31.5.11

POSIBILIDADES DE LOS ACUMULADORES DE CAMBIO DE FASE EN LA CLIMATIZACION

Entre otros problemas nos encontramos en el campo de la climatización con el derivado de la contaminación ambiental, debida de forma general al consumo de energía, que esta produciendo un importante ataque a la capa de Ozono y contribuye al calentamiento de la atmósfera y de forma particular la aparición de la neumonía producida por la bacteria Legionella. En los últimos tiempos nos encontramos otros problemas, francamente importantes, que es el desplazamiento en los países desarrollados de la demanda energética de electricidad de los meses fríos a los cálidos por el incremento del consumo eléctrico debido a la climatización. En el contesto de la Comunidad Europea, los países del Norte no comprenden bien la problemática de los países del Sur o mediterráneos, la climatización no es un lujo en ellos es una necesidad. Nuestros países tienen que llevar al ánimo del resto de los países Comunitarios de esta necesidad y que estamos poniendo de nuestra parte todo lo comprometen como naciones y como conjunto comunitario.
Entre otros medios a considerar, para contribuir a la resolución de los problemas indicados, consideramos que se encuentra el aprovechamiento de la inercia térmica y en particular los acumuladores de cambio de fase. En los trabajos de la referencia, hemos ido exponiendo y discutiendo las posibilidades encontradas en el empleo de estos productos: en el transporte, en la construcción y en particular en la climatización. Se han indicado algunas aplicaciones concretas, que permiten importantes ahorros energéticos y hasta la disminución de las potencias de las instalaciones mecánicas de climatización o su eliminación.
El objetivo pretendido es analizar las posibilidades que vemos en el campo de la climatización de los Materiales de Cambio de fase.
LOS MATERIALES DE CAMBIO DE FASE
Se entiende por MCF, sustancias que requieren gran energía térmica para cambiar de fase, en particular pasar de sólido a líquido o viceversa, ese calor o frío necesario se puede aprovechar para devolverlo en el momento adecuado. Durante mucho tiempo en grandes instalaciones se empleó como MCF, el agua, en los últimos años ha caído en desuso por los problemas de sobre costo que supone, tanto inicial como por tener que emplear fluidos secundarios y bajar mucho la temperatura de evaporación de la máquinas.
Los MCF, a bases de sales hidratadas han tenido problemas con el tiempo, por envejecimientos prematuros por decantación, recientemente han aparecido productos orgánicos que no presentan estos problemas, que no son oxidantes y no presentan problemas de dilataciones como el hielo y que se puede escoger la temperatura deseada de cambio de fase. Estos productos se pueden emplear en recintos plástico con formas muy variadas: esferas, cilindros y placas, siendo el fluido de transmisión de calor el agua o el propio aire, también se ha visto que puede introducirse en los tubos de las baterías aleteadas y por fuera de ellos y de las aletas, circulando en los tubos el agua o los fluidos frigorígenos. También se ha visto que en las baterías se pueden realizar dobles circuitos, uno con el agua y otro con los fluidos secundarios.
En el diseño de los sistemas de acumulación hay dos condicionantes importantes a tener en cuenta con estos productos, la cantidad de calor almacenado por unidad de volumen y la potencia máxima a retirar o a cargar de calor, las dos son importantes. Puede ocurrir, bajo un mal diseño, que se disponga de capacidad de almacenamiento, pero no de disponibilidad puntual de calor para contrarrestar las necesidades.
En el caso del empleo de recipientes plásticos con el fluido aire, se recomienda no sobrepasar los 30 mm de espesor y en el caso de emplear como fluido agua y emplear baterías de cobre con aletas de aluminio, que las separaciones de las aletas no superen los 5 mm, en estas condiciones los flujos de calor se han visto que son suficientes para las aplicaciones más usuales.
En las figuras nº 1 a la 3 se han indicados diferentes sistemas de contener a los MCF. Se ha visto como más adecuado para las grandes instalaciones el tanque de 1200*800*1000 mm con dos baterías, tal como se ve en la figuras nº 4 y 5 de capacidad de acumulación aproximada de 50 kwh.
Conjunto de placas de MCF separadas 10 mm para que pueda circular el aire entre ellas. Con aire frío se cargan y con aire caliente se descargan (pasa el MCF de sólido a líquido).

Principio del sistema de climatización para oficinas con el acumulador dentro de tubos.

Vista de unos tanques de acumulación durante su montaje, Julio del 2003.

POSIBLES LOCALIZACIONES DE LOS MCF
Se han visto diferentes localizaciones en las instalaciones realizadas, unas en la salida del aire de los equipos de climatización, otras en “plenum” de techo y de suelo. Las capacidades de acumulación también se han ido variando entre 4 a 12 h, según conveniencias. Las separaciones entre placas han sido de 10 mm para encontrar un equilibrio entre una buena trasmisión de calor y una reducida pérdida de carga. La temperatura de cambio de fase en estos materiales ha sido de 18 ºC. Con saltos de temperatura, entre el aire y el acumulador de 3ºC, se tienen buenos intercambios de calor.
En el caso de colocarlo en el interior de los tubos haciendo pasar el aire entre las aletas, se han empleado temperaturas de cambio de fase de 26 ºC, trabajando también con saltos de temperaturas del orden de 3 ºC, solidificándolo con aire a temperatura igual o inferior a 23 ºC y fundiéndolo con temperaturas del orden de los 29 ºC En estas aplicaciones se ha eliminado los sistemas mecánicos de climatización, aprovechándose al máximo el frío gratis del aire “free cooling”.
En grandes instalaciones de climatización los acumuladores se han empleado siempre dentro de tanque con baterías clásicas de climatización por el exterior de los tubos y las aletas. En el caso de incorporados en el circuito de agua fría, se han empleado las temperaturas de cambio de fase de 6 y 7 ºC , colocando los tanques en paralelo y en serie con las máquinas, a la salida de éstas, en el circuito primario, tal como se puede ver en la figura nº 6. La capacidad de los acumuladores se ha visto que conduce a un valor mínimo en el costo inicial de las instalaciones, cuando cubre un 25% de la carga punta de la instalación. Sí se tiene en cuenta: la diferencia de las tarifas eléctricas nocturnas, los ahorros posibles de infraestructura eléctrica, tamaño de máquinas mayores reduciendo el número de ellas, etc, es posible que el mínimo se desplace a potencias más elevadas.
Se considera que en cada caso particular se debe hacer un estudio económico realista de la explotación de la instalación, teniendo en cuenta: las posibles tarifas eléctricas de contratación, los costos de las máquinas y sus accesorios, gastos de mantenimiento, infraestructura necesaria, costos de salas de maquinaria y demás elementos necesarios, el cual permitirá conocer si es interesante y cual debe ser la potencia adecuada.

Instalación de climatización con los acumuladores incorporados en el circuito primario.

Otra posible localización de los acumuladores, es en el circuito de condensación eliminando a las torres de climatización colocándolo en serie con aerogeneradores de agua , en las horas punta de calor de los días más exigibles se podría bajar unos grados la temperatura de condensación , los acumuladores se cargarían por la noche o fuera de las horas de máxima carga. En la figura nº 7 se ha indicado un esquema de dicha instalación. La temperatura de cambio de fase puede estar comprendida para España entre 32 a 35 ºC, con ello se puede eliminar las torres sin necesidad de ampliar o cambiar las máquinas y toda la problemática de accesorios eléctricos que ello lleva aparejado. Se debe tener presente que por cada grado Celsius que se reduce la temperatura de condensación se gana una potencia del orden del 4 %. Es posible que se requiera al eliminar las torres en climas muy favorables a su empleo, como es en las ciudades de las dos mesetas, que se deba potenciar al sistema de climatización, bien acumulando por la noche o bien mejorando el tratamiento del aire.

Posible incorporación de las torres de climatización y los MCF, en el tratamiento del aire de ventilación. Se pueden ver algunos de los lugares de una instalación de climatización en donde se pueden colocar los MCF.

Se ha pensado que las propias torres de climatización que se retiran por el problema de la Legionella se podrían emplear en el tratamiento del aire , si se emplea acumuladores de temperatura de cambio de fase comprendida entre 20 y 22 ºC , conjuntamente con torres se puede reducir grandemente las cargas térmicas. En la figura nº 8 se ha representado un esquema de principio sobre lo dicho.

Introducción de las torres y los acumuladores de calor en el circuito de tratamiento de aire.

Se puede desprender de lo indicado, que el posicionado de los acumuladores y la temperatura de cambio de fase de los mismo puede ser muy variado, dando una gran libertad al proyectista para su decisión en cada caso particular y que puede permitir en aprovechar fuentes de energías térmicas residuales que por su discontinuidad o por no coincidir en el tiempo con las necesidades, no se aprovechan. Se indican, a tipo de ejemplo, algunos proyectos realizados sobre instalaciones en que se ve la posibilidad de no emplear sistemas mecánicos de climatización.

Manuel Domínguez, José María Arias, Carmen García, Joaquín Culubret, Instituto del Frío. C.S.I.C. Ciudad Universitaria. Madrid.