Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Luís Clavería, Promotor y Titular, Hotel Ciudad de Binefar
- Jose Miguel Pallarés, Director Técnico, SYP Ingenieros
- Raúl Serradilla Bejarano, Aircon B2B Manager, Samsung Electronics Air Conditioner Europe
Resumen
Se describirá el uso de equipos de volumen variable de refrigerante (VRF) que optimizan la recuperación de calor entre distintos sistemas/zonas de un mismo edificio o instalación, ya sea en hibridación con otros sistemas ó de forma exclusiva, y cómo realizar un correcto diseño de los mismos que logre una perfecta integración con los sistemas del edificio, así como un correcto balance de las cargas. Se profundizará en la tecnología de recuperación de calor en sistemas VRF, el balanceo de cargas desde hidrokits de producción de agua fría para el sistema de climatización y Agua Caliente Sanitaria, y su hibridación con el resto de sistemas de climatización e instalación de frío para cámaras frigoríficas.
Palabras clave
VRF, Recuperación de Calor, Balance de Cargas, Hibridación, Rendimiento Estacional, Hidrokits, Cámaras Frigoríficas
Antecedentes del sistema
En el sector hotelero los costes energéticos (climatización, ACS y calefacción) suponen una parte muy importante de los costes totales de explotación, pudiendo llegar a superar el 20% en aquellos establecimientos con piscina climatizada y/o SPA.
Debido a esto, es imprescidible el diseño e implantación de sistemas eficientes que, además de cubrir las necesitades energéticas proporcionando confort, sean lo más eficientes posibles.
El diseño e instalación se realiza en un edificio de nueva construcción (inaugurado en mayo de 2017, proyecto de instalaciones de marzo de 2013 con modificado de octubre de 2015). La actividad a desarrollar en el edificio es hotel (3 plantas, cada una con 21 habitaciones y 6 apartotel, con un total de 81 plazas), ofreciendo servicios de restaurante, cafetería, salón de banquetes y spa / gimnasio, que pueden ser independientes del uso de hotel. Dado el emplazamiento del hotel, la utilización de las habitaciones (zona de hotel y apartotel) será variable y de difícil estimación a priori (no se trata de un hotel de ciudad, no se emplaza en la costa, ni se encuentra en la montaña). El uso de la cafetería y del restaurante es de carácter periódico y estacional, mientras que el uso del salón será puntual, con ocupación variable, pero suponiendo una carga térmica significativa respecto de edificio en conjunto (respecto de las cargas totales simultaneas, supone un 51% de carga en frío y un 23% de la carga en calor). Tanto el local como el gimnasio tienen un uso comercial con los horarios habituales del mismo.
Descripción del sistema
Se prevé un sistema centralizado, que pueda atender una demanda térmica continua a carga parcial baja, con capacidad de respuesta térmica con tiempo de anticipación de pocas horas para tratar térmicamente la zona del salón. El sistema debe poder atender la variabilidad de cargas, así como los diferentes modos de demanda frío-calor simultáneo según las zonas de hotel y resto de servicios (cafetería, restaurante, salón y local). Se ha considerado la versatilidad de la instalación, tanto en el mantenimiento de las redes de transporte del fluido térmico, como en la reparación y sustitución de las unidades terminales y de los generadores de calor/frío. También se ha tenido en cuenta el combustible, tanto desde el punto de vista de la dependencia de varios combustibles, así como del impacto medioambiental.
De acuerdo a todo lo anterior, se considera que el sistema óptimo consiste en una instalación de aire-agua, distribución a cuatro tubos, con fancoils en elementos terminales, generadores de calor y frío consistentes en calderas de condensación a gas natural y enfriadoras de agua condensadas por aire, con un sistema de aerotermia por bomba de calor con recuperación de calor (tres tubos). Toda la ventilación del edificio es forzada, con recuperadores de calor con una eficiencia superior al 70% del calor sensible.
La modificación normativa de RITE y del CTE, previa justificación energética y documental, permite la utilización de aerotermia como energía renovable para la sustitución del aporte solar a la generación de ACS. De esta manera el sistema de generación consistirá en calderas alimentadas con gas natural para calentar agua del sistema de calefacción y como apoyo del acs, enfriadoras de agua para el sistema de climatización, aerotermia con bomba de calor para parte del acs que sustituye al sistema solar, VRF a tres tubos con kit hidráulico para complementar las unidades exteriores de la aerotermia y poder realizar agua fría a bajo coste cuando haya demanda de calor y frío simultáneo en el edificio.
Descripción de un sistema de caudal variable de refrigerante con recuperación de calor
Un sistema VRF (caudal de refrigerante variable, variable refrigerant flow en inglés) es un sistema de aire acondicionado que usa refrigerante como medio de transferencia de calor, conjuntamente con baterías de expansión directa. Se compone de una ó varias unidades exteriores, múltiples unidades interiores, y un relativamente complejo sistema de control y gestión del caudal del refrigerante y el aceite basado principalmente en:
- Un compresor ó compresores con ajuste de la capacidad dentro de las unidades exteriores
- Válvulas de expansión electrónicas y modulantes para cada unidad interior
Hay dos tipos de sistemas de caudal variable de refrigerante:
- Tipo 1, llamado coloquialmente como 2 tubos ó bomba de calor, en el cual las unidades interiores solo pueden trabajar en un modo, ya sea frío ó calor.
- Tipo 2, llamado coloquialmente como 3 tubos (líquido, succión y descarga) ó recuperación de calor, donde las unidades interiores pueden proporcionar simultáneamente frío y calor. La característica importante de los sistemas de recuperaciónde calor es su capacidad de transferir “calor” a través del refrigerante de una zona a otra y, por lo tanto, operar simultáneamente unidades interiores en modos opuestos, consiguiendo excelentes eficiencias energéticas.
Para recuperar el calor de las zonas refrigeradas hacia las zonas a calentar, se usan colectores de control adicionales en cajas de distribución (MCUs ó unidades de control del modo de funcionamiento).
Resumiendo, un sistema de recuperación de calor consiste en: unidades exteriores, tuberías de refrigerante y accesorios, unidades interiores, cajas de distribución donde se produce la recuperación de calor, y controles.
En relación a los modos de funcionamiento, un sistema bomba de calor tiene dos tipos de ciclo frigorífico: modo frío, donde todas las unidades que están en funcionamiento requerirán de frío, y modo calor, donde todas las unidades que están en funcionamiento requerirán de calor.
Por el contrario, en un sistema de recuperación de calor nos encontraremos con 4 modos de funcionamiento:
- Modo frío. Todas las unidades interiores demandan frío, como en bomba de calor
- Modo principalmente frío. De todas las unidades interiores en funcionamiento, la mayoría demandan frío y el resto demandan calor, recuperando energía entre unidades interiores en distinto modo de funcionamiento
- Modo principalmente calor. De todas las unidades interiores en funcionamiento, la mayoría demandan calor y el resto demandan frío, recuperando energía entre unidades interiores en distinto modo de funcionamiento
- Modo calor. Todas las unidades interiores demandan calor, como en bomba de calor
En cuanto a la eficiencia del sistema de recuperación, como ejemplo, un equipo de DVM S de 10 HP (aproximadamente 28 kW de capacidad) combinado con 4 unidades interiores de 7,1 kW es capaz de alcanzar una eficiencia simultánea en frío y calor (SCHE) con un 50% de carga para cada uno de los sistema superior a 10 (en unidades SI), según ensayos llevamos a cabo por AHRI (tabla I):
Sustitución del aporte solar para A.C.S. por aerotermia
De acuerdo con el DB HE-4 Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria del CTE, el sistema de contribución solar mínima de agua caliente sanitaria se sustituye totalmente por una instalación alternativa de aerotermia con bombas de calor accionadas eléctricamente y condensadas por aire con SPF=2.81, la cual queda justificada por una menor emisión de CO2 y menor consumo de energía primaria no renovable, respecto del sistema solar térmico para acs con apoyo del sistema de referencia, el cual se usa también para la calefacción del edificio.
Energía necesaria en el edificio
Consumo y emisiones del Sistema Proyecto con aerotermia (calefacción y acs)
Consumo y emisiones del Sistema Solar y Sistema Referencia (calefacción y acs)
Así pues, el sistema del proyecto tiene un consumo anual (calefacción y acs) de energía primaria de 589.4MWh, frente a los 657.6MWh del sistema solar y referencia; las emisiones anuales (calefacción y acs) del sistema del proyecto son 100.3t de CO2, frente a los 134.5t CO2 del sistema solar y referencia.
Integración del sistema en nuevos usos
De acuerdo a todo lo visto anteriormente, se ha previsto que el sistema pueda aceptar la generación de frio y calor simultaneo con una recuperación de calor. Esto se realiza por medio de diferentes generadores de calor y frío que aportan energía en forma de agua a 60ºC y a 7ºC a sendos acumuladores de inercia, desde los cuales se transportan a los diferentes puntos en los que se demanda calor y frío. Los generadores principales son enfriadoras y calderas, pero las primeras etapas de demanda térmica quedan satisfechas por medio de un sistema de aerotermia con recuperación de calor. Dicho sistema puede ofrecer 100kW en calor y 100kW en frío simultáneos en modo recuperación de calor, este valor se ha establecido en base a las necesidades térmicas mínimas del hotel (91kWc / 119kWf) en el uso de los servicios del hotel y la cafetería, de esta manera se garantiza una demanda energética mínima por bienestar ambiental según la estación del año, debiendo prever una demanda contraria para que el sistema sea eficiente), pero se ha previsto el espacio y la instalación hidráulica para poder incorporar nuevos equipos de aerotermia idénticos a los ya instalados, que permitan aumentar esta potencia, en el caso de que se detectara un factor mayor de simultaneidad de frio/calor y la actuación fuera amortizable en poco tiempo. El sistema utiliza agua fría 7/12ºC y caliente 60/50ºC, la cual es generada por las enfriadoras y por las calderas, la aerotermia ofrece la potencia de 0-200kW como agua caliente y/o fría en escalones de 25kWf o 35kWc, el control se establece por las temperaturas de retorno y la variación de temperatura de los tampones, las cuales indican al control que generadores poner en marcha (de acuerdo a los parámetros establecidos).
Puesto que el fluido térmico secundario es agua, es relativamente sencillo y seguro realizar el transporte de energía a aquellos puntos en los que se precise, particularmente se detectó en las fases finales de las instalaciones generales una demanda térmica significativa en las cámaras de frío de las cocinas. Para ello se instaló un sistema frigorífico, el cual se preparó para condensar por aire, pero por indicaciones de la Dirección Facultativa de instalaciones se añadió:
- Un intercambiador de calor agua/refrigerante en el circuito de condensación, el lado del agua se alimenta desde el circuito de frío del sistema de climatización.
- Un circuito de agua desde el colector de frío del sistema de climatización.
- Un circulador en dicho circuito, con orden de funcionamiento según las demandas energéticas de la climatización y ACS del edificio, pero maniobrado por el sistema de refrigeración.
El funcionamiento se realiza únicamente cuando hay una demanda simultánea de calor en el edificio, y siempre que ésta provenga del sistema de aerotermia, garantizando de esta manera un uso eficiente de la energía, puesto que se realiza con una recuperación de calor. Cuando se cumplen los parámetros de funcionamiento descritos, el refrigerante del sistema de frío de las cámaras condensa en el intercambiador de calor, evitando el funcionamiento de las condensadoras de aire de la cubierta (en la cubierta cuatro plantas por encima de las centrales frigoríficas),con una disminución en el el gasto energético de su funcionamiento (500W de consumo de ventiladores frente a 41W de consumo de la bomba de agua), especialmente en la temporada de verano, puesto que la condensación se realiza contra un agua a 7ºC-12ºC en régimen constante, en lugar del ambiente exterior a una temperatura variable entre 20ºC y 38ºC (Figura 5).
Este sistema tiene sentido puesto que los generadores de calor y frío tiene un grado de parcialización muy elevado (cada una de las dos enfriadoras tienen 4 etapas, siendo la primera potencia de 59kW, las calderas modulan del 17% hasta el 100%, siendo la primera potencia de 34kW, la aerotermia tiene una modulación del 5-100%). Esto permite conocer la procedencia de la energía que se suministra al edificio, por lo que se puede determinar la idoneidad de la puesta marcha de los equipos de recuperación de energía. Actualmente la instalación sigue en un proceso de toma de datos para el ajuste final del sistema de control de cara a una optimización de los algoritmos de control.