Mitsubishi Electric lleva más de 7 años suministrando sistemas VRF con intercambiador de calor refrigerado por agua al mercado europeo. Actualmente se están produciendo dos modificaciones de tales sistemas. La serie WY supone el funcionamiento simultáneo de unidades interiores en el mismo modo: refrigeración o calefacción, y la serie WR2 permite el funcionamiento simultáneo de unidades interiores en diferentes modos. Es importante señalar que el circuito frigorífico en ambos tipos de sistemas Mitsubishi Electric es de dos tubos en cualquier tramo, aunque el sinónimo conocido para el segundo tipo de sistema es “sistemas de tres tubos”.
En sistemas formados por varios compresores y unidades condensadoras de la serie WR2, se forman dos circuitos de recuperación de calor. El primero es el movimiento de calor entre unidades interiores pertenecientes al mismo circuito frigorífico. Una unidad interior que funciona en modo refrigeración absorbe calor del aire de la habitación y este calor no se disipa a la atmósfera, como en los sistemas divididos convencionales, sino que ingresa a las unidades interiores para calentar las habitaciones adyacentes. Resulta, por ejemplo, que un servidor potente con grandes emisiones de calor calienta parcialmente una oficina normal. El segundo circuito de reciclaje se forma utilizando el refrigerante. Si una unidad compresora-condensadora funciona principalmente para enfriar, aumenta la temperatura del refrigerante. El otro, que funciona principalmente para calentar, enfriará el refrigerante. En tal situación, se requerirá un consumo mínimo de energía para mantener la temperatura del refrigerante dentro del rango aceptable.
Los mejores indicadores de eficiencia del sistema se logran en otoño y primavera, así como en regiones con una gran amplitud de fluctuaciones diarias de temperatura, cuando se requiere enfriamiento y calentamiento simultáneo del aire en habitaciones separadas dentro del mismo edificio. En estos casos, el factor de rendimiento del sistema puede llegar a 7,5, es decir. 1 kW de potencia eléctrica proporciona una capacidad total de refrigeración y calefacción de 7,5 kW.
Ejemplo del sistema City Multi WR2 con torre de refrigeración y caldera
Fig. 1. Uso “tradicional” de sistemas refrigerados por agua
Los sistemas VRF con intercambiador de calor refrigerado por agua están ganando popularidad rápidamente debido a una serie de características atractivas.
En primer lugar, se trata de la mayor eficiencia energética, ya que los sistemas basados en ellos cuentan con dos circuitos de recuperación de calor. En segundo lugar, la posibilidad de utilizar fuentes de energía renovables no tradicionales, en particular energía térmica de bajo potencial del suelo y del suelo. Esta característica está en total conformidad con las principales disposiciones de la estrategia energética rusa para el período hasta 2020. Y finalmente, el uso de fuentes de calor ubicadas en los propios edificios (por ejemplo, emisiones de calor de los servidores) para calentar habitaciones adyacentes.
El uso tradicional de sistemas VRF con intercambiador de calor enfriado por agua son objetos donde se puede utilizar de VRF es imposible en sistemas refrigerados por aire.
Por ejemplo, el aire acondicionado de edificios de gran altura: una larga línea de refrigerante tiene un impacto negativo en la eficiencia energética del sistema. La solución es utilizar unidades condensadoras enfriadas por agua, colocarlas más cerca de las unidades interiores y reducir la longitud de las líneas de freón. En cambio, el circuito de refrigeración sufre un alargamiento, lo que se asocia con un consumo de energía comparativamente menor. Como resultado, la eficiencia del circuito de refrigeración aumenta y el consumo de energía disminuye.
Una aplicación menos común pero relevante es en edificios donde no se pueden instalar unidades externas de intercambio de calor. Por ejemplo, los pisos y techos no permiten la instalación de torres de enfriamiento seco de varias toneladas y no existe otro lugar para su colocación. O podrían ser edificios con techo explotable, cuyo uso “no es rentable” para necesidades tecnológicas, así como edificios ubicados en la costa del mar (alta corrosividad del aire). Por último, los objetos son monumentos arquitectónicos: en la mayoría de los casos es muy difícil equiparlos con intercambiadores de calor de aire. Por lo tanto, el mercado, saturado de dispositivos con intercambiadores de calor de aire, ya hace tiempo que está preparado para sistemas basados en el uso de fuentes alternativas de energía térmica de bajo potencial, en particular, la energía del suelo, las aguas subterráneas y superficiales.
Las capas superficiales del globo son una enorme batería de energía solar.
Si la temperatura del aire varía de 0 a 30 °C a lo largo del año, la temperatura del suelo a una profundidad de sólo 3-4 m permanece casi constante y asciende a 10,5-11,5 °C. Esta fuente de calor es ideal para sistemas VRF y permite una alta eficiencia energética. Hay dos opciones principales para implementar esta solución: sistemas con un circuito de refrigerante abierto: el agua de fuentes subterráneas sube a la superficie y se conecta directamente al intercambiador de calor de la bomba de calor; Los sistemas con circuito cerrado de refrigeración incorporan intercambiadores de calor especiales ubicados bajo tierra o bajo el agua.
Sistemas con circuito de refrigeración abierto El agua subterránea forma parte del ciclo del agua en la naturaleza. Bajo la influencia de la gravedad, el agua está en continuo movimiento y, tratando de llegar al lugar más bajo del relieve, regresa a los ríos y mares. El acuífero está formado por rocas permeables: arena, grava, guijarros, etc. La temperatura del agua subterránea corresponde a la temperatura del suelo y, a una profundidad suficiente, casi no tiene relación con las fluctuaciones de la temperatura del aire atmosférico. Desde este punto de vista, es una fuente de calor conveniente para construir bombas de calor altamente eficientes basadas en sistemas VRF.
La ubicación del acuífero depende de la estructura de las rocas y del terreno.
Por ejemplo, en Londres, un acuífero de creta de 180 a 245 m de espesor se encuentra bajo una capa de arcilla de 80 m. La capacidad de humedad de un acuífero se puede determinar mediante mapas hidrogeológicos. Pero para aclarar los parámetros de la capa y determinar la posibilidad de su uso, será necesario realizar perforaciones de prueba.
En la última década, una disminución de la actividad industrial en las ciudades ha provocado niveles más altos de aguas subterráneas y un acceso más fácil a ellas. Los socios de Mitsubishi Electric en el Reino Unido implementaron un interesante proyecto de un sistema VRF con un circuito de refrigerante abierto. Un almacén industrial del siglo XIX en el distrito londinense de Clerkenwell ha sido remodelado para convertirlo en el exclusivo y contemporáneo Zetter Hotel. Los arquitectos recomendaron utilizar un sistema de aire acondicionado que no contenga dispositivos para instalación en el exterior, ya que según su plan, los apartamentos de lujo (un ático) deberían ubicarse en el tejado. «Si hubiéramos instalado sistemas convencionales de refrigeración por aire, habríamos tenido que sacrificar una de las suites de la azotea que generan importantes ingresos para el hotel», comentó Todd Bilo, director de operaciones del hotel. Afortunadamente, la búsqueda de una fuente de calor alternativa tuvo éxito: debajo del edificio se descubrió un acuífero con una temperatura del agua de 13-14 °C, a una profundidad de 130 m. Después de elevar el agua a la superficie, se dirigió a un intercambiador de calor intermedio incluido en el circuito de refrigerante de siete unidades compresoras-condensadoras enfriadas por agua Mitsubishi Electric PQRY-P250YMF-C serie WR2. La elección de un sistema de reciclaje se justifica por las siguientes razones. Por un lado, los huéspedes de un hotel caro deben poder elegir de forma independiente el modo de funcionamiento: refrigeración o calefacción. Por otro lado, sólo una solución de este tipo permite lograr el máximo ahorro de energía y reducir los costes operativos. El coeficiente de rendimiento (COP) del sistema de aire acondicionado oscila entre 3,48 y 6, según el modo de funcionamiento. El valor promedio del coeficiente es 4; este era el mejor indicador para los sistemas de aire acondicionado en el momento del proyecto (hace 4 años). Si esta instalación está equipada con modernas unidades compresoras-condensadoras que utilizan refrigerante R410A, el coeficiente COP oscilará entre 4,5 y 7,5 con un valor medio de 6,5.
Arroz. 2. Edificio de oficinas parlamentarias Portcullis House (Londres)
Fig. 3. Diagrama del sistema de aire acondicionado
Otro ejemplo europeo del uso de sistemas VRF con circuito abierto de refrigeración es el hotel Steigenberger Kurhaus, situado en La Haya (Países Bajos) a orillas del Mar del Norte. Es, con razón, famoso por ser uno de los hoteles más de moda de Europa. El aspecto arquitectónico del edificio y la brisa del mar impiden la instalación de dispositivos fuera del edificio. La única salida es utilizar energía térmica de baja calidad procedente de aguas subterráneas. Para ello, fue necesario perforar pozos de producción (extraer agua del acuífero) e inyección (devolver agua al acuífero) con una profundidad de unos 100 m. Un intercambiador de calor intermedio conecta el circuito de agua subterránea, que tiene una temperatura de 100 m. 8°C todo el año, con unidades compresoras y condensadoras Mitsubishi Electric PQRYP250YMF- C. Se instalan un total de 20 unidades, a las que se conectan 250 unidades interiores. La capacidad frigorífica total del equipo es de 600 kW y el coeficiente máximo de eficiencia energética es de 7,0. De hecho, hubo otro argumento a favor de esta solución energéticamente eficiente: la política gubernamental de reducir los impuestos sobre los equipos energéticamente eficientes, llevada a cabo en los Países Bajos.
Fig. 4. Hotel Zetter (Londres)
Fig. 5. Hotel Steigen-berger Kurhaus (La Haya)
Fig. 6. Diagrama del sistema de aire acondicionado
Ya se ha acumulado suficiente experiencia operativa en los proyectos mencionados anteriormente y el funcionamiento de los sistemas no genera ninguna queja.
Sistemas con circuito cerrado de refrigeración
En algunas zonas, el uso directo del agua subterránea resulta difícil. La capacidad de humedad del acuífero puede ser insuficiente o los costos de organizar el acceso a ellos pueden ser demasiado elevados. En estos casos se utilizan sistemas con circuito cerrado de refrigeración, que incorporan intercambiadores de calor subterráneos especiales. Pueden ser de modificación vertical u horizontal. La elección de un diseño u otro viene determinada por el tamaño del lugar para instalar el intercambiador de calor, el tipo de suelo local, así como el coste de los trabajos de excavación.
Los intercambiadores de calor verticales se utilizan cuando el área para su ubicación es limitada. El intercambiador de calor está formado por un conjunto de tubos de polietileno en forma de U. Se instalan en pozos verticales de 100 a 150 mm, que luego se llenan con una mezcla de arena de cuarzo y bentonita. Para eliminar la influencia mutua de tales estructuras, se ubican a una distancia de más de 5 m entre sí. La profundidad del intercambiador de calor vertical puede variar entre 15 y 150 m. Durante la construcción de edificios nuevos, los intercambiadores de calor verticales pueden integrarse en estructuras de edificios subterráneas. Por ejemplo, en un único proceso tecnológico para la producción de pilotes perforados, que ahora se utiliza ampliamente. Para ello, se perforan agujeros del diámetro requerido en el suelo directamente en el sitio de construcción. Los tubos del intercambiador de calor se fijan al marco de refuerzo del pilote, que luego se introduce en los orificios y se rellena con hormigón.
Fig. 7. Intercambiador de calor furtivo
¡Un intercambiador de calor vertical de suelo está listo casi sin costos adicionales!
Las modificaciones horizontales de los intercambiadores de calor terrestres ocupan un área mucho mayor. Podría ser el césped frente a una casa de campo o el estacionamiento frente a un centro comercial. Los intercambiadores de calor horizontales están ubicados relativamente a poca profundidad, debido al costo del trabajo de excavación, y la temperatura del suelo en dicha ubicación no es óptima desde el punto de vista de la eficiencia de la bomba de calor. Existen varios tipos de intercambiadores de calor horizontales: monotubo, multitubo y espiral. Se recomienda colocar las tuberías a una distancia de más de 30 cm entre sí y cavar zanjas en incrementos de más de 2 m. Los intercambiadores de calor en espiral del tipo Slinky pueden reducir significativamente el área ocupada por la estructura. Las vueltas en espiral están en el mismo plano horizontal y desplazadas entre sí. Como resultado, el área de un intercambiador de calor en espiral es solo del 20 al 30% del área de su contraparte de un solo tubo, pero la longitud del tubo se duplica.
Para edificios ubicados cerca de cuerpos de agua, como estanques, lagos, etc., se puede utilizar una versión submarina de intercambiadores de calor. El agua a la temperatura requerida (10,5–11,5 °C) se encuentra a una profundidad de aproximadamente 6 m. Para colocar el intercambiador de calor a la profundidad requerida, se utilizan una boya y un ancla conectada por un cable.
La productividad de los intercambiadores de calor terrestres oscila entre 6 kW y 10.000 kW y su vida útil, entre 50 y 75 años. Por supuesto, el uso de calor de baja calidad procedente del suelo y del agua subterránea complica el diseño de sistemas y requiere mayores inversiones de capital (ver Tabla 1). Sin embargo, desde el punto de vista de los costes operativos, todavía no se ha inventado nada mejor (ver tablas 2 y 3), y sólo estos sistemas pueden resolver problemas específicos que los sistemas tradicionales refrigerados por aire no pueden resolver.
Fig. 8. Diagrama de un sistema con un circuito cerrado de refrigerante subterráneo
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