sistemas de aire acondicionado solar

Expo & Conferencias para la Refrigeración & el Aire Acondicionado Junio 2 y 3 de 2016 • Centro de Convenciones Atlapa

Ciudad de Panamá, Panamá

Integración de tecnologías

energéticamente eficientes para operar

sistemas de aire acondicionado solar

I.M. César A. Isaza Roldán, Ph.D. – [email protected] Grupo de Investigación de Energía y Termodinámica

Centro de Investigación, Desarrollo y Calidad en Refrigeración y Climatización Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín - Colombia

Contenido de la presentación

• Introducción:

- Alternativas de climatización con energía solar

- La tecnología de absorción en el actual contexto energético • Aspectos tecnológicos de la refrigeración por absorción

- Tipos, mezclas, prestaciones y equipos comerciales - Nuevos Desarrollos

- Ventajas e inconvenientes

• Tecnologías energéticamente eficiente aplicadas a sistemas de climatización solar

• Simulación energética • Conclusiones

El uso de la energía solar es interesante en las zonas

intertropicales, entre las latitudes

situadas entre 10° norte del Trópico de Cáncer y 10° sur del Trópico de Capricornio. La irradiación promedio

anual es 6 kW-h/m2_{-día (2.190}

kW-h/m2_{-año) sobre una superficie}

horizontal, con una diferencia

máxima de cerca de 3.000 W/m2_-día.

Zonas geográficas con potencial de uso

de la energía solar

Entre 15 y 35° de

latitudes norte y sur,

con insolación de cerca

de 3.000 horas al año

con radiación solar

representando 2.300 a

4.6 kW/m

_{día en}

invierno y 7 a 9.3

kW/m

_{-día en verano.}

A 15° a cada lado del

ecuador con 2.200 a

2.400 horas de

insolación y radiación

solar representando

3.5 a 6 kW/m

_{-día a}

través del año.

Zonas ecuatoriales

Tecnologías de refrigeración para el

aseguramiento del desarrollo sustentable

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

• Refrigerantes ambientalmente amigables • La refrigeración solar como una opción de

sustentabilidad.

• La tecnología de desecantes para el suministro de enfriamiento,

deshumdificación y ventilación. • La trigeneración, combinación de

enfriamiento, calor y generación de potencia.

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

Eficiencias y costos de tecnologías para

refrigeración solar

Eficiencias y costos de tecnologías para

climatización por compresión de vapor

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

Eficiencias y costos de tecnologías para

climatización con energía solar

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

TE TC, TA TG A SHX G E C T P PH P_L QG QE Q_A QC Torre de enfriamiento Colector solar Tanque agua caliente CA Agua de enfriamiento Agua helada

Refrigeración por Absorción Usando

Energía de Baja Temperatura

40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Temperatura de generación [°C] E fi c ie n c ia d e l C o le c to r, C O P s o l [-] C O P [ -] COP Eficiencia del colector COPsol

Máximo COP en sistemas de enfriamiento operados con

energía solar (T

= 30°C , T

= 0°C, T

= 35°C, I

= 1000

• Aspectos ambientales

• Aspectos de la industria solar • Diseño integral

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

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

potencial existente y el interés del mercado

Fuente: Yazaki ®

Principales argumentos a favor del desarrollo

de los sistemas de enfriamiento solar

NH₃ – H₂O

• Usado en refrigeración

industrial y acondicionamiento de aire para bajas

capacidades.

• Problemas de rectificación. • Tiene restricciones de uso en

algunos lugares.

• No requieren torre de enfriamiento.

• Trabaja a altas presiones (10-15 bar Cond. y 3-5 bar Evap.) • Bajos COP. H₂O – LiBr • Usados en acondicionamiento de aire. • Problemas de cristalización y pérdida de vacío. • Requieren torre de enfriamiento.

• Requiere purga de gases incondensables

• Trabaja a bajas presiones (1 bar Cond. y 0,01 bar Evap.)) • Altos COP.

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración

por Absorción

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración por Absorción

Características de las enfriadoras de absorción H₂O/LiBr

Temperatura del agua fría producida: 5 – 10ºC.

Efecto Simple Doble Triple

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

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

COP_t 0.5 – 0.7 1.0 – 1.3 1.4 – 1.7

Estado de desarrollo Comercial Comercial Experimental y algún modelo comercial

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

Aspectos Tecnológicos de la Refrigeración

por Absorción

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

Indices Temp. Refrigeración -60 a 0ºC Temp Refrigeración 5 a 10ºC

Efecto Simple Simple GAX Doble

Tª fuente calor (ºC) 100 - 200 80 - 120 160 - 200 170 -220 Capacidad (kW) 10 – 6,500 10 - 30 10 - 90 < 110 COP_t 0.25 – 0.6 (GAX 0.7+) 0.5 – 0.6 0.7 – 0.9 0.8 – 1.2 Estado de

desarrollo Comercial Comercial

Pequeños equipos comerciales

Experimental

Fabricantes:

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

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

Recientes desarrollos

Recientes desarrollos

Tecnologías Existentes de climatización

solar por absorción

Tipo de Enfriadora de absorción

NH₃/H₂O H₂O/LiBr

Simple efecto Simple efecto Doble efecto Triple efecto

COP_t 0.5 – 0.75 0.65 – 0.8 1.1 – 1.4 1.6 – 1.8 Temp Fuente de Calor (ºC) 70 – 100 120 – 180* 70 – 100 140 – 180 200 – 250 Tipo de captador solar(1) CSP, CTV, *SCS CSP,CTV SCS SCS

(1)_{CSP: Captadores Solares Planos}

CTV: Captadores de Tubos de Vacío SCS: Sistemas de Concentración Solar

Ejemplos de Instalaciones

 Estadio de fútbol de Qatar (I)

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

- Área de apertura total 1,408m2

- Área bruta de apertura 2,100m2

- Circuito de agua presurizada a 15bar

Ejemplos de Instalaciones

 Estadio de fútbol de Qatar (II)

- Depósito de almacenamiento de frío con PCM (100 m3_, Cambio de fase 15ºC, 5780 kWh). - Depósito de almacenamiento agua presurizada (40m3 ,140-200ºC).

- Enfriadora de doble efecto

Thermax HDG 30A-TCU

Ejemplos de Instalaciones

Paneles SFV.

Peso 18,5 kg Dimensiones 1,65x0,99x0,04m Cantidad 52 Tipo Silicio Policristalino Marca Yingli Potencia por panel 245 Wp Potencia instalada 12,5 kWp Área efectiva 85,8 m2

Conexión a la red Inversor Central Socio estratégico HYBRYTEC

Colectores HSC.

Peso 60 kg

Diámetro tubo 70 mm Longitud tubo 2000 mm No. tubos 20

Tipo Heat Pipe (Tubo de Calor)

Marca Shandong Lucy New Energy Technology Co.,Ltd Modelo S-HSC-70-20

Área efectiva 2,04 m2

Área efectiva instalada 20,8 m2

Bloque 24

Acceso peatonal

1) Aislamiento

2) Punto de condensación del tubo de calor 3) Canal de cobre

4) Sello soldado metal/vidrio 5) Sello para polvo

6) Tubo de calor y ducto de conducción 7) Vacío

8) Cubierta de aluminio 9) Tapa protectora

Colectores de tubos de vacío tipo heat

pipe

Torre de enfriamiento:

remueve el calor del chiller de absorción a través de un proceso de

enfriamiento evaporativo

Unidades Manejadoras de Aire:

combinan las unidades de

ventilación y los intercambiadores de calor en una unidad

Chiller de absorción: sistema de producción

de agua helada con agua caliente

Colectores solares térmicos:

producen agua caliente con energía solar

Tanque agua helada Tanque agua caliente

7°C 12°C 22°C 85°C 90°C 2 ,9 m 3/h 30°C 5 m 3/h 2 m3_/h 35°C

Configuración inicial

Torre de enfriamiento:

remueve el calor del chiller de absorción a través de un proceso de

enfriamiento evaporativo

Chiller de absorción: sistema de producción

de agua helada con agua caliente

Colectores solares térmicos:

producen agua caliente con energía solar

Tanque agua helada Tanque agua caliente

15°C 20°C

80°C 85°C

Esterillas de agua helada: Tubos

capilares en PP que intercambian calor por radiación

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

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

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

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

energía calórica extraída del aire acondicionado.

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

Conclusiones

• Las esterillas de agua helada en paredes radiantes, es una tecnología de climatización que permiten operar a temperaturas de agua helada relativamente altas (14-17 °C). Con ellas se obtiene la misma

sensación de confort, es decir, la misma temperatura operativa, con temperaturas de aire mayores. Por lo tanto, el sistema de ventilación se puede calcular para un caudal mucho menor de aire.

• El sistema de ventilación estará compuesto por un enfriador

evaporativo indirecto, reduce la temperatura del aire exterior a

través del fenómeno de enfriamiento evaporativo, pero sin el

consecuente aumento de la humedad de la corriente de aire que ingresa al recinto.

Conclusiones

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

• La eficiencia del chiller de absorción deberá aumentar como

consecuencia del uso de temperatura de evaporación mas elevadas. • El uso de tecnologías energéticamente eficientes tales como las

esterillas de agua helada y los sistemas de enfriamiento evaporativo indirecto potencializan el uso de sistemas de climatización

ambientalmente sostenibles.

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

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