Vanguardia tecnológica

Por su eficiencia energética, su capacidad para brindar calefacción o frescura, y su carácter sustentable, los sistemas VRF resultan ideales para un sinfín de aplicaciones.

Ricardo Dávila López.

Desde que Willis Haviland Carrier patentó el aparato para tratar el aire en 1906, se han consumido miles de millones de kilowatts/hora. La creciente demanda de aquellos tiempos por acondicionar edificios cada vez más grandes generó la necesidad de contar con equipos de aire acondicionado de mayor capacidad, pues la solución básica e inicial de los sistemas tipo ventana y pequeños paquetes se orientaba a las necesidades domésticas.

El desarrollo de los sistemas de acondicionamiento ambiental mediante la instalación de equipos de agua helada fue consecuencia de la edificación de los rascacielos, los novedosos procesos industriales y soplados de plástico, por mencionar algunos.

A pesar de que en su momento representó una buena solución para las necesidades de aquellos tiempos, la crisis energética de la década de 1970 fue el primer llamado a la conciencia de que los recursos no renovables tendrían que utilizarse de manera racional y eficiente.

Posteriormente, los aumentos anuales de las tarifas eléctricas, a finales de 1980, se crearon con la intención de hacer un uso racional y eficiente de la energía, sobre todo en horarios de demanda punta. Éstos implicaron el cobro de tarifas horarias y el desagregado del consumo y demanda eléctrica en horarios base, intermedia y punta.

Un segundo llamado se dio al empezar a convivir con los Efectos del Cambio Climático (ECC), generados principalmente por los gases de efecto invernadero, entre los que se encuentran los CFCs, también conocidos comercialmente como freones (R-11), los cuales sustituyeron al amoniaco.

Su uso se propagó principalmente en los aires acondicionados de automóviles, neveras e industrias. Por esta razón salió del mercado mediante el mecanismo del Protocolo de Kyoto.

Y, como consecuencia de éste, muchos de los sistemas de agua helada con esta  clase de refrigerante fueron sustituidos en México durante la década de 1990. Esto se logró gracias al notable impulso del Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica (Fide).

Aunado a lo anterior, las modificaciones en el medioambiente generadas por los ECC han propiciado drásticas modificaciones de los patrones habituales de la temperatura, así como severas modificaciones en la intensidad y periodicidad de las precipitaciones.

Al modificarse dichos patrones climatológicos, los requerimientos de los sistemas de aire acondicionado obviamente también se han modificado.Es decir, anteriormente en regiones con clima templado únicamente era necesario utilizar sistemas de enfriamiento en las épocas tradicionalmente calurosas, como solían ser la primavera y el verano.

En la actualidad, los ECC han ocasionado el retardo de la llegada de las estaciones tradicionalmente calurosas y ha contribuido a la prolongación e incremento de la crudeza de la época invernal. Por ello, se hace necesario contar con alternativas tecnológicas que permitan reducir el consumo y la demanda de la energía eléctrica, con objeto de minimizar los costos de operación de las empresas, para así elevar la productividad y competitividad de las mismas.

Principios de la eficiencia energética
Validados con los mayores estándares de confort y eficiencia energética por organismos de certificación a nivel internacional, como la Agencia de Protección al Medio Ambiente de los Estados Unidos, con su distintivo EnergyStar, el sistema de flujo variable de refrigerante permite responder a los cambiantes requerimientos de temperatura ambiental, ya que mediante un sistema de retroalimentación realiza los ajustes necesarios para mantener la temperatura de confort, y así evitar el desperdicio de energía que caracteriza a los sistemas de operación constante.

La gran diferencia es que los sistemas de operación constante desde su arranque generan un pico en la demanda eléctrica y mantienen fijos sus parámetros de operación al margen de los cambios en las condiciones climatológicas, tales como corrientes de aire (vientos del Norte en zonas costeras), nublados, precipitaciones o el atardecer mismo, los cuales van acompañados por un descenso en la temperatura ambiente.

Si bien es cierto que estos equipos reflejan pequeños ajustes en sus niveles de consumo energético, no disponen de un sistema de control que modifique sus condiciones de operación de manera automática en las unidades interiores (evaporadoras) y exteriores (condensadoras).

Un parámetro para medir la eficiencia energética de los sistemas de acondicionamiento ambiental de volumen constante de refrigerante es la Relación de Eficiencia Energética (REE), la cual se define como el cociente de la potencia térmica (BTU/h) removida del ambiente entre la potencia eléctrica (watts) demandada por el sistema.

Para ejemplificar este concepto se toma un equipo tipo minisplit con una capacidad de 12 mil BTU/h, que demanda una potencia de 1 mil 150 watts, por lo que su REE será igual a:

REE = 12 000 BTU/h / 1 150 watts = 10.43 BTU/h por cada watt de potencia de demanda

Para efectos de la aplicación de la NOM-023-ENER-2010 para acondicionadores de aire tipo minisplit, con capacidades de 9 mil BTU/h a 60 mil  BTU/h (0.75 TR a 5 TR), se establece como eficiencia mínima 9.3 BTU/h por cada watt de potencia eléctrica demandado por el equipo.

Es aquí donde este parámetro pudiera parecer contradictorio, ya que en la práctica ningún equipo de volumen constante de refrigerante trabaja en las mismas condiciones de operación y de consumo de energía eléctrica durante los 365 días del año, dado que las condiciones climatológicas y de operación son distintas.

Con fines comparativos y para tener una idea del potencial de ahorro energético que se puede alcanzar con la aplicación de esta tecnología en México, tan sólo en aplicaciones para equipos tipo minisplit (menores a 36 mil BTU/h -3 TR), los valores de eficiencia promedio certificados por EnergyStar alcanzan un índice promedio de 18.8 BTU/h por cada watt de potencia demandada por el equipo, es decir, en principio se obtienen ahorros superiores al 50 por ciento en demanda y consumo de energía eléctrica.

Aunado a lo anterior, no se cuenta con una Norma Oficial Mexicana que permita evaluar y validar la eficiencia energética de la tecnología de flujo variable de refrigerante en territorio nacional, lo cual dificulta la certificación y desarrollo del mercado de sistemas tan eficientes de aire acondicionado como son los sistemas VRF.

A nivel internacional se han desarrollado distintos índices para evaluar la eficiencia de los Sistemas de Aire Acondicionado de Flujo Variable de Refrigerante, como es el caso del SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) o REEE (Relación de Eficiencia Energética Estacional), la cual se define como la relación de enfriamiento total de un equipo de aire acondicionado en watts térmicos (Wt) transferidos del interior al exterior, durante un año de uso, dividido entre la potencia eléctrica total suministrada al equipo en watts eléctricos (We) durante el mismo lapso.

Por ejemplo, la Comunidad Económica Europea, a partir del 1 de enero del presente año, ha empezado a utilizar la REEE como parámetro para evaluar los sistemas de aire acondicionado, hecho que contribuirá significativamente a reducir los consumos de energía eléctrica entre la comuninad Europea.

Este índice permite evaluar a los equipos VRF que trabajan a cargas parciales en función de la demanda de frío o calor, considerando el número de horas de operación, a fin de determinar la eficiencia real durante todo el año.

Solución bipartita
En respuesta a las cambiantes condiciones climatológicas y la necesidad de reducir el consumo de energía eléctrica de los sistemas de aire acondicionado con requerimientos mayores a 72 mil BTU/h (6 TR), se desarrolló el primer aire acondicionado de expansión directa que permite, mediante la aplicación de sólo dos tuberías (succión y descarga), con un diámetro conjunto no mayor a 3”, suministrar frío y calor simultáneamente.

En la actualidad, contar con un sistema de enfriamiento para las estaciones de primavera-verano y un sistema de calefacción para la estación de inverno demanda la inversión de dos sistemas distintos: uno para el enfriamiento y otro para la calefacción, como es común en gran parte de la industria hotelera ubicada en el Altiplano y Norte del país.

La gran ventaja económica y financiera de los sistemas frío y calor con flujo variable de refrigerante es que brindan ambas soluciones con una sola inversión, lo cual elevaba de manera sustancial la rentabilidad y tiempo de recuperación de estos sistemas.

Factor de diversidad de carga térmica
Diversidad por carga solar
Los sistemas de volumen variable tienen la capacidad de modificar el factor de diversidad de carga térmica, en función de la variación de los elementos que inciden en éste, como el incremento o decremento de calor generado por la radiación solar. Este factor puede alcanzar hasta un 150 por ciento de la capacidad instalada.

Por ejemplo, cuando un edificio tiene una orientación Oriente-Poniente, con relación al Sol, por la mañana en el lado Oriente demandará una capacidad de enfriamiento de 10 TR y 5 TR en el lado Poniente, es decir, en total la unidad entrega 15 TR.

Por la tarde las condiciones cambian: el lado Poniente demandará 10 TR, y el lado Oriente sólo requerirá 5 TR. Con una unidad de volumen fijo, se necesitará de una capacidad instalada de 20 TR para hacer frente a los requerimientos totales del sistema. Pero con la tecnología de volumen variable es posible trasladar la capacidad de enfriamiento de un lado a otro, requiriendo únicamente una capacidad total de 15 TR.

Diversidad por ocupación
De igual forma, se puede cambiar la capacidad del sistema en función de la ocupación de las instalaciones, como es el caso de un hotel o un cine, ya que el consumo de energía dependerá de la ocupación de las instalaciones, es decir, si las instalaciones presentan una ocupación del 50 por ciento, el sistema proveerá únicamente el porcentaje de la carga térmica realmente demanda.

Recuperación de calor
Finalmente, estos sistemas cuentan con una tecnología única en el mercado nacional capaz de recuperar el calor generado en los procesos de climatización para poder ser empleada en la calefacción de otras áreas o procesos.

Lo anterior abre un gran abanico de oportunidades de aplicación, ya que además de operar con los más altos porcentajes de ahorro energético, los cuales oscilan entre el 50 y 60, permite generar ahorros de combustibles, tales como el gas LP, petróleo, diesel y gas natural.

Ya que, al utilizar el sistema intercambiador de calor tipo hidrónico, permite generar agua caliente para distintas aplicaciones, tales como pisos y muros radiantes, calentamiento de agua para regaderas, cocinas y albercas con ahorros en la facturación de los combustibles superiores al 60 por ciento.
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Ricardo Dávila López
Egresado del Instituto Tecnológico de Veracruz, fue fundador del Fide, donde desempeñó funciones en las áreas de Promoción y Capacitación. En 2011, obtuvo el Premio Nacional de Ahorro de Energía por el proyecto para la cadena de farmacias Grupo Empresarial. Actualmente, es asesor técnico en Mitsubishi Electric Inproambient.