Primer Foro de Ahorro en Puerto Escondido, Oax. Agradecemos la Distinguida Presencia a la Presentación de: Ahorro de Energía Eléctrica en Sistemas de Aire Acondicionado Agosto 25, 2011 pavel_morenomx@yahoo.com.mx 1 Aire Acondicionado 500 • Es una operación energética cuya manifestación en el consumo de energía es eléctrica, • El manejo para disminuirlo es térmico. 7 450 6 400 350 5 300 4 250 200 3 150 2 100 • Puede representar el 20% de los costos de construcción de un edificio. • En climas calurosos puede llegar a ser el mayor consumidor de energía. 1 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Q (m3/h) I (W/m2) Aire Acondicionado • Debe proporcionar confort Temperatura Humedad Limpieza, Ventilación Sin olores, ni partículas Las Causas Temperatura exterior. Radiación solar. Su efecto se traducirá siempre en un calentamiento o ganancia de calor. Iluminación artificial. produce calentamiento o ganancia de calor, en virtud de su eficiencia de conversión. Maquinaria y Equipos. produce calentamiento o ganancia de calor. Personas. una ganancia de calor que depende del tipo de actividad desarrollada. Temperatura • Escalas comunes de temperaturas son la Celsius y la Fahrenheit, • La escala Celsius usa la unidad "Grado Celsius" (cuyo símbolo es ºC) que es igual en amplitud a la unidad "kelvin“ K • Kelvin es un sistema de referencia absoluta para la medición de temperaturas. • En 0 Kelvin la materia carece de movimiento • Toda la materia es sólida Si Tc representa la temperatura Celsius entonces Tc = TK - 273.15 TK = TC + 273.15 La Tonelada de Refrigeración. Una Toneladas de Refrigeración (TR), es la potencia frigorífica capaz de congelar una tonelada de agua de 0°C hasta hielo a 0°C, en un intervalo de tiempo de 24 horas. 1 TR = 12,000 BTU / h o bien 200 BTU / min 1 TR = 211 kJ / min =12,660 kJ /h = 3.516 kW 1 TR = 50.4 kcal / min = 3024 kcal /h = 72,576 kcal / día Relación de Eficiencia Energética [REE] Índice que manifiesta la potencia eléctrica que debe absorber un equipo de refrigeración para producir una tonelada de refrigeración. kiloWatt /Tonelada de Refrigeración un equipo es más eficiente entre menor sea este indicador. Potencia Eléctrica Re querida (kW ) Re lación de Eficiencia Energética = Toneladas de Re frigeración (TR ) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Reciprocant e Cent rifugo 60´s Act ual Potencia Eléctrica Re querida (kW ) Re lación de Eficiencia Energética = Toneladas de Re frigeración (TR ) La Norma NOM-021ENER/SCFI/ECOL-2000, especifica la Relación de Eficiencia Energética (REE). Los aparatos sujetos al cumplimiento de esta Norma, deben tener un valor de REE mayor o igual que los valores especificados en la Tabla. Equivalencias REE W/W Térmico/Elec REE (TR /kWElec)} REE (TR /HP Elec)} BTUh/W Equivalente kW/TR Elec/Térmico 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 0.28 0.34 0.40 0.45 0.51 0.57 0.63 0.68 0.74 0.80 0.85 0.91 0.97 1.02 1.08 1.14 1.19 1.25 1.31 1.36 1.42 1.48 1.54 1.59 1.65 1.71 1.76 1.82 1.88 1.93 1.99 0.38 0.46 0.53 0.61 0.69 0.76 0.84 0.91 0.99 1.07 1.14 1.22 1.30 1.37 1.45 1.52 1.60 1.68 1.75 1.83 1.91 1.98 2.06 2.13 2.21 2.29 2.36 2.44 2.52 2.59 2.67 3.41 4.09 4.78 5.46 6.14 6.82 7.51 8.19 8.87 9.55 10.24 10.92 11.60 12.28 12.97 13.65 14.33 15.01 15.70 16.38 17.06 17.74 18.42 19.11 19.79 20.47 21.15 21.84 22.52 23.20 23.88 3.52 2.93 2.51 2.20 1.95 1.76 1.60 1.47 1.35 1.26 1.17 1.10 1.03 0.98 0.93 0.88 0.84 0.80 0.76 0.73 0.70 0.68 0.65 0.63 0.61 0.59 0.57 0.55 0.53 0.52 0.50 Formas de transferencia de calor • Conducción • Convección • Radiación Conducción MATERIALES DE CONSTRUCCION Muro de tepetate o arenisca calcárea al interior Muro de adobes al exterior Muro de adobes al interior Muro de embarro (con paja - carrizo) Granito, basalto Piedra de cal, mármol Piedra porosa como arenisca y caliza blanda o arenosa Yeso Adobe Concreto armado Concreto pobre al exterior Vidrio K (W/m°C) 0.93 0.93 0.582 0.465 3.49 2.442 2,326 0.372 0.93 1.74 1.28 1.81 ( - ) q = - kA T 1 T 2 | x Paredes compuestas q = (T1 - T4) xA xB xC + + kA A kB A kC A Convección q = h A (Ts - T) Tabla. Valores de coeficientes de transferencia de calor por (Btu/hr2 Fenómeno h (W/m °C) 2 pie °F) Convección natural, aire. de 5 a 25 de 1 a 5 Convección forzada, aire. 10-500 2-100 Convección forzada, agua. 100-15000 20-3000 Agua en ebullición. 2500-25000 500-5000 Condensación de vapor de 500-100000 1000-20000 agua. Radiación Solar Valores de Emitancia q= 4 T Material Emitancia Aluminio Oxidado 0.12 Aluminio Pulido 0.05 Cromo 0.17 Cobre pulido 0.05 Cobre oxidado 0.83 Hielo 0.97 Hierro Pulido 0.08 Hierro Oxidado 0.66 Ladrillo 0.9 Papel Blanco 0.95 Pintura Amarilla 0.95 Pintura Blanca 0.95 Pintura Roja 0.96 Plata pulida 0.02 Oro pulido 0.02 Radiación Solar San Salvador Latitud 13° 42' N Longitud 89° 13' W Radiación Solar Ventilación. Mediante la ventilación se mantiene y controla el grado de pureza del aire de un recinto; además, se ayuda a mantener niveles aceptables de temperatura y humedad. Zona de Confort 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Calculo de la Carga térmica Conducción a través de la estructura exterior. Qp = U*Ap*DTCE donde : Qp = flujo de calor (kcal/h): U = coeficiente global de transmisión (kcal/h * m2 * oC) Ap = superficie considerada (m2). DTCE = diferencia de temperatura para carga de enfriamiento (oC). Calculo de la Resistencia Térmica (U) para Techos Y Muros U: coeficiente global de transmisión Depende de los materiales de construcción n 1/U = (1 / hi ) + (ei / Ki) + (1 / he ) i =1 hi : coeficiente de transferencia de calor por convección interior he: coeficiente de transferencia de calor por convección exterior ei : Espesor de los diferentes materiales que componen el techo o pared Ki : Conductividad térmica de los diferentes materiales que componen el techo o muro (W/m°C) Las fórmulas se simplifican con: Techos: hi = 5.8 W / m2 °C he = 23.3 W / m2 °C (vel. viento = 2 m/s) Muros: hi = 8.1 W / m2 °C he = 23.3 W / m2 °C (vel. viento = 2 m/s) La siguiente imagen representa los materiales de construcción de una pared, en la tabla de presentan las características térmicas de los mismos. 1 1 0.01 0.1 0.01 1 U 8.1 1.047 0.872 0.814 23.3 Calculo de la Resistencia Térmica Paredes interior 1 2 3 exterior Capa 1 Material Azulejo (marmolina) planchado Espesor (m) k W/mC 0.01 Capa 2 Tabique gris de arena y grava 0.1 Capa 3 Cemento y Arena 0.01 Coeficiente de transmisión de calor por convección h interior aire W/m2 C h exterior aire W/m2 C Coeficiente Global U (W/Cm2) w U 3.3 C m2 1.047 0.872 0.814 8.10 23.30 3.30 Conductividad térmica (k) Varios materiales MATERIALES DE CONSTRUCCION DENSIDAD (Kg/m3) Muro de ladrillo al exterior Muro de ladrillo al exterior con recubrimiento impermeable por fuera. Muro de ladrillo interiores Muro de ladrillo comprimido vidriado para acabado aparente, extrior. Muro de tabique ligero con recubrimiento impermeable por fuera. Muro de tabique ligero al exte-rior. Placas de asbesto cemento K (W/m°C) 0.872 0.768 0.698 1.28 1,600 1,400 1,200 1,000 0.698 0.582 0.523 0.407 1,600 1,800 0.814 0.582 MATERIALES DE CONSTRUCCIONDENSIDAD (Kg/m3) Siporex al exterior con recubri-miento impermeable por fuera. 660 510 410 Siprex al interior en espacio seco. 660 510 410 Concreto armado 2,300 Concreto pobre al exterior 2,200 Concreto ligero al exterior 1,250 Concreto ligero al interior 1,250 Concreto ligero al exterior 800 Concreto ligero al interior 800 Muro de tepetate o arenisca calcárea al exterior K (W/m°C) -0.209 0.163 0.14 0.186 0.151 0.128 1.74 1.28 0.698 0.582 0.465 0.349 1.047 Ejemplo de coeficiente global de transmisión Dimensiones Recamara 1 Pared SO Pared SE Pared NE Pared NO Ventana SE Techo Alto m 2.3 2.3 2.3 2.3 1.36 Largo m 14.65 6.63 14.65 6.63 1.36 Area m2 33.70 15.25 33.70 15.25 1.86 88.78 Orientación SO SE NE NO SE Coeficiente Global de Transferencia de Calor CASA SIN AISLAMIENTO Material de paredes y techo. Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de una capa de arena y cemento Techo de loza de concreto con recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior Vidrio sencillo 3 mm de espesor Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 2 U (W/°Cm ) 1.991 2.896 5.893 0.9 CASA CON AISLAMIENTO Material de paredes y techo. Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de capa de arena y cemento Techo de loza de concreto con aislante térmico de poliuretano espreado de 1 1/4" recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior Vidrio sencillo 3 mm de espesor Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 2 U (W/°Cm ) 1.991 0.445 5.893 0.9 Ganancia de Calor solar a través de vidrios. Q = GM x A x CS Donde. GM: Ganancia máxima de radiación solar. Epoca A: Area total de vidrio CS=Coeficiente de sombreado (cantidad proporcional GM, debido a sombreado, 24-ago película reflejante o persianas). y 0 10 20 30 40 50 N 92 43 38 38 38 57 NE 382 352 320 292 276 317 E 442 442 447 447 439 442 SE 214 254 306 349 396 387 S 38 38 38 170 276 287 SO 214 254 306 349 396 387 O 442 442 447 447 439 442 NO 382 352 320 292 276 317 664 678 669 637 580 572 N 38 38 38 38 38 32 NE 320 279 235 244 157 157 E 452 444 442 428 404 374 22-sep SE 320 344 379 412 439 442 y S 38 75 176 284 379 428 SO 320 344 379 412 439 442 O 452 444 442 428 404 374 NO 320 279 235 244 157 157 678 669 631 574 496 401 20-abr Orientación Horizontal 22-mar Horizontal Ganancias por infiltraciones y ventilación. Qs = Cpa ma (T2 - T1)a donde Qs : calor sensible agregado o eliminado del aire Cpa : calor específico del aire = 1.005 kJ/kg °C (desde 0 hasta 38°C) ma : flujo másico del aire = Velocidad x área (T2 - T1)a : cambio de temperatura aire La densidad del aire es 1.29 kg/m3 a 0°C y 1.14 a 38°C Ganancias térmicas debidas a los ocupantes Ganancias debidas a equipos calientes. La carga térmica se calcula con la expresión: q = h A (Ts - T) Donde: h = Coeficiente de transferencia de calor por convección . Su valor puede estar comprendido en rango de 5 a 25 W/m2°K, dependiendo del tipo de superficie y siempre que no exista un flujo de aire, es decir que se trate de convección natural. Ts es la temperatura de la superficie caliente. T∞ es la temperatura del medio ambiente A es el área de la superficie caliente. Cálculo de la carga térmica Q total. = (qp + qt + qvent + qinf + qocup + qalum + q equip ) Se expreso en Toneladas de Refigeración 1 TR = 12,000.00 Btu/hr = 3,024.2 Kcal/hr Reducir las ganancia a través de techos y paredes exteriores. Qp = U*A*DTCE donde : Qp = flujo de calor U = coeficiente global de transmisión Depende de los materiales de construcción, A = superficie considerada DTCE = diferencia de temperatura corregida Ejemplo de coeficiente global de transmisión Dimensiones Recamara 1 Pared SO Pared SE Pared NE Pared NO Ventana SE Techo Alto m 2.3 2.3 2.3 2.3 1.36 Largo m 14.65 6.63 14.65 6.63 1.36 Area m2 33.70 15.25 33.70 15.25 1.86 88.78 Orientación SO SE NE NO SE Coeficiente Global de Transferencia de Calor CASA SIN AISLAMIENTO Material de paredes y techo. Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de una capa de arena y cemento Techo de loza de concreto con recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior Vidrio sencillo 3 mm de espesor Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 2 U (W/°Cm ) 1.991 2.896 5.893 0.9 CASA CON AISLAMIENTO Material de paredes y techo. Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de capa de arena y cemento Techo de loza de concreto con aislante térmico de poliuretano espreado de 1 1/4" recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior Vidrio sencillo 3 mm de espesor Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 2 U (W/°Cm ) 1.991 0.445 5.893 0.9 Comparación Carga Termica en una Casa CASA SIN AISLAMIENTO Q Tonelada Refrigeración Conducción Exterior - Interior Pared SO 0.243 Pared SE 0.099 Pared NE 0.224 Pared NO 0.110 Ventana SO 0.040 TIPO Techo Subtotal 3.836 4.55 Conducción Interior - Interior Pared SO 0.000 CASA CON AISLAMIENTO % Participación 4.82% 1.96% 4.46% 2.18% 0.79% 76.23% 90.44% 0.00% Q Tonelada Refrigeración Conducción Exterior - Interior Pared SO 0.243 Pared SE 0.099 Pared NE 0.224 Pared NO 0.110 Ventana SO 0.040 TIPO Techo Subtotal 0.590 1.31 Conducción Interior - Interior Pared SO 0.000 % Participación 13.59% 5.53% 12.56% 6.15% 2.22% 33.02% 73.07% 0.00% Pared SE Pared NE Pared NO 0.000 0.000 0.000 0.00% 0.00% 0.00% Pared SE Pared NE Pared NO 0.000 0.000 0.000 0.00% 0.00% 0.00% Ventana SO 0.000 0.00% Ventana SO 0.000 0.00% Techo Subtotal Radiación Ventana SO Equipos Personas Infiltraciones 0.000 0.00 0.00% 0.00% 0.000 0.00 0.00% 0.00% 0.044 0.15 0.16 0.12 0.88% 3.06% 3.14% 2.47% Techo Subtotal Radiación Ventana SO Equipos Personas Infiltraciones 0.044 0.15 0.16 0.12 2.49% 8.63% 8.84% 6.97% 5.03 100.00% 1.79 100.00% TOTAL en TR TOTAL en TR POLIURETANO Posee un coeficiente de transmisión térmico de 0,018 Kcal/m.h.°C. Es la casa del Sr. Abel Camacho, Hermosillo Hora Hora 23:20 22:30 21:40 20:50 20:00 19:10 18:20 17:30 16:40 15:50 15:00 14:10 13:20 12:30 11:40 10:50 0.00 9:10 0.00 10:00 0.50 8:20 1.00 7:30 1.00 6:40 2.00 5:50 2.00 5:00 4.00 4:10 2.50 3:20 5.00 2:30 3.00 1:40 Antes 0:50 3.00 Potencia (kW) 6.00 0:00 23:20 22:30 21:40 20:50 20:00 19:10 18:20 17:30 16:40 15:50 15:00 14:10 13:20 12:30 11:40 10:50 10:00 9:10 8:20 7:30 6:40 5:50 5:00 4:10 3:20 2:30 1:40 0:50 0:00 Potencia (kW) Medición eléctrica en la misma casa Con Aislamiento 1.50 POLIURETANO Factor R : Resistencia a la conductividad térmica El poliuretano espreado (espuma de poliuretano) aísla contra el calor en mayor medida que el poliestireno, la fibra de vidrio, y la lámina mineral. Comparación Carga Termica en una Casa CASA SIN AISLAMIENTO Q Tonelada Refrigeración Conducción Exterior - Interior Pared SO 0.243 Pared SE 0.099 Pared NE 0.224 Pared NO 0.110 Ventana SO 0.040 TIPO Techo Subtotal 3.836 4.55 Conducción Interior - Interior Pared SO 0.000 CASA CON AISLAMIENTO % Participación 4.82% 1.96% 4.46% 2.18% 0.79% 76.23% 90.44% 0.00% Q Tonelada Refrigeración Conducción Exterior - Interior Pared SO 0.243 Pared SE 0.099 Pared NE 0.224 Pared NO 0.110 Ventana SO 0.040 TIPO Techo Subtotal 0.590 1.31 Conducción Interior - Interior Pared SO 0.000 % Participación 13.59% 5.53% 12.56% 6.15% 2.22% 33.02% 73.07% 0.00% Pared SE Pared NE Pared NO 0.000 0.000 0.000 0.00% 0.00% 0.00% Pared SE Pared NE Pared NO 0.000 0.000 0.000 0.00% 0.00% 0.00% Ventana SO 0.000 0.00% Ventana SO 0.000 0.00% Techo Subtotal Radiación Ventana SO Equipos Personas Infiltraciones 0.000 0.00 0.00% 0.00% 0.000 0.00 0.00% 0.00% 0.044 0.15 0.16 0.12 0.88% 3.06% 3.14% 2.47% Techo Subtotal Radiación Ventana SO Equipos Personas Infiltraciones 0.044 0.15 0.16 0.12 2.49% 8.63% 8.84% 6.97% 5.03 100.00% 1.79 100.00% TOTAL en TR TOTAL en TR Tipos de Equipos de Aire Acondicionado Equipos Individuales Unidades de Ventana Unidades Mini- Split Equipos Paquete Equipos Compartidos o Centrales Unidades Multi- Split Equipos de Expansión Directa Generadores de agua helada enfriados por aire Generadores de agua helada enfriados por agua Unidades de Ventana Sistemas Mini y Multi -Split Unidades Paquete (Expansión Directa) Compacto Convertible Modelo: TCC Refrigerante: R22 Aplicación: Residencial, Comercial, Centro Comercial, Hotel, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 1 1/2 a 5 Toneladas Voyager Modelo: TCD Descarga Vertical - TCH Horizontal Refrigerante: R22 Aplicacón: Residencial, Comercial, Industrial, Centro Comercial, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 3 a 25 Toneladas (disponibilidad alta eficiencia) IntelliPak Modelo: SFHF, SXHG Refrigerante: R22 Aplicación: Industrial, Farmacéutica, Centro Comercial, Petroquímica, Hospital, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 20 a 130 Toneladas Voyager Alta Capacidad Modelo: TCD Descarga Vertical - TCH Horizontal Refrigerante: R22 Aplicación: Comercial, Industrial, Centro Comercial, Petroquímica, Hospital, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 27 a 50 tons (disponibilidad alta eficiencia) Chillers enfriados por aire. Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos. Tipo de Equipo Ventana Aplicaciones Cuartos Individuales Recamaras Ventajas Económicos Son ruidosos No requiere ductos Algunos cuentan con control de temperatura. Mayor consumo de energía??? Para una gran instalación sería costosa su operación Mayor mantenimiento con mayor uso Acondicionamiento Individual Mayor Costo de Compra No requiere ductos Mayor consumo de energía??? Para una gran instalación sería costosa su operación Requieren espacio adicional para el condensador Una mala ubicación del condensador incrementa el consumo de energía No incluyen un retorno de aire al exterior No ayudan a la ventilación No es adecuado para lugares donde se vicie el aire. Usos Esporádicos Acondicionamiento Individual Mini Split Cuartos Individuales Recamaras Salas y comedores Oficinas Pequeñas Mayor sensación de confort Operación silenciosa Usos Esporádicos Cuentan con Temporizador Bibliotecas Salas de Juntas Desventajas Son programables Amplia gama de modelos Cuentan con control de temperatura. Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos. Tipo de Equipo Aplicaciones Oficinas Una vivienda completa Unidades Paquete Laboratorios No Controlados Centros Comerciales Edificios pequeños y medianos Bibliotecas Escuelas Salas de Juntas Ventajas Acondicionamiento para varias áreas Menor consumo de energía que el equivalente de Equipos Ventana y Mini Split Acondicionamiento a zonas más grandes Mayor capacidad en un solo equipo Amplia gama de tamaños Pueden automatizarse Desventajas Mayor Costo de Compra Requiere ductos de inyección y retorno Mayor mantenimiento Es compleja la lógica de control en ductos Una mala ubicación del condensador incrementa el consumo de energía Desperdicio de energía en malas instalaciones Los ductos de inyección deben ir aislados Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos. Tipo de Equipo Sistemas Centrales con Aplicaciones Ventajas Grandes Consumidores de Aire Acondicionado Acondicionamiento para varias áreas Industrias Menor consumo de energía que el equivalente de Equipos Ventana, Mini Split y Paquetes Laboratorios Controlados Acondicionamiento a zonas más grandes Generadores de Centros Agua Helada Comerciales Desventajas Mayor costo de compra y de inversión del todo el sistema Requiere bombas, tuberías, manejadoras de aire, válvulas, sistemas control, ductos de inyección y retorno Requiere de Bombas y Tuberías para el agua de condensación Mayor capacidad en un solo equipo Se requiere de especialistas para automatizar su operación Edificios pequeños, medianos y grandes Amplia gama de tamaños Una mala ubicación del condensador incrementa el consumo de energía Bibliotecas Pueden automatizarse Desperdicio de energía en instalaciones NO automatizadas Escuelas En versiones de volumen variable permite un optimo control de su operación Mayor mantenimiento Hoteles En los enfriados por agua el costo de la misma puede ser significativo Los enfriados por aire son menos eficientes Gracias pavel_morenomx@yahoo.com.mx