Si bien no es un tema nuevo, hablar de energía solar térmica para la climatización sí es una tendencia que procura la sostenibilidad y el cuidado del medioambiente. Entender sus principios y desarticular los mitos a su alrededor es crucial para implementarla de forma exitosa
Redacción, con información e imágenes de SolXenergy
A diferencia de las versiones pasadas, en las que los sistemas de velocidad y flujo ajustados basaban el control en la presión o en la temperatura ambiente fijada, en la actualidad, los sistemas HVACR incluyen controles diseñados para medir la energía térmica y modular la velocidad de acuerdo con las fases de los compresores.
En los nuevos sistemas el impacto de la energía térmica en el condensador, generada por el compresor, es monitoreada por el control inteligente que modula de forma continua la velocidad y las etapas del compresor. Esta modalidad está influenciada por toda la información recopilada por los sensores del termistor colocados en el sistema en puntos relevantes del ciclo. Específicamente, los controles inteligentes calculan constantemente la carga y ajustan el compresor, tomando en cuenta que la gran mayoría de la cantidad del flujo refrigerante se genera en las primeras fases del sistema de rack modulador o del compresor de velocidad variable.
Un recurso inagotable para el enfriamiento
El sistema de climatización a través de energía solar utiliza energía renovable térmica-solar para compensar una porción de la energía térmica que normalmente sería generada por los compresores. En todos los casos el condensador se diseña para manejar la capacidad térmica del compresor cuando trabaja a una carga completa. De hecho, usualmente, el condensador se diseña hasta un 10 por ciento por encima de la capacidad del compresor. La retroalimentación lógica del condensador para el compresor asegura que la energía térmica combinada se quede dentro de los puntos de manufactura y diseño del sistema. Al aumentar la energía térmica-solar los controles inteligentes reconocen que la energía térmica combinada en el sistema es más que suficiente para alcanzar los requerimientos del mismo y, consecuentemente, darán la señal a los compresores para reducir la velocidad o suprimir fases. Cuando el compresor trabaja con media carga, el ingreso de energía térmica libre aumenta la capacidad del sistema casi a su potencial máximo.
Este artículo habla sobre la tecnología de climatización que utiliza energía solar térmica para reducir la carga de trabajo que, con normalidad, es suministrada solamente por medio de compresión electromecánica, reduciendo así el consumo de energía. No hay que olvidar que el enfriamiento asistido solarmente es compatible cuando va asociado con sistemas de capacidad variable.
A continuación, se enlistan cinco mitos o ideas preconcebidas sobre el funcionamiento de estos sistemas:
Mito 1 calor = presión
Es común la percepción errónea de que el control de los sistemas modernos HVACR se basa todavía en la presión, cuando en realidad el control inteligente opera predominantemente por la medición de energía térmica. La mayoría de los sistemas VRF/VRV/MDV actuales se fabrican sin un transductor de una sola presión ligado a los controles inteligentes en operación. Éstos en su mayoría son sensores del termistor, pero no porque sean una alternativa costo-beneficio a los transductores de presión. Esta percepción equivocada puede llevar a la conclusión incorrecta de que el calor es esencialmente un producto secundario no deseado en el proceso de presurización. La realidad es que siendo la presión menos significante es, sin duda, una precondición necesaria. Sin energía térmica el efecto de enfriamiento no se podría obtener. La presión y la energía térmica son colectivamente fuentes vitales en el proceso refrigerante; sin embargo, hay que comprender que, en el sistema de modulación moderno, el método termodinámico es vital para la mejora de eficiencia y, por lo tanto, estos dos factores se alinean por periodos prolongados.
En la Figura 1, se observa un esquema del sistema típico de flujo variable de refrigerante (VRF). Los círculos azules indican los sensores de temperatura en el sistema. Estos se unen a los controles inteligentes que deciden qué tanto trabajan los compresores. Los círculos rojos son los transductores de presión, uno para presión alta y otro para presión baja. Estos tienen cero impactos sobre los controles inteligentes y sólo protegen a los compresores.
Figura 1. Esquema de un sistema de flujo de refrigerante variable típicoMito 2 el calor es el no deseado
En sistemas convencionales de enfriamiento por aire, a medida que el compresor opera para alcanzar el flujo másico requerido, tiene que ir más allá de los requerimientos. Esto acumula la presión/temperatura adicional necesaria para dar el suficiente efecto refrigerante, asegurando la transferencia de calor requerida al condensador al atravesar todas las condiciones de bulbo seco OAT potenciales.
En comparación, un compresor de enfriamiento por agua tiene el tamaño y la operación ideales para alcanzar el flujo másico requerido sin calor adicional innecesario, aprovechando una temperatura/presión del condensador mucho más baja. En otras palabras, es el equivalente de aumentar caballos de fuerza al ventilador del condensador para alcanzar una adecuada transferencia de calor.
Mito 3 en un sistema modulador la capacidad de cada compresor corresponde a una propulsión igual de flujo másico
Comúnmente se asume que cada compresor producirá cantidades iguales de flujo másico a medida que tienen que entrar en el ciclo por medio de los controles inteligentes del sistema. Es decir, se asume que un sistema de compresión de 4 fases producirá el 25 por ciento del flujo másico disponible en el sistema por cada compresor. Este no es el caso en absoluto. La realidad es que las primeras fases producirán la mayor parte del flujo másico que puede ser hasta en un 75 por ciento. El punto es que un compresor es una bomba y los expertos confirmarán que una bomba succiona y expulsa a la vez.
Mito 4 el panel solar térmico HVACR funciona, pero sólo es viable en ambientes de altas temperaturas
Por lo general, se acepta que un panel solar térmico asistido sería beneficioso en ambientes de altas temperaturas (debido al aire ambiental que va al serpentín de enfriamiento ΔT), pero existe el malentendido de que éste no sería viable en temperaturas normales o bajas.
Hay que considerar lo siguiente: cuando hay luz solar el recolector térmico suministra energía térmica al refrigerante. El control inteligente del sistema variable reconoce este dato por medio de los sensores del termistor, como si esta energía térmica fuera abastecida por el compresor. Por ejemplo, para alcanzar el ΔT requerido (producción de líquido), el control inteligente del sistema mide la información proporcionada por los sensores del termistor localizado en el condensador. Esto especifica un aumento de demanda del compresor, que en esta ocasión equivale a una descarga de temperatura de unos 65 °C (149°F), junto con el equivalente de flujo másico hacia el compresor. La temperatura generada del compresor y de la gama solar combinada es, sin embargo, de unos 70 °C, manteniendo el flujo másico. Los sensores inteligentes del condensador asumen razonablemente que la descarga de temperatura y el flujo másico subsecuente surgen solamente de la salida del compresor.
La verdadera temperatura que descarga el compresor sólo necesitaría ser de 40/45 °C con el flujo másico esperado, gracias a la energía térmico-solar adicional. Como tal, el control inteligente se comunicará muy probablemente con el compresor para desacelerar o mantener su posición, dependiendo del flujo solar disponible, mientras que mantiene el flujo másico de refrigerante del compresor.
Por lógica, aumenta la temperatura generada por el compresor, éste reduce su carga mientras produce un aire ambiental que va al serpentín de enfriamiento. El ΔT quedaría en la misma línea que normalmente alcanza con el compresor, pero trabajando a un ritmo de consumo mayor de energía. Esto es el resultado de un mejor flujo másico de líquido refrigerante a través del dispositivo de medición, con una reducción observada, medida y grabada en el consumo de energía.
Es evidente que la presión sigue siendo un componente importante y necesario en el proceso de licuefacción. Sin embargo, en los modernos sistemas termodinámicamente determinados la presión es monitoreada para asegurar la protección del equipo, pero en pocas ocasiones se mide con relación al impacto que pueda tener en el procedimiento de toma de decisiones de los controles inteligentes. El sistema de enfriamiento de paneles solares produce ganancias eficaces al permitir que el compresor baje la velocidad al mínimo, debido al uso del mismo método. No obstante, hay que recordar que el condensador está diseñado para manejar la capacidad máxima del circuito.
Mito 5 un almacenamiento de energía solar térmica no es eficiente en un sistema de enfriamiento durante la noche
La naturaleza escarpada y el diseño de la tecnología sugieren que el colector de energía solar generaría cero calor adicional después de la descarga del compresor durante las horas sin luz solar. Ocurre lo contrario, aunque en menor grado, la eficiencia posterior lograda ahora deriva del efecto opuesto, con el almacenamiento de energía solar actuando como un condensador de grandes dimensiones, disipando un elemento del calor (previo) del refrigerante al condensador. Los paneles solares esencialmente revierten su función dando como resultado un flujo másico de líquido refrigerante mejorado a través del dispositivo de medición. Así se obtiene una reducción observada, medida y almacenada en el consumo de energía.
Transferencia de energía cinética molecular térmica
El proceso de agregar energía térmica al gas refrigerante por panel solar funciona para remplazar un elemento de la energía térmica que normalmente genera el compresor. La tecnología no trabaja para incrementar significativamente las temperaturas gaseosas creadas cuando el compresor está en modo de mayor capacidad. Por esta razón, el panel solar no se puede instalar en sistemas de una sola velocidad fija. La cero modulación significa que no existe la habilidad para que el compresor descargue un elemento de calor creado.
Como todos los líquidos y gases consisten en moléculas, se requiere de una explicación adicional. En ninguna circunstancia se remplazan los principios termodinámicos, al contrario, esta tecnología los aprovecha. La manera en que las moléculas de una sustancia transfieren el calor está definida por la teoría de energía cinética. Cada molécula tiene un número de masa; cuando chocan una contra otra intercambian un impulso y luego se separan otra vez. Este proceso de choque transfiere calor. Por lo tanto, más calor igual a mayor velocidad y más transferencia de calor. Como hay septillones de moléculas, también hay abundantes colisiones y transferencia de calor. Con una temperatura incrementada, las moléculas chocan a mayor velocidad, un proceso de aceleración causado por la sensible energía térmica producida por el recolector solar; así se produce una mayor transferencia de calor. Este mismo proceso ocurre cuando los compresores están trabajando a alta capacidad.
Las moléculas por sí solas no proporcionan calor a través de sus masas. Las fuerzas en el proceso no almacenan o intercambian calor, y las partículas no cambian de diámetro con el calor. La única fuente de calor es el proceso de colisión de las moléculas. Lo que esto significa dentro del proceso de enfriamiento del panel solar es que el calor, y su transferencia, se define por el número de colisiones. Esta actividad de colisiones no se limita a ellas entre sí, también pasa en el borde que las rodea: la tubería. Esta actividad crea un aumento en la velocidad del refrigerante a través del condensador, lo que resulta en un incremento en la transferencia de calor de manera más efectiva alrededor de toda la tubería del condensador. A manera de que el aire ambiental que va al serpentín de enfriamiento ΔT se mantiene o se incrementa, el resultado es un flujo másico de refrigerante líquido mejorado a través del dispositivo de medición. El condensador tiene el mismo tamaño de manufactura. La temperatura del refrigerante aumenta a su máximo únicamente en los puntos diseñados del sistema (Figura 2).
La posición más eficiente para un compresor inverter es cuando opera al 75 por ciento de su capacidad, ya que es cuando proporciona la mayor parte o el 100 por ciento del flujo másico disponible (Preconcepción 3). Por lo tanto, la única razón por la que el compresor necesitaría aumentar su capacidad sería para proporcionar presión/temperatura adicional al refrigerante para satisfacer la ΔT requerida en el condensador. La realidad es que no se necesita la presión adicional, sino el calor adicional (Preconcepción 2). Sin embargo, la naturaleza del proceso de compresión significa que se obtienen ambos.
La adición de tecnología térmica solar permite al compresor proveer el flujo másico y presión requeridos, mientras que el panel solar provee la temperatura adicional requerida en el refrigerante (sin aumento de presión), que normalmente es alcanzada por el compresor al trabajar con mayor capacidad. El proceso se puede lograr a lo largo de todas las fases de compresión, desde las primeras hasta las últimas.
La pregunta es, ¿por qué se querría poner a trabajar este tipo de tecnología al máximo de su capacidad cuando la ganancia de energía térmica puede obtenerse al ciento por ciento de recursos naturales?
La Figura 3 ilustra un compresor inverter trabajando al 75 por ciento de su capacidad, acompañado con tecnología solar térmica versus el compresor inverter que proporciona un nivel similar de subenfriamiento.
Un incremento en moléculas líquidas dentro del evaporador es igual a mayor capacidad. Esto es detectado por los controles inteligentes que ordenan la reducción de rpm del compresor DC inverter o, en el caso de sistemas multifase, un retraso en la activación en un punto de los compresores adicionales. La diferencia más grande entre los sistemas de una sola velocidad y los de velocidad variable no sólo es la tecnología del compresor, también incluye el método de sensor, los controles inteligentes del sistema y cómo éstos miden las temperaturas y la reacción ante ellas. Los sensores toman en cuenta las diferencias al comparar los parámetros del sistema con lo que se espera obtener y hacen el ajuste de acuerdo con esto.
El impacto primario de fases adicionales de compresión es que imparten energía térmica adicional necesaria para que el sistema cree el aire ambiental preciso para el serpentín de enfriamiento ΔT.
Comprender la tecnología solar térmica es comprender los componentes de los actuales controles variables o moduladores del sistema; el cambio de estado de vapor a líquido; además de la importancia sobre los cambios de la energía cinética en el refrigerante. Los VRF han cambiado muchos de los fundamentos en el proceso refrigerante en años recientes. La energía solar térmica adicional en este proceso mejora la efectividad de los sistemas creando una mejora en la eficiencia por medio de dos componentes cruciales en el ciclo de enfriado y de la refrigeración: el intercambiador de energía y el dispositivo de medición.
La energía térmica sensible adicional producida por el panel solar sustituye un elemento de la energía térmica que casi siempre es generada completamente por la compresión electromecánica. Siendo el compresor el de mayor consumo energético en todo el proceso, la adición de energía solar térmica puede tener un verdadero impacto positivo en su eficiencia.
La combinación de reducir la carga de trabajo del compresor y mantener las temperaturas requeridas del refrigerante para obtener una eficiente ΔT permite un cambio de estado más rápido, un subenfriamiento más eficiente y, al final, una mejorada capacidad de enfriamiento.
