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Politecnico di Torino Universidad de Zaragoza Refrigeración de centro de cálculo por medio de “Free-cooling” y “Solar-cooling” Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Centro Politécnico Superior Energía y Tecnología de Calor y Fluidos Autor: Jesús Lahuerta Martínez Director: Vittorio Verda Ponente: Luis Mª Serra de Renobales Diciembre 2010 A Luis Serra y Vittorio Verda porque sin su ayuda y dirección este proyecto no hubiera sido posible A mis amigos por hacer de estos años más llevaderos A mi familia…por todo Refrigeración de centro de cálculo por medio de “free-cooling” y “solar-cooling” Resumen La refrigeración de equipos electrónicos y centros de datos es una partida que cada vez supone un mayor gasto en la factura energética de las empresas y un mayor impacto en el medio ambiente por la gran cantidad de energía que se consume. Hoy en día hay en marcha diferentes líneas de investigación para conseguir una refrigeración adecuada con el menor consumo posible de energía primaria, sustituyendo en la medida de lo posible las fuentes de energía “convencionales”. Este proyecto parte de un acuerdo entre el Politecnico di Torino y Telecom Italia para mejorar los sistemas de refrigeración de las instalaciones de Telecom Italia en Turín, dado el deseo de esta última de reducir su factura energética. Se estudiará para tal fin la combinación de freecooling y solar-cooling con la finalidad de reducir hasta 0 la cantidad de energía convencional que se necesita para refrigerar el TI-LAB (Telecom Italia Lab) de Telecom Italia en la ciudad de Turín. Esta combinación es particularmente interesante debido a que son dos técnicas que se complementan de una manera razonablemente buena, por un lado el freecooling es adecuado en los días fríos ya que requiere que haya una diferencia apreciable de temperaturas entre el local a refrigerar y el exterior, por otro lado para el funcionamiento del solar-cooling es necesaria una radiación solar importante, la cual se produce generalmente en los momentos más calurosos del día que es cuando el freecooling no trabaja bien. Para llevar a cabo este estudio, se realizará un modelo de free-cooling basado en la posibilidad de bajar la temperatura del centro de cálculo con ventilación a partir del aire externo y posteriormente se estudiará su integración con dos modelos de solarcooling, uno basado en colectores solares y un ciclo de absorción, y otro en paneles fotovoltaicos y un ciclo de compresión. El estudio se realizará siempre bajo el objetivo de conseguir un aporte de energía eléctrica nula para la refrigeración del local, si bien no se descuidara la viabilidad económica del mismo. Los modelos serán realizados en Excel para el free-cooling y EES (Engineering Equation solver) para el solar-cooling. Realizando en ambos casos una simulación horaria de todo un año de estudio, para poder analizar de una manera lo más aproximada posible a la realidad la viabilidad de la implantación facilitando la toma de decisión a cargo de la empresa, Telecom Italia. Contenido Introducción _____________________________________________________ 1 1.1 Objetivo de la investigación __________________________________________ 1 El test plant TI-LAB ________________________________________________ 3 2.1 Potencia disipada por los equipos del Test Plant __________________________ 5 2.1.1 Calculo de la potencia disipada ____________________________________________ 5 2.1.2 Valoración de la potencia dispersada en los rectificadores ______________________ 6 2.1.3 Potencia térmica total generada en el Test Plant ______________________________ 7 2.2 Consideraciones sobre diferentes escenarios de potencia eléctrica ___________ 8 Free cooling ______________________________________________________ 9 3.1 Cálculo free cooling ________________________________________________ 11 Solar cooling ____________________________________________________ 15 4.1 Refrigeración solar por absorción _____________________________________ 15 4.1.1 Ciclo solar ____________________________________________________________ 16 4.1.1.1 Captador solar _____________________________________________________ 16 4.1.1.2 Deposito acumulación ______________________________________________ 17 4.1.2 Ciclo absorción ________________________________________________________ 18 4.1.2.1 Principio de funcionamiento y equipos. Ciclo de efecto simple ______________ 18 4.1.2.2 Mezclas de trabajo en ciclos de absorción ______________________________ 21 4.1.2.3 Equipo ___________________________________________________________ 21 4.1.2.4 Torre refrigeración _________________________________________________ 21 4.1.3 Programa cálculo ______________________________________________________ 23 4.1.3.1 Ciclo absorción ____________________________________________________ 23 4.1.3.2 Torre refrigeración _________________________________________________ 24 4.1.3.3 Captador solar _____________________________________________________ 25 4.1.3.4 Deposito acumulador _______________________________________________ 29 4.2 Refrigeración solar por compresión ___________________________________ 32 4.2.1 Ciclo compresión ______________________________________________________ 32 4.2.1.1 Equipo ___________________________________________________________ 33 4.2.1.2 Refrigerante ______________________________________________________ 33 4.2.2 Energía solar fotovoltaica _______________________________________________ 34 4.2.2.1 Modulo fotovoltaico ________________________________________________ 34 4.2.2.2 Panel fotovoltaico __________________________________________________ 35 4.2.2.3 Inversor __________________________________________________________ 35 4.2.3 Programa cálculo ______________________________________________________ 35 4.2.3.1 Ciclo compresión __________________________________________________ 36 4.2.3.2 Paneles fotovoltaicos _______________________________________________ 36 Análisis económico _______________________________________________ 41 5.1 Frio por absorción _________________________________________________ 41 5.2 Frío por compresión _______________________________________________ 43 Conclusiones ____________________________________________________ 45 6.1 Conclusiones sobre el proyecto ______________________________________ 45 6.2 Líneas de investigación _____________________________________________ 46 Bibliografía _____________________________________________________ 47 Índice de figuras _________________________________________________ 49 Índice de tablas __________________________________________________ 49 Anexos 51 Anexo A. Radiación solar ______________________________________________ 53 Anexo B. Refrigeración _______________________________________________ 71 Anexo C. Equipos TI-LAB ______________________________________________ 87 Anexo D. Ecuaciones programas EES ____________________________________ 91 Anexo E. Catalogos comerciales _______________________________________ 117 Anexo F. Resultados programas cálculo _________________________________ 133 1 Introducción Uno de los costes más importantes a los que se enfrenta un operador en el mercado de las telecomunicaciones es la energía necesaria para el funcionamiento de sus equipos. Telecom Italia, la mayor compañía de telecomunicaciones italiana, se enfrenta a un consumo de electricidad equivalente a alrededor del 1% de la demanda nacional italiana 339.900 millones de kWh1 y se encuentra entre los primeros cinco usuarios industriales. En este escenario parece importante un enfoque racional hacia la minimización del consumo de energía primaria. Los equipos electrónicos de telecomunicaciones tienen la característica de disipar gran parte de la electricidad necesaria para su funcionamiento en forma de calor. Para el correcto funcionamiento de los equipos es pues determinante controlar el ambiente donde se encuentran instalados, ya que la temperatura de trabajo de los equipos está íntimamente relacionada con la fiabilidad de los mismos. En consecuencia se produce un importante gasto para la operación de sistemas de aire acondicionado que asumen un papel de primera importancia en el presupuesto de energía del sistema de telecomunicaciones. Este proyecto se encuentra enmarcado dentro de un acuerdo de colaboración entre el Politecnico di Torino y Telecom Italia para evaluar posibles mejoras en los sistemas de refrigeración de sus instalaciones en Turín, teniendo como objetivos reducir la factura energética de Telecom Italia. 1.1 Objetivo de la investigación El balance de energía de las centrales de telecomunicaciones requiere refrigeración durante todo el año, en este contexto y basándonos en un estudio previo de la implantación de la técnica de free-cooling, para aliviar las necesidades energéticas del centro, se estudiarán las necesidades frigoríficas adicionales del free-cooling para el laboratorio TI-LAB (Telecom Italia Lab) y la posibilidad de complementar la técnica del free-cooling con solar-cooling con el fin de reducir todavía más la necesidad de energía eléctrica. El free-cooling utiliza aire externo para la refrigeración directa del ambiente interno o de un fluido en un proceso intermedio. Naturalmente esta práctica puede ser llevada a cabo cuando la temperatura externa es inferior a la temperatura del ambiente 1 Fuente: Ministerio de industria, turismo y comercio de España (2008) 8 El Test Plant TI-LAB 2.2 Consideraciones sobre diferentes escenarios de potencia eléctrica Resulta interesante observar la evolución de la demanda de potencia de los equipos que se suelen utilizar en este tipo de laboratorios y así poder estimar la evolución futura para poder dimensionar correctamente la instalación para su utilización en años futuros sin tener que modificar la instalación de frío. Con los datos proporcionados por Telecom Italia se ha calculado la potencia disipada por rack, realizando un gráfico que muestra la evolución de la potencia disipada a lo largo de los años, debido a la incorporación y sustitución de nuevos equipos. Tabla 2.4 Potencia disipada para diferentes equipos UT - años 80 Potencia [W] 26400 Nº aparatos por Rack 84 Potencia especifica [W/Rack] 314 Cisco 12000 - año 1995 Potencia [W] 2120 Nº aparatos por Rack 1 Potencia especifica [W/Rack] 2120 Figura 2.4 Evolución de la potencia disipada por Rack a lo largo de los años 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1980 1990 1995 2005 Potencia especifica [W/Rack] Años Cisco 7500 - años 90 Potencia [W] 484 Nº aparatos por Rack 2 Potencia especifica [W/Rack] 968 Cisco CRS - año 2005 Potencia [W] 41998 Nº aparatos por Rack 1 Potencia especifica [W/Rack] 4198 3 Free cooling El free-cooling es una técnica que utiliza el aire exterior a baja temperatura como fuente de energía de enfriamiento de manera alternativa o como complemento de otros sistemas de frío tradicional. Si se tiene una instalación de refrigeración que deba trabajar todo el año, y en una zona con una temperatura exterior baja, es particularmente interesante utilizar un sistema de refrigeración dotado de free-cooling. Estas máquinas permiten reducir el consumo de energía en comparación con los sistemas tradicionales. En el esquema de la figura 3.1 se detalla el procedimiento más usual para llevar a cabo el free-cooling, contando el sistema con un ventilador en la línea de retorno, que puede canalizar dicho aire eliminándolo hacia el exterior, o recirculándolo hacia la unidad de tratamiento de aire. La regulación de la proporción de aire eliminado o recirculado se realiza mediante un juego de compuertas en función de su grado de apertura o cierre. Condiciones de operación. Se pueden plantear los siguientes casos:  Temperatura del aire exterior menor que la del aire de impulsión.  Temperatura del aire exterior mayor que la temperatura de aire de impulsión, pero menor que la del aire de retorno de los locales.  Temperatura del aire exterior mayor que la temperatura del aire de retorno de los locales. Figura 3.1 Esquema de funcionamiento de free-cooling directo (Quadri, 2007) 10 Free cooling Figura 3.2 Gráfico de regulación de free-cooling (Quadri, 2007) En el gráfico de la figura 3.2 se representan los casos descritos anteriormente. Considerando una temperatura del aire del local o de retorno de 25ºC y una temperatura mínima de impulsión de 15ºC, estableciéndose el pico de carga del local a las 14 horas. Se observa que durante el intervalo horario AB, la temperatura del aire exterior es menor que el de impulsión de modo que el sistema modula las compuertas hasta lograr que la mezcla del aire exterior con el aire recirculado alcance el valor determinado por la curva de temperatura de impulsión, siendo innecesaria la producción de frío, por lo que, el enfriamiento es gratuito. En el intervalo BC el aire exterior es mayor que la temperatura de impulsión pero inferior a la temperatura de retorno del local, en ese punto el sistema frigorífico debe operar parcialmente para bajar la temperatura del aire exterior que se introduce hasta alcanzar la temperatura de impulsión requerida por el local. Cuando la temperatura del aire exterior alcanza a la del local constituye el límite del enfriamiento gratuito. Por último, durante el período CD, donde la temperatura del aire exterior es superior a la temperatura de retorno del local, la instalación funciona en forma convencional, para satisfacer las necesidades de ventilación del local. Los intervalos DE y EF son similares a los BC y AB. Cálculo free cooling 11 El free-cooling puede ser realizado en dos modos distintos:  Directo: el aire se introduce en el medio considerado desde el exterior y se mezcla con el aire del ambiente con el fin de introducir la temperatura deseada.  Indirecto: el aire externo se refrigera con agua del circuito de refrigeración antes de que esta entre en el evaporador para realizar un enfriamiento parcial o total. El free-cooling directo es siempre preferible en tanto en cuanto conduce a un mayor ahorro energético, pero requiere una gran superficie en contacto directo con el exterior, por lo tanto es difícilmente realizable en edificios situados en núcleos de población. También es necesario disponer en el interior del centro a climatizar de una serie de canalizaciones que son difíciles de colocar en espacios reducidos. Se utilizan en este caso grupos frigoríficos con free-cooling incorporado. Estas máquinas se distinguen de los refrigeradores normales por la presencia de una batería de aletas que actúa como intercambiador de calor aire/agua montada antes del condensador. El aire movido por los ventiladores atraviesa en serie la batería de aletas y después el condensador de refrigeración del circuito. 3.1 Cálculo free cooling El estudio sobre el free-cooling que aquí se ha realizado parte de trabajos previos realizados por el Politecnico di Torino para Telecom Italia, así pues con la información aportada y las directrices que se han transmitido por parte de la empresa. Se ha realizado un software en Excel, el cual calcula de manera horaria la potencia frigorífica que es necesaria para refrigerar el aire exterior que se introduce en el local. Se parte de la premisa de que en el interior del local los equipos siempre se encuentran funcionando por lo que generan calor y no hay que preocuparse por el límite inferior de temperatura de funcionamiento. Así pues suponiendo que los equipos generan calor continuamente, y con el flujo de aire introducido en el laboratorio impuesto por análisis realizados por Telecom Italia en base a la potencia disipada en los equipos y a la geometría del laboratorio. Se calcula la potencia de refrigeración necesaria para que el aire exterior entre a una temperatura adecuada, cuando sea necesaria dicha refrigeración. Partiendo de los datos de temperatura exterior a estos se le aplica un ΔT de 8.5ºC (ΔT más restrictiva que indica el estándar ETSI2), diferencia mínima que debemos asegurar sobre los 35ºC de temperatura límite de funcionamiento de los equipos. Si la suma de la temperatura exterior más ΔT es superior a esos 35ºC debemos enfriar la masa de aire. Calculando la potencia necesaria a través de la expresión: Siendo: ma≡ Flujo de aire, impuesto por Telecom Italia [Kg/s]. 2 ETSI: European Telecomunications Standars Institute 12 Free cooling cpa≡ Calor especifico del aire [KJ/kgK]. ΔT≡ Número de grados por encima de 35 que tiene la corriente de aire. Figura 3.3 Representación horaria de la potencia frigorífica necesaria La figura 3.3 representa la demanda horaria de necesidades de refrigeración con el freecooling, como se puede ver no hay necesidades frigoríficas en el periodo comprendido entre el 15 de Septiembre y el 15 de Mayo, se puede apreciar también que el día con mayor demanda se encontraría en Junio, pero la mayor parte de la misma se concentra en el mes de Julio. Tabla 3.1 Distribución de la energía requerida por el free-cooling Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Energía requerida(kWh) 1,45 2189,18 3487,72 1418,86 32,28 Figura 3.4 Representación porcentual de las necesidades frigoríficas en los meses estivales 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 P [kW] Necesidades de refrigeración del freecooling 15 Sept 15 Mayo 0% 31% 49% 20% 0% Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Cálculo free cooling 13 Figura 3.5 Energía requerida de manera mensual Tal y como representan las figuras 3.4 y 3.5 se puede observar que el 99% de la demanda se encuentra en los meses de Junio, Julio y Agosto, esto puede sugerirnos que la integración con un sistema de solar-cooling puede ser realmente adecuado, ya que los meses con mayor demanda son también los de mayor radiación solar incidente. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 kWh Energía requerida 4 Solar cooling Solar-cooling o refrigeración solar se refiere al uso de energía obtenida a través del Sol para su uso en refrigeración. La utilización de esta tecnología es una idea especialmente atractiva en climas cálidos o en lugares con muchas horas de radiación solar. La refrigeración solar puede ser realizada por tres clases de sistemas: ciclos de absorción, ciclos desecantes y ciclos de refrigeración de compresión de vapor. Dentro de estas clases hay por supuesto diversas configuraciones. Este proyecto se centra en el estudio de refrigeración solar por absorción y por compresión mecánica. 4.1 Refrigeración solar por absorción Centrándonos en los ciclos de refrigeración solar por absorción tenemos dos alternativas para la implementación de estos ciclos, ciclos continuos o intermitentes. Los ciclos intermitentes son principalmente usados en refrigeración alimentaria, no se utilizan enfriadores intermitentes para acondicionamiento de aire, ni tampoco se han hecho grandes estudios que aconsejen su posible aplicación al acondicionamiento de aire por energía solar (Duffie & Beckman, 2006). Los sistemas continuos son similares en su construcción y funcionamiento a las unidades convencionales de gas o de fluidos condensables, la energía se suministra al generador desde el sistema (colector solar-almacenamiento auxiliar), siempre que las condiciones dentro del edificio indiquen la necesidad de refrigeración. Es posible adaptar colectores de placa plana para funcionar con ciclos frigoríficos de absorción. La influencia de los límites de temperaturas sobre el funcionamiento de los colectores de placa plana, hace que sólo se puedan considerar máquinas comerciales de simple efecto con sistemas de bromuro de litio-agua (LiBr-H2O), los cuales requieren agua de refrigeración para enfriar el absorbedor y el condensador, por lo que su empleo puede llegar a requerir el uso de una torre de refrigeración. No obstante de acuerdo con las características de funcionamiento de las máquinas de absorción de simple efecto, éstas necesitan una temperatura del agua de alimentación en el generador entre 80 y 90ºC (Yazaki), en estas condiciones de temperatura los valores de rendimiento de los captadores de tubo de vacío son muy superiores a los de placa plana, por tanto y buscando reducir la superficie de captadores lo más posible se puede concluir que los captadores de tubo de vacío son una mejor opción para este tipo de instalaciones. 16 Solar cooling La utilización de enfriadores amoniaco-agua en la forma que actualmente están comercializados resulta difícil debido a las altas temperaturas que necesita el generador (140-160ºC) (Dominguez Quiroga, 2009), que harían trabajar a los colectores de vacío al límite de su temperatura de funcionamiento, aproximadamente igual a 130ºC (Censolar) y además empeoraría considerablemente su rendimiento, por ello se precisaría usar colectores cilíndricos parabólicos, con el sobrecoste de la instalación que ello conllevaría. El utilizar enfriadores diseñados para funcionar con energía solar implica generadores con temperaturas de funcionamientos inferiores, lo que supone mejores niveles de entrega de energía al generador desde el colector y mejor funcionamiento dentro de un determinado rango de temperaturas. 4.1.1 Ciclo solar La parte del ciclo solar del sistema de refrigeración por absorción está compuesta por los colectores solares, los acumuladores y una bomba para conseguir que el agua recorra el circuito, este último equipo no ha sido estudiado ya que no es propósito del presente proyecto hacer un análisis detallado de la instalación. 4.1.1.1 Captador solar Se han elegido captadores de tubo de vacío, ya que el rango de temperaturas que se necesitan para el funcionamiento del ciclo de absorción, está en el límite del rango de utilización de los colectores de placa plana. Según las simulaciones realizadas en la instalación caso de estudio, el rendimiento del colector plano es aproximadamente la mitad que el de tubos de vacío para las condiciones de diferencia de temperaturas entre el fluido y la temperatura ambiente de nuestro estudio, requiriendo aproximadamente el doble de la superficie necesaria con captadores de tubo de vacío. Figura 4.1 Esquema de solar cooling con ciclo de absorción (Duffie & Beckman, 2006) Ciclo absorción 17 Estos captadores están formados por tubos de vidrio en cuyo interior se ha hecho el vacío. En el interior de cada tubo hay una tubería de cobre soldada a una placa rectangular, que absorbe la radiación solar y cede calor al fluido que circula por la tubería. Concretamente se ha elegido el colector de tubo de vacío Vitosol T-300 de la compañía Viessmann que utiliza tecnología Heatpipe (ver Anexo E). En el principio Heatpipe, el fluido solar no circula directamente por los tubos. En su lugar, un fluido caloportador circula por un absorbedor especial que se evapora por efecto de la irradiación solar y transmite el calor al fluido solar a través de un intercambiador de calor. Se ha tomado esta decisión ya que Viessmann es una empresa líder en el sector, con una amplia gama de productos, concretamente el captador elegido tiene unos buenos coeficientes de rendimiento y el uso de tecnología heatpipe reduce el riesgo de rotura del colector por sobrecalentamiento, teniendo en cuenta que durante largos periodos del año no tenemos demanda de frío, éste es un problema que puede aparecer. 4.1.1.2 Deposito acumulación El objetivo de la acumulación en sistemas de climatización solar es el de poder compensar la separación temporal que hay entre la producción de energía solar y el consumo de calor o frío. Se ha elegido un acumulador de inercia frente a uno de A.C.S debido a que el ciclo del agua del acumulador será cerrado, pudiendo así elevar la temperatura de trabajo hasta cerca de 100ºC frente a los 60-65ºC del otro tipo. Dado que se quiere trabajar en torno a los 90ºC este es claramente el acumulador que se necesita. Para el dimensionamiento se ha intentado asegurar una temperatura de trabajo adecuada en todo momento. Eligiéndose para ello el acumulador PBS-Solar de la marca NAU (Solar System Technick) con capacidad de 1500 litros y doble serpentín para la posible incorporación de un generador, que complemente los colectores solares. La capacidad está ligeramente sobredimensionada, pero dentro de la oferta de acumuladores disponibles se ha considerado como la mejor opción (ver Anexo E). Figura 4.2 Captador tubos de vacío Heatpipe (Viessmann) 24 Solar cooling Siendo: T≡ Temperatura [ºC]. D≡ punto de roció [ºC]. Ai;Bi≡ Constantes. X≡ proporción entre el LiBr y el H2O [%]. A, B y C parámetros para calcular la entalpia y el poder calorífico según McNeely Estas ecuaciones permiten calcular las propiedades de la solución de LiBr-H2O hasta una temperatura máxima de 210ºC, muy superior a las temperaturas de trabajo con las que se trabaja aquí. En la figura 4.7 se puede observar la variación del COP de la máquina de absorción en función de la temperatura del agua en la entrada al generador y del caudal de agua de entrada al generador. Estas graficas se han obtenido mediante la simulación de la máquina de absorción variando los parámetros del eje de abscisas y han sido validadas con datos proporcionados por el fabricante York en una publicación suya. (Tabecchio, 2001) Como se puede ver a partir de 100ºC el COP se mantiene constante, y por debajo de 85ºC el descenso se hace más acusado, el comportamiento del COP es similar si el parámetro que se varía es el flujo de agua. 4.1.3.2 Torre refrigeración Para el cálculo de la torre de refrigeración se ha utilizado el método de la Integral de Merkel ya que presenta una precisión adecuada. La energía cedida por el agua, en el proceso de transferencia de calor y masa que tiene lugar en la torre de refrigeración, es igual a la ganada por el aire, de tal forma que: 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 80 83,27 86,53 89,8 93,06 96,33 99,59 102,9 106,1 109,4 112,7 115,9 119,2 COP Vs T entrada generador 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 0,6837 1,067 1,451 1,835 2,218 2,602 2,986 3,369 3,753 4,137 4,52 4,904 COP Vs flujo agua generador Figura 4.7 Evolución del COP en función de la temperatura y flujo másico en la entrada al generador Programa cálculo 25 Dónde: L≡ Caudal másico de agua [kg/h]. t1, t2≡ Temperatura de entrada y salida del agua de la torre [°C]. G≡ Caudal másico de aire [kg/h]. hC, hD≡ Entalpía del aire a la entrada y a la salida [kcal/Kg]. c≡ Calor específico del agua a presión constante [kcal/Kg°C]. Se admite igual a la unidad y suele suprimirse a las ecuaciones. Desarrollando la ecuación anterior se llega a la siguiente expresión denominada Integral de Merkel: El programa resuelve dicha integral tomando como datos de partida el caudal de agua, la potencia calorífica a refrigerar en la torre (obtenidos de la simulación del ciclo de absorción), la humedad relativa, la temperatura del aire ambiente y la temperatura del agua de entrada en la torre. 4.1.3.3 Captador solar Para el cálculo de la radiación solar, se partía de los datos de radiación solar directa y difusa incidente sobre una superficie horizontal, estos datos se han convertido para el caso de un captador inclinado. Para ello se ha utilizado el modelo de Hey and Davies de 1980 (Duffie & Beckman, 2006) enmarcado dentro de la teoría anisotropica de bóveda celeste la cual se diferencia de las teorías isotrópicas en que estas últimas sostienen la premisa de que la suma de la radiación difusa del cielo y la reflejada sobre una superficie inclinada es la misma sin tener en cuenta su orientación, no así pues la anisotropicas que hacen tal diferenciación. El modelo de Hey and Davies está basado en la asunción de que toda la radiación difusa puede ser representada en dos partes: la isotrópica y la circunsolar. Figura 4.8 Esquema del modelo de bóveda anisotrópica (Duffie & Beckman, 2006) 26 Solar cooling Además de por representar una buena aproximación se ha elegido este modelo porque es totalmente analítico prescindiendo de graficas en su desarrollo que harían más difícil su implementación en el programa. El cálculo de la radiación total sobre la superficie inclinada se realiza a través de la expresión: Dónde: Ibh≡ radiación directa sobre la superficie horizontal [MJ/m2]. Idh≡ radiación difusa sobre la superficie horizontal [MJ/m2]. Ai≡ índice de anisotropía. I0≡ radiación extraterrestre [MJ/m2]. β≡ inclinación del panel [º]. L≡ Latitud: es el ángulo que forman el radio terrestre que pasa por la superficie considerada y el plano del ecuador. Su valor se encuentra comprendido entre -90º (Polo sur) y 90º (Polo norte). δ≡ declinación: Posición angular del sol al mediodía solar con respecto al plano del ecuador, norte positivo; -23.45º<= δ <=23.45º. La declinación se calcula según la fórmula de Cooper (Duffie & Beckman, 2006). d≡ Número de día del año, contando desde el 1 de enero. 284 representa el número de día relativo al último equinoccio del año. ω≡ Ángulo horario: desviación angular del sol de Este a Oeste con el meridiano local debido a la rotación de la tierra; 15º por hora, negativo por la mañana, positivo por la tarde. Hora solar: Tiempo basado en el movimiento aparente del sol a través de la bóveda celeste, en el mediodía solar el sol cruza el meridiano del observador. Esta hora no coincide con la hora de reloj. La hora solar es usada en todas las relaciones entre ángulos solares. Programa cálculo 27 horasolar≡ Hora del día entre 0 y 24 en horario solar [horas]. horalocal≡ Hora del día entre 0 y 24 en horario local [horas]. Δtlocal≡ Adelanto horario local del territorio en el que se localiza el emplazamiento seleccionado [horas]. El adelanto de la hora local se suele fijar en función de la situación geográfica del territorio y de las estaciones del año. Este adelanto es siempre igual a cero en el meridiano de Greenwich, por lo que la hora local en ese meridiano se conoce con el nombre de hora universal (GTM). En Italia se fija un adelanto de -1 hora respecto de la hora del meridiano de Greenwich en invierno, mientras que en verano el adelanto es de -2 horas (signo negativo por coherencia con la ecuación anterior). Respecto de este adelanto general, existe un adelanto adicional debido a la longitud de cada localización particular, calculado según la expresión. long≡ Longitud relativa al emplazamiento estudiado [º]. long0≡ Longitud del meridiano de referencia, igual a 0º para el Meridiano Cero o de Greenwich. Se observa que si la longitud es positiva el adelanto total de la hora es mayor y si es negativa el adelanto total de la hora es menor. Además se introduce otro pequeño factor de corrección en función del día del año calculado mediante la ecuación de Whiller (Duffie & Beckman, 2006): E≡ adelanto horario local debido al día del año [horas]. La variable B viene dada por la expresión: Para calcular el número de captadores solares se ha realizado la división entre la potencia demandada por el generador del ciclo de absorción y la generada por un colector solar. La potencia generada por un colector solar se calcula como el producto de la radiación incidente y el rendimiento del panel. El rendimiento del panel se obtiene a través de la siguiente expresión (Monné Bailo & Díez Pinilla, 2007): Siendo el coeficiente de óptico del captador y el coeficiente de perdidas, ambos datos proporcionados por el fabricante. 28 Solar cooling Tabla 4.2 Datos captador (ver Anexo E) Modelo Coeficiente óptico Coeficiente de pérdidas Superficie absorción Superficie total SP3A 0,809 1,37 2,004 m2 2,866 m2 Te≡ Temperatura de entrada del fluido caloportador al colector [ºC]. Ta≡ Temperatura ambiente [ºC]. I≡ Radiación solar incidente [W/m2]. La variación del rendimiento se ha obtenido simulando el captador con los datos proporcionados por el fabricante en diferentes condiciones de temperatura ambiente. Se han colocado los captadores con una inclinación de 31º ya que la demanda se centra en el periodo estival, y por ello se ha optimizado la inclinación para este periodo. Tabla 4.3 Elección de la inclinación del captador (Monné Bailo & Díez Pinilla, 2007) Mejor inclinación Máxima radiación invierno Máxima radiación verano β 0,9· Latitud Latitud + 10º Latitud - 10º 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 η Tm* Rendimiento captador Figura 4.9 Rendimiento del captador en función de la temperatura Programa cálculo 29 4.1.3.4 Deposito acumulador En cuanto al criterio de dimensionado del depósito acumulador, el objetivo será conseguir que el agua acumulada tenga energía calorífica suficiente para satisfacer las necesidades del usuario durante periodos de ausencia o escasez de radiación solar normalmente inferiores a un día. Si el volumen de acumulación es pequeño, se consiguen mayores temperaturas en detrimento del rendimiento de los captadores solares, y si es grande, aunque sube el rendimiento de los captadores, se corre el riesgo de no alcanzar la temperatura de uso (ver Anexo B). Para alimentar la máquina de absorción se emplean acumuladores de inercia. La gráfica anterior se ha ajustado a una recta con la siguiente ecuación característica: Esta ecuación es válida para captadores de placa plana, cuando se emplean captadores de tubo de vacío se ha considerado un volumen un 10 % superior. (Iglesias De Casto, 2007). El criterio que se ha seguido para el dimensionamiento de toda la instalación es ajustar la generación con los captadores para satisfacer las necesidades del mes de julio, para ello se ha introducido como dato de demanda frigorífica el promedio de la demanda de ese mes, así como la temperatura exterior y la radiación incidente. Las ecuaciones empleadas en el programa se encuentran en el Anexo D donde se ha introducido el código del programa con las ecuaciones y variables más importantes comentadas. Figura 4.10 Estimación del volumen del depósito de acumulación (Iglesias De Casto, 2007) Programa cálculo 31 Como resultado del programa se obtienen los parámetros de funcionamiento del ciclo de absorción, tales como las temperaturas y caudal de todos los flujos, la potencia y el área de intercambio necesario en cada equipo (calculados a partir del método NTU), además como se ve en la figura se obtiene la dimensión del campo de captadores que es lo que se estaba buscando. Tal y como se puede observar eligiendo el captador de tubos de vacío antes mencionado Vitosol 300-T se necesita un campo de captadores de 48 metros y por tanto se hacen necesarios 24 captadores y un depósito de acumulación de 916,2 litros. El programa de simulación es muy similar al de dimensionamiento salvo porque ahora se introducen como inputs la dimensión del campo de colectores y el UA de los equipos, y teniendo los datos de temperatura exterior y radiación incidente de todo el año de manera horaria, se hace una simulación del sistema para ver la energía entregada por el campo de captadores y la demandada por la instalación. Figura 4.11 Energía demandada y generada para los meses de verano A la vista de la figura 4.11 la demanda está perfectamente ajustada en la simulación para el mes de Julio que es precisamente lo que se buscaba, el resto de meses tendremos una producción excesiva debido a la variedad de demanda de un mes a otro. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Junio Julio Agosto E []kWh] Demanda Generada 32 Solar cooling En la figura 4.12 puede verse la evolución de la potencia tanto generada como demandada promedio diaria para el mes de Julio, que es cuando la demanda de frío es más crítica. Tal como se observa la generación de potencia replica la curva de demanda de una manera bastante precisa con un adelanto de la producción respecto a la demanda de 2 horas. Aunque como se aprecia el valor máximo de la demanda es mayor que en la generación, el área de la curva de generación es ligeramente mayor, por lo que la potencia generada es mayor que la demanda a lo largo del día promedio. Se puede asegurar pues que con el dimensionamiento elegido se cubre la demanda en un amplísimo porcentaje, estando sobredimensionado para la mayoría del año y siendo necesario un grupo generador auxiliar para casos de emergencia y días muy puntuales. 4.2 Refrigeración solar por compresión Como alternativa a la refrigeración por absorción utilizando captadores solares se plantea la utilización de una máquina de frío por compresión, compensando la utilización de energía eléctrica que ésta demanda con la colocación de paneles fotovoltaicos. 4.2.1 Ciclo compresión La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse éste requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Después de este Figura 4.12 Evolución de la potencia generada y demandada promedio diaria del mes de julio 0 5 10 15 20 25 30 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 P [kW] Evolución de la potencia Demanda ciclo absorción Generación campo captadores Ciclo compresión 33 intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismoes necesario enfriarlo en el interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión. 4.2.1.1 Equipo Se ha elegido un equipo de frio por compresión de la marca Carrier modelo 50AZ de 99,5 kW de potencia (ver Anexo E), ya que la demanda máxima es de 77 kW, esta solo se alcanza en periodos puntuales, pero debemos asegurar siempre la refrigeración en el laboratorio, por lo cual la maquina está suficientemente dimensionada. Se ha seleccionado esta máquina ya que Carrier es una empresa líder en el sector de la refrigeración, con calidad y durabilidad contrastada de sus equipos, siendo además recomendada por una empresa instaladora (ICESA), y proporcionando la potencia requerida con sólo un equipo, cosa que no se conseguía con otros fabricantes consultados. 4.2.1.2 Refrigerante La máquina seleccionada trabaja con el refrigerante R407C, en realidad es una mezcla de tres gases que sustituye al R22. Es una mezcla ternaria no azeotrópica3 compuesta de los refrigerantes R32 (23%), R125 (25%) y R134a (52%) (Rothenberger, 2007). Químicamente es estable, tiene buenas propiedades termodinámicas, bajo impacto ambiental y muy baja toxicidad. Es un HFC (hidrofluorocarburos) por lo que no contiene cloro, no es inflamable y no destruye la capa de ozono si es liberado a la atmosfera. Tabla 4.4 Cualidades físicas básicas y desempeño operacional del R407C comparado con el R22 (Rothenberger, 2007) Indicador R407C R22 Punto de ebullición a P atmosférica [ºC] -43,56 -40,80 Presión de líquido saturado a 25ºC [kPa] 1174 1043 Densidad del líquido a 25ºC [kg/m3] 41,98 44,21 Potencial de agotamiento del ozono ODP 0 0,05 Productividad de enfriamiento relativa Q0R407C/Q0R22 1 1 Potencial de calentamiento global GWP 1600 1700 Factor de refrigeración 6,27 6,43 3 Mezcla azeotrópica: mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente. 5 Análisis económico Se va a proceder a realizar un análisis económico de los equipos a instalar tanto del sistema de frío por absorción como del sistema de frío por compresión, no se ha introducido en este análisis los cotes de montaje y mantenimiento. 5.1 Frio por absorción Tabla 5.1 Costes asociados a la instalación de frío por absorción Concepto Unidades Precio Total Colector solar Viessman vitosol T-300 24 2.129,0 € 51.096,0 € Acumulador VNU PBS-Solar 1 3.861,0 € 3.861,0 € Equipo absorción Yazaki WFC-SC30 1 45.631,4 € 45.631,4 € Torre refrigeración Teva TVA 021 1 4.599,0 € 4.599,0 € Subtotal 105.187,4 € IVA4 20% 18.941,8 € TOTAL 126.224,9 € Se ha analizado la rentabilidad de la instalación en función del ahorro en energía eléctrica anual que se produciría al instalar este ciclo de absorción con respecto a un ciclo de compresión convencional tomando la energía eléctrica directamente de la red. Para ello se ha calculado el VAN5 de la instalación tomando una tasa del 6% anual y tres escenarios posibles de incremento del precio de la electricidad (3, 6 y 9% de incremento anual). El cálculo del VAN nos da la rentabilidad de la inversión en el periodo temporal elegido, el momento que el VAN es igual a 0 es el momento en el que recuperamos la inversión inicial y a partir de ese momento se empiezan a obtener beneficios. El cálculo del VAN ha sido realizado con las fórmulas presentes en Excel. Como se puede observar en la figura 5.1, la rentabilidad de la inversión es sensible al precio de la electricidad, pero se puede afirmar que si no hay un alto incremento de este precio esta inversión no es rentable, sólo se encuentra rentabilidad dentro del horizonte marcado con un incremento del precio de la luz 9% anual. 4 El Impuesto valor añadido (IVA) en Italia es de un 20% 5 Valor Actualizado Neto 42 Análisis económico Como hemos visto en el capítulo 4, con el dimensionamiento de este sistema se desaprovecha mucha energía en forma de agua caliente, si este agua producida pudiera ser utilizada para un sistema de calefacción, la rentabilidad de la inversión mejoraría notablemente como se puede ver en la figura 5.2. Se ha tenido en cuenta un incremento del precio del gas igual al del precio de la electricidad. Tal como se observa el rendimiento de la inversión aumenta notablemente, en los 3 escenarios planteados se recupera la inversión en el horizonte temporal estudiado y el caso de fuerte incremento de del precio de las materias primas se hace especialmente rentable. Figura 5.1 VAN de la inversión en frío por absorción Figura 5.2 VAN de la inversión en frío por absorción con aprovechamiento para ACS -60.000 € -40.000 € -20.000 € 0 € 20.000 € 40.000 € 60.000 € 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 años 9% 6% 3% -100.000 € -50.000 € 0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 200.000 € 250.000 € 300.000 € 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 años 9% 6% 3% Frío por compresión 43 5.2 Frío por compresión Tabla 5.2 Costes asociados a la instalación de frío por compresión Concepto Unidades Precio Total Panel fotovoltaico Isofoton ISF 230 103 667,3 € 68.733,9 € Inversor Isofoton isoverter 3000 2 1.838,7 € 3.677,4 € Equipo frío compresión Carrier AZ50 1 24.590,0 € 24.590,0 € Torre refrigeración Teva TVA 016 1 4.299,0 € 4.299,0 € Subtotal 101.300,4 € IVA 20% 20.260,1 € TOTAL 121.560,5 € Se ha calculado la rentabilidad de la instalación en función de la diferencia entre la energía absorbida de la red y la cedida por el campo de paneles fotovoltaicos, teniendo en cuenta la diferencia en la inversión inicial. Hay que destacar que el gobierno Italiano ha aprobado recientemente un decreto por en el cual fija el precio de la compra de la electricidad generada de manera renovable en un horizonte mínimo de 20 años. La rentabilidad de la inversión se ha analizado en los mismos términos que en el caso anterior. Como se observa en los escenarios con un incremento del precio de la electricidad de un 6 y un 9% se produce retorno de la inversión aunque solo el caso de un incremento del precio de la electricidad del 9% el horizonte temporal comienza a ser interesante. Hay que hacer notar que en ningún caso se han tenido en cuenta posibles subvenciones que otorgue el gobierno Italiano a la instalación, por lo que se está trabajando con hipótesis pesimistas. Si se ha tenido en cuenta en el último caso, un decreto recientemente promulgado por el gobierno Italiano que fija el precio de la compra de electricidad producida de manera renovable. Este precio varía en función de Figura 5.3 VAN de la inversión en frío por compresión con paneles fotovoltaicos -100.000 € -50.000 € 0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 años 9% 6% 3% 44 Análisis económico una serie de parámetros, tales como la potencia de la instalación o el carácter del edificio donde se encuentra la instalación, para nuestro caso tendríamos un precio de compra de 0,311€/kWh como precio base y se quedaría finalmente en torno a los 0,45€/kWh aplicando una serie de corrección incluidas en la ley. 6 Conclusiones 6.1 Conclusiones sobre el proyecto Tras un estudio detallado de las opciones propuestas para su implantación se ha llegado a las siguientes conclusiones. La opción de la instalación de un ciclo de absorción con captadores solares solo sería posible tanto desde el punto de vista técnico como económico si se utilizará el agua caliente sobrante producida en los meses de invierno para su uso en calefacción, esto sería posible ya que el TI-LAB de Telecom Italia no solo se encuentra el laboratorio estudiado sino que de manera anexa se encuentran despachos y salas de reuniones. No obstante el analizar esta integración ha quedado fuera del alcance de este proyecto. Desde el punto de visto técnico se desaprovecha una gran cantidad de energía generada y desde el punto de vista económico el retorno de la inversión es muy elevado. La opción de los paneles fotovoltaicos es más adecuada por sí sola para compensar la demanda de electricidad utilizada en la producción de frío por compresión. Permite ajustar la demanda de una forma anual, por lo que no se produce un exceso de producción a lo largo del año, y la inversión también es menor por lo que el retorno de la misma se produce en un periodo de tiempo más corto que con la refrigeración por absorción. De manera más general se puede concluir que la refrigeración solar es más conveniente en zonas más meridionales donde la radiación solar es más alta y las temperaturas suelen ser tales que hacen al free-cooling menos eficaz. Desde el punto de vista de la realización del proyecto. Aun siendo EES una gran herramienta de cálculo sobre todo si son necesarias propiedades termodinámicas, las limitaciones derivadas del uso de EES como lenguaje de programación son evidentes. Por un lado, no permite la utilización de cálculos secuenciales y por otro la robustez del programa está limitada por la propia arquitectura del software. 46 Conclusiones 6.2 Líneas de investigación Fuera del alcance de este proyecto ha quedado tanto la posible utilización del ciclo de absorción para proporcionar calefacción así como un estudio más detallado de las instalaciones desde el punto de visto de instalación y puesta en marcha. Tampoco se ha estudiado la posibilidad de instalar un campo de colectores con seguimiento de la radiación solar, por deseo del cliente. De igual manera tampoco ha sido objetivo de este proyecto realizar un estudio exhaustivo sobre la situación fiscal de la república Italiana para la implantación de energías renovables que aconsejen la instalación de este tipo de sistemas. Bibliografía A.I.Ch.E. (1955). journal. ASHRAE. (2009). Handbook: refrigeratión. Baccino, G. (2009). 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Índice de figuras Figura 2.1 Layout del Test Plant _____________________________________________________ 3 Figura 2.2 Disposición de los Rack en el laboratorio _____________________________________ 4 Figura 2.3 Layout del laboratorio con los equipos y rectificadores _________________________ 7 Figura 2.4 Evolución de la potencia disipada por Rack a lo largo de los años _________________ 8 Figura 3.1 Esquema de funcionamiento de free-cooling directo ___________________________ 9 Figura 3.2 Gráfico de regulación de free-cooling ______________________________________ 10 Figura 3.3 Representación horaria de la potencia frigorífica necesaria _____________________ 12 Figura 3.4 Representación porcentual de las necesidades frigoríficas en los meses estivales ___ 12 Figura 3.5 Energía requerida de manera mensual _____________________________________ 13 Figura 4.1 Esquema de solar cooling con ciclo de absorción _____________________________ 16 Figura 4.2 Captador tubos de vacio Heatpipe _________________________________________ 17 Figura 4.3 Equipos de una máquina de absorción de efecto simple sobre un diagrama p-T_____ 18 Figura 4.4 Esquema de equipos y flujos de una máquina de absorción de efecto simple _______ 19 Figura 4.5 Esquema de flujos y componentes principales ________________________________ 22 Figura 4.6 Fotografía torre de refrigeración serie TVA __________________________________ 23 Figura 4.7 Evolución del COP en función de la temperatura y flujo másico en la entrada al generador _____________________________________________________________________ 24 Figura 4.8 Esquema del modelo de bóveda anisotropica ________________________________ 25 Figura 4.9 Rendimiento del captador en función de la temperatura _______________________ 28 Figura 4.10 Estimación del volumen del depósito de acumulación ________________________ 29 Figura 4.11 Energía demandada y generada para los meses de verano ____________________ 31 Figura 4.12 Evolución de la potencia generada y demandada promedio diaria del mes de julio _ 32 Figura 4.13 Esquema panel fotovoltaico _____________________________________________ 34 Figura 4.14 Curvas de potencia del panel ISF-230 en función de la temperatura _____________ 35 Figura 4.15 Variación de la eficiencia del panel en función de la temperatura exterior ________ 37 Figura 4.16 Evolución de la energía demandada y generada distribuida por meses ___________ 38 Figura 4.17 Reparto de la energía requerida y aportada ________________________________ 38 Figura 5.1 VAN de la inversión en frío por absorción ___________________________________ 42 Figura 5.2 VAN de la inversión en frío por absorción con aprovechamiento para ACS _________ 42 Figura 5.3 VAN de la inversión en frío por compresión con paneles fotovoltaicos ____________ 43 Índice de tablas Tabla 2.1 Potencia eléctrica absorbida por los aparatos del Test Plant ______________________ 5 Tabla 2.2 Densidad de potencia eléctrica en la zona 1 y 2 ________________________________ 6 Tabla 2.3 potencia térmica disipada en los rectificadores ________________________________ 6 Tabla 2.4 Potencia disipada para diferentes equipos ____________________________________ 8 Tabla 3.1 Distribución de la energía requerida por el free-cooling_________________________ 12 Tabla 4.1 Comparación propiedades mezclas de trabajo ________________________________ 21 Tabla 4.2 Datos captador _________________________________________________________ 28 Tabla 4.3 Elección de la inclinación del captador ______________________________________ 28 Tabla 4.4 Cualidades físicas básicas y desempeño operacional del R407C comparado con el R22 33 Tabla 5.1 Costes asociados a la instalación de frío por absorción _________________________ 41 Tabla 5.2 Costes asociados a la instalación de frío por compresión ________________________ 43