INSTITUTO TECNOLÓGI CO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
PRESENTE.-Por m edio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denom inada"
, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, com unicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así com o la digitalización de la m ism a, con fines académ icos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de la com unidad del Tecnológico de Monterrey.
El Instituto se com prom ete a respetar en todo m om ento mi autoría y a otorgarm e el crédito correspondiente en todas las actividades m encionadas anteriorm ente de la obra.
Análisis de Sustentabilidad de Sistemas de Climatización en
Edificios Comerciales-Edición Única
Title Análisis de Sustentabilidad de Sistemas de Climatización
en Edificios Comerciales-Edición Única
Authors Manuel Alejandro Cárdenas Guajardo
Affiliation Tecnológico de Monterrey, EGADE
Issue Date 2010-07-01
Item type Tesis
Rights Open Access
Downloaded 18-Jan-2017 20:45:20
MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
ESCUELA DE GRADUADOS EN DIRECCIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE EMPRESAS
ANÁLISIS DE SUSTENTABILIDAD DE SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN EN EDIFICIOS COMERCIALES
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE
MAESTRIA EN DIRECCIÓN PARA LA MANUFACTURA
POR:
MANUEL ALEJANDRO CÁRDENAS GUAJARDO
DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
ESCUELA DE GRADUADOS EN DIRECCIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE EMPRESAS
Los miembros del Comité de Tesis recomendamos que el presente documento, presentado por el Ing. Manuel Alejandro Cárdenas Guajardo, sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Dirección para la Manufactura.
Comité de Tesis
Dr. Gabriel Barraza Enríquez Asesor Académico
EGADE Business School - Campus Monterrey
Dr. Ernesto Lozano Martínez Dr. Alejandro Fonseca Ramírez Profesor de Planta Profesor de Planta
EGADE Business School EGADE Business School Campus Monterrey Campus Monterrey
Dr. Federico Trigos
ii
AGRADECIMIENTOS
A Dios por la oportunidad de ingresar y completar mis estudios de Post grado en esta escuela de Negocios del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey.
Al Dr. Gabriel Barraza por su gran apoyo, disponibilidad y motivación para completar esta investigación. Agradezco sus conocimientos y experiencia compartida en materia de evaluación de proyectos.
A mi esposa, mi familia y compañeros de trabajo que me apoyaron en todo momento y por su compresión en esta etapa tan demandante de mi vida.
A mis sinodales Dr. Ernesto Lozano y Dr. Alfredo Fonseca, por su tiempo y aportaciones.
iii
A Dios,
A mi hermana Cynthia por la fuerza para comenzar,
A mi esposa Marianna por su apoyo para terminar,
A mis padres Manuel y Griselda por su ejemplo,
iv RESUMEN
ANÁLISIS DE SUSTENTABILIDAD DE SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN EN EDIFICIOS COMERCIALES
Manuel Alejandro Cárdenas Guajardo
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2010
Asesor: Dr. Gabriel Barraza Enríquez
En la actualidad, el consumo de energía en la climatización de edificios representa hasta
un 40% del consumo total de energía en países como México. El objetivo de esta investigación
fue proponer un modelo para evaluar alternativas de modificaciones a sistemas de climatización
en edificios comerciales con la finalidad de generar ahorros en el consumo de energía. En el
modelo se identificaron variables del sistema de climatización que pudieran proporcionar ahorros
potenciales en su consumo energía. Dicho ahorro potencial fue estimado en base a estadísticas de
pérdidas de energía en los diferentes componentes de sistemas de climatización de edificios
comerciales en EUA. Una vez estimados los ahorros potenciales de cada variable, se propuso
como modelo de evaluación el análisis del costo del ciclo de vida de diferentes alternativas de
modificación utilizando el concepto del valor presente neto.
El modelo de evaluación fue implementado en un caso práctico correspondiente a un
edificio de oficinas de tamaño mediano. Como alternativas de modificación del sistema de
climatización se consideraron cambios en cuatro categorías de variables: (1) de operación y
mantenimiento, (2) de eficiencia en equipos, (3) de materiales de construcción y, (4) de
aislamiento, control y periféricos. El modelo permitió identificar ahorros desde un 12% hasta un
v
incluyó la posibilidad de reemplazar los equipos de refrigeración actuales por equipos con
eficiencia energética superior obteniéndose un 30% de ahorro de energía adicional. Todas las
alternativas de modificación propuestas resultaron económicamente factibles según los
resultados del análisis del costo de su ciclo de vida.
El uso del modelo de evaluación aquí propuesto representa una herramienta que permite
evaluar posibles modificaciones a sistemas de climatización y encontrar aquella que represente la
vi
Tabla de contenidos
Agradecimientos ……….………... ii
Resumen ………...……….… iv
Tabla de Contenidos ………....…. vi
Capítulo I – Introducción ………….………..………... 1
Capítulo II – El Problema del consumo de Energía en la climatización de edificios………...……….... 9
Capítulo III – Evolución de Estrategias para reducir el costo de la refrigeración de edificios………... 14
Capítulo IV – Modelo de análisis de Sustentabilidad de Sistemas de climatización de edificios ... 26
Capítulo V – Variables del modelo de evaluación de proyectos de climatización en edificios ... 38
Capítulo VI – Evaluación económica de un sistema de climatización ...………..……. 49
Capítulo VII –Conclusiones ……..………...….. 80
Apéndice I ...………..…83
Apéndice II ……… 111
1
Capítulo I
Introducción
Durante los últimos siglos la sociedad ha experimentado una considerable aceleración en la tasa de cambios que afectan al medio ambiente. Por primera vez en la historia, el hombre se ha convertido en un agente capaz de alterar las condiciones del planeta a través de los altos consumos de energía, todo con el objetivo de incrementar los índices de producción industrial y sin tomar en cuenta los recursos naturales actuales o pensar en la cantidad de energía de la cual dispondrían las futuras generaciones.
Es hasta hace algún tiempo que se empezó a conocer y entender el concepto de
desarrollo sustentable. Desarrollo sustentable se define como el satisfacer las
necesidades del presente sin comprometer la posibilidad de las futuras generaciones. Según Gary Lawrence, el concepto se basa en el principio de conseguir que la gente sea
feliz consumiendo la menor cantidad de recursos a su alcance (Lawrence, 1999). El
significado en primera instancia resulta un poco trágico al momento de relacionar este
concepto con el más crucial de todos los temas, “la continuidad de la vida civilizada en
este planeta”.
Poco a poco empezamos a entender las bondades y condiciones que presenta este
maravilloso sistema complejo en el cual vivimos llamado “Planeta Tierra” y sobretodo la
2
“se dispone de un planeta en el que según el modo de vida y las condiciones ambientales
llegará el momento en el que se tenga que emigrar” (Williamson, 2003).
Desta Mebratu, Oficial Regional en África del Programa Ambiental de las Naciones Unidas, habla sobre el concepto de desarrollo sustentable uniendo tres factores muy importantes aplicables a esta investigación: calidad ambiental, equidad social y
crecimiento económico alineado a una estrategia de negocios (Mebratu, 1998). En el
contexto de calidad ambiental, Mebratu habla sobre el buscar equilibrios térmicos o ambientes bioclimáticos. En la parte de equidad social, considera que es importante que se desarrollen proyectos de climatización con el fin de que todas las clases sociales tengan acceso a la calidad ambiental con diseños innovadores en la construcción residencial. Por último, define la parte de crecimiento económico como el generar dicho crecimiento a través de la disminución de los costos de energía, generación de energías alternas y generación de nuevos empleos por ideas innovadoras convertidas en proyectos de climatización que se multipliquen sobre economías de escala en el sector residencial.
El hecho de tomar como base el concepto de desarrollo sustentable se presenta
por las condiciones reales sobre consumos ineficientes de energía y la ignorancia sobre las distintas fuentes alternas de energía que en climatizaciones comerciales e industriales pueden contribuir a disminuir los altos consumos de energía provocados por compresores herméticos o reciprocantes.
3
año 2025 (Fisk, 2009). Con base en esta estadística debemos tener presente los cambios
que se pueden manifestar en nuestro país en función del crecimiento en los mismos sectores.
Dentro de los principales mecanismos de falla por los cuales se ha manifestado este incremento de energía o pérdidas de eficiencia en edificios comerciales en EUA se
encuentra el siguiente listado mostrado a continuación (Mills, 2009):
Fugas de aire en el manejo de ductos
Pérdida de eficiencia por espacios desocupados
Desbalance de motores en sistemas manejadores de inyección de aire
Carga incorrecta de refrigerante
Funcionamiento incorrecto o falta de funcionamiento de mecanismos
electromecánicos en sistemas de dampers
Flujo de aire insuficiente en el evaporador
Control inadecuado o funcionalidad de termostatos o mecanismos de control de
temperatura en interiores
Errores de programación en el software en sistemas de control
Instalación incorrecta del hardware en sistemas de control
Fugas de refrigerante en válvulas de servicio.
4 Objetivo y Alcance de la Investigación
Dadas las definiciones del concepto de desarrollo sostenible y la situación actual del consumo de energía en la climatización de edificios, se entiende que en la actualidad cada vez son más grandes los retos que tenemos como ciudadanos responsables con el medio ambiente y nuestra sociedad, ofreciendo alternativas económicas en las cuales la tendencia sea de transformar el concepto de climatización.
El objetivo medular de esta investigación es entonces proponer una metodología basado en un criterio sustentable que ayude a disminuir el uso de energía en la climatización de edificios maximizando la eficiencia de los componentes que conforman el sistema integral de climatización y maximizando el control del ambiente en el interior de los mismos edificios a través de la construcción de un modelo de evaluación de proyectos de climatización sustentable.
Para llevar a cabo la aplicación de criterio de desarrollo sustentable en el logro de este objetivo se utilizará como herramienta de análisis un modelo de evaluación económica que ayude en la selección de la mejor alternativa de entre varios sistemas de climatización que tomen en cuenta las condiciones actuales del edificio y aquellas variables que afecten su eficiencia, desde diferentes equipos de refrigeración hasta diferentes posibles modificaciones en el diseño de los interiores y/o exteriores del edificio, entre otros.
5 Metodología de la Investigación
Para lograr el desarrollo del objetivo de esta investigación, se seguirá la metodología que consiste de los siguientes pasos:
1. Revisión de estrategias convencionales de refrigeración
El primer paso dentro de esta metodología de investigación será el de entender y analizar las distintas estrategias convencionales de climatización en edificios que se han utilizado a través de los años para encontrar elementos que contribuyen a mejorar la eficiencia de los sistemas de climatización de edificios.
2. Identificación de las variables que afectan el ahorro de energía
El marco de referencia que se utilizará para la selección de las variables que intervendrán en el modelo serán las estadísticas de pérdidas de energía de los elementos que componen el sistema de climatización. La referencia principal para obtener dichas estadísticas será el Estándar para el Diseño de Edificios de Alto Rendimiento Energético
(McBride, 2008) de la ASHRAE (Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción,
Refrigeración y Aire Acondicionado).
3. Selección de herramienta de evaluación económica de sistemas de
climatización que considere el concepto de sustentabilidad
6
4. Cuantificación de variables
Una vez que se hayan seleccionado las variables y que el modelo haya sido conceptualizado, se buscará la forma de cuantificar el costo energético de los componentes del sistema de climatización se acuerdo a su contribución en la eficiencia y/o pérdidas de energía dentro del sistema.
5. Aplicación del modelo a un caso práctico
Para probar y demostrar la implementación de la herramienta de evaluación de sistemas de climatización sustentables se utilizará un caso práctico que consista en la selección de la mejor alternativa de entre varias que consideren diferentes componentes con diferentes costos y características técnicas.
6. Obtención de Conclusiones
De los resultados observados en el caso práctico se desarrollarán conclusiones y recomendaciones sobre la utilidad y uso del modelo de evaluación propuesto.
Descripción del Contenido de esta tesis
El propósito de esta sección es facilitar al lector la lectura de tesis según sea el nivel de información que desee consultar. A continuación se describe el contenido de cada uno de los capítulos de la tesis.
7 edificios que promuevan la sustentabilidad a través de la disminución del consumo de energía.
En el capítulo II se analiza la evolución de una serie de estrategias convencionales de refrigeración de edificios con la intención de ayudar a seleccionar variables y componentes que afecten el uso o gasto energético de un sistema de climatización tales como la orientación actual del edificio, la zona climática, el ángulo de incidencia del sol entre otras. Se analiza también la posibilidad de utilizar fuentes emergentes de energía tales como la energía geotérmica.
En el capítulo III se desarrollan herramientas de análisis económico que permiten la adaptación del modelo de evaluación de proyectos de climatización con el fin de realizar cálculos y estimaciones financieras el análisis económico del ciclo de vida de equipos de refrigeración (AECV) basado en el método del valor presente neto (VPN).
En el capítulo IV, V y VI se define una categorización de las variables a utilizar en el modelo de evaluación. Las variables son seleccionadas base a las referencias de estadísticas e índices de pérdidas de energía en edificios comerciales en EUA incluyendo aquellas relacionadas con condiciones de operación, mantenimiento, reparaciones mayores, eficiencia y selección de equipos. En este capítulo se definen los índices estimados de pérdidas de energía de cada variable y se calculan los ahorros potenciales en
términos de Kwh – pesos (MX). En este capítulo se analiza un caso práctico de la
evaluación de alternativas de sistemas de climatización de un edificio comercial en el cual se aplica el estudio económico y un análisis de sensibilidad para encontrar la mejor estrategia de ahorro de energía.
9
Capítulo II
El Problema del Consumo de Energía en la Climatización de Edificios
En los últimos 5 o 6 años se han experimentado una serie de cambios relevantes y la sociedad ha tomado una retrospectiva más dinámica con una mayor influencia y reconocimiento alrededor del globo terrestre. Se reconoce que la industria puede jugar un rol principal en el ahorro de energía y en la disminución de emisión de gases contaminantes. Sustentabilidad, como se definió anteriormente, es el desarrollo del conocimiento de las necesidades presentes sin comprometer los recursos de las generaciones futuras, nos lleva a la pregunta de por qué es necesario estar preocupados por la construcción de edificios. La respuesta es sencilla: los edificios residenciales y comerciales como ya se mencionó anteriormente, consumen al menos el 40% de toda la energía primaria alrededor de EUA. Además, esta cifra representa el 72% de toda la energía eléctrica generada con el 55% del consumo del gas natural y a su vez son responsables por más de una tercera parte del total de las emisiones de CO2.
10 Otro elemento importante a considerar es que solamente el 2% de los proyectos de construcción de edificios son construcciones nuevas. Actualmente se tiene una relación de al menos un 86% por el concepto de remodelaciones de edificios existentes y poco más de 139 billones de metros cuadrados de edificios comerciales que tendrán que ser renovados en los próximos 30 años. Considerando entre un 75% y 85% de todos los edificios que existirán en las zonas urbanas en los próximos 30 años existen hoy en día, una alternativa clara para el desarrollo sustentable radica en la renovación y desarrollo de edificios más eficientes.
Si se enfoca la adecuada tecnología en al menos el 2% de las construcciones nuevas, es probable que no se obtenga mucho beneficio alrededor del mundo. Sin embargo, si es posible enfocarse en el restante 98%, éste se convertirá en un reto interesante para la sociedad considerando edificios como por ejemplo en el que se asista a trabajar todos los días, en casas o departamentos, en escuelas, hospitales, hoteles y demás.
Es necesario el desarrollo de sistemas integrales de climatización que permitan programas cohesivos enfocados primordialmente en el enfoque del incremento de la eficiencia de energía en edificios actuales. Dentro de la dinámica actual de la operación de edificios se ha logrado un mayor entendimiento y un incremento en la utilización de estos sistemas incluye aplicaciones tecnológicas como la utilización de controles digitales remotos, variedad en componentes electrónicos y sistemas de telecomunicación inteligentes. En los últimos 100 años, se han experimentado incrementos de tecnología y por efecto incrementos de productividad mostrando una mejoría y calidad sustancial.
Arquitectos, diseñadores, ingenieros en refrigeración, especialistas en iluminación, diseñadores de tableros de fuerza y control, plomeros, contratistas, entre otros, todos ellos pueden responder a las expectativas de completar este tipo de proyectos en cuanto a forma y tiempo.
11 tres veces más la cantidad de energía per cápita respecto a Europa, ellos han experimentado y aprendido sobre las consideraciones a tomar para revertir la tendencia del consumo de energía. Significativamente en Europa los precios por este concepto se ejecutan como un valioso commodity.
Es posible continuar con la construcción de edificios eficientes, sin embargo el concepto de eficiencia deberá ser medido cuando se encuentren las razones por las cuales los edificios puedan eliminar perdidas de energía. Según estudios, la remodelación de edificios puede ahorrar entre un 10% y un 40% solamente por trabajar en estrategias de operación de equipos de refrigeración. Ciertamente, se conoce que se puede encontrar entre el 20 % y 50% del costo por pie cuadrado del retorno de la inversión en menos de un año a través de los ahorros de energía de al menos un 15% por este concepto.
(Jarnaging, 2008).
Se sabe que el complemento importante de la calidad del diseño de la remodelación no puede ser sostenible sin los conceptos de una adecuada operación y mantenimiento. Es necesario continuar desarrollando el concepto de tecnología, crear herramientas y programas educacionales con el objetivo de soportar ambos conceptos en el diseño. Esto involucra la educación - desde el entendimiento necesario sobre las unidades de medición que facilite a los clientes la correcta operación de los equipos hasta el entendimiento necesario de los contratistas responsables de la reconstrucción del edificio asegurando que no se pierdan detalles en los resultados buscados de la reconstrucción.
Análisis de otras fuentes de energía
12 No se tiene una crisis de energía, se tiene una crisis de precios del petróleo. Se estima que cuando el precio del petróleo aumente lo suficiente, la sociedad se verá en la necesidad de cambiar las fuentes de energía. El día en que se cuente con la capacidad y tecnología necesaria para solucionar este problema de la energía, este día cambiará el rumbo de le economía global.
Se han encontrado soluciones alternas como por ejemplo el desarrollo de los autos híbridos, la solución alterna del remplazo de la gasolina a partir de la combinación de ambos en una mezcla de 85% etanol contra 15% de gasolina entre otras.
El precio del gas natural aumenta debido a que se obtiene energía a partir de este, se obtiene energía a partir del carbón a pesar que es un proceso muy sucio su obtención, entonces es necesario generar procesos limpios en la obtención de energía partir del carbón, sin embargo el precio también aumentara considerablemente.
El precio de la gasolina en comparativo contra el precio del gas natural es el doble en una relación de $0.35 USD/Kwh contra $0.75 USD/el galón de gasolina. La solución híbrida para tema de la transportación en este caso es la más indicada.
Como ya se ha mencionado anteriormente, el 40% de toda la energía en la economía en EUA se consume en los gastos de operación de los edificios. En el caso de edificios, se utiliza la energía eléctrica sobre el aire acondicionado y se utiliza el gas natural para el calentamiento del ambiente interior en el edificio.
Próximamente, debido al incremento de precio de la energía, se estará triplicando el costo de operación por concepto de aire acondicionado y duplicando el costo de operación por concepto del incremento del precio en el gas natural.
13 Arquitectos y diseñadores especialistas en el tema, pensarán en diseñar nuevos edificios o remodelaciones en base a condiciones menores o ventanas más pequeñas con requerimientos menores de energía. Definitivamente es necesario pensar que las condiciones actuales no permiten estas iniciativas. Lo correcto es pensar en opciones de duplicar o triplicar las condiciones aislantes en edificios o su resistencia térmica. Es necesario cambiar la estrategia en función de tecnología en aislamientos.
14
Capítulo III
Evolución de Estrategias para Reducir el Costo de la Refrigeración de
Edificios
Desde 1930 hasta 1960, el incremento de los proyectos de climatización abrió el camino al desarrollo de tecnología aplicada a la refrigeración en edificios comerciales. La invención del aire acondicionado, los vitrales reflectores y el acero estructural que encapsulaba los vitrales con el acero, son algunos de tantos ejemplos que permitieron que los edificios fueran climatizados más eficientemente y se redujera la inversión y el costo por concepto de energía.
Alrededor de 1970 se desarrolló aun más el diseño vanguardista de los vitrales reflectores cuando un grupo importante de arquitectos, ambientalistas y ecologistas fueron inspirados por el fuerte empuje del movimiento ambiental provocado en parte por los incrementos no moderados del costo de la energía y combustibles.
El primer “Día de la Tierra”, celebrado en Abril de 1970, reafirmó la credibilidad de este nuevo y revolucionario concepto de construcciones. Aquí es donde el Instituto de Arquitectos de América (AIA) formó un comité de energía que fue dividido en dos campos. El primero enfocado al desarrollo de materiales reflectores en azoteas de las construcciones para disminuir los consumos de energía y el segundo más enfocado a la parte de soluciones tecnológicas, como por ejemplo el desarrollo de las ventanas con cristales triplicados.
Con el paso del tiempo, el concepto de reducción de costo de la energía y combustibles fue tomando más fuerza y permitió el desarrollo de edificios, como el
15 como la utilización de pasto en la azotea y ventanas con diseño de espejo. Otro ejemplo
fue el “Gregory Bateson Building” en California que utilizaba energía a través de paneles
solares, materiales con reducción de carga térmica entre piso y piso y una serie de controles o termostatos instalados estratégicamente para eficientizar el sistema de refrigeración.
Nuevos desarrollos e investigaciones permitieron un gran avance en los 80’s y
90’s sobre el diseño eficiente de paneles solares y su gama de aplicaciones y sobre la diversidad de materiales para la construcción de paredes y eficiente utilización de la luz del día a través de ventanas más eficientes para disminuir aún más la cantidad de energía utilizada.
La concientización de la importancia de lograr una reducción de los consumos de energía se ratifica el 22 de Octubre del 2004 con la firma del Protocolo de Kyoto. Este Protocolo habla sobre disposiciones y compromisos con el fin de promover el desarrollo sustentable a causa del cambio climático alrededor del mundo. La referencia más específica es el articulo 2 – 1 – a – i) referente al fomento de la eficiencia energética en los sectores pertinentes de la economía nacional. En ese momento, los países cuyas emisiones sumaron el 55% del total de emisiones de 1990, firman y por fin el Protocolo podía entrar en vigor.
16 Estrategias convencionales de climatización
Al hablar de climatización es importante referir a las necesidades de aportar frío o calor al utilizar técnicas pasivas de acondicionamiento. En necesario hacer hincapié en el doble papel que la inercia térmica puede jugar en el confort ambiental. Por ejemplo, la zona climática norte del país siempre se ha mostrado funcionar como un receptor de energía calorífica, por lo que en condiciones de verano asume las mismas funciones, toma el calor del ambiente cálido y por tanto contribuye a bajar la temperatura interior.
Pensando en el muro como almacén energético, resultaría beneficiosa la descarga durante la noche al abrir ventanas que permitan la circulación del aire, disipando el calor almacenado y preparándolo para el día siguiente. Al recurrir de nuevo a ejemplos muy conocidos, se puede pensar en un hábitat no muy común y del que sin embargo se obtienen buenas referencias: la cueva o la casa enterrada. Esta característica permite disfrutar de una estabilidad térmica diaria y estacional envidiable, sobre todo bajo climatología extrema de oscilaciones térmicas.
17 En este sentido, la contribución de los vientos locales puede mejorar las estrategias propuestas, tal y como sucede en las viviendas de los pueblos costeros con su exposición a la brisa. También se obtienen buenos resultados a la implantación de patios en latitudes propicias, donde el microclima que se forma tiene que ver con la capacidad del aire para crear una estratificación de capas que permite situar las capas de aire más frescas y las más pesadas en la parte inferior y beneficiar, por tanto, directamente a las estancias que se encuentran en contacto directo con él.
También podemos recurrir a estrategias, a las que no son ajenas ni la arquitectura vernácula ni la arquitectura actual, denominadas de enfriamiento latente, y que consisten en reunir las prestaciones que se pueden obtener del movimiento del aire y del movimiento del agua. Si hacemos pasar una corriente de aire seco por una zona húmeda, bien sea por la presencia de vegetación o por la ubicación de fuentes o estanques, el aire se humectará con lo que ganará en calidad y se enfriará, y podrá contribuir a bajar unos grados la temperatura ambiente.
Análisis de energías emergentes o alternas para el diseño de sistemas de climatización sustentable
La utilización de paneles solares, por poner un ejemplo, representa un ahorro
diferido en el tiempo – con unos períodos de amortización previamente conocidos –
además de los beneficios ambientales colectivos que la reducción de consumos energéticos de fuentes no renovables o la reducción de la emisión de gases contaminantes puedan ocasionar. Los estudios previos que requiere un proyecto de estas características obviamente son sistemas más complejos y sería recomendable incluso la participación de distintas disciplinas, así como el soporte de técnicos instruidos en ciencias ambientales.
18 enfriamiento de agua (chiller) utilizando solamente sistemas de manejo y generación de aire, disminuyendo la cantidad de energía requerida por sistemas de compresores y eliminando la utilización de gases refrigerantes que afectan en el largo plazo la capa de ozono y contribuyen con el efecto invernadero.
Incidencia del sol sobre la construcción
Desde siempre es conocida la necesidad de incorporar a los edificios espacios habitables con iluminación natural. Desde esta premisa, podemos aprovechar la fracción infrarroja de la radiación solar incidente, aquella capaz de aportar energía calorífica y disponer una serie de estrategias que permitan capturarla, almacenarla y utilizarla, acondicionando de este modo nuestro ambiente interior. Para ello, tan sólo se tienen que exponer los paneles solares a esta radiación, orientándolos adecuadamente.
La primera condición es el conocimiento de la posición del sol a lo largo del año, parámetro variable que depende de la latitud y del día que se tome en consideración. El sol recorre, desde la posición inicial la trayectoria más baja y corta posible durante el solsticio de invierno, mientras que en el solsticio de verano se sitúa en su mayor altura y alcanza su máxima duración. Esta consecuencia es posible aprovecharla de modo natural y sencillo sin requerir el soporte de algún especialista en este concepto. Si miramos al sol, si la orientación la buscamos a mediodía, al sur, es posible conseguir que durante el período invernal el sol penetre en todas las estancias, dado que la trayectoria solar es baja y el ángulo de incidencia con respecto a la horizontal es menor. Durante el verano aumenta el ángulo de incidencia en función de la trayectoria más elevada, con lo que dificultará el paso del sol al interior y contribuirá a evitar el sobrecalentamiento de ciertos espacios. Si además se agregan elementos de protección solar, será posible potencializar el efecto de refrigeración que pretendemos conseguir.
19 rendimiento de los sistemas de acondicionamiento ambiental necesarios en toda edificación.
Almacenamiento energético y restitución al ambiente interior
Una vez que se tienen aportes solares, se debe ser capaz de almacenar esa energía y de utilizarla del modo que convenga a los fines necesarios. Para ello, se estudiará en qué zonas del espacio interior (suelos, techos o paredes) el sol impacta, y se dispondrá en ellas material adecuado capaz de acumular esta energía, tales como piedras, ladrillos, metales o maderas. Es sabido que cada uno tiene un comportamiento térmico diferente; las piedras al sol se calientan mucho, más cuanto más oscuras, enfriándose poco a poco cuando cesa el aporte. Algo similar les ocurre a los ladrillos, en mayor medida cuanta más masa tienen. De los metales se conoce que se calientan con muchísima rapidez, conservan una gran cantidad de calor y se enfrían igualmente rápido.
De las maderas, por el contrario, se conoce su dificultad para transmitir la energía calorífica y de su menor capacidad de acumularla (dependiendo de las especies). Por lo tanto, del conocimiento del comportamiento de los materiales es posible disponer de su parámetro receptor de la radiación solar, de modo que se pueda conocer la capacidad de controlar la cantidad de energía acumulada y posteriormente la restitución al ambiente interior. Esta secuencia de aporte, acumulación y restitución será diferente en tiempo y en cantidad, y tendrá respuestas más o menos adecuadas a las necesidades de confort.
20 El aprovechamiento térmico de la energía solar no es ningún concepto nuevo en su utilización para agua caliente sanitaria y la calefacción de espacios. Su funcionamiento es bastante sencillo, un elemento llamado captador permite que en su interior circule un fluido, que hará la función de transmisor del calor solar hacia donde se quiera aprovechar.
Los componentes de una instalación térmica:
Colectores.- La radiación solar calienta el líquido que circula por el colector.
Circuito primario.- El agua caliente se traslada del colector a un intercambiador
de calor.
Intercambiador.- Transfiere el calor del circuito primario al circuito secundario.
Circuito secundario.- El agua calentada en el intercambiador pasa al acumulador.
Acumulador.- Almacena el agua caliente hasta el momento de uso.
El número de captadores de una instalación depende de tres factores: el consumo de agua caliente previsto, la zona climática y las posibilidades de integración en la construcción. En general, seguro que hay excepciones, dimensionar una instalación de energía solar para cubrir el 100% de la demanda de agua caliente durante todo el año no suele ser la mejor solución. Es preferible combinar un sistema solar térmico con un sistema auxiliar alimentado con energía convencional. El sistema solar térmico cubre sólo una parte del consumo de energía, la fracción solar. La fracción solar óptima se determina estableciendo un compromiso entre el costo de los colectores, el ahorro económico que proporciona la instalación y el período de amortización de la misma.
Energía geotérmica
21 La manera más recomendable de captar calor es a través de una sonda introducida en el terreno. A una profundidad de entre 10 y 20 m la temperatura se mantiene constante a lo largo del año. Además, por cada metro de profundidad la temperatura aumenta unos 3º C. Las sondas pueden ser abiertas siempre que se llegue hasta una corriente de agua subterránea empleando la misma como líquido caloportador. Del mismo modo, tendremos las sondas cerradas donde incluimos un líquido en su interior circulando en un circuito cerrado.
El captador más empleado sería el cerrado horizontal formado por un tubo de polipropileno reticulado enterrado hasta 1 metro de profundidad y con un líquido refrigerante en su interior. En función del generador geotérmico (bomba de calor) tendremos diversas instalaciones de diferentes potencias. Pueden emplearse para calefacción por suelo o muro radiante.
Optimización de materiales para la construcción sustentable
Es de suma importancia conocer las propiedades térmicas de los materiales empleados en la construcción para formular estrategias que ahorren recursos, disminuyan la inversión en equipos de refrigeración y sean respetuosas con el entorno mediante el empleo de materiales de bajo impacto ambiental y social a lo largo de todo su ciclo de vida.
22 Lo que nunca se debe olvidar es que los edificios se construyen para ser habitados y para vivir. Debemos olvidarnos de la idea de que el futuro usuario no es más que una molestia en el engranaje de la industria que fabrica casas, y apostar por fomentar su participación en todo su ciclo de vida. Todos esos conceptos hablan de una manera nueva de entender la construcción. El entorno, el clima, los materiales, los sistemas constructivos, el usuario y lo social, se nos presentan como ejes conductores de lo que debe ser la llamada construcción en un marco de desarrollo sustentable.
Estrategias de selección de materiales
Si se puede potencializar la utilización de materiales pesados (piedras naturales, piedras artificiales y cerámicos pueden ser un buen ejemplo), se podrá contribuir a tener abundante masa, con buena capacidad de acumulación térmica y una restitución pausada en el tiempo. Es decir, es posible obtener muros de considerable inercia térmica.
Para obtener un muro que contenga buenas prestaciones en cuanto a inercia térmica se refiere, se debe optimizar cada una de las fases que integran su secuencia de funcionamiento. Cuando el color es oscuro se obtienen los máximos porcentajes de absorción de la radiación incidente, situando al negro con el 100%. En el extremo opuesto estarían los colores claros, con porcentajes por debajo del 50%. La absorbencia del color blanco se situaría muy cerca del cero. El otro factor a tener en cuenta es el de la textura de los muros. Si ésta tiene un carácter especular, como pudiera acontecer con un acabado pulido, la componente reflexiva aumentaría y por tanto disminuiría el porcentaje de radiación absorbida. En el caso contrario se sitúa una superficie mate y rugosa.
23 tiempo que va a tardar en comenzar efectuarse la transferencia calorífica, o dicho de otro modo: el desfase que va a existir entre el comienzo de la captación y el comienzo de la restitución. Esta situación se puede prever mediante el correcto diseño del muro. En definitiva, podemos concluir que se dispone de una energía limpia y gratuita, que se concede a diario, y que se ha de canalizar hacia nuestra vivienda.
La consideración de la inercia térmica como estrategia pasiva exige de coherencia formal y constructiva. Las construcciones que poseen materiales pesados en sus muros, se ocupan en primer lugar de llenar el almacén energético, por lo que el ambiente tarda más en llegar a una situación de confort. Sin embargo una vez que se logra, se produce una estabilidad térmica que permite tener muy pocas variaciones de la temperatura interior, tanto diarias como estacionales, asumiendo las oscilaciones más o menos pronunciadas que experimenten las condiciones exteriores.
Es una buena solución para situaciones climáticas donde se producen grandes variaciones entre las temperaturas diurnas y las nocturnas, incluso entre las de verano y las de invierno, ya que la inercia térmica corrige y suaviza estos extremos. También es recomendable para aquellos usos de carácter permanente y continuo.
El efecto invernadero
24 Diseño de Climatización en construcciones existentes
El principal problema consiste en que el punto de partida se da en un volumen preexistente con unas condiciones constructivas que pertenecen a otra época y que no responden a los patrones actuales, las actuaciones que pueden realizarse encuentran limitaciones formales y funcionales. En cualquier caso, siempre son posibles intervenciones que logren mejorar el comportamiento energético del edificio reduciendo las pérdidas térmicas.
Existen posibilidades de aislamiento por el exterior, ya sea con sistemas adheridos a los recubrimientos o bien, con la incorporación de fachadas con suficiente ventilación que reducen sensiblemente las pérdidas de eficiencia en equipos de refrigeración. Si la composición del recubrimiento es la adecuada, este cambiará toda la inercia térmica hacia el interior logrando una estabilidad térmica muy adecuada. Si las exigencias del edificio requirieran de la implantación de sistemas de muy poca inercia térmica que busquen un rápido calentamiento del aire, se pueden instalar aislamientos sobre los interiores mediante el traslape de paneles de tabla roca.
Diseño integral de edificios y de sistemas de climatización
Como fue mencionado al inicio de este capítulo, cuando se habla del concepto de climatización nos estamos refiriendo tanto a la calefacción como a la refrigeración. Aspecto este que puede parecer paradójico, ya que en la actualidad nuestra factura en aire acondicionado supera la de calefacción. Para climatizar se necesita energía, energía que puede proporcionarse en forma de ahorro, de eficiencia o de utilización de energía, por supuesto mejor renovable que procedente de los mayoritarios combustibles fósiles.
25 diseñar las instalaciones de tal forma que funcionen según una zonificación que respete orientaciones y usos diferentes, así como los distintos horarios de utilización. Una buena zonificación del edificio en función de usos y un control de los horarios de utilización serán un primer paso fundamental para conseguir unas instalaciones de climatización eficientes.
26
Capítulo IV
Modelo de Análisis de Sustentabilidad de Sistemas de climatización de
edificios
La inversión sobre la construcción o remodelación de un edificio y la inversión de su equipo de refrigeración representan un capital de inversión considerable en suma con sus costos de operación y mantenimiento sobre el ciclo de vida del proyecto. Los costos de operación se consumen a lo largo de los años en medida que se demanda energía y otros recursos como el gas y el agua, sin pasar por alto los impuestos y costos de operación por el suministro de los mismos. La suma de estos costos se manifiesta por etapas como lo son los costos de instalación, mantenimiento, refacciones y gastos misceláneos, entre otros, los cuales es necesario sumarlos al el mismo capital de inversión.
Es necesario capitalizar todos estos costos y seleccionar una estructura adecuada de costos donde se pueda entender y analizar el detalle de cada uno de estos. La característica primordial de este análisis es encontrar el retorno neto de la inversión. Este retorno deberá ser evaluado y comparado mediante una serie de alternativas y técnicas de proyección de costos sobre la vida económica del proyecto.
Los proyectos de climatización de edificios pueden clasificarse en dos tipos según el monto de la inversión:
Proyectos de bajo capital de inversión (proyectos residenciales, comercios,
27
Proyectos de alto capital de inversión (hospitales, aeropuertos, hoteles, plazas o centro comerciales, entre otros).
Dentro de los proyectos de alto capital de inversión, se consideran los edificios comerciales para los cuales se está analizando el mayor consumo de energía en EUA. Cada edificio es distinto, el diseño y materiales empleados en el sistema de refrigeración variarán según su inercia térmica sin pasar por alto las temperaturas o ambientes a los cuales son sometidos, altitudes y regiones, entre otros aspectos importantes a considerar.
A continuación se presenta una serie de elementos clave que impactan directamente en el desarrollo de un proyecto de climatización:
Parámetros del diseño arquitectónico, configuración, estructuras, tipos de material
como acero o concreto, etc.
Requerimientos para la carga de aire acondicionado y calefacción
Requerimientos de seguridad y sistemas contra incendio
Requerimientos de alimentación y sistemas de disposición de agua
Requerimientos de distribución eléctrica (tableros de poder)
Requerimientos de telecomunicación y distribución de control
Requerimientos acústicos y aislamientos térmicos
Definición de espacios y localización para la instalación de los equipos de
refrigeración en el edificio
Calidad en los materiales empleados en la construcción o reconstrucción de
fachadas y azoteas.
Extensión y alcance de ventanas y vitrales que contribuyan con el factor de la iluminación entre azoteas y paredes.
28 2001. Es necesario entender las distintas condiciones de operación que se pueden dar en varios países. Por mencionar algunas, el caso de la escasez del agua es un ejemplo claro
como lo experimenta hoy en día algunas regiones de Medio Oriente. (Lstibureck, 2008).
Análisis Económico del Ciclo de Vida
El análisis económico del ciclo de vida (AECV) de los equipos de refrigeración es un método mediante el cual los diseñadores de edificios, constructoras e ingenieros de diseño de refrigeración, evalúan las distintas alternativas respecto a la infraestructura del proyecto de climatización a desarrollar. Este método se fundamenta en el cálculo a detalle de los costos de operación y mantenimiento sobre el tiempo de vida del proyecto. Considera costos de capital inicial e inversión y los costos de operación y mantenimiento a tiempo futuro.
Esta metodología provee las bases necesarias para aceptar o refutar toma de decisiones de inversión sobre los equipos de refrigeración. Existe una fuerte tendencia sobre la optimización de recursos de aire acondicionado, calefacción y sistemas de ventilación. Esto ha conllevado a la continua restauración y modificación de estos equipos contra los beneficios de ahorro económico en la operación.
A continuación se presenta la ecuación base para encontrar el costo total que representa los costos de operación y mantenimiento.
Costo Total = costo inicial + energía + pólizas de mantenimiento +
promedio de fallas + reparación de equipos +
actualización de equipos + costo final de recuperación
29 análisis complementan el desarrollo de la metodología de análisis económico del ciclo de vida del proyecto.
El uso de modificaciones en interiores y exteriores del edificio puede incrementar el costo inicial del proyecto. Por ejemplo, la utilización de vidrios de la alta densidad que disminuye considerablemente el traspaso de la radiación en fachadas para exteriores de edificios reduce considerablemente el tiempo de operación de compresores en los equipos de refrigeración.
El concepto del valor del dinero es fundamental para el entendimiento del análisis económico y financiero de la inversión del proyecto. La técnica de justificación financiera de proyectos que utilizaremos será la del Valor de Presente Neto (VPN) la cual permitirá entender el valor calculado como la diferencia entre la suma de flujos futuros esperados de una inversión descontados por una tasa de rendimiento y la inversión original. El VPN es conocido como el método más usado para la evaluación de proyectos de inversión a largo plazo. Su utilización permitirá determinar si una inversión cumple con su objetivo básico financiero: maximizar la inversión.
Principios del Método de VPN
Cuando el total del costo del ciclo de vida de los equipos (método del valor presente) se utiliza considerando todo el tiempo en el que se incurren los gastos del proyecto, se entiende que los gastos futuros serán contabilizados en valor del tiempo real en que se lleva a cabo el estudio (su valor presente). La importancia de este proceso se debe al traslado de valores futuros a valores y referencias presentes en las cuales permite tomar decisiones más fácilmente.
30 los equipos. Una vez que el flujo de efectivo es descontado en la base de un año, se determina el peso de flujo de efectivo sobre esta misma base con el fin de obtener el valor total presente neto.
El valor presente (VP) de costo inicial del costo del proyecto será directamente la suma de la inversión inicial mas la suma de sus costos iniciales de instalación y arranque.
El valor presente de un gasto futuro (VF) se deberá obtener con la siguiente ecuación donde i es la tasa de descuento (interés) y n es el número de períodos de tiempo que separan al gasto futuro del tiempo actual. El período de composición del interés debe ser en base a la misma unidad de tiempo en que se mide el número de períodos n.
PV = FV (_______1_________) (1 + i )n
Es común que en ciertos proyectos las inversiones son realizadas no solamente en el arranque de los proyectos o en el inicio del periodo. En ocasiones los inversionistas del proyecto depositan cierta cantidad de pagos periódicos a través del tiempo. Cuando la relación del pago es siempre la misma, se le conoce como anualidad. Cuando la relación del pago se recibe al final del periodo se le conoce como anualidad ordinaria. El cálculo del valor futuro de la anualidad ordinaria (A) se describe a continuación.
PV = A (_ (1 + i)n - 1) i (1 + i )n
Limitaciones del AECV de Sistemas de Climatización
31 resultados del análisis del costo del ciclo de vida. A continuación se presenta una serie de recomendaciones que se deben seguir para evitar errores en el procesamiento de la información.
Utilizar información autentica y confiable en todos los parámetros de la
comparación de alternativas. Por ejemplo, el desconocimiento sobre el tiempo de vida de los equipos, la cantidad de energía real que consumen los compresores y motores que esta misma a su vez podrá ofrecer el comparativo de ahorro de energía, los costos de reemplazo de refacciones o por concepto de mantenimientos correctivos mayores, entre otros.
Tener cuidado con los supuestos que se manejen dentro del proyecto. Es necesario
encontrar casos, aplicaciones o inclusive contar con el apoyo de especialistas en temas que puedan sustentar dichos supuestos.
Contar con información actualizada sobre datos y hojas técnicas en la parte de recomendaciones del fabricante de los equipos de refrigeración. Una parte medular es la interpretación que se pueda tener dentro de estos conceptos.
Entender que el desempeño de los equipos de refrigeración puede variar con
respecto a las condiciones externas al sistema de refrigeración como por ejemplo las condiciones ambientales y su relación con las condiciones de humedad y temperatura en las tuberías de succión y descarga, las prácticas de operación incorrectas de arranque y paro de equipos es otra causa de variación en el desempeño y por mencionar otra, lo pueden ser las condiciones del factor de potencia en la subestación del edificio en caso que se encuentren por debajo del factor ideal.
Tomar en cuenta como referencia información de otros proyectos es
32 Sin embargo, es común que se puedan cometer errores en proyectos donde la referencia no concuerde a detalle con el proyecto.
Analizar frecuentemente las variables de tiempo y presupuesto del proyecto por
las restricciones que puedan surgir en el transcurso de este. El objetivo es tener un menor impacto en la parte económica del análisis del proyecto.
Considerar las restricciones y políticas de los propietarios del edificio. Al
momento de crear un portafolio de propuestas, en lo que respecta a las modificaciones del edificio, se pueden desechar una gran cantidad de estas por no involucrar asertivamente al propietario del edificio.
Proceso de Aplicación del AECV
El proceso general de aplicación del AECV utilizando el método de VPN deberá seguir los siguientes pasos:
Paso 1. Definir el área de operación
El área de trabajo del proyecto deberá ser definida como el paso número uno. Esta área se refiere al área del edificio donde se concentrara el análisis del capital de la inversión. Será necesario realizar un costeo preliminar de los elementos potenciales que tienen la mayor influencia sobre el consumo de energía de los equipos de refrigeración. Entre más grande sean las condiciones del edificio o del proyecto, en este modelo la tendencia de encontrar una mayor razón de ahorros potenciales será mayor. La clave para encontrar la solución más adecuada dentro de este análisis radica en el nivel del detalle que se utilice.
33 Este paso involucra la identificación de posibles alternativas de equipos y su instalación. Existen distintos caminos para encontrar soluciones de climatización. Dentro de este concepto, es necesario echar mano de la experiencia del equipo instalador. Normalmente se encuentran beneficios al momento de discutir ideas respecto a la selección de alternativas de equipos de refrigeración. Para ello es importante la experiencia adquirida en instalaciones anteriores, historias de éxito entre instaladores del medio, información historia, recomendaciones de fabricantes o inclusive recomendaciones de especialistas del área de garantías de equipos, etc.
Paso 3. Determinación de costos
Para cada alternativa se deben estimar costos de capital y los costos de operación. Los costos de capital son los costos no recurrentes que aparecen como suma global en tiempo presente o en un tiempo fijo. Estos costos además pueden ser desglosados por concepto de pagos periódicos. Los costos de operación son los costos recurrentes que se pagan periódicamente sobre el tiempo de vida del proyecto. Tienen la característica que se presentan sobre una base regular sobre los pagos de energía eléctrica y combustible, reparaciones, refacciones, pólizas de mantenimiento, consumibles de los equipos de refrigeración y costos de reemplazo.
Paso 4. Evaluación del VPN
34
Paso 5. Análisis de Sensibilidad
Los resultados del valor presente de las alternativas son analizados para facilitar la toma de decisiones. Un valor presente positivo significa que los costos del proyecto son aceptables. Un valor presente negativo significa que el proyecto no deberá de ser tomado en cuenta o que al menos será necesario analizar el cálculo o considerar modificaciones a esta alternativa. En este sentido, la mejor alternativa será aquella cuyo VPN sea mayor. Existen otros criterios que pueden añadirse para tomar una decisión final tales como son los factores de confiabilidad de los equipos, minimización de riesgos, tiempo de implementación, políticas de la compañía, preferencias de marcas de los clientes, entre otros.
Paso 6. Análisis de Sensibilidad
El análisis de sensibilidad es una técnica de soporte del AECV que ayuda a considerar las posibles debilidades de la calidad de la información de las variables consideradas en la evaluación de las alternativas. Este análisis identificará el rango de valores de las variables que presenten mayor incertidumbre en que la elección de la mejor alternativa se mantiene sin modificarse.
Ejemplo Básico de la aplicación del AECV
Dentro del manual universal de equipos de refrigeración existen ejemplos de aplicaciones de la técnica del análisis del costo del ciclo de vida de estos equipos
(ASHRAE: Febrero 2010, www.ashrae.org/lifecycle). Un ejemplo se refiere a la
35 Para la alternativa de contratar el servicio de agua fría, el precio del sistema de enfriamiento de agua y su red de servicios de suministro de agua fría costará $65,250 USD por el primer año y su tasa de incremento anual se dará a una razón del 2.5% anualmente.
El tiempo de vida esperado por el equipo de refrigeración (chiller) y su respectiva torre de enfriamiento tiene un costo inicial de $220,000 USD en 20 años. Una reparación mayor del equipo tiene un costo de ($90,000 USD) y se espera que se dé en el año numero 10. Los costos anuales por concepto de pólizas de mantenimiento preventivo del equipo se dan en una relación de ($1,400 USD), mano de obra ($10,000 USD), consumo de agua ($2,000 USD) y tratamientos químicos ($1,800 USD). La inflación se estima a una tasa promedio del 3% anual. El Costo por el consumo de energía se da en una relación de ($18,750 USD) y se espera que este se incremente en una tasa del 5% anual.
Para este proyecto se estima una tasa del descuento del 8% para la ejecución de la toma de decisiones financieras. Asumiendo un periodo de estudio de 20 años, ¿Que alternativa presenta un esquema de menor costo de ciclo de vida de equipos de refrigeración?
36
ALTERNATIVA 1:COMPRA Y
SUMINISTRO DE AGUA FRIA AÑO 0 AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5 AÑO 6 AÑO 7 AÑO 8 AÑO 9 AÑO 10 Costos de compra de agua fria $65,250 $66,881 $68,553 $70,267 $72,024 $73,824 $75,670 $77,561 $79,500 $81,488 Costos de reemplazo del equipo
Costos de Mantenimiento del equipo
Flujo neto de efectivo anual (MX) $65,250 $66,881 $68,553 $70,267 $72,024 $73,824 $75,670 $77,561 $79,500 $81,488 Valor presente del flujo de efectivo
anual (MX) $60,417 $57,340 $54,420 $51,648 $49,018 $46,522 $44,153 $41,904 $39,770 $37,745
Costo del Ciclo de vida del equipo en un periodo de 20
años (MX)
$769,283
ALTERNATIVA 1:COMPRA Y
SUMINISTRO DE AGUA FRIA AÑO 11 AÑO 12 AÑO 13 AÑO 14 AÑO 15 AÑO 16 AÑO 17 AÑO 18 AÑO 19 AÑO 20 Costos de compra de agua fria $83,525 $85,613 $87,754 $89,948 $92,196 $94,501 $96,864 $99,285 $101,767 $104,312 Costos de reemplazo del equipo
Costos de Mantenimiento del equipo
Flujo neto de efectivo anual (MX) $83,525 $85,613 $87,754 $89,948 $92,196 $94,501 $96,864 $99,285 $101,767 $104,312 Valor presente del flujo de efectivo
[image:45.612.71.542.70.319.2]anual (MX) $35,823 $33,998 $32,267 $30,624 $29,064 $27,584 $26,179 $24,846 $23,581 $22,380
TABLA 4.1 Alternativa 1: Compra y suministro de agua fría. Análisis del costo del ciclo de vida del equipo en un periodo de 20 años.
La estimación del VPN de la Tabla 4.2 Alternativa 2, se muestra el año cero del costo inicial del equipo de refrigeración (chiller) y el costo de su instalación. Los costos de energía y de así como de la reparación mayor en el año 10, se muestran para cada año considerando su correspondiente incremento debido a la inflación. El valor presente de cada pago se obtiene de la misma forma que en la Alternativa 1 utilizando la tasa de descuento de 8% anual.
37
ALTERNATIVA 2: INSTALACION DE UN EQUIPO CHILLER (ENFRIADOR
DE AGUA) A LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
AÑO 0 AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5 AÑO 6 AÑO 7 AÑO 8 AÑO 9 AÑO 10
Costo Iniciales $220,000
Costos de energía $18,750 $19,688 $20,672 $21,706 $22,791 $23,931 $25,127 $26,384 $27,703 $29,088 Costos de reemplazo del equipo - - - - - - - - - $90,000
Costos de Mantenimiento del
equipo $15,200 $15,656 $16,126 $16,609 $17,108 $17,621 $18,150 $18,694 $19,255 $19,833 Flujo neto de efectivo anual (MX) $33,950 $35,344 $36,798 $38,315 $39,899 $41,552 $43,277 $45,078 $46,958 $138,921 Valor presente del flujo de efectivo
anual (MX) $31,435 $30,301 $29,211 $28,163 $27,154 $26,184 $25,251 $24,354 $23,490 $64,347 Costo del Ciclo de vida del
equipo en un periodo de 20 años (MX)
$717,100
ALTERNATIVA 2: INSTALACION DE UN EQUIPO CHILLER (ENFRIADOR
DE AGUA) A LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
AÑO 11 AÑO 12 AÑO 13 AÑO 14 AÑO 15 AÑO 16 AÑO 17 AÑO 18 AÑO 19 AÑO 20
Costo Iniciales
Costos de energía $30,543 $32,070 $33,673 $35,357 $37,125 $38,981 $40,930 $42,976 $45,125 $47,382
Costos de reemplazo del equipo - - - - - - - - -
-Costos de Mantenimiento del
equipo $20,428 $21,040 $21,672 $22,322 $22,991 $23,681 $24,392 $25,123 $25,877 $26,653 Flujo neto de efectivo anual (MX) $50,970 $53,110 $55,345 $57,679 $60,116 $62,662 $65,321 $68,100 $71,002 $74,035 Valor presente del flujo de efectivo
[image:46.612.73.539.70.360.2]anual (MX) $21,860 $21,090 $20,350 $19,637 $18,951 $18,290 $17,654 $17,042 $16,452 $15,884
38
Capítulo V
Variables del modelo de evaluación de proyectos de climatización en
edificios
Para la definición de las variables que serán consideradas en el modelo de evaluación económica de sistemas de climatización de edificios, se identificarán algunas estrategias que han sido utilizadas en EUA para incrementar la eficiencia en los sistemas de aire acondicionado en edificios. Conocer estas estrategias ayudará a identificar las variables que afecten directamente y en mayor proporción la eficiencia del sistema de aire acondicionado. Se entenderá su comportamiento y su interacción para proponer alternativas innovadoras que serán evaluadas para elegir la más conveniente bajo un criterio de sustentabilidad a través del diseño de un modelo de evaluación económica de proyectos.
Entre las estrategias actualmente utilizadas en EUA para obtener mayores eficiencias en los sistemas de climatización cabe mencionar las siguientes:
Mayor control en los sistemas de ventilación de aire
Incremento de eficiencia en equipos (SEER)
Desarrollo tecnológico en sistemas de inyección y recuperación de aire con base
en la automatización
Disminución de la recirculación y flujo del aire para disminuir el consumo de
energía en turbinas o ventiladores
Desarrollo de dispositivos híbridos de ventilación para incrementar el recorrido
39 Las anteriores estrategias empleadas en EUA dan una idea del esfuerzo realizado para disminuir el consumo de energía de los equipos de climatización. Sin embargo, estas estrategias pueden resultar insuficientes para la identificación de las variables de un modelo de evaluación que aplique un criterio de sustentabilidad, es decir, que incluya un enfoque de costeo del ciclo de vida de todo el sistema. Se requiere entonces incluir variables relacionadas con los costos relacionados a la inversión de los equipos, así como también variables relacionadas con los gastos de operación y mantenimiento.
A continuación se muestra las variables a considerar en el modelo de evaluación económica que se propone en esta investigación para seleccionar sistemas de refrigeración sustentables.
Selección de equipos de refrigeración
Eficiencia energética en equipos de refrigeración (SEER, tipos de compresor,
tipos de control electrónico, refrigerantes, diseño, etc.)
Sistemas emergentes de energía (geotérmica, solar y eólica)
Aislamientos (construcción, paredes, techos, recubrimientos, etc.)
Tecnología de materiales (aprovechamiento del concepto de inercia térmica en
materiales como cemento, madera, hormigón, etc.)
Sistemas periféricos (control de temperatura en interiores, automatización,
ventilación, ductería, etc.)
Materiales orgánicos
A continuación se describen las variables aquí mencionadas.
Selección de equipo de refrigeración
40 calefacción necesaria para que el sistema pueda mantener un estado confortable para los habitantes del edificio. A este concepto le llamaremos la carga térmica del edificio.
Existe una diversidad de equipos de aire acondicionado. Están los sistemas completos comerciales que se instalan en los techos y utilizan sistemas de ductería para suministrar el aire acondicionado. Existen sistemas splits que por lo general cuentan con un sistema independiente de generación de aire o turbina incluyendo filtros, evaporadores y condensadores, separando evaporadores en los interiores y condensadores en los exteriores. Dentro de las ventajas de estos sistemas es que al no contar con sistema de ductería se vuelven más eficientes como unidades independientes. Sin embargo, existen distintas aplicaciones e innovaciones en los sistemas de ductería que permiten incrementar la eficiencia o disminuir la pérdida de energía entre la inyección de aire acondicionado y la extracción del calor. Otros equipos pueden ser los sistemas enfriadores de agua (chillers) que utilizan evaporadores que recirculan agua fría y unidades de absorción con aplicaciones más industriales donde se cuenta con espacios y atmósferas con altas temperaturas y altos niveles de humedad.
La carga térmica del edificio en primera instancia depende de los metros cuadrados con los que cuente. Sin embargo, un verdadero cálculo de la carga térmica del edificio incluye y está directamente relacionado con variables como la orientación con el
sol, el valor “R” del factor de aislamiento, número, tamaño y localización de cuartos en el edificio, número y dimensiones de pisos y ventanas, tipos de ventanas y puertas (en función de la carga térmica, según características de materiales y su análisis de masa) entre otros. Para realizar el cálculo de la carga térmica en un edificio es necesario utilizar fórmulas matemáticas que consideren todas estas variables.
Es muy común que al momento de encontrar el valor de la capacidad del equipo a utilizar en el sistema se utilice un factor de protección relativamente elevado para asegurar el confort en un menor tiempo requerido. Esta diferencia en el largo plazo representa una pérdida adicional por el consumo de energía. Si el cálculo se realizó por
41 incremento en el costo de mantenimiento por el número mayor de ciclos en el equipo. Es por esta razón que la relación del consumo de energía es directamente proporcional a la precisión del cálculo de la carga térmica en el edificio.
Algunas de las consecuencias que se pueden tener por no realizar un cálculo preciso sobre la carga térmica en el edificio se manifiestan en las siguientes características en el edificio, la temperatura y el factor de la humedad del aire. Un sistema de refrigeración puede ser capaz de disminuir rápidamente la temperatura en el interior pero tardar en disminuir el factor de la humedad en aire del interior. El resultado es que las personas en el interior pueden percibir una temperatura agradable pero un ambiente húmedo y no muy confortable.
Es muy común que hoy en día se cometan errores al momento de la selección de un equipo de aire acondicionado. En un proyecto de climatización de edificios, la selección del equipo regularmente se da en función del precio, tiempo de entrega o por sugerencia de los clientes. Uno de los posibles efectos de esta selección inadecuada es el incremento de energía o la distribución ineficiente del flujo de aire. Definitivamente existen otros tipos de errores que se comentan en la selección del equipo como el no considerar las pérdidas de eficiencia en equipos por cargas térmicas como lo son los ductos ineficientes, la falta de aislamiento o las fugas de aire acondicionado en recubrimientos.
Eficiencia energética en equipos de refrigeración
