¿Cómo recuperar calor en los sistemas de HVAC? 

21.06.22 04:06 AM By kinenergy.internacional

Hoy en día derivado del cambio climático que vivimos en el planeta la principal estrategia está enfocada en reducir las emisiones de CO₂. Como especialistas buscamos métodos para eficientizar los sistemas HVAC aprovechando y ahorrando costos por consumo de energía y así reducir los gases de efecto invernadero. 


La recuperación de calor residual se refiere a la reutilización de la energía térmica que, de otro modo, se liberaría sin ser usada. Para dicha actividad, contamos con el estándar ASHRAE 90.1-2019 que define los métodos para diseñar edificios sustentables aprovechando el calor de rechazo en los sistemas HVAC.

¿Qué es un sistema de recuperación de calor?

 

Tomando de referencia la imagen, en una ventilación mecánica con ductos, si las condiciones de temperatura y humedad exterior donde se encuentra el proyecto son favorables, se puede aplicar un intercambiador entálpico donde se extrae el calor interior a una temperatura mayor (color rojo) y donde se aprovecha la temperatura del exterior si es menor (color azul), lo que redunda en un aumento de la eficiencia del equipo al consumir y requerir menor cantidad de energía para el proceso de enfriamiento.

Intercambiadores de flujo cruzado alcanzan eficiencia del 50% al 85%.

Más adelante se hablará de cómo se aplica el concepto de recuperación de calor al diseño de plantas de agua helada.

 

¿Qué necesita un sistema de recuperación de calor?

 

El proceso de recuperación de calor funciona igual para los sistemas HVAC enfriados por aire o por agua, hay que tener en cuenta que se debe disponer de una fuente de calor de rechazo y de un fluido receptor de calor.

 

Como sabemos la energía fluye de mayor a menor, por lo tanto, la fuente de calor “cederá” parte de esta al receptor (el cual posee menor energía) y se incrementará al estar en contacto con la fuente a través del intercambiador de calor empleado. 

Pero te preguntarás, ¿a dónde se envía este excedente calorífico recuperado?

 

Este excedente se envía a un lugar que es el adecuado y en el que se redirige este calor de rechazo proveniente de los sistemas de servicio de agua caliente.

 

Sistemas de servicio de agua caliente

 

Los sistemas de servicio de agua caliente se pueden relacionar con el funcionamiento de una planta de enfriamiento HVAC de un edificio, donde el calor de rechazo se puede enviar al tanque de almacenamiento de agua caliente y disminuir elconsumo de gas durante el verano o los días más calurosos del año.

 

Un sistema de que brinda servicio de agua caliente (y que es de gran capacidad) debe contar con un tanque de almacenamiento que es calentado de manera indirecta por un sistema de calderas. El sistema de calderas se diseña e instala para que el tanque de almacenamiento y el de calderas operen en conjunto y así poder cumplir con la demanda de agua caliente de manera instantánea, es decir, cuando el servicio de agua caliente alcanza su pico entran en operación las calderas con lo que se cubre la demanda restante. Así mismo, cuando la demanda es mínima, las calderas entran en operación en modo reabastecimiento para mantener un mínimo de temperatura en el tanque de almacenamiento.


Generación de agua caliente con calor recuperado

 

Si el proyecto cuenta con un sistema de servicio de agua caliente que funciona con calderas y una planta central de agua helada es importante evaluar y mejorar su eficiencia de operación redirigiendo el calor de rechazo.

 

En un sistema de enfriamiento por aire (como en la imagen) es en el condensador del chiller donde se libera a la atmósfera todo el calor absorbido, y en un sistema enfriado por agua es en las torres de enfriamiento donde se libera el calor. 

 

Hay que destacar que es en el circuito del condensador donde se agrega un sistema de recuperación de calor.

Con esta aplicación, se le pueden dar dos usos al agua proveniente del condensador, cada uno diferenciado por la temperatura del agua proporcionada por el sistema de recuperación:

 

  1. Si el agua caliente viene a una temperatura de 140 °F o superior se puede utilizar para calentar el agua en un tanque de almacenamiento.1 En un sistema de agua caliente tradicional esto lo hace una caldera.
  2. Si el agua caliente viene a temperaturas menores a 140 °F ésta sólo se puede usar como precalentamiento, proceso intermitente que hace una caldera cuando se incrementa la temperatura en el tanque de almacenamiento.

 

Cuando nuestro sistema de recuperación de calor está diseñado únicamente para el precalentamiento del agua de servicio, éste puede agregar calor cuando hay un flujo del agua de servicio, por lo que es importante que exista reposición del agua caliente a través de una caldera.


Generación de calefacción con calor recuperado

 

Al momento de diseñar nuestros sistemas de recuperación de calor es de suma importancia que no se sobredimensione éste con la idea de que se utilizará para cubrir la demanda térmica total que pueda presentarse durante el invierno; así mismo, tampoco es recomendable que se reduzca la capacidad del sistema, ya que el calor recuperado solamente es un apoyo que nos permite disminuir el consumo de gas o electricidad

 

Para el sistema de calefacción éste se debe considerar independiente como circuito cerrado con su línea de suministro y de retorno, para el servicio de agua caliente se deberá contar con su propia línea de suministro, lo que nos permitirá garantizar que la recuperación de calor del condensador permita cubrir la demanda de calefacción en temporada cálida. Se requiere de un análisis integral de consumo anual de energía mediante un software específico de modelado energético.


Aplicaciones HVAC de recuperación de calor

 

Como ya se mencionó, generalmente el proceso de recuperación de calor se realiza dentro de los circuitos de los condensadores de los chillers.

 

En este artículo se mencionaran 4 diferentes:

 

  1.  Sistema de recuperación de calor con intercambiador secundario.
  2.  Sistema de recuperación de calor con condensador divido.
  3.  Unidad bomba de calor.
  4.  Chiller de absorción a gas.

Sistema de recuperación de calor con intercambiador secundario

 

Se agrega un intercambiador de calor secundario, de tipo placas, al circuito de agua del condensador independiente del chiller y del sistema de servicio de agua caliente sin mezclar agua de los sistemas. El agua de condensación sale del chiller a 105 °F, al pasar por el intercambiador, el agua que llega a la torre de enfriamiento es de 95 °F reduciendo su operación y consumo eléctrico porque el agua de condensación llega a una temperatura menor.

 

El calor recuperado se va a la línea de retorno de la caldera que viene a 93 °F y se incrementa a 103 °F, este efecto también tiene un ahorro de gas porque la temperatura del agua que le llegará a la caldera es mayor. 

Sistema de recuperación de calor con condensador dividido

 

En este sistema el intercambiador de calor (de tipo casco y tubos) está integrado al chiller (como se muestra en la imagen), la salida del agua de condensación es de 105 °F, esta temperatura es la misma que se aporta a la línea de retorno de la caldera que viene de 95 °F.

 

Esta configuración ahorra espacio y si al inicio del proyecto se planea resulta económico que este accesorio se incluya en el chiller. Por la temperatura de 105 °F es ideal para precalentamiento.

Unidad bomba de calor

 

En esta solución se tiene una bomba de calor que puede operar en enfriamiento o calefacción, el agua de condensación que viene del chiller pasa a 95 °F y con su sistema de refrigeración independiente puede aportar temperaturas más altas de 140 °F al retorno de la caldera. A su vez, el agua de condensación que pasa por la bomba de calor va a menor temperatura a la torre de enfriamiento siendo más eficiente en el consumo eléctrico.

 

A diferencia de las dos aplicaciones anteriores, la bomba de calor si tiene un consumo eléctrico por operación, pero aporta mayor temperatura a la caldera y en modo enfriamiento suma capacidad a la planta de enfriamiento. Por la temperatura de 140 °F es ideal para calentamiento de agua caliente de servicios.

Chiller de absorción a gas

 

Es una pieza esencial en el sistema de recuperación de calor. En este sistema, también denominado de trigeneración, se emplea aceite o gas natural para generar electricidad, mientras que el calor de escape se emplea para acondicionar áreas residenciales o edificios comerciales.

 

La generación de electricidad, calefacción y enfriamiento en un solo proceso contribuye a llevar a cabo un uso eficiente de recursos y ofrece un alto índice de uso de electricidad, concretamente del 85 %. Instalar un sistema de trigeneración permite disponer de un lugar independiente, respecto a la red de energía, puesto que reduce la dependencia de aires acondicionados en dicha red. En este sistema la bomba de calor de absorción aprovecha el calor residual del gas de combustión ahorrando una cantidad enorme de energía.

¿Cómo se determina la capacidad en estos sistemas?

 

1.  Se realiza un análisis energético anual para hacer una comparativa del consumo eléctrico de los equipos tradicionales contra los sistemas de recuperación y ahorro de gas.

2.   Se identifica la aplicación del sistema de recuperación de calor; calentamiento o precalentamiento de agua.

3.   Se debe considerar tener enfriamiento y calefacción simultáneamente.

4.   Diseñar los sistemas para que operen el mayor tiempo posible y disminuir el trabajo de las calderas.

5. Determinar los perfiles de carga térmica, enfriamiento y calefacción para seleccionar el sistema de recuperación de calor adecuado para cada proyecto.

 

¿Cómo se obtiene el rendimiento de un sistema?

 

Si quieres obtener la eficiencia global del sistema puedes recurrir a la fórmula2:

Donde el coeficiente de rendimiento o COP de una bomba de calor o un sistema de aire acondicionado es una relación entre el enfriamiento, la calefacción útil proporcionada y el trabajo requerido.

 

En conclusión, para una adecuada aplicación de recuperación de calor se requiere de un análisis energético y perfiles de carga térmica, así como el tipo de aplicación y la solución de aire acondicionado que mejor se adapte a las características del proyecto.

 

La recuperación de calor ofrece un menor gasto operativo, optimización de recursos naturales, principalmente agua y gas natural, mayor eficiencia energética y menor impacto al medio ambiente para reducir la huella de carbono.  

 

Si deseas reducir costos de energía, eficientizar recursos y disminuir gases de efecto invernadero, en KINENERGY podemos brindarte asesoría para un comisionamiento adecuado de tus sistemas HVAC. ¡Contáctanos!

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Mario Loaeza

Ingeniero Cx HVAC

Mario cuenta con más de 7 años de experiencia en el área de aire acondicionado y ventilación, ha desarrollado más de 40 proyectos de ingeniería implementados en México, destacando su participación en proyectos de Hotelería como Hilton y Conrad Tulum Riviera Maya, Etéreo Auberge Resorts Collection. Es egresado del Instituto Politécnico Nacional como Ingeniero Mecánico.

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