Aire Acondicionado

Intercambio de calor: almacenamiento de hielo

Ante el cambio constante en los costos de energía, es necesario buscar estrategias de ahorro haciendo uso de diferentes técnicas; por ello, la implementación de sistemas de almacenamiento térmico es cada vez más viable en instalaciones que cumplen con los criterios que favorecen a esta tecnología

Fernando Campos R.  / Imágenes y esquemas: cortesía del autor

La eficiencia energética se define como el consumo inteligente de la energía sin sacrificar el bienestar de los usuarios. Ésta puede lograrse por medio de:

  • Hábitos Responsables
  • Medidas e inversiones tecnológicas

La administración consciente y responsable es importante para generar un buen control de costos en la energía necesaria, con el fin de cubrir las necesidades de un edificio o proceso. Al tener conocimiento del comportamiento del inmueble, se vuelve una tarea más fácil la detección de áreas de oportunidad, así como generar un marco de acción y conocer las limitantes que estarán presentes en las decisiones que tomemos para el mejoramiento de su performance energético.

Por ello, es fundamental que las alternativas de mejoramiento energético cumplan con una serie de parámetros. Aunque en ocasiones algunos de los siguientes rubros cobrarán más importancia que otros, lo ideal es que un proyecto de ahorro energético cumpla con todas estas características:

El consumo energético en edificaciones comerciales e industriales puede responder de acuerdo con los siguientes porcentajes de consumo (comportamientos estadísticos, los cuales pueden variar dependiendo del comportamiento específico del complejo), pero siempre resultan ser una guía eficaz para guiarnos en las áreas de mayor gasto energético:

Oficinas convencionales

  • 9 por ciento calefacción
  • 37 por ciento HVAC
  • 50 por ciento iluminación
  • 16 por ciento equipo de oficina
  • 12 por ciento otros

Industria y manufactura

  • 62 por ciento HVAC
  • 38 por ciento procesos y otros

Estos consumos estándares nos pueden ayudar a evaluar las áreas de oportunidad prioritarias para la implementación de estrategias de ahorro energético, por lo cual siempre es recomendable el análisis de comportamiento del edificio, ya que los porcentajes anteriores pueden variar dependiendo del comportamiento del edificio estudiado. Parte de dicha evaluación da como resultado los siguientes parámetros:

  • Consumo energético
  • Costo de energéticos consumidos
  • Tecnologías disponibles para mejoramiento de performance
  • Evaluación económica de la implementación de mejora

Estos parámetros contribuyen a evaluar la implementación de nuevas tecnologías o cambios de estrategias de operación.

¿Qué es el almacenamiento de energía?
El almacenamiento de energía es la captura de energía producida en un tiempo determinado para hacer uso en otro. El dispositivo que almacena energía es a veces llamado acumulador. La energía viene en múltiples formas incluidas:

  • Radiación
  • Química
  • Gravitacional – Potencial
  • Eléctrica – Potencial
  • Electricidad
  • Latente y cinética

Los principales tipos de almacenamiento térmico aplicado al HVAC son:

  • Sistema de almacenamiento de hielo
  • Almacenamiento de agua helada / caliente

Sistema de almacenamiento de hielo

Almacenamiento de agua helada /caliente

Almacenamiento de hielo
Este tipo de almacenamiento puede ayudar a disminuir el costo de electricidad en horarios no favorables, así como disminuir el tamaño de los equipos. El ahorro energético en el sistema de almacenamiento de hielo se genera por la diferencia de tarifa eléctrica, lo cual es importante tomando en cuenta que no existe una reducción considerable de kWh de consumo.

Como analogía, para el principio de comportamiento en el uso de tanques de hielo, puede suponerse un horario en que el costo para cargar el tanque de gasolina fuera menor:

  • Consumo de día: $ 3.19 / galón
  • Consumo de noche: $ 1.29 / galón

Se tiene, entonces, un consumo igual de gasolina por el uso diario, pero se obtiene el combustible a menor precio, lo cual generará un ahorro para el usuario.

Otras ventajas de implementar el sistema de almacenamiento de hielo son que es:

  • Eficiente, modular, confiable
  • Instalación rápida
  • Bajo mantenimiento
  • Puede emplearse como back-up de emergencia usando la capacidad guardada

Sin embargo, este sistema también puede presentar algunas desventajas como la transferencia de fluido secundario, la necesidad de conocer el performance del edificio, así como el espacio disponible para los tanques.

¿Dónde aplica?
Los sistemas de almacenamiento de hielo pueden instalarse en edificios con alto consumo en horario punta, lugares donde el horario punta tenga un costo elevado, inmuebles con operación intermitente, etcétera. Asimismo, debe existir un tiempo en el que no haya carga térmica para poder cargar el hielo, un espacio necesario para la localización de los tanques y el equipo instalador también debe conocer el perfil de carga del edificio para el buen dimensionamiento y planeación de operación del sistema.

Operación básica de los sistemas de almacenamiento de hielo.

Para que estos sistemas operen de manera adecuada requieren anticongelantes:

Etilenglicol (25 %)

  • Menos viscoso
  • Mayormente recomendado

Propilenglicol (30 %)

  • Menor grado de protección
  • Industria alimenticia y farmacéutica

Como ya se mencionó previamente, al instalar un sistema de esta índole el espacio puede ser un problema; por lo tanto, es necesario contemplar las diferentes opciones: interiores, exteriores, parcialmente enterrados, totalmente enterrados, cuartos de máquinas y sótanos.

El número de tanques que se instale dependerá de la temperatura de deshielo de los mismos y la capacidad requerida por hora de deshielo, puesto que para su diseño es necesario calcular el comportamiento del perfil de carga del edificio. Además, se debe contemplar el comportamiento del sistema (temperaturas de suministro a intercambiadores de calor y temperaturas de operación de serpentines), horas requeridas de deshielo, curvas de performance de deshielo y la división de tarifas de la CFE. Esto con el objetivo de realizar una correcta selección de los elementos del sistema y no correr el riesgo de quedar bajo o sobre dimensionados en el mismo, alterando los resultados del análisis energético y financiero del proyecto.

Como se comentó anteriormente, la generación de un modelo de comportamiento en consumo energético para la evaluación de este tipo de sistemas será necesaria para conocer la viabilidad económica de dicha implementación; en consecuencia, es necesario conocer el método de cobro de nuestros insumos, en este caso de electricidad, en la mayoría de los casos de la CFE.

Cambios en tarifas de LA CFE
Los cambios que se aplicaron en las tarifas de la CFE en diciembre de 2017, mismos que comenzaron a reflejarse a partir de 2018 incluyeron modificaciones en la división de las tarifas, como la desaparición de cobro por demanda facturable, las adiciones de cobros fijo por servicio, por capacidad y por distribución, así como la nueva regionalización por municipios y divisiones.

Cambio de División de Tarifas

Anteriormente:

Para el cálculo de demanda (kW):

Para el cálculo de consumo (kWh)

Consumo en los diferentes horarios (Base, Intermedio y Punta)

Actualmente (2018):

Para el cálculo de demanda (kW)

Capacidad = Demanda Máxima Registrada en Periodo Punta, considerando la siguiente ecuación:

Distribución = demanda máxima registrada en el mes considerando la siguiente ecuación:

En ambos casos hay que considerar el Factor de Carga (F.C.), el cual dependerá del documento A/058/2017.
Para el cálculo de consumo (kWh)
Consumo en los diferentes horarios (Base, Intermedio y Punta)

Consideraciones de aplicación
A la hora de diseñar un proyecto de almacenamiento la instalación de tanques de hielo representa un gasto adicional en comparación con un sistema convencional, el cual regularmente es absorbido por la disminución del tamaño de los equipos y los ahorros generados. Por ello, se debe tomar en cuenta que los mejores resultados en la implementación de hielo se generan cuando se tiene más consumo en horario punta. El sistema de generación no es recomendable para una operación de 24 horas. Es necesario conocer el perfil de carga del edificio para la generación de una buena estrategia de operación. La buena operación y mantenimiento regular del sistema de control es indispensable para la implementación de este tipo de plataformas, debido a que es una parte medular del sistema.
—–

Fernando Campos R.
Energy & CDS Specialist en Trane México. Egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN de Ingeniería Mecánica con Especialidad en Máquinas Térmicas Hidráulicas. Ha participado en diversas ofertas para el sector energético, así como en soporte técnico en centrales de la CFE por parte del sector privado. Asimismo, se desempeña en el sector HVAC en el área de performance energético en sistemas. Actualmente, cursa una maestría en Administración de la Energía y Recursos Renovables en el ITESM Monterrey Campus Estado de México.

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