Guía de diseño de plantas enfriadoras (1ª PARTE)

Muchos edificios grandes e industrias tienen plantas que enfrían agua la distribuyen a unidades de manejo de aire y otros equipos de enfriamiento. La operación de diseño y mantenimiento de estas plantas de agua fría tiene un gran impacto en el uso de la energía y en los costes de operación.

Pero las plantas de agua fría no solamente suponen una cantidad significativa de energía (gas en algunos casos), sino que también contribuyen al pico de carga del edificio. En muchos lugares el pico máximo se experimenta en las horas centrales del verano. Durante este evento de pico, las plantas enfriadoras están a menudo funcionando a capacidad máxima. Cuando las temperaturas son moderadas, las plantas de agua fría se apagan o funcionan en modo stand-by. Esta variación en la tasa del uso de energía es un contribuyente principal a los picos y valles en demanda de energía.

Cargas en las plantas de agua fría

La primera consideración de diseño en plantas enfriadoras de agua es estudiar las cargas pico y los perfiles de enfriamiento anual y cómo afectan al diseño de la planta y capacidad del equipo. Fundamental en el proceso de diseño es comprender las cargas de enfriamiento de la planta y cómo varían con el tiempo. Si una planta existente se modifica o expande, es posible controlar la carga de enfriamiento y obtener una estimación exacta tanto de la carga pico como del perfil de enfriamiento. Muchas grandes plantas, sin embargo, están diseñadas solamente con información preliminar disponible sobre el diseño y función del edificio.  Conseguir una carga de pico exacta e información del perfil de carga de enfriamiento para estas plantas es mucho más difícil.

Comprendiendo las cargas y su impacto en el diseño

Para proporcionar el diseño de planta de agua fría óptima, necesitamos conocer tanto la carga de diseño (pico) como el perfil de carga de enfriamiento que describe cómo varía la carga con el tiempo. La carga de diseño define la capacidad de la planta instalada total incluyendo enfriadoras, bombas, tuberías y torres. El perfil de carga de enfriamiento se requiere para diseñar la planta eficientemente. Esto incluye las decisiones de diseño como los mecanismos de descarga de las enfriadoras; la aplicación de variadores de frecuencia en enfriadoras; torres y bombas; la aplicación de bypass del gas caliente; y el tamaño relativo de cada pieza del equipo.

Ciertos parámetros de carga clave afectan el perfil de la carga de enfriamiento y consecuentemente la naturaleza del diseño de la planta. Estos parámetros incluyen:

• El clima en el que la planta se localiza.
• Horas de operación del edificio.
• Cargas bases (24/7) como armarios de telecomunicaciones y salas de ordenadores.

Por ejemplo, el perfil de carga de enfriamiento de un edificio que opera cinco días por semana es el que mostramos en la gráfica con la que abrimos este artículo. Como vemos en la gráfica el número de horas que la planta opera se incrementa dramáticamente cuando no se usa un economizador. Adicionalmente la forma del perfil cambia dramáticamente. El perfil influirá la selección óptima del número y capacidad de enfriadoras además de la eficiencia energética a plena carga y a carga parcial de las máquinas.

Visión general de las cargas pico

Las variables básicas para los cálculos de carga pico incluyen las condiciones climáticas, el diseño de la envolvente del edificio, la ganancia de calor interna, ventilación, y en menor extensión la infiltración. Menos obvio pero no menos importante es la diversidad entre los diferentes componentes de carga, y los efectos de la masa térmica. La diversidad de las cargas es la probabilidad de ocurrencia simultánea de las cargas pico dinámicas. En otras palabras, la diversidad supone el hecho de que cada carga de la envolvente, ocupación, iluminación y cargas de las instalaciones no serán picos al mismo tiempo en todos los espacios simultáneamente.

Hay incertidumbres inherentes en los cálculos de carga pico. Cualquier número de elementos puede hacer las cargas actuales diferir de la carga calculada. Por ejemplo:

• Las condiciones de diseño local pueden diferir de las estaciones climáticas usadas para los cálculos.
• Las condiciones climáticas pueden variar en un periodo de tiempo como resultado del incremento de urbanización, cambio climático, y cambios en el uso de la tierra.
• Los elementos de la envolvente del edificio no siempre se planificaron para el uso actual, debido a cambios en el proceso de construcción o modificaciones.
• Los cambios pueden ocurrir en la operación y mantenimiento de la planta.
• Pérdidas en la capacidad del equipo debido a la degradación de componentes del sistema (tales como ensuciamiento del intercambiador de calor de la enfriadora).
• Cambios en operación (tales como tasas de ventilación).
• Cargas internas (iluminación, cargas de instalaciones y personas) pueden ser significativamente diferentes que cuando fueron planificadas y pueden variar con el tiempo.

A menudo las características de las cargas servidas no son claras en el momento del diseño de la planta.

Perfil de carga anual

Un perfil de carga de enfriamiento es una serie temporal de una planta de enfriamiento y datos climáticos correlacionados. El papel primario de un perfil de carga de enfriamiento es facilitar la evaluación relativa correcta de las opciones de diseño en competición.

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