Sistema de agua helada

A Sistema de agua helada Es un sistema de climatización que utiliza agua a baja temperatura para refrigeración y deshumidificación, común en grandes edificios como rascacielos, centros comerciales y hospitales.

Los sistemas de agua helada representan una importante tecnología de climatización, ampliamente utilizada en grandes edificios como el Burj Khalifa y el Merdeka 118. Debido a su complejidad y presencia en estructuras como hoteles, oficinas, centros comerciales y hospitales, comprender su funcionamiento es fundamental para una gestión eficiente de los edificios. Diversos estudios indican que la refrigeración de espacios puede representar una parte sustancial del consumo energético de un edificio comercial (por ejemplo, se estima que en algunas regiones alcanza alrededor de 421 toneladas métricas por tonelada métrica). Un conocimiento profundo de estos sistemas permite a ingenieros, técnicos, personal de mantenimiento y administradores de edificios optimizar el rendimiento y lograr un ahorro energético significativo.

Este artículo detalla los componentes principales, las consideraciones de diseño clave y los diagramas de sistema comunes asociados con los sistemas de agua helada.

Definición

A Sistema de agua helada Es un sistema de aire acondicionado que utiliza agua fría (agua a baja temperatura, generalmente entre 6 y 12 °C o 42 y 54 °F) que circula por tuberías para enfriar y deshumidificar el aire de un edificio. Consta de varios componentes interconectados que realizan funciones como refrigeración, bombeo, enfriamiento y deshumidificación del aire, y disipación de calor.

A diferencia de los sistemas de expansión directa (DX), que utilizan refrigerante directamente en las baterías de tratamiento de aire, los sistemas de agua helada emplean agua como medio de refrigeración secundario. Las unidades de tratamiento de aire (UTA) o las unidades fan coil (UFC), ubicadas en todo el edificio, hacen circular el aire a través de baterías que contienen agua helada, enfriando y deshumidificando así el espacio. La eficiencia y la uniformidad del sistema dependen en gran medida de la selección e integración de sus componentes.

Componentes

Es fundamental comprender los componentes individuales y sus distintos tipos, ya que estas elecciones influyen significativamente en el rendimiento, la eficiencia y la idoneidad del sistema para aplicaciones específicas. Los componentes principales incluyen:

1. Enfriador

   El Enfriador Es el componente principal, responsable de producir agua fría. Funciona según el ciclo de refrigeración (compresión, condensación, expansión, evaporación) para extraer el calor del circuito de agua que circula hacia las unidades de tratamiento de aire del edificio. Los enfriadores suelen ser los mayores consumidores de energía del sistema.

   El uso de agua como fluido de transferencia de calor presenta ventajas debido a su elevada capacidad calorífica específica (aprox. 4,2 kJ/kg·K frente a los 1,005 kJ/kg·K del aire) y su disponibilidad. Centralizar el proceso de refrigeración en uno o varios enfriadores de gran tamaño evita la necesidad de numerosos compresores individuales en un edificio grande, lo que simplifica el mantenimiento y puede mejorar la eficiencia y la fiabilidad generales.

   El calor que absorbe el enfriador del edificio debe ser disipado al ambiente. Esto da lugar a diferentes clasificaciones de enfriadores según el método de disipación de calor.

2. Equipos de rechazo de calor (por ejemplo, torre de refrigeración)

   Los enfriadores expulsan el calor absorbido directamente al aire ambiente (enfriados por aire) o a través de un circuito de agua separado a un dispositivo de expulsión de calor (enfriados por agua).

   Torres de enfriamiento Se utilizan comúnmente con enfriadoras refrigeradas por agua. Facilitan la disipación de calor del circuito de agua del condensador a la atmósfera, principalmente mediante evaporación. El agua del condensador de la enfriadora (agua de condensación) se bombea a la torre de enfriamiento, se distribuye sobre un medio de relleno para maximizar el contacto aire-agua y se enfría a medida que el aire ambiente pasa a través de la torre, lo que provoca la evaporación de parte del agua. El agua de condensación enfriada regresa entonces a la enfriadora.

   Enfriadores refrigerados por aire Utilizan ventiladores para forzar el paso del aire ambiente directamente sobre las serpentinas del condensador, disipando el calor sin necesidad de una torre de refrigeración ni un circuito de agua de condensación. Esto simplifica el sistema, pero suele resultar en una menor eficiencia energética en comparación con los sistemas refrigerados por agua, especialmente en climas cálidos.

3. Zapatillas

   Zapatillas son necesarias para hacer circular el agua a través de los diferentes circuitos del sistema:

   • Bombas de agua refrigerada: Haga circular agua fría entre el/los enfriador(es) y las UTA/FCU.
   • Bombas de agua de condensador: Haga circular el agua del condensador entre el/los enfriador(es) refrigerado(s) por agua y la(s) torre(s) de refrigeración.

   La disposición de las bombas y la estrategia de control (por ejemplo, velocidad constante frente a velocidad variable) afectan significativamente la eficiencia y la estabilidad del sistema.

4. Unidad de tratamiento de aire (UTA) / Unidad fan coil (UFC)

   Unidades de tratamiento de aire y Unidades de control de combustible (FCU) Las unidades de tratamiento de aire (UTA) son las encargadas de acondicionar el aire en espacios ocupados. Generalmente constan de un ventilador, una batería de enfriamiento (por la que circula agua fría), filtros y, en ocasiones, baterías de calefacción, humidificadores o recuperadores de energía. El aire se extrae del espacio (o del exterior), pasa por la batería de enfriamiento donde transfiere calor al agua fría y luego se devuelve al espacio a una temperatura y humedad menores. Las UTA suelen dar servicio a zonas más amplias o varias habitaciones, mientras que las unidades fan-coil (UFC) son generalmente más pequeñas y dan servicio a habitaciones individuales.

5. Componentes auxiliares

   Varios otros componentes son esenciales para el correcto funcionamiento:

   • Tanque de expansión: Se adapta a los cambios en el volumen de agua debidos a las fluctuaciones de temperatura en el circuito cerrado de agua fría y ayuda a mantener la presión del sistema.
   • Sistema de agua de reposición: Repone el agua perdida por evaporación en las torres de refrigeración o por fugas en el sistema.
   • Sistema de tratamiento de agua: Mantiene la calidad del agua tanto en los circuitos de agua fría como en los de agua de condensación para prevenir la corrosión, la formación de incrustaciones y el crecimiento biológico, garantizando así la eficiencia y la durabilidad.
   • Tubería: Interconecta todos los componentes para la distribución de agua.
   • Válvulas y controles: Regula el caudal, la temperatura y la presión del agua en todo el sistema para un funcionamiento eficiente y un control de zonas.
   • Tanques de almacenamiento de energía térmica (TES): Se utiliza en algunos sistemas (especialmente en refrigeración urbana) para almacenar agua refrigerada generada durante las horas valle para su uso durante las horas de máxima demanda, reduciendo así los costes operativos.

Consideraciones de diseño del sistema

El diseño de un sistema de agua fría eficiente y eficaz implica varias decisiones clave:

1. Temperaturas de funcionamiento

   Determinar las temperaturas del agua fría de entrada y salida (y, por lo tanto, la diferencia de temperatura o Delta T) es fundamental. Los diseños comunes suelen utilizar una temperatura de entrada de 6,7 °C (44 °F) y una de salida de 12,2 °C (54 °F), lo que resulta en un Delta T de 5,5 °C (10 °F). Sin embargo, diseñar para un Delta T mayor (por ejemplo, 8,3 °C o 15 °F) puede reducir los caudales de agua necesarios para la misma carga de refrigeración, lo que podría ahorrar energía de la bomba, aunque esto podría afectar la eficiencia del enfriador y su capacidad de deshumidificación.

2. Selección del tipo de enfriador

   La elección depende de factores como los requisitos de eficiencia, el espacio disponible, el clima, el coste inicial, las consideraciones de mantenimiento y la disponibilidad de oportunidades de recuperación de calor.

   Basado en el rechazo de calor:

   • Refrigerado por agua: Generalmente son más eficientes energéticamente, especialmente para grandes capacidades, pero requieren torres de refrigeración y un circuito de agua de condensación.
   • Refrigerado por aire: Instalación más sencilla (sin torre de refrigeración), coste inicial potencialmente menor, pero a menudo menos eficiente y puede ser ruidosa.
   • Condensación evaporativa / Híbrida: Combine la refrigeración por aire con la pulverización de agua sobre la serpentina del condensador para lograr una eficiencia mejorada con respecto a las unidades refrigeradas por aire estándar.

   Basado en tecnología de compresores:

   • Centrífugo: Eficiente para grandes cargas, suele utilizar refrigerantes de baja presión y puede tener una capacidad de reducción de potencia limitada (eficiencia a carga parcial). Disponible con cojinetes magnéticos sin aceite.
   • Tornillo (simple o doble): Buena eficiencia a carga parcial, rango de funcionamiento más amplio que las centrífugas, adecuadas para cargas medias y grandes.
   • Voluta: Común en enfriadoras pequeñas, fiable, de buena eficiencia, a menudo utilizada en configuraciones de enfriadoras modulares.
   • Recíproco: Tecnología antigua, menos común ahora debido a su menor eficiencia en comparación con otras.

   Otros tipos:

   • Enfriadores de absorción: Utilizar una fuente de calor (como calor residual, vapor o gas natural) en lugar de la compresión mecánica resulta beneficioso donde se dispone de calor barato o los costes de electricidad son elevados.
   • Enfriadores con recuperación de calor: Diseñado para capturar el calor del condensador para fines útiles como agua caliente sanitaria o calefacción de espacios.

3. Número y dimensionamiento de los enfriadores

   En lugar de un único enfriador grande, se suelen utilizar varios enfriadores más pequeños para proporcionar redundancia (el sistema puede seguir funcionando si falla un enfriador) y mejorar la eficiencia a carga parcial (operando con menos enfriadores cerca de su punto de eficiencia óptimo). Una estrategia común consiste en utilizar enfriadores del mismo tamaño o, en ocasiones, incorporar un enfriador auxiliar más pequeño para gestionar de forma eficiente las condiciones de baja carga (por ejemplo, durante la noche).

   Los enfriadores tienen una capacidad operativa mínima (límite de reducción, por ejemplo, 20-30% a plena carga). La instalación debe diseñarse para satisfacer la carga mínima del edificio sin provocar ciclos excesivos ni desconexiones de los enfriadores. El uso de varias unidades permite una mejor adecuación de la capacidad de la instalación a la demanda real de refrigeración.

4. Disposición de bombeo (Configuración del sistema)

   La configuración de las bombas afecta a la estabilidad del flujo, al control y al consumo de energía.

   • Flujo primario-secundario: Utiliza dos conjuntos de bombas en el circuito de agua helada. Las bombas primarias mantienen un flujo constante a través de las enfriadoras, lo que garantiza un funcionamiento estable. Las bombas secundarias utilizan variadores de velocidad (VSD) para ajustar el flujo hacia el edificio según la demanda. Esto desacopla el flujo de las enfriadoras del flujo del edificio, lo que proporciona estabilidad, pero puede aumentar la complejidad y el costo.
   • Flujo primario variable (VPF): Utiliza un único conjunto de bombas de velocidad variable para todo el circuito de agua helada. Esto puede resultar más eficiente energéticamente y tener un menor coste inicial (menos bombas), pero requiere un diseño y control meticulosos para garantizar el caudal mínimo necesario a través de la(s) enfriadora(s) activa(s) en todo momento.

5. Perfil de carga y zonificación

   Es fundamental comprender el perfil de carga de refrigeración del edificio (cómo varía la demanda a diario y según la estación). Las distintas áreas pueden tener necesidades diferentes (por ejemplo, oficinas frente a salas de servidores). Las áreas con necesidades de refrigeración continua (como los centros de datos) podrían requerir sistemas dedicados (posiblemente de expansión directa) o una consideración especial en el diseño de la planta central, ya que operar un sistema central de gran tamaño para una carga muy pequeña resulta ineficiente.

Diagramas de sistemas de agua helada

Se utilizan diversos diagramas para representar los sistemas de agua fría, ilustrando diferentes niveles de detalle y aspectos del diseño:

1. Esquema general del sistema: Muestra los componentes principales (enfriadoras, torres de refrigeración, bombas, UTA/FCU representativas) y sus interconexiones mediante circuitos de tuberías (agua fría, agua de condensación). Indica las cantidades, los principales tipos de equipos y los conceptos básicos de control. (Ejemplo: Una planta con varias enfriadoras centrífugas refrigeradas por agua).
2. Diagrama de una planta de refrigeración urbana: Representa una gran central eléctrica que abastece a varios edificios. Puede incluir elementos como depósitos de almacenamiento de energía térmica (TES), circuitos de distribución primaria/secundaria e intercambiadores de calor en las conexiones entre edificios. Se centra en la central eléctrica y la distribución primaria.
3. Diagrama de tuberías de red: Muestra el esquema de distribución de tuberías desde la central eléctrica hasta los edificios a los que abastece, especialmente relevante para sistemas de refrigeración urbana o grandes campus. Puede ilustrar el trazado, los diámetros de las tuberías y las conexiones a las acometidas de los edificios o a las columnas principales.
4. Diagrama de la columna vertical del edificio: En edificios de gran altura, este diagrama muestra la distribución vertical de las tuberías de agua fría que conectan la planta (generalmente en el sótano o en la azotea) con las UTA/FCU en diferentes plantas. Ilustra la zonificación y la secuencia de conexión.
5. Diagrama detallado de conexión de equipos: Proporciona detalles específicos para la conexión de componentes individuales como enfriadores o bombas, mostrando válvulas de aislamiento, válvulas de control, filtros, manómetros, sensores, líneas de derivación y configuraciones exactas de tuberías necesarias para la instalación y el mantenimiento.