Oportunidades de Ahorro de Energía en los Sistemas Mecánicos

Por: Alexis Acevedo PE, CEM

Los sistemas mecánicos son, por lo general, los sistemas de mayor consumo eléctrico en los edificios comerciales, industriales e institucionales. Es por esto que sustituir, modificar u optimizar estos sistemas tendrá un alto impacto en las facturas de energía eléctrica de estos locales.

Estos sistemas mecánicos pueden incluir equipos de aire acondicionado, chillers, torres de enfriamiento, abanicos de extracción o suplido, bombas de agua potable, bombas de agua helada, calderas, calentadores y otros.

La cantidad e índole de sistemas mecánicos pueden variar mucho entre los diferentes tipos de establecimiento o industria, pero, dentro del siguiente listado de oportunidades, encontrarán algunas que ustedes pueden utilizar para lograr tener unas instalaciones más eficientes y reducir su factura de energía.

1. Remplazo de equipos. Las compañías fabricantes de acondicionadores de aire se han visto forzadas a optimizar sus equipos debido a la gran demanda de acondicionadores de alta eficiencia. El alto costo de combustible junto a nuevas regulaciones, programas e incentivos de los gobiernos y otras instituciones han creado un mercado que nos provee muchas alternativas para el remplazo y optimización de los sistemas de aire acondicionado. Equipos como condensadoras y chillers han alcanzado en años recientes unas eficiencias muy superiores a las que se tenían anteriormente. Esto ha causado que se obtengan unos retornos de inversión o paybacks muy atractivos cuando se remplazan estos equipos, aun cuando los existentes estén operando y en buenas condiciones.

2. Remplazo de sistemas. En muchas ocasiones el remplazo de todo o casi todo el sistema de aire acondicionado puede traer muy buenos ahorros y excelentes paybacks, aún con el alto costo de implementación que pueda tener esta medida.

Algunos de estos sistemas a remplazar pueden ser:

Sistemas de tecnología Inverter o variable refrigerant flow (VRF) pueden ser un buen remplazo para sistemas de expansión directa, como split systems, roof tops, PTACs y otros.
Los sistemas de expansión directa también pueden ser remplazados por sistemas de agua helada con excelentes resultados en ahorros y paybacks.
También los sistemas de agua helada que utilizan chillers enfriados por aire pueden ser remplazados por sistemas con chillers enfriados por agua. Existe una gran diferencia entre las eficiencias de un chiller enfriado por aire y uno enfriado por agua, por tanto existe una buena oportunidad de ahorro con este tipo de remplazo, especialmente en sistemas grandes. Aun cuando los ahorros pueden ser sumamente atractivos, es importante hacer un análisis detallado que, además de los ahorros, pueda considerar los altos costo de implantación que tiene esta alternativa. También, se debe considerar otros gastos asociados a las torres de enfriamiento, tales como: los gastos adicionales en mantenimiento, consumo de agua, mayor ruido y espacio requerido.
Remplazar sistemas de volumen constante por sistemas de volumen variable puede ser una alternativa para algunas instalaciones. Los sistemas de agua helada en los que las válvulas de control son de tres vías son considerados volumen constante; el remplazo de estas válvulas por unas de dos vías junto con el uso de variadores de frecuencia (VFDs) y una nueva filosofía de control resultará en ahorros.
Los sistemas de aire con volumen constante pueden ser remplazados por sistemas de volumen variable mediante el uso de cajas de volumen variable, thermafusers u otros accesorios de control; en combinación con los VFDs, proveerán un sistema más eficiente. Estos añaden también un mejor control de temperatura en los espacios.

3. Instalación de variadores de frecuencia (variable frequency drives o VFDs). Estos equipos pueden ayudar a economizar energía tanto en los abanicos de aire como en las bombas de agua de los edificios. Aunque los VFDs están típicamente asociados a sistemas de volumen variable y que modulan para dar mejor control de condiciones o procesos, éstos también pueden ser utilizados en sistemas de volumen constante. En los sistemas de volumen constante puede haber pérdidas de energía asociadas a restricciones de volumen que se hacen como parte del proceso de balanceo de agua o aire de los sistemas. Estas restricciones, que pueden ser inlet guide vanes (IGV) o válvulas de globo, que estén parcialmente cerradas, pudiesen ser eliminadas con el uso de VFDs.

4. Reducción de las cantidades de aire de suplido. En sistemas de volumen constante hay ocasiones en que se suple mayor aire (cfm) del necesario. Mientras más volumen de aire los abanicos mueven, mayor trabajo realizan y más energía consumen.

BHP = (cfm x static friction x specific gr.) / (6356 x motor eff.)

De esta fórmula podemos ver que si reducimos la cantidad de CFM, el break horse power se reduce.

Hay ocasiones en las que reducir las cantidades de aire también resulta en mejores condiciones de humedad relativa.

En las industrias u hospitales donde los cuartos “clasificados” o “cuartos limpios” requieren que el aire tenga unas cantidades determinadas de cambios por hora (ACH), existen también oportunidades de ahorro. La cantidad de cambios es típicamente establecida por guías o estándares de la industria que permiten un rango de operación bastante amplio. Por ejemplo, si la clasificación del área tiene un rango de 10 a 30 ACH, pero en el cuarto se está circulando aire con 25 ACH, existe una oportunidad de ahorro de energía en este lugar.

5. Implantación de ventilación controlada según la demanda (demand controlled ventilation). Si el tipo de operación en el local o espacio es uno por causa del cual hay una alta fluctuación de personas, se puede considerar instalar ventilación controlada por la demanda. Esto consiste en modular las cantidades de aire fresco que entran al sistema de acuerdo con la cantidad de personas que se encuentran en el lugar. Se hace con un sistema de control con el que se monitorea el CO2 en el espacio, lo cual determina la cantidad de aire fresco que realmente se necesita para tener una buena calidad de aire. Esta medida puede generar unos ahorros significativos en climas tropicales como el de Puerto Rico debido a las altas condiciones de temperatura y humedad que tenemos.

6. Instalación de controles automáticos. La capacidad que se obtiene con los controles automáticos para poder optimizar la operación de sus sistemas producirá ahorros. Existe una gran variedad de opciones tanto en marcas como en el grado de complejidad que se desee; desde timers sencillos hasta un sistema de manejo de edificios (building management system). Todos les proveerán reducción en sus gastos de energía.

Con los controles automáticos podrá implantar medidas como: cambiar set points, hacer itinerarios de operación (prender y apagar) y modular de acuerdo a las necesidades reales en el edificio. Además de ser una gran aplicación para los sistemas de aire acondicionado, de igual forma se puede implementar en abanicos de extracción, bombas de agua, calentadores y otros equipos.

7. Optimización de sistemas de aire comprimido y de vapor. En sistemas de aire comprimido y de vapor, pueden encontrarse un gran número de fugas que resultan en grandes pérdidas de energía. Bajar las presiones de operación al mínimo posible y optimizar las secuencias de operación también resultará en ahorros.

8. Instalación o reparación de aislación térmica en tuberías y equipos. En tuberías, conductos y equipos que operan con fluidos de bajas o altas temperaturas, se requiere que estén bien cubiertos con aislación para evitar pérdidas de energía.

9. Mejoras en mantenimiento. Mejoras a sistemas de filtración de agua y aire, entre otros, pueden evitar pérdidas de energía debido a que causan reducción en eficiencia en los equipos. Se puede conseguir unidades de alta eficiencia, pero si éstas no se limpian con frecuencia, las unidades operarán ineficientemente y consumirán más energía.

10. Reducción de la carga de reheat. El sistema de aire acondicionado puede requerir de un proceso de reheat o recalentamiento del aire para lograr deshumidificar. Este reheat puede ser eléctrico o de agua caliente. Como una alternativa más eficiente que le permite ahorrar energía, se recomienda el uso de tecnologías como heat pipes, run-around loops, heat machines o desuperheaters.

Estas y muchas otras oportunidades de ahorro de energía pueden ser implementadas como un solo proyecto o por múltiples etapas; lo importante es que comencemos a reducir nuestros gastos de operación y al mismo tiempo ayudar a conservar el ambiente.