura 3.25. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….…………………....……129
Figura 3.26. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….…………………………130
Figura 3.27. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….……………...….………133
Figura 3.28. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…………………….……..…..137
XI
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Equivalencias usuales en refrigeración……………………………………………..…………..………..26
Tabla 2.2. Medidas y capacidades de sistema de tipo chiller………………………..……………………………..44
Tabla 2.3. Tabla de velocidades de aire recomendadas en ambientes a climatizar……………………………..48
Tabla 2.4. Abaco de ductos pequeños……………………..……………...………………………………………….49
Tabla 2.5. Tabla de dimensiones equivalentes para ductos rectangulares……………………………..…...……50
Tabla 2.6. Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA…………………………………………..51
Tabla 2.7. Tabla para calcular el diámetro de ductos en forma circular y rectangular………….……………….52
Tabla 2.8. Tabla para calcular la cantidad de ductos de aire acondicionado……………………………………..53
Tabla 2.9. Tabla de modelos de termostatos honeywell T7350……………………………………………………58
Tabla 2.10. Tabla del cálculo de selección de equipos de aire acondicionado…………………………………..74
Tabla 2.11. Tabla de selección de equipos de aire acondicionado…………………………………………….….75
Tabla 2.12. Tabla de selección de equipos de aire acondicionado………………………………………………..76
Tabla 3.1. Planteamiento del método de investigación científica…………………………………………………..82
Tabla 3.2. Matriz de consistencia………………………………………………………………………………………84
Tabla 3.3. Operacionalización de variables…………………………………………………………………………..84
Tabla 3.4. Datos de temperatura máxima y mínima en lima durante todo el año………………………………..85
Tabla 3.5. Gráficos de temperatura en todo el año…………………………………...……………………………..85
Tabla 3.6. Condiciones de humedad y temperatura recomendadas para confort………………………………..86
Tabla 3.7. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 1………………………………………………91
Tabla 3.8. Calculo de la carga térmica con el método 2…………………………………………………………….93
Tabla 3.9. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 2………………………………………………94
Tabla 3.10. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 3………………….…………………………96
Tabla 3.11. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 4………………….…………………………98
Tabla 3.12. Tabla para la selección del equipo de aire acondicionado…...…………….…………………………99
Tabla 3.13. Memoria de cálculo realizado a los equipos de aire acondicionado………………………………..100
Tabla 3.14. Memoria de cálculo realizado a los equipos………………………………………………………..…101
Tabla 3.15. Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA…………………………….…………105
Tabla 3.16. Caída de presión en un ducto pequeño……………………………………………………………….106
Tabla 3.17. Tabla de conversión de ductos circulares a rectangulares………………………………………….107
Tabla 3.18. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 2 000 CFM…………………...…………..108
Tabla 3.19. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 1 000 CFM……………………...………..108
Tabla 3.20. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 500 CFM………………………………….109
XII
Tabla 3.21. Tabla para hallar la cantidad de planchas galvanizadas y la cantidad de aislamiento térmico…109
Tabla 3.22. Potencia del aire acondicionado en total…………………………………….………………………..131
Tabla 3.23. Potencia de los aires acondicionados en total en el proyecto A……………………………....……132
Tabla 3.24. Potencia del aire acondicionado en total………………………………………………………………134
Tabla 3.25. Potencia de los aire acondicionado en total en el proyecto B………………………………………134
Tabla 3.26. Simulación de encendido y apagado del aire acondicionado…………..………………………..….136
Tabla 3.27. Potencia del aire acondicionado en total……………………………………………………………...138
Tabla 3.28. Potencia de los aire acondicionados en total del proyecto C……………………………………….138
Tabla 4.1. Potencia en kWh de los equipos de aire acondicionado………..…………………………………….140
Tabla 4.2 Potencia en kWh de los equipos de aire acondicionado representado en porcentaje………..……141
Tabla 4.3. Potencia en kWh y porcentajes de ahorro de energía de los equipos de aire acondicionado…....141
Tabla 5.1. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto A………………………………………144
Tabla 5.2. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto B...…………………………………….145
Tabla 5.3. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto C………………………………………146
Tabla 5.4. Diferencias económicas mensual en los 3 proyectos A, B y C……………………………….………147
Tabla 5.5. Diferencias económicas en los proyectos A, B y C……………………………………………………147
Tabla 5.6. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y B…………….……..………………….……148
Tabla 5.7. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y C…………….………..……….……..……..149
Tabla 5.8. Tabla de VAN y TIR en los 3 proyectos A, B y C……..……………………..………...…………..…..153
13
RESUMEN
El presente proyecto considera el cálculo térmico y diseño de un sistema de aire
acondicionado con control automático de temperatura por medio de un sensor de
movimiento y un termostato programable modelo Honeywell T7350, para los once
ambientes en remodelación de la empresa TLI Aduanas SAC. La empresa TLI Aduanas
SAC, es una entidad dedicada a la exportación e importación de productos en general.
En la primera parte del presente trabajo de investigación se detallan los cálculos de la
carga térmica mediante tres métodos para tener una mejor confiabilidad. A partir de estos
resultados se selecciona la capacidad de los equipos de aire acondicionado a ser
utilizados en cada ambiente. Luego se procede al diseño de los ductos para las líneas de
suministro y retorno de aire, todo ello se realiza teniendo en cuenta las Normas técnicas
de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire
Acondicionado (ASHRAE).
Sobre este diseño se pasó a estudiar el uso del control automático de temperatura, con
ayuda de un sensor de movimiento y el termostato programable Honeywell T7350. Para
ello se utilizaron datos simulados de los tiempos de encendido y apagado de los equipos
para los siguientes casos: (A) Con control manual de temperatura, (B) Con control de
termostato de programación fija y (C) Con el control automático de temperatura. Para
estos tres casos se realizaron las comparaciones de consumo y ahorro de energía, así
como las evaluaciones económicas, del valor actual neto (VAN) y la tasa interna de
retorno (TIR).
14
Finalmente el sistema de aire acondicionado con control automático de temperatura
(proyecto C), en comparación con un sistema de aire acondicionado con control manual
de temperatura (proyecto A), consigue un ahorro de energía de la orden del 63%, lo cual
se traduce en un VAN positivo. Además el retorno de la inversión se consigue a partir del
segundo año, lo que indica que el proyecto es viable.