• Caso de estudio Actualización de sistema de bomba de calor de fuente subterránea

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Los diseñadores y administradores de edificios comerciales reciben cada vez más demandas de mejorar la eficiencia energética para reducir el consumo de energía, motivadas por los códigos y normas de energía, tanto locales como estatales, como la norma ASHRAE 90.1 y la norma ASHRAE 189.1, además de las directrices del Green Building Council de los EE.UU.

Por ejemplo, Cold Spring Harbor Laboratories es un instituto de investigación y de educación privado sin ánimo de lucro dedicado a la exploración de la biología molecular y la genética para mejorar el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Este campus de investigación biomédica de fama mundial situado en la costa norte de Long Island, Nueva York, está comprometido con la medición de la eficiencia energética en todas las instalaciones de todo el campus, guiándose por el Código de Conservación de la Energía de la Ciudad de Nueva York y por los códigos del Estado de Nueva York. En el edificio Alfred D. Hershey, situado en uno de los campus de Cold Spring Harbor Laboratories, es donde se lleva a cabo la obtención de imágenes microscópicas, la representación en 3D y el análisis de las imágenes. Los laboratorios Hershey, que cambiaron de rumbo en 2012, necesitaban una profunda mejora del sistema de HVAC.

El objetivo principal de la actualización era proporcionar un mejor control de la temperatura y de la humedad y reducir el consumo de energía de las unidades de refrigeración de condensación, al menos, un 30 % anual.

Bucle abierto de fuente subterránea
En 2009, la institución decidió seguir adelante con una ambiciosa actualización del sistema de HVAC con un sistema unitario estándar de expansión directa (DX) para refrigerar y calentar el espacio interior del laboratorio.

Se seleccionó un sistema de bomba de calor geotérmica para actualizar el sistema de HVAC con agua del condensador subterránea debido a que el laboratorio no quería instalar una torre de refrigeración poco atractiva y porque este sistema puede lograr una eficiencia energética mucho mayor que la de un sistema convencional de DX.

Estos sistemas de bomba de calor de fuente de agua subterránea son eficientes en la transferencia de calor cuando se emplean junto con un intercambiador de calor de placas y bastidor que mantiene una muy pequeña diferencia de temperatura entre el circuito de tierra y el circuito del edificio. Las bombas de calor con agua subterránea recuperan el exceso de calor del interior del edificio y lo conducen al perímetro del mismo. También son muy adecuadas para Nueva York porque sus acuíferos producen una gran cantidad de agua.

Los sistemas de agua subterránea de circuito abierto también se conocen como sistemas de "bombeado y vertido". Con un sistema de circuito abierto, el agua subterránea se extrae de un pozo (el pozo de "bombeado") y se la hace atravesar un intercambiador de calor de placas y bastidor, para posteriormente volverla a verter al pozo de "vertido". Véanse en las figuras 2 y 3 el diagrama de la sala mecánica y la descripción esquemática del sistema de circuito abierto.

Diseño y optimización

Un intercambiador de calor de placa y bastidor ofrece un alto rendimiento debido a que el patrón ondulado está impreso en cada placa para producir un flujo del fluido altamente turbulento. Esto también permite adoptar unas temperaturas muy bajas (hasta entre 1 y 5 ºF), una característica que a veces es útil en aplicaciones con agua subterránea.

A continuación, se describe un algoritmo de tres pasos para seleccionar, diseñar y optimizar adecuadamente el intercambiador de calor para lograr el mejor valor de la variación de la temperatura del agua subterránea. Se basa en las experiencias de los autores de los proyectos anteriores, tanto en EE.UU. como en Canadá.

Figura 2: La sala de máquinas aloja las tuberías en el ático del edificio Alfred D. Hershey. Cortesía de: Grupo AKF

Paso 1: Para seleccionar un intercambiador de calor, el ingeniero debe conocer cinco de los seis parámetros:

  • Capacidad del calentador
  • Temperaturas en el lado caliente (dentro o fuera)
  • Temperaturas en el lado frío (dentro o fuera)
  • Caudal en el lado frío o lado caliente

Basándose en los cinco parámetros conocidos, podemos calcular la capacidad y el área de la superficie requerida para transferir calor al fluido empleando las siguientes ecuaciones:

Q = U x A x LMTD

Q = gpm x 500 x P x C x CF x ∆T

Donde:

Q = carga de calor (capacidad) en BTU/h

U = coeficiente global de transferencia de calor en BTU/H/sq ft/ºF

A = área de transferencia de calor en pies cuadrados

LMTD = diferencia de temperatura media logarítmica en ºF

gpm = caudal en galones por minuto

P = peso específico

C = calor específico en BTU/lb ºF

CF = factor de corrección del fluido a tener en cuenta al cambiar el peso específico y el calor específico

∆T = aumento de la temperatura del fluido en ºF

El valor de LMTD depende fuertemente del sentido del caudal del fluido. La configuración más eficaz es una configuración en contracorriente con la cual los fluidos fluyen en sentidos opuestos.

La LMTD se puede calcular empleando la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida de los dos fluidos (el lado del agua caliente y el lado frío de agua) de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde:

∆T = Temperatura T1 - t2 en el extremo lado caliente

∆t = Temperatura T2 - t1 en el extremo lado frío

El número de unidades de transferencia (NUT) es un valor adimensional que caracteriza el rendimiento de una transferencia de calor basada en la LMTD y el cambio de temperatura que se produce en la unidad.

La importancia del valor NUT radica en el hecho de que los intercambiadores de calor son capaces de generar un NUT dado para cada fluido, y este valor depende de su construcción específica de las placas.

Figura 3: Se muestra un ejemplo de los sistemas de circuito abierto de agua subterránea con circuito aislado de intercambiador de calor de placas y bastidor. Cortesía de: Grupo AKF

La caída de presión a través de la placa depende del tipo de la ondulación, que puede predecirse utilizando la siguiente ecuación:

NUT = ∆T/LMTD

Si NUT >3 (patrones de ondulación de ángulo abierto). Estas placas tienen la tasa de transferencia de calor más alta y la mayor caída de presión.

Si NUT ≤3 (patrones de ondulación de ángulo corto). Estas placas tienen la tasa de transferencia de calor más baja y la menor caída de presión.

Se recomienda seleccionar el modelo más pequeño de intercambiador de calor con capacidad suficiente para manejar el flujo, el área de superficie y la NUT en las condiciones invernales y estivales de la fuente de agua subterránea.

Paso 2: Se comparan las áreas de superficie calculadas en el paso 1, ecuación 3, para las condiciones de invierno y de verano. Elegiremos el modelo con la mayor superficie entre las dos estaciones (por ejemplo, las condiciones de invierno).

Paso 3: Usando el modelo de intercambiador de calor seleccionado (intercambiador de calor de invierno) en el paso 2, simularemos el caudal y la temperatura correspondientes para el área más pequeña (condición de verano).

Basándonos en nuestras experiencias, una desviación aceptable de las temperaturas de entrada y de salida del intercambiador de calor es de aproximadamente +/- 3 ºF. Si las temperaturas de entrada y salida están cerca del valor aceptable, se ha conseguido llegar a una solución. En caso contrario, repetiremos el paso 1 y continuaremos hasta encontrar una solución que esté cerca del punto de desviación.

La mayoría de los fabricantes suelen utilizar ángulos de 30 F para los patrones de ángulo corto y ángulos de 60 F para los patrones de ángulo largo para producir la ondulación de la placa.

Especificaciones recomendadas de un intercambiador de calor
La mayoría de los ingenieros determinan la capacidad del intercambiador de calor basándose en el agua. En términos generales, el caudal del intercambiador de calor y la capacidad con líquido anticongelante no son los mismos que el agua, y la selección muestra diferentes valores de funcionamiento porque los ingenieros no tiene en cuenta los efectos de la solución de glicol. En este caso, el flujo se debe ajustar aproximadamente un 16 % para compensar los efectos cuando se utiliza una relación 50:50 de glicol: agua a 100 ºF.

Recordemos que cuando se seleccionan intercambiadores de calor para trabajar en verano y en invierno, hay que seleccionar las unidades para ambas temporadas con la misma placa de ondulación y no seleccionar placas mixtas, debido al efecto de la caída de presión.

A menudo, los ingenieros seleccionan por error el área más grande de las dos temporadas y el intercambiador de calor funciona solo para una temporada y no para la otra porque el tipo de ondulación de la placa seleccionada (NUT) y la caída de presión no se eligieron de manera satisfactoria.

Los ingenieros deben ocuparse de los residuos del agua subterránea que pudieran llegar hasta el intercambiador de calor de placas. La mayoría de fabricantes ofrece dos opciones para evitar este problema:

  1. 1. Especificar un filtro insertable en el intercambiador de placas. Esto reduce la posibilidad de que se produzca una colmatación evitando que las partículas sólidas no deseadas entren en el canal del paquete de placas.
  2. 2. Un sistema de retrolavado automático (ABS), de uso común en el noreste de los EE.UU., es la solución más cara. El ABS limpia automáticamente el intercambiador de calor de placas y bastidor sin interrumpir el funcionamiento normal del equipo.

El ABS se compone de una válvula de inversión de cuatro vías que encaja en las tuberías de suministro y de retorno, lo que permite la inversión del sentido del flujo de agua en el intercambiador de calor. Se ha visto que esta inversión de flujo reduce significativamente la suciedad en el intercambiador de calor de placas y bastidor. La inversión del flujo se controla mediante un panel de control montado en el intercambiador de calor de placas y bastidor o en un lugar separado, según desee el cliente.

Los materiales de placas del intercambiador de calor están regulados por ASME Código BPV, Sección VIII División I: Diseño y fabricación de recipientes a presión. Por lo general, se construyen con placas de acero inoxidable o de titanio, en función de las aguas subterráneas. En la mayoría de los casos, se especifican las placas de acero inoxidable para las aguas subterráneas. Si el agua tiene una alta concentración de cloruro, se deben utilizar placas de titanio para evitar problemas de corrosión en el futuro.

Rendimiento futuro
El agua subterránea combinada con el intercambiador de calor de placas y bastidor proporcionan al propietario y al diseñador una fuente de calor y un medio de disipación de calor más eficientes debido a que el intercambiador de calor de placas y bastidor puede mantener una pequeña variación de las temperaturas del agua entre el circuito de tierra y el circuito del edificio con una pérdida mínima de transferencia de calor.

En los laboratorios Cold Spring Harbor, la selección, optimización y especificación adecuadas del intercambiador de calor deben ser las indicadas para funcionar con la variación de la temperatura de las aguas subterráneas durante todo el año para, así, maximizar el ahorro de energía de los edificios.

Más importante aún, los intercambiadores de calor de placas y bastidor son los más utilizados para los sistemas de agua subterráneas porque son fáciles de mantener, son flexibles porque las placas se pueden añadir posteriormente, y compactos para ahorrar espacio en una sala de máquinas.


José R. Rodríguez es Ingeniero de Servicios Técnicos en Wallace Eannace Assocs., donde cuenta con más de 15 años de experiencia en sistemas HVAC y fontanería. Mike Sammut, socio de AKF Group, cuenta con más de 30 años de experiencia en HVAC. Arslan Asovic es Ingeniero de Proyectos en AKF Group y cuenta con más de 10 años de experiencia en sistemas de HVAC.

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