Sistemas de acumulación térmica
en la climatización
Por
Debrayan Bravo Hidalgo*
y Greter Bermúdez Ramos**
Ventajas térmicas y eléctricas
del almacenamiento de frío. |
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El almacenamiento de frío constituye una alternativa para reducir los costos energéticos y de inversión en aquellos sistemas de refrigeración y climatización, con una demanda variable en el tiempo. Este mecanismo permite reducir la capacidad instalada, disminuir los costos fijos, reducir la demanda máxima contratada y el consumo de energía en los horarios de mayor costo de la electricidad (costo del kWh), con la correspondiente disminución de la facturación eléctrica. Además, no considera solo el ahorro interno de la instalación, sino también el que se consigue en la generación de energía eléctrica por disminución de los mantenimientos, gastos de combustible, etcétera.
El almacenamiento de energía térmica es considerado uno de los avances más importantes en la tecnología del ahorro de energía en edificaciones. Esta técnica parece ser la mejor solución para corregir el desfase entre la fuente y la demanda de energía. Además, puede contribuir significativamente a encontrar una alternativa más eficiente ante las necesidades globales, cumpliendo con los principios ambientales.
¿Qué es un sistema de acumulación térmica?
El propósito del almacenamiento térmico en sistemas de acondicionamiento de aire consiste en la acumulación de energía en un horario determinado, para utilizarla en otro diferente, constituyendo lo que se denomina volante térmico (Fig. 1). Los sistemas de acumulación de energía térmica por lo general se dividen en dos grandes grupos: sistemas de acumulación térmica con agua y sistemas de acumulación térmica con hielo.

Fig. 1. Sistemas de acumulación de energía térmica.
a) En el transcurso de la noche al ser esta más fresca, el sistema de clima
trabaja muy poco y en ocasiones no trabaja. b) En el transcurso del día se acondiciona
el aire del edificio con las unidades de climatización, para proporcionar las condiciones
de confort térmico del edificio. c) Durante la noche se opera el equipo de clima
para acumular una capacidad térmica en el sistema de almacenamiento térmico, representando un ahorro pues en este período es más barata la energía eléctrica.
d) Durante el día se realiza el acondicionamiento de aire empleando la descarga del sistema de acumulación térmica.Leyenda: UE: Unidad exterior; UI: Unidad interior;
AT: Acumulador térmico.
Sistemas de acumulación térmica con agua: Los sistemas de calor sensible, como también se les conoce, son aquellos donde el agua es almacenada en tanques de acumulación enfriándose a la temperatura más baja posible, mediante el empleo de máquinas frigoríficas.
Estos sistemas requieren de un volumen de almacenamiento considerable y, por tanto, los tanques son grandes, pero pueden interactuar más fácilmente con los sistemas de enfriamiento existentes en Cuba. Los tanques de agua helada usan la capacidad del calor sensible del líquido para almacenar la capacitancia de enfriamiento. El rango de la temperatura de operación debe oscilar entre 4,4 y 7 °C, en dependencia de la capacidad de la máquina enfriadora y las condiciones ambientales.Sistemas de acumulación térmica con hielo: Estos sistemas se caracterizan por grandes cantidades de almacenamiento de energía térmica a temperaturas casi constantes, porque dependen del calor latente asociado con el cambio de estado físico, o también denominado cambio de fase, generalmente hielo.
Los sistemas de hielo usan tanques pequeños y ofrecen un alto potencial debido en gran medida a las bajas temperaturas, pero requieren de sistemas de enfriamiento más complejos y costosos. Los sistemas de tanques de hielo utilizan el calor latente de la fusión del agua (335 kJ/kg) para almacenar la capacidad de frío. Para este sistema de almacenamiento se requiere de equipos especiales de elaboración de hielo.
En la figura 2 se muestran estos dos tipos de sistemas de acumulación térmica.
Fig. 2. Dos sistemas de acumulación térmica: a) Con agua. b) Con hielo.
Estrategias de control operacional
Las estrategias de operación son acciones que se llevan a cabo para programar el manejo del sistema de almacenamiento, con el objetivo de que este opere en función de satisfacer la demanda térmica durante los picos de carga (Fig. 3).
Fig. 3. Estrategias de operación. a) Almacenamiento total.
b) Nivelación de carga. c) Almacenamiento parcial.
Carga completa: El sistema es diseñado para operar en el momento del día con mayor demanda de la carga térmica, a partir de estimación predictiva del perfil de carga. Generalmente se utiliza cuando la carga del pico de demanda es alta o el período pico
es corto.
Los picos de la curva de carga tienen una corta duración. Los períodos de demanda de energía están basados en picos sistemáticos de corta duración. Existe una sincronización entre el pico de carga y los períodos de los picos de energía. El costo de la demanda máxima de carga es apropiado económicamente.
Carga parcial: La máquina enfriadora opera constantemente, pero con una menor potencia de suministro y trabajo simultáneo con el tanque. Esta técnica es útil en sistemas que poseen una enfriadora de menor capacidad de entrega que la demandada en algunas horas del día. Este método puede operar como nivelador de carga, en el cual la enfriadora es diseñada para funcionar las 24 horas del día a su capacidad máxima en caso de ser necesario.
El ahorro durante la demanda, al igual que el costo de los equipos, es mayor que en el nivelado de carga, pero estos valores son menores comparados con la operación a carga completa. El almacenamiento parcial es a menudo la opción más eficiente y por ello representa la mayoría de las instalaciones de almacenamiento térmico.
Dispositivos de almacenamiento
En los tanques de almacenamiento de agua helada existen técnicas de separación del agua fría de la caliente. Se le llama agua caliente al volumen de agua que es introducido en la parte superior del tanque y que llega a una temperatura más alta que la almacenada, producto del calor absorbido tras pasar por las zonas térmicas a climatizar en la edificación.
Estos volúmenes de agua con temperaturas desiguales, por diferencia de densidades la más fría se deposita en el fondo y la caliente arriba. Este efecto divisorio del volumen de agua es deseado, porque mientras menos se mezclen el agua caliente del retorno con la fría almacenada, la temperatura promedio del tanque es menor, y por tanto, la energía que puede absorber durante el período de descarga es mayor.
Existen varias técnicas para separar las dos zonas: mediante un diafragma flexible, tanque con múltiples compartimentos, tanques con laberintos y la estratificación térmica; esta última se ha convertido en el método dominante debido a su simplicidad, fiabilidad, eficiencia y bajos costos. A los sistemas estratificados se les sustrae y suministra agua a bajas velocidades, con el fin de crear un flujo horizontal para que la fuerza de sustentabilidad domine el efecto de inercia. En otras palabras, se crea una zona llamada termoclina (Fig. 4). El termoclina impide que se produzca una mezcla del agua que está tanto por debajo de ella como por encima. Durante el período de carga la altura de la termoclina sube, y en la descarga baja.

Fig. 4. Formación de la zona de termoclina.
Ventajas térmicas
Las principales ventajas térmicas son: diseño de equipamientos más pequeños, evitar reciclaje de los equipamientos y mayor seguridad de funcionamiento.
En el aspecto térmico, el almacenamiento puede recortar los picos de demanda de carga térmica que se producen durante el día, permitiendo el diseño de equipos de climatización más pequeños, pero funcionando más horas durante el día. Esta característica permite, además de ahorrar en el costo de equipamiento, aumentar el rendimiento de la planta frigorífica, porque trabaja a capacidad uniforme al máximo rendimiento, salvando las cargas parciales pequeñas, sin reciclaje y, por otra parte, es un método ideal para incrementar la capacidad de un sistema existente de aire acondicionado.
Además, se origina una mayor fiabilidad en la generación, ya que la energía proviene de dos fuentes, por un lado, constituidas por un sistema dinámico de las plantas enfriadoras, y por otro, por un sistema estático de los tanques de acumulación. En caso de cortes de suministro eléctrico se cuenta con cierto tiempo de seguridad de mantenimiento de la temperatura de confort debido a la carga térmica almacenada, y se pueden contemplar paradas de la instalación para realizar mantenimientos de emergencia.
De esa manera, los sistemas de almacenamiento permiten la eliminación de un grupo electrógeno fijo para la seguridad del servicio de aire acondicionado, estableciendo un tiempo de funcionamiento en caso de corte eléctrico, y solo se deben utilizar eventualmente grupos electrógenos móviles si ese tiempo de seguridad de corte es rebasado en caso de extrema necesidad.
Ventajas eléctricas
Las principales ventajas eléctricas son: recortes de pico de consumo eléctrico y aprovechamiento de tarifas eléctricas nocturnas.
En cuanto al aspecto eléctrico, durante los períodos fuera de pico se almacena la energía térmica, la que debe estar disponible durante la máxima demanda, y en los momentos que se supera el pico de energía eléctrica contratada, se desconecta el equipamiento de aire acondicionado durante el tiempo de autonomía prevista en el diseño del volante térmico. Así se evita el reajuste de las tarifas de las compañías eléctricas, con el consiguiente ahorro en los costos energéticos.
Por otra parte, teniendo en cuenta que las compañías proveedoras de electricidad fomentan el uso de la energía eléctrica en horas nocturnas, generalmente se efectúa el almacenamiento térmico durante la madrugada, produciendo de esa manera un ahorro económico por concepto de energía consumida.
Una consideración final
El almacenamiento de frío constituye una alternativa para reducir los costos energéticos y de inversión, permite reducir la capacidad instalada y los costos fijos, así como disminuir la demanda máxima contratada y el consumo de energía en los horarios de mayor costo de la electricidad. Es una de las tecnologías más bondadosas en el desarrollo de tecnologías eficientes para los sistemas de climatización centralizados.
* Ingeniero Mecánico y Profesor Asistente del Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente (CEEMA), de la Universidad de Cienfuegos, Cuba.
** Ingeniera Informática y Profesora Instructora de la Universidad de Cienfuegos, Cuba.
e-mail: dbravo@ucf.edu.cu
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