Análisis y síntesis de la operación de circuitos secundarios de agua fría en climatización centralizada

Analysis and synthesis of the secondary circuits of cold water operation in centralized air conditioning systems

Reineris Montero-Laurencio^I, Jesús Rafael Hechavarría-Hernández^II, Arístides Alejandro Legrá-Lobaina^I, Aníbal Borroto-Nordelo^III, Rubier Santos-González^II

I Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Centro de Estudio de Energía y Tecnología Avanzada. Holguín, Cuba.
II Universidad de Holguín. Centro de Estudios CAD/CAM. Holguín, Cuba.
III Universidad de Cienfuegos. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente. Cienfuegos, Cuba.

RESUMEN

En el presente trabajo se desarrolla la metodología del Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería para la preparación y toma de decisiones durante la operación en la climatización centralizada a flujo variable. Mediante un análisis externo se clasifica la información involucrada. En el análisis interno se describe el conjunto de trabajos de modelación matemática y la organización racional de los cálculos para determinar el indicador de eficiencia del proceso. El indicador de eficiencia contiene las potencias eléctricas debidas al trabajo de bombeo y al trabajo de compresión. Se plantean las generalidades de un procedimiento que implica la modelación térmica del edificio, la modelación de la red hidráulica y el cálculo de la potencia del compresor. La integración de estos aspectos termohidráulicos a partir de evaluar la incidencia de la variable de decisión, habitaciones días ocupadas, permite identificar los requerimientos mínimos de potencia del sistema.

Palabras claves: climatización centralizada, flujo variable, sistema de ingeniería.

ABSTRACT

In the current work is development the methodology of analysis and synthesis of system of the engineering to the preparation and taking of decision during the operation of the centralize air conditioning system with variable flow. Using an external analysis, the involved variables are classified. In the internal analysis are described all the works of the mathematical models and the rational organization of the calculations to determine of the process efficiency indicators. The efficiency indicators contain the electricity power due to the pump and the compressor work. The generalities of a procedure that implies the thermal simulation of the building, the simulations of the hydraulic net and the calculation of the power of the compressor are shown. The integration of these termhydraulics aspects starting from evaluating the incidence of the decision variables, busy rooms, permits to identify the minimum required of the system power.

Key words: centralized air conditioning systems, variable flow, engineering systems.

INTRODUCCIÓN ]]>  

La causa fundamental del consumo de electricidad en hoteles turísticos constituye la climatización centralizada. Las investigaciones para resolver esta problemática se han centrado en sistemas a flujo constante. Sin embargo, aún no se aprovechan eficientemente las oportunidades de ahorro de energía que ofrecen los sistemas a flujo variable. En especial, los Sistemas de Climatización Centralizada por Agua Helada (SCCAH) son de uso obligatorio en los hoteles de 4 y 5 estrellas [1], y causan aproximadamente el 60% del consumo de la energía eléctrica según plantean Mostelier y Armas en el 2008 en sus tesis de doctorado.

Los mayores avances en la disminución del consumo de energía en los SCCAH están relacionados con mejoras en la eficiencia del ciclo de compresión del gas refrigerante, justificado por la potencia instalada en estos equipos. Esto ha permitido establecer parámetros técnicos adaptados a las condiciones de operación a cargas parciales [2-7]. Sin embargo el incremento de la eficiencia energética en las unidades enfriadoras, ha despertado interés en reducir el consumo de energía en los Circuitos Secundarios de Agua Fría (CSAF), debido al incremento porcentual de la potencia que requieren [8-12].

En los accionamientos electromecánicos se estima que el 20 % de los ahorros de la energía están asociados con las mejoras en la eficiencia de los motores y los sistemas de suministro eléctrico, el otro 80% a las mejoras se obtienen mediante un enfoque integral del los sistemas, haciendo énfasis en la carga impulsada y el proceso. Estos criterios se obtuvieron en estudio realizado por la Oficina de Tecnologías Industriales del Departamento de Energía de EEUU. Es precisamente como parte de ese 80 % que la modelación térmica del edificio y el análisis de sus efectos en el equipo enfriador del SCCAH, integrado a la modelación hidráulica de los CSAF, con lo que se puede obtener un análisis más profundo de las potencialidades de ahorro energético.

En la literatura consultada aunque se considera como la variable más importante la presión de trabajo de los CSAF y se han modelado múltiples sistemas, las soluciones se centran en modelos particulares de algún componente y en la utilización de complejos sistemas de medición y control a los cuales no siempre se puede acceder. La ocupación de los locales no se analiza en toda su complejidad, sin embargo es la variable operacional que decide las respuestas energéticas del sistema en su dimensión termohidráulica.

Los procesos termohidráulicos de la impulsión del agua en los SCCAH son complejos, poseen severas no linealidades y variabilidad con el tiempo. La obtención de modelos a partir de las leyes de la física resulta complicado. Esto obliga a utilizar herramientas que faciliten la modelación y evaluación del sistema donde se inserta de manera adecuada el Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería (ASSI).

Tomando como referencia los aspectos anteriores, constituye una necesidad que la operación de los CSAF debidamente insertado en los SCCAH, se realice mediante un enfoque sistémico. Es por tanto que el objetivo del presente trabajo radica en la estructuración de toda la información relacionada con la operación del sistema, para su adecuada modelación energética, facilitando la propuesta de un procedimiento que permita la determinación de las soluciones que minimizan los requerimientos de potencia eléctrica debida al bombeo y al trabajo de compresión.

En el trabajo se presentan resultados parciales de diferentes etapas del procedimiento. Las buenas soluciones parten de la selección adecuada de la ocupación de los locales a climatizar. El enfoque sistémico sienta las bases para seleccionar los parámetros adecuados de operación, demostrando la validez de la teoría del ASSI.

Para el desarrollo de la investigación se tomó como base la metodología de ASSI [13]. Esta teoría ha demostrado su validez en: clasificar la información asociada a cada tarea, formular adecuadamente las tareas de ingeniería asociadas (insertadas en el entorno en el que deberán funcionar) y sintetizar debidamente el sistema, adecuándolo para la solución práctica de la tarea estudiada. Estos criterios fueron sintetizados por Hechavarría en el 2009. La validez de la teoría del ASSI ha sido ratificada por múltiples trabajos científicos de diversas especialidades conducentes a grados científicos o expuestos en los seminarios Euro - Latinoamericano de Sistemas de Ingeniería.

Finalmente se conforma un diagrama que muestra las iteraciones para la modelación y el análisis de la operación de los CSAF a flujo variable. A partir de las cantidades de variantes a solucionar para la selección de las mejores soluciones de la función objetivo, se presenta la necesidad de aplicar un cálculo exhaustivo para pequeñas soluciones o una heurística para grandes cantidades de soluciones. Se tiene en cuenta la convergencia del método y que se garantice el menor trabajo de cómputo.

Para determinar las cargas térmicas se utilizó el método de la ASHRAE. Los resultados fueron usados para obtener los modelos mediante redes neuronales artificiales (RNA) que mejor predicen la carga térmica a partir de la temperatura ambiente, la hora del día y el día del año. En el caso de la modelación hidráulica se utiliza el método del gradiente para evaluar los estados posibles de la red. En cuanto al trabajo de compresión fueron utilizadas las ecuaciones convencionales para determinar la potencia de compresión considerando un ciclo de una etapa y el empleo del refrigerante freón 22.

La climatización de los locales se materializa al hacer circular el aire de la habitación por un intercambiador de calor (fancoil) que utiliza el agua como fluido frío. Las válvulas de control de dos vías, disponibles en los CSAF a flujo variable, son las encargadas de permitir el trasiego del agua por la unidad ventiloconvectora. Todas las especificaciones de los dispositivos y métodos para el equilibrado hidráulico sobre este artículo aparecen en los manuales de la empresa Tour Anderson Hidronic emitidos en los años 1999 y el 2000. Para una mayor precisión teórica se recomienda consultar las referencias [14]. Con el objetivo de garantizar el caudal de diseño establecido por la carga térmica máxima que demanda la habitación [15-16], se utilizan válvulas de regulación y compensación ubicadas estratégicamente en la red mallada, conocidas también como válvulas de equilibrado. El proceso que permite ajustar estos elementos para cumplir con tal fin, es conocido como "Equilibrado Hidráulico" [14]. El calor extraído por el fluido del sistema hidráulico es evacuado posteriormente en las unidades enfriadoras.

La clasificación de la información asociada a la operación de CSAF a flujo variable, así como la formulación de la función objetivo y las restricciones al modelo, se fundamenta en los resultados arrojados por varias investigaciones en aspectos relacionados con: el control automático del accionamiento electromecánico en la estación de bombeo; la modelación de la carga térmica mediante la metodología ASHRAE y la modelación del equilibrado hidráulico y del transporte del agua en una red mallada. En la figura 1 se aprecian los componentes de un CSAF a flujo variable.

Análisis externo de la operación de CSAF a flujo variable ]]> La operación de CSAF a flujo variable tiene como objetivo principal garantizar la climatización de los locales independientemente de las condiciones que imponga el Sistema de Mayor Envergadura (SME). Se considera SME a todo fenómeno externo que influya en el proceso de climatización, como son: condiciones climatológicas, características térmicas de la edificación, parámetros técnicos del sistema, entre otros.

Variables de Coordinación

Las Variables de Decisión del SME, asociadas al sistema dado, constituyen las Variables de Coordinación del sistema estudiado [13]. La modelación de la operación de los CSAF a flujo variable es una tarea compleja debido a las diversas alteraciones que impone el SME. Se consideran Variables de Coordinación las siguientes:

• Para la modelación térmica:
• Ubicación geográfica de la localidad.
• Parámetros solares de la localidad.
• Condiciones climáticas de la localidad.
• Parámetros técnicos de la edificación.
• Clasificación de los locales según su uso.

Para la modelación hidráulica:

• Ubicación espacial de los nodos de la red.
• Topología de la red.
• Dimensiones y material de las tuberías.
• Parámetros técnicos de las válvulas de control.
• Parámetros técnicos de las válvulas de regulación.
• Parámetros técnicos de las válvulas de compensación.
• Parámetros técnicos de las unidades terminales (intercambiadores de calor).
• Parámetros técnicos de las unidades de bombeo.
]]> Parámetros técnicos de las unidades enfriadoras.
• Clasificación del local según su disponibilidad.
• Aceleración de la gravedad.

El trabajo por compresión de los sistemas de climatización centralizados se rige a partir de variables generales que caracterizan el ciclo de refrigeración respondiendo a las demandas del SME. Dentro de estas variables se encuentran:

• El tipo de refrigerante utilizado.
• Las temperaturas de condensación y de evaporación.
• La temperatura de envió del agua fría a la salida del evaporador.
• La temperatura de retorno del agua del CSAF a la entrada del evaporador.

• Total de habitaciones o locales del edificio.
• Cantidad de locales fuera de servicio, no disponibles.
• Cantidad de habitaciones disponibles.
• Cantidad de habitaciones priorizadas (escogidas a preferencia de los clientes).
• Cantidad de habitaciones a ocupar (solicitud de entradas en la recepción del hotel).

Indicadores de eficiencia

La reducción del consumo de energía es el criterio fundamental en las formulaciones matemáticas que abordan la operación de las unidades enfriadoras en los sistemas de climatización centralizados por agua helada. En las estaciones de bombeo a flujo variable que impulsan el fluido al CSAF, la reducción del consumo de energía está caracterizada por la selección de un valor de consigna de la presión en la unidad de bombeo [6, 17]. Por estas razones se considera como Indicador de Eficiencia de carácter formalizable, la minimización de los requerimientos de potencia eléctrica para cada situación de la operación del CSAF a flujo variable. Este proceso integra:

• Los requerimientos de potencia eléctrica para el trabajo de compresión en la unidad enfriadora.
]]> Los requerimientos de potencia eléctrica para el bombeo en el CSAF.

La pérdida de energía en la red de distribución de agua incluye las pérdidas por fricción y las pérdidas producidas por singularidades en la red, las cuales determinarán si el rendimiento del sistema, en un estado particular, puede ser bueno porque haya poca pérdida de la energía disponible; o no tan bueno, debido a una gran pérdida de la energía disponible. Por otra parte, el consumo de energía por trabajo de compresión en las unidades enfriadoras es función de la carga térmica extraída de los locales por el sistema hidráulico.

Variables de decisión

Con el objetivo de obtener el mejor compromiso entre los componentes del indicador de eficiencia del proceso, se consideran variables de decisión las siguientes:

• Habitaciones a Ocupar (HO).
• Valor de consigna de la presión en la unidad de bombeo.

HO indica cuantos locales se van a ocupar en el edificio que no estén preseleccionados. La selección de las HO que formarán parte de las Habitaciones Días Ocupadas (HDO) trae consigo el siguiente análisis:

]]>

Donde:

t - total de habitaciones o locales del edificio

d - cantidad de habitaciones disponibles.

HO^_p- cantidad de habitaciones a ocupar priorizadas (escogidas a preferencia de los clientes).

H_fs- cantidad de habitaciones fuera de servicio (por razones técnicas o fuera de orden).

nd- cantidad de habitaciones no disponibles para el análisis.

MVC- Mayor Valor del Código de solución (cantidad de opciones posibles). ]]> MVCR- Mayor Valor del Código Restringido (cantidad de opciones reales de HO en ).

Partiendo del estado inicial de cuales son las habitaciones no disponibles y las disponibles, la decisión de cuales habitaciones se van a ocupar, condiciona la apertura o cierre de circuitos en la red hidráulica según las diferentes variantes. Estas topologías provocan que las pérdidas de energía del fluido alcance diferentes valores, en correspondencia con las singularidades de la red en cada análisis. El trabajo de compresión en la unidad enfriadora también se ve afectado por las HO según sus valores de carga térmica.

Variables intermedias

Generar variantes de HDO trae consigo alteraciones en la modelación térmica e hidráulica, dando como resultado diferentes valores de velocidad y presión en el CSAF. Estos resultados deben ser evaluados para comprobar si cumplen con los parámetros permisibles. De este modo, resultan de interés en el proceso de toma de decisiones, las Variables Intermedias siguientes:

• Velocidad del líquido en cada tramo de tubería.
• Altura de presión en cada nodo

Datos de entrada al sistema

Para una mayor claridad en la información de los datos de entrada al sistema, se propone la clasificación siguiente:

    Datos para la modelación térmica

]]> Temperatura ambiente.
• Hora del día.
• Habitaciones a ocupar.

    Datos para la modelación hidráulica

• Viscosidad cinemática del agua (en función de la temperatura del fluido).
• Rugosidad equivalente (en función del material y edad de las tuberías).
• Coeficiente de resistencia local (tipo de accesorio).
• Valores mínimos y máximos de Velocidad y Presión (rangos permisibles).

• Densidad del agua (en función de la temperatura del fluido)
• Rendimiento de la bomba.
• Coeficiente de seguridad de la potencia necesaria para la bomba.

    Datos para la determinación de la potencia eléctrica en el compresor

• Presión en el evaporador.
• Presión en el condensador.
• Rendimiento isentrópico.
• Entalpías del ciclo de refrigeración.
]]> Flujo de agua para condiciones de máxima carga térmica.
• Factor de simultaneidad de la carga.

    Datos para la penalización:

• Valor de penalización para incumplimiento de velocidad mínima.
• Valor de penalización para incumplimiento de velocidad máxima.
• Valor de penalización para incumplimiento de presión mínima.
• Valor de penalización para incumplimiento de presión máxima.

Análisis Interno ]]> Este análisis tiene como objetivo elaborar el procedimiento computacional para calcular las salidas (Indicadores de Eficiencia) en función de las entradas [13], ver figura 2.

Función Calidad

Al tener en cuenta los parámetros que intervienen en el indicador de eficiencia, potencia eléctrica para el trabajo de compresión y potencia eléctrica para el bombeo, la función calidad queda expresada de la forma siguiente:

Donde:

Z - potencia eléctrica total.

P_t - sumatoria de la potencia eléctrica necesaria.

P_ec - potencia eléctrica necesaria para realizar trabajo de compresión.

P_eb - potencia eléctrica necesaria para el bombeo. ]]> Cálculo de las penalizaciones

Las restricciones establecidas por el destino de servicio de los CSAF a flujo variable, imponen valores de velocidad y presión enmarcados en rangos permisibles.

La función Pen elaborada por Hechavarría en el 2009, se establece para penalizar las soluciones obtenidas en la función calidad (ecuación 5), cuando no cumplen con los requerimientos antes mencionados.

Indicador de Eficiencia

El Indicador de Eficiencia Generalizado (IEG) para cada variante de red se calcula a partir de la función calidad más las penalizaciones por concepto de velocidades y presiones no permisibles.

Donde: Z´ es el indicador de eficiencia generalizado para cada variante de operación del CSAF. ]]> Procedimiento para la preparación y toma de decisiones en la operación de los Circuitos Secundarios de Agua Fría a flujo variable

La modelación energética de los Sistemas de Climatización Centralizados se ha desarrollado de manera progresiva en las dos últimas décadas. Existen algunas aplicaciones e investigaciones que modelan y se especializan en una de las partes del sistema como es el caso de la carga térmica, las redes hidráulicas, las unidades terminales, los accionamientos eléctricos o el control del sistema. Sin embargo, se busca continuamente una mejor integración de las partes componentes sobre todo para evaluar el desempeño energético.

A la secuencia y procedimientos utilizados para resolver las ecuaciones se le denomina estrategia general de modelado, y de esta depende en gran medida la precisión de los resultados y los recursos de computación requeridos [16]. Las investigaciones sobre la simulación simultánea del edificio, el sistema secundario y el sistema primario se inicio desde hace varios años. Sin embargo, algunos de los más conocidos programas de análisis de la energía todavía no aplican este enfoque, aun cuando ya están disponibles programas como el ESP-r, que permiten la simulación simultánea del edificio y los sistemas de Climatización Ventilación y Aire Acondicionado.

En la figura 3 se presenta en forma de diagrama de bloques, el procedimiento general propuesto para la modelación energética de la operación de los CSAF. CVS significa los códigos variables de soluciones, equivalentes a las diferentes variantes de ocupación del edificio y p es el valor de la presión de consigna que se debe mantener para condiciones de mínimo requerimiento de potencia eléctrica del sistema en su conjunto.

Para una mejor compresión de los resultados de la implementación del procedimiento y por razones de espacio se presentaran figuras y esquemas en un caso de estudio, correspondiente a una edificación hotelera de tres plantas compuesta por 59 habitaciones. La estrategia general del modelado se sustenta en realizar inicialmente una modelación de la carga térmica de cada local del edificio seleccionado. Luego, los resultados se sistematizan en modelos basados en RNA de las 59 habitaciones capaces de realizar funciones predictivas. En la figura 4 se presenta la cantidad de neuronas en la capa intermedia, el coeficiente de correlación entre los valores predichos por la RNA con respecto a los valores reales y los errores de los modelos. La estructura de la RNA que satisface estos resultados es la feedfoward backpropagation con una capa intermedia y funciones de transferencia tansig en la primera capa y purelin en la capa de salida. A partir de los valores de la carga térmica se definen los caudales necesarios para mantener el confort a través de las unidades terminales.

El paso siguiente consiste en efectuar una adecuada modelación hidráulica de la red (ver Fig. 5) debidamente equilibrada para cada variante de ocupación de los locales. A través del modelado hidráulico para cada variante se puede definir el caudal total y la presión necesaria en el sistema.

Estos parámetros del bombeo son evaluados en una función objetivo determinándose la energía eléctrica necesaria para trasegar el agua. También se determina mediante el ciclo de compresión del gas refrigerante los parámetros necesarios para estimar el trabajo de compresión para eliminar el calor absorbido por el agua en la carga térmica. ]]> La solución que se plantea en este procedimiento consiste en aplicar el método de integración de variables, para lo cual, se generan una cantidad de códigos de solución con ayuda de operadores que actualizan los miembros de una población. Las posibles soluciones están ligadas a un código que genera las opciones de ocupación de los locales (ver Fig. 6). Se crea una población inicial y se va actualizando de forma iterativa la función calidad ordenándose los códigos de acuerdo a los valores de la función objetivo.

El criterio de solución de la función calidad dependerá del valor que alcance MVCR. La base de selección del método para determinar los requerimientos de potencia eléctrica del sistema en función de cada variante de ocupación, radica en la cantidad de códigos a evaluar y de la capacidad de cálculo de la maquina utilizada. Es decir, pueden ocurrir las tres situaciones siguientes a manera de ejemplo:

• Si MVCR ≤ 10000 y HO ≤ t/2 entonces se aplica la búsqueda exhaustiva de soluciones
• Si MVCR ≥ 10000 y HO ≤ t/2 entonces se aplica la búsqueda escalonada de soluciones.
• Si MVCR ≥ 10000 y HO ≥ t/2 se aplica la búsqueda de soluciones mediante la aplicación del algoritmo genético para lo cual se puede seleccionar el tamaño de la población inicial y las mejoras aleatorias que se deseen realizar.

En cuanto a la búsqueda escalonada, la misma puede asumir diferentes valores de escalonamiento y se puede asociar a diferentes variantes de preselección como: analizar todas las variantes, analizar por grupos de habitaciones, o por un grupo de habitaciones que signifiquen las de menor potencia individual. Durante el escalonamiento se va actualizando la cantidad de habitaciones disponibles para nuevas búsquedas. Los estilos de preselección pueden estar asociados a condiciones físicas reales de la instalación de climatización o variables no formales de explotación. Un ejemplo de búsqueda escalonada se puede apreciar en la figura 7, en donde se obtienen las habitaciones que minimizan los requerimientos de potencia al ocupar 6 en 24 disponibles, para lo cual hay que evaluar 134596 variantes, solucionándose el problema en 1.2 segundos. El total de habitaciones en cada grupo para el escalonamiento fue de dos. Se puede solicitar el valor del código variable para cualquier combinación.

CONCLUSIONES ]]>  

1- El análisis energético del SCCAH mediante el ASSI, ha favorecido la estructuración de toda la información relacionada con la operación del sistema para su adecuada modelación, identificándose las variables de decisión y el IEG que indiquen un uso más racional de la energía eléctrica.

2- La selección de los locales que formarán parte de las HDO tendrá repercusión en el consumo de energía eléctrica por trabajo de compresión y por bombeo. La generación de variantes de HO debe ser estudiada en función del universo de posibles soluciones del MVCR que cumplan con las exigencias del SME. De la cantidad de combinaciones posibles dependerá el criterio de solución de la función objetivo.

3- El procedimiento que se presenta como estrategia de modelado, integra la modelación térmica del edificio, la modelación hidráulica de la red, las expresiones para el cálculo del trabajo de compresión y la determinación de la ocupación que garantiza el menor requerimiento de potencia del sistema, favoreciendo el proceso de toma de decisiones durante la explotación hotelera.

AGRADECIMIENTOS

Al Centro de Estudios CAD/CAM de la Universidad de Holguín por la estancia de investigación que permitió aportar significativamente a este resultado; al Dr. José Monteagudo Yanes; al Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Cienfuegos; a los Departamentos de Matemática de la Universidad de Holguín; a los trabajadores del departamento de Servicios Técnicos del Hotel Blau Costa Verde y a los Ingenieros Morera y Yoel del departamento de Instalaciones Especiales de la Empresa de Proyectos VERTICE en Holguín, Cuba.

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Recibido: 29 de junio de 2011.
Aceptado: 25 de abril de 2012.

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Correo electrónico: rmontero@ismm.edu.cu ]]> 1 Oficina Nacional de Normalización 1999 2 Augu st 1 3 Sept em be 4 Sept em be 5 2008 XI 40 40 6 2009 41 2 2 7 2010 30 15-22 8 Nove mb er 9 Sept em be 10 2007 27 5 5 934-941 11 Sept em be 12 Sept em be 13 2000 14 1997 15 Carrier Air Conditioning Company 1972 16 2008 17 2011 9 3 3 38-45