Desde noviembre de 2017, el alza en las tarifas eléctricas ha puesto en jaque a las empresas del país. En este contexto, la industria en su conjunto está obligada a emprender acciones y estrategias de ahorro energético, a fin de eficientar el consumo de los sistemas de climatización para hacer frente a los altos precios
Cecilia Garay
Los sistemas de enfriamiento son responsables de un consumo significativo de energía en edificios, comercios y algunas plantas industriales. Si bien su porcentaje dentro de la facturación eléctrica ha disminuido conforme el paso del tiempo, gracias al incremento de la eficiencia de los equipos de aire acondicionado y la implementación de nuevas tecnologías, el uso de sistemas de HVAC sigue representando desde 30 hasta 60 por ciento del total de la facturación de electricidad en un edificio.
A esta situación, se suma el uso cada vez más frecuente de sistemas de climatización, ocasionado por el incremento de las temperaturas en los últimos años. Dada la gravedad del calentamiento global, Organizaciones como ASHRAE, en conjunto con el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), han tenido que actualizar el mapa de zonas climáticas a nivel mundial, agregando la zona cero, catalogada como “extremadamente caliente y húmeda”. Tan sólo en los Estados Unidos 400 municipios fueron reasignados y reubicados a diferentes regiones climáticas con clima más caluroso.
En México, de acuerdo con la Comisión Nacional del Agua (Conagua), la temperatura promedio nacional oscilaba en 29.1 °C en 2012 y, desde entonces, ha ido a la alza hasta alcanzar un incremento de 0.8 °C.
Un caso hipotético
La elevación de las tarifas eléctricas en el país, en un contexto de expansión del mercado a nivel mundial, sin duda repercutirá en el desarrollo del sector en México; sin embargo, los empresarios, con apoyo de los consultores en eficiencia energética pueden aprovechar esta coyuntura para analizar y reinventar los sistemas HVAC. El objetivo, por supuesto, es optimizar el desempeño y ahorro energético de los equipos. De este modo, aunque el incremento de las tarifas eléctricas se mantenga, éste no representará un impacto en las finanzas de las compañías.
Una manera de empezar a controlar el problema de la facturación eléctrica en los inmuebles es conocer la tarifa y administrar el uso de energía, a fin de saber qué tanto repercuten las actividades de los usuarios dentro de las instalaciones.
Por ejemplo, la elevación de las temperaturas, en combinación con una mayor afluencia de clientes en un hipotético centro comercial durante una temporada determinada, puede llevar a una toma de decisiones negativa, como mantener encendidos los chillers después de las 19:55 p. m. (entrando en horario punta) al menos dos días a la semana. Una medida de este tipo podría desembocar en un aumento de hasta 90 mil pesos en la facturación eléctrica mensual de un edificio con respecto al monto del año pasado.
Estrategias de gestión energética
De manera general, los subsistemas dentro del sistema HVAC tienen los siguientes consumos eléctricos:
- Ventiladores 34 %
- Chillers 27 %
- Bombas 16 %
- Torres de enfriamiento 6 %
Conforme a estos porcentajes es posible elaborar un programa de gestión energética adecuado, lo que incluye incrementar la capacidad de los chillers, con sus respectivos flujos de aire y agua, con la finalidad de subenfriar el espacio horas antes del horario punta.
Esta acción brindaría la posibilidad de apagar los chillers, recircular el agua del sistema secundario y dejar encendidos los ventiladores, siempre y cuando la temperatura en el interior no se eleve de tal manera que se sobrepasen los límites del confort humano.
Es recomendable disponer de un Building Management System (BMS), ya que permitirá conocer el perfil energético de una edificación a lo largo de un año, así como el uso de la energía en la operación del mismo y los diversos parámetros involucrados en el funcionamiento del sistema de climatización.
Además, tener una noción clara de cómo se comportan todas y cada una de las diferentes variables involucradas, servirá para poder tomar acciones y reajustar el BMS, con el objetivo de que éste se adapte al nuevo perfil de carga térmica del edificio.
Si ya se cuenta con un sistema administrador de energía, algunos datos económicos que deberán tomarse en cuenta son:
- La inversión inicial del equipo HVAC es de 10 a 15 por ciento de la inversión del inmueble: 100.00 USD/m2
- La inversión del sistema DDC es de 10 a 15 por ciento el valor del equipo: 10.00 USD/m2
- La ventaja de administrar la energía reduce de 10 a 15 por ciento los costos de operación, y de 5 a 7 por ciento los totales, con lo cual se paga el primer año de operación de 6.00 a 9.00 USD/m2
Un sistema BMS será de mucha ayuda para un consultor energético; sin embargo, independientemente de éste, es necesario realizar un estudio de carga térmica del recinto para conocer las mejoras y plantear un esquema de inversiones que ahorre recursos.
Conforme a la localización geográfica de una estructura, es posible conocer los Cooling Degree Days (CDD) y las temperaturas de diseño exterior e interior. Esta información será de enorme utilidad para conocer con precisión los kilowatts hora (kWh) anuales que consume el sistema de enfriamiento.
La información acerca de los CDD y HDD (Heating Degree Days) de una región o lugar, así como sus condiciones atmosféricas, se puede obtener en el sitio en línea de ASHRAE (ashrae-meteo.info/), el cual cuenta con datos actualizados hasta 2017.
Por ejemplo, si tenemos un edificio ubicado en la ciudad de Monterrey con una capacidad instalada de 300 T.R para aire acondicionado y de 1 800 MBTUH para calefacción, así como una eficiencia de 0.8 kW/T.R., entonces es posible asumir lo siguiente:
- CDD 2 930, temperatura diseño: 100 °F / 75 °F
- HDD 730, temperatura diseño: 44 °F / 68 °F
Luego, si se utilizan las siguientes fórmulas, se puede obtener rápidamente un estimado de los kWh anuales que consumirá la estructura:
= # horas trabajo a carga plena equipo- Horas de plena carga =
- Horas a plena carga = 2 822 anuales
- kWh anuales = (300 T.R *0.8kW/T.R.) *2 822h
- Consumo anual del sistema de enfriamiento kWh = 677 280 kWh
- Consumo de calefacción anual (sistema de resistencias) = 730 x 1 800 = 1 314 000 MBTU
El ejemplo anterior constata que el cálculo de la participación de los sistemas HVAC en la facturación eléctrica de un edificio, de una manera aproximada, brinda la oportunidad de administrar mejor la energía. En este caso representa el 50 por ciento del consumo anual de la estructura, pero es necesario contar con el recibo de electricidad para conocer dicho porcentaje.
Estudios de carga térmica
La elaboración de un estudio de carga térmica persigue la finalidad de obtener más información acerca del uso de la energía en una edificación, ya que señala qué rubros o instalaciones consumen la mayor parte del aire acondicionado y la calefacción, como lo son muros, techos, cristales, iluminación, equipo, usuarios o aire nuevo.
Si se obtiene que un factor importante del gasto del sistema HVAC son muros y techos, entonces, es fundamental seguir los valores “R” mínimos recomendados de diseño para combatir la aportación de calor del exterior hacia el interior de la estructura y reducir el consumo de energía.
Un edificio en Hermosillo, Sonora, que se encuentra en la zona uno (“muy caliente y húmeda”) tendría que tener un valor mínimo R en techo de 38 m2 · °C/W, para decir que cuenta con un aislamiento eficiente. Invertir en aislamiento será una de las mejores opciones siempre y cuando el inmueble tenga su mayor consumo energético, debido a la transmisión de calor en muros y techos.
Cabe recordar que el aire acondicionado y la calefacción fueron diseñados para dar confort a las personas y/o mejorar los procesos de producción, por lo que dedicar estos sistemas a enfriar lozas y paredes es un desperdicio energético e implica recibos eléctricos más altos.
Aislamiento
También es necesario resaltar el efecto que tiene el material envolvente, en especial el concreto, el cual se comporta como un capacitor que absorbe desde el exterior la mayor cantidad de energía térmica durante la mañana y el mediodía, para liberarla en el interior del inmueble por la tarde; esto ocasiona que entre las 3 p. m. y las 5 p. m. se registre la mayor temperatura en el interior del recinto, debido a la cantidad de energía liberada por los muros y lozas de concreto.
Este tipo de efecto capacitivo no solamente contribuye a que la temperatura aumente y la edificación se salga fuera de los límites del confort humano, sino también que este tipo de oscilaciones energéticas provoca que el BMS mande una señal para incrementar la capacidad del sistema de climatización para abatir el calor en el interior. En consecuencia, habrá un mayor consumo eléctrico por parte de los equipos HVAC, el cual se verá reflejado en la facturación eléctrica.
Evitar estas oscilaciones es una de las grandes ventajas de los aislantes, los cuales oponen una resistencia al calor y retrasan hasta por varias horas la transmisión del calor exterior hacia el interior del inmueble.
Revisión de flujos y ruedas entálpicas
Cuando se elabora un estudio de carga térmica y se tiene claro cuál es el consumo de electricidad de un inmueble, se puede tomar una decisión asertiva para invertir o no recursos en los subsistemas que requieran atención o mejoría.
Las instalaciones existentes deben ser analizadas y comparadas a partir del nuevo estudio de carga térmica, debido a que los flujos de refrigerante, agua y aire puede que hayan cambiado. Por ejemplo, es una situación común que el flujo de aire de las unidades manejadoras de aire (UMAs) en los sistemas de agua helada no concuerde con la cantidad de flujo de agua que pasa por el serpentín, es decir, que uno de los dos sistemas esté sobredimensionado.
Respecto al subsistema de generación de agua helada, anteriormente, el diferencial de temperatura en el agua helada de los chillers era de 10 °F. Este parámetro ya no es válido para el ahorro de energía; ahora, en cambio, el diferencial que pide el estándar ASHRAE 90.1-2016 es de 15 °F o mayor.
En ocasiones, el impacto del aire exterior mostrado en la carga térmica es tan grande que es necesario invertir en ruedas entálpicas, las cuales logran reducir desde 20 hasta 30 por ciento el consumo de aire acondicionado.
Bancos de hielo
Si bien invertir en aislamiento, revisión de flujos en subsistemas HVAC y dispositivos como ruedas entálpicas contribuye a disminuir el consumo energético, estas medidas no resuelven por completo el problema de acondicionar un edificio en horario punta. En este escenario, una de las mejores soluciones es la inversión en un banco de hielo.
Esta solución está pensada para espacios donde el gasto de energía es de importancia durante la hora pico, como lo son salones de fiestas, tiendas departamentales, centros comerciales, iglesias, o bien, lugares donde la temperatura y humedad relativa necesita ser controlada en todo momento, como en los data centers.
Si bien es cierto que la mayoría de los ingenieros no recomienda el uso de sistemas agua helada en centros de datos pequeños y medianos, para el caso de los de grandes dimensiones es necesario utilizar agua helada en vez de equipos de expansión directa, lo que tendría costos de operación elevados.
El banco de hielo en dichas instalaciones es empleado para generar y almacenar agua helada cuando la energía es de menor costo por kWh (horario base e intermedio). De este modo, cuando llegue el horario punta y el costo de energía sea más caro, el usuario o administrador del inmueble pueda apagar los chillers y usar el agua helada generada durante el transcurso del día.
Aunque esta última tecnología ofrece un retorno de inversión a mediano y largo plazo, no debe descartarse, puesto que representa una de las mejores soluciones ante los casos planteados anteriormente.
Desempeño eficiente y mantenimiento
Existen otros dos factores para ahorrar energía en un sistema HVAC: la eficiencia de los equipos y su mantenimiento.
En lo referente al tema de la eficiencia energética, ésta ha ido en aumento durante los últimos años. Por ejemplo, un equipo de expansión directa en la década de los noventa tenía eficiencias de alrededor de 1.2 a 1.5 kW por tonelada, mientras que los actuales están entre 0.8 y 1 kW por tonelada. En el caso de los equipos diseñados hace 25 años, si éstos son revisados energéticamente bajo los nuevos estándares de diseño actuales, es posible reducir su consumo eléctrico entre 50 y 60 por ciento sin sacrificar el confort de las personas.
Aunado a esto, es fundamental revisar la colocación de la unidad, una práctica poco común al diseñar un edificio, ya que la colocación de los equipos de aire acondicionado y calefacción se dejan hasta el final. La mayoría de las veces el usuario no cuenta con el espacio suficiente para su colocación, por lo que decide adaptar espacios, en su mayoría confinados o con restricciones de flujo de aire, hecho que provoca un déficit de eficiencia aun y cuando el equipo sea nuevo.
En el caso del mantenimiento, el impacto en el consumo energético del sistema HVAC puede alcanzar desde 20 hasta 30 por ciento, si no se brinda el servicio periódico adecuado. Cuando los serpentines se encuentran sucios, no importa que el equipo sea nuevo, su eficiencia decrecerá y el gasto eléctrico incrementará, lo que se verá reflejado en el recibo de electricidad.
Hoy en día, la energía renovable (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, entre otras) es una inversión obligatoria con la que debe contar cualquier edificación nueva, ya sea que se genere en sitio o se compre a una empresa externa. El mínimo requerido es de 10 por ciento del consumo eléctrico total en energías limpias, pero este porcentaje se incrementará entre 20 y 30 por ciento en los próximos 15 años.
Oportunidades de inversión
Una estructura recién construida debe implementar la medición de parámetros de todos los recursos no renovables, como gas, electricidad, agua, etcétera, así como tomar muestras de los mismos y de sus variables durante cierto tiempo, mismas que tendrán que almacenarse durante dos años.
Los códigos y estándares de diseños en edificios sirven para trazar un perfil de ahorro energético y, en consecuencia, poder disminuir el consumo de electricidad en cualquier recinto sin importar el uso de éste.
Las nuevas construcciones tienen muchas áreas de oportunidad desde las etapas de diseño del proyecto; sin embargo, los edificios existentes tienen todavía más, puesto que ya se conoce en la práctica su perfil de carga térmica. Lo anterior facilita la aplicación de acciones preventivas y/o correctivas para generar ahorros de energía y, de este modo, combatir las tarifas eléctricas.
Invertir en aislamientos, recuperadores entálpicos, modificaciones en el tamaño de los serpentines y/o ventiladores, variadores de frecuencia tanto para bombeo como para ventilación, bancos de hielo para satisfacer la demanda en horas pico, mediciones de eficiencia y mantenimientos periódicos siempre serán medidas efectivas que ayudarán a combatir la volatilidad asociada al costo de la facturación eléctrica.
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El aumento de las tarifas eléctricas
Durante su presentación en el México Energy Forum 2018, Jaime Hernández, director general de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), señaló que las tarifas eléctricas en México seguirán oscilando, “en línea con los precios de los combustibles”.
En enero pasado, Enrique Solanas, presidente de la Confederación de Cámaras Nacionales de Comercio, Servicios y Turismo (Concanaco), denunció que las nuevas tarifas de CFE provocaron aumentos de hasta 400 por ciento en comercios. Apenas en septiembre, el presidente de la Confederación de Cámaras Industriales (Concamin) señaló que el alza en las tarifas eléctricas en el sector empresarial es “un golpe a la productividad”.
Desde marzo de 2017, la CFE informó el aumento de las tarifas eléctricas, de 13.3 y 17.2 por ciento para el sector industrial; de 8 a 12.1 por ciento en el comercial; mientras que para el uso doméstico de alto consumo el alza fue de 8 por ciento.
El ajuste de las tarifas, informó la CFE a través de un comunicado, “está relacionado con los incrementos de los precios de los combustibles para generar energía eléctrica”.
Redacción
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Cecilia Garay
Ingeniera Mecánico Electricista del ITESM, expresidente ASHRAE Capítulo Monterrey (2015-2016). Actualmente, es Asistente de Membresías de la Región VIII de ASHRAE y supervisora de Proyectos en Ingeniería Integral de Energía, compañía dedicada al ahorro energético y consultoría en sistemas HVACR.
