Resumen
La sustentabilidad involucra varias formas de impacto de un sistema sobre el medio ambiente, pero el más nombrado es el consumo energético.
El equipamiento de refrigeración en supermercados es el mayor usuario de energía en éstos, por lo tanto todo lo que se pueda hacer para mejorar la eficiencia de estos sistemas, impactará como un ahorro importante en el costo de operación. Para un mismo lay out, distintas alternativas de instalaciones y equipos, dan como resultado diferentes consumos de energía y distintos rendimientos.
Las distintas posibilidades son más amplias en los sistemas de baja temperatura que en los de media, aunque estos últimos son más importantes en el impacto energético porque son más numerosos.
Sustentabilidad y Eficiencia Energética
Se define como sustentabilidad a la capacidad para proveer las necesidades del presente sin afectar la habilidad para poder satisfacer las necesidades en el futuro. El diseño sustentable se relaciona con las tecnologías verdes.
Ya que no tenemos alguna norma específica para edificios como supermercados, en principio podríamos tomar las pautas dadas para edificios en general y ver cómo lo podemos aplicar en nuestro caso.
Se considera edificio verde a aquel que alcanza una alta performance durante todo su ciclo de vida en las siguientes áreas:
• Mínimo consumo de energía
• Mínimas emisiones atmosféricas
• Mínima descarga de efluentes líquidos y sólidos
• Mínimo impacto negativo de los ecosistemas locales
• Máxima calidad del ambiente interior
Según hemos enumerado, el tema de la sustentabilidad involucra varias formas de impacto de un sistema sobre el medio ambiente, pero siempre el más mencionado es el del consumo
energético. A pesar de esto no debe olvidarse de las otras formas de contaminación que provocan establecimientos, entre las que debemos nombrar las emisiones atmosféricas y la de efluentes líquidos y sólidos.
La instalación frigorífica del supermercado sin duda impacta más fuertemente en el área energía y en cuanto impacte dependerá del tamaño de la instalación y de la eficiencia energética de ésta.
El tema de las emisiones de refrigerante involucra fallas de construcción o mantenimiento y es un punto al que se le debe prestar atención desde que comienza la ejecución de la instalación, en las pruebas para poner en marcha el sistema y en el control durante toda su vida operativa.
Energía en Supermercados
Los equipos de refrigeración en supermercados son el mayor usuario de energía, por lo tanto, todo lo que se pueda hacer para mejorar la eficiencia de estos sistemas, impactará como un ahorro importante en el costo de operación.
De acuerdo a los proyectos realizados en los últimos 10 años vemos que, según el tipo de mercado, este sistema consumirá entre un 35% y un 45% del consumo total del edificio. Otros sistemas como iluminación están en un consumo alrededor del 35% y el aire acondicionado en un 20%.
Si observamos los datos obtenidos del ASHRAE Refrigeration Handbook vemos que las categorías son diferentes, pero si tomamos refrigeración y aire acondicionado en conjunto (ya que el punto compresores pertenece a ambos rubros) llegamos a valores parecidos.
El consumo correspondiente a la instalación frigorífica se puede dividir entre el de las heladeras, que absorben la mayor parte, alrededor del 60% del requerimiento total frigorífico, dependiendo del lay out del mercado y el restante 40% se reparte entre cámaras y sectores de elaboración.
A su vez los sistemas frigoríficos de los supermercados se dividen entre cargas en media temperatura y cargas en congelados. En los supermercados en Sudamérica, tradicionalmente, las cargas en media temperatura son mucha mayor cantidad que las cargas en congelados. De acuerdo a las estadísticas sobre los proyectos elaborados observamos que la distribución de potencias frigoríficas requeridas por temperatura de evaporación es 85% para los sistemas de media y de 15% para baja aproximadamente.
Como vemos el requerimiento de potencia frigorífica, es casi seis veces mayor en media temperatura que en baja, pero considerando que los sistemas de baja necesitan mayor trabajo para remover la misma cantidad de calor, tomando los COP de cada sistema la potencia eléctrica absorbida se reparte entre un 65 y 70% en media y un 30 a un 35 % en baja.
Equipamiento Frigorífico
Una misma instalación puede utilizar distintos tipos de equipamiento para cumplir su fin, alcanzando el consumo de energía distintos valores para realizarlo según sea la configuración del sistema. Esto depende de varios factores pero podemos remarcar como los principales la tecnología empleada y el refrigerante seleccionado.
La selección del equipamiento depende de factores técnicos y económicos. El equipamiento se diseña para que pueda satisfacer la demanda frigorífica bajo todas las condiciones de carga térmica y se espera que el equipo trabaje con la máxima eficiencia, pero esa mayor eficiencia se logra generalmente con diseños más elaborados y de mayor costo.
Desde el punto de vista económico los aspectos para la selección son un balance entre el costo de inversión y el costo operativo.
La eficiencia del sistema dependerá del refrigerante, de las características particulares de cada componente, y del diseño general del sistema y su tecnología. Un indicador de la eficiencia del sistema es el Coeficiente de Performance (COP). Es la razón entre la cantidad de calor que removemos en el evaporador, el Efecto Refrigerante Neto (E.R.N.) y la cantidad de energía que necesitamos para hacer esto, el Trabajo de Compresión (Wc), y que nos permite comparar los distintos ciclos.
Un elemento importante en el rendimiento del sistema es el refrigerante, sus propiedades termodinámicas impactan directamente en la eficiencia del sistema. Las más importantes son el calor latente de ebullición, la pendiente de las curvas isoentrópicas, la conductividad térmica y la viscosidad.
Sobre el refrigerante podemos decir que en nuestros mercados aun se utiliza ampliamente el R 22, incluso en baja temperatura. Es un refrigerante del tipo HCFC usado desde hace más de 70 años y muy bien conocido.
Este refrigerante presenta complicaciones cuando se trabaja con compresión en una sola etapa con temperaturas de evaporación inferiores a -20ºC ya que la temperatura de los gases de descarga se encuentra en el orden de los 140°C, lo que imposibilita su uso salvo que se usen diseños especiales o dispositivos para corregir esto.
Entre estas alternativas podemos mencionar los dispositivos de inyección de líquido, compresores enfriados por aire, compresores de tornillos, compresores de dos etapas o dos centrales donde la de baja descarga sobre la de media temperatura.
Actualmente mercados nuevos ya se están construyendo para R 404A. Es un HFC, por lo tanto no sufre ningún tipo de restricción por el Protocolo de Montreal, pero debe utilizarse lubricante poliol ester, ya que los demás aceites son incompatibles con este refrigerante. Se debe tener especial precaución para prevenir la entrada de humedad al sistema ya que este lubricante es muy higroscópico.
Este refrigerante presenta la ventaja de tener bajas temperaturas de descarga en sistemas de congelados y su COP es aceptable. Presenta mejores valores que el R 22 en media temperatura, pero es peor que éste en baja.
En otros países se utiliza el R 507que presenta características y propiedades prácticamente idénticas al R 404A.
Un refrigerante que presenta ventajas por su ciclo termodinámico (incluso por costo) es el amoníaco, pero debido a su clasificación de seguridad (B2 de acuerdo al Standard ASHRAE 34), en instalaciones como las actuales su uso no es posible. Podría aplicarse solamente en instalaciones del tipo indirecto que se ven más adelante.
Las tecnologías y los equipos a emplear pueden ser distintos en media o en baja temperatura. Como vimos anteriormente, las heladeras son el mayor usuario de refrigeración dentro de los sistemas de frío alimentario, por eso son el primer elemento de la instalación a tener en cuenta para la eficiencia energética.
Sobre las cámaras frigoríficas, los ahorros que se pueden obtener son menores a los posibles en las heladeras. Sólo una pequeña parte de la carga térmica de una cámara (alrededor de un 20 a 30%) es debida a las transmisiones a través de la aislación. Es más importante la forma de operarla debido a las frecuentes aperturas de puertas, y todo cuidado que se ponga en minimizar estas cámaras será un ahorro más importante que la mejora de la aislación.
Los requerimientos frigoríficos de las heladeras varían según los distintos tipos y las causas que provocan este requerimiento son varias, pero las más importantes son la infiltración de aire exterior y la radiación.
Las más comunes dentro del mercado son las heladeras murales con estantes (utilizadas para productos lácteos, fiambres, vegetales, carnes) que tienen un alto requerimiento frigorífico por las pérdidas hacia el ambiente. Estas pérdidas, a pesar de la cortina de aire que tienen para reducirlas, representan más del 70% de la demanda frigorífica del equipo.
El desarrollo de un lay out de mercado tomando en cuenta los modelos que son más eficientes energéticamente, puede llevar a los ahorros más importantes en la operación del sistema de refrigeración.
En el gráfico siguiente (tomado del ASHRAE 2006 Refrigeration Handbook) se pueden ver las pérdidas porcentuales para cada componente de la carga.
Una mural de 2 m de altura para productos lácteos tiene un requerimiento frigorífico, promediando los valores de los distintos fabricantes, de 1200 W por metro lineal de frente de heladera. Una heladera vertical con puertas, tipo reach in, también de 2 m de alto, tiene un requerimiento del orden de 700 W por metro lineal, lo que representa un ahorro del orden del 40 % si se utilizan estas últimas.
En congelados, si comparamos este tipo de heladeras (vertical con puerta) contra los pozos (muebles refrigerados) horizontales abiertos, llegamos a algo parecido, ya que una de estas heladeras tiene casi el doble de volumen de producto que un pozo, y lo que en apariencia es un consumo algo mayor por
metro lineal, si lo consideramos con respecto al producto que contiene, otra vez el mueble vertical presenta el mejor valor.
La eficiencia del ciclo de compresión va a depender del refrigerante (que ya hablamos anteriormente), del tipo de ciclo, de las presiones de operación y del rendimiento del compresor. Los distintos tipos de compresores influirán en el COP del ciclo.
En las instalaciones de supermercados generalmente se usan compresores semiherméticos alternativos, que pueden tener distintos valores de COP, pero entre los fabricantes de primera línea, los resultados son parecidos.
Para tener mayores rendimientos tendríamos que pensar en el uso de compresores abiertos, que nos permiten ahorrar la energía que gasta el sistema frigorífico en enfriar el motor del compresor, ya que el calor del motor es disipado al ambiente en forma directa sin pasar a través del sistema refrigerante.
Se puede decir que un compresor abierto tiene un COP que es alrededor de un 10% mayor al de un compresor semihermético (comparación de valores efectuada según software de distintos fabricantes).
El equipamiento en media temperatura no presenta muchas variantes para su diseño. Para enfriar un producto o conservarlo a temperaturas sobre 0ºC, siempre se trabaja en simple etapa y las diferencias se pueden dar si el sistema es:
• Directo (refrigerante único)
• Indirecto (refrigerante secundario)
También podría haber diferencias entre los distintos sistemas de control de flujo, pero hablando exclusivamente de instalaciones en supermercados prácticamente se utiliza sólo expansión directa. Los sistemas inundados o de recirculado quedan para otros tipos de aplicaciones, pudiendo sólo ser válido el control de sistema inundado en una instalación con refrigerante secundario.
En los sistemas directos con compresión en simple etapa el refrigerante se envía a los evaporadores de cámaras y heladeras y la expansión se hace con válvulas termostáticas. Es la alternativa más sencilla, la de menor costo de inversión, pero no es la más eficiente desde el punto de vista de la energía.
Los sistemas directos usando compresores semiherméticos de simple etapa y válvulas termostáticas de expansión directa son los sistemas utilizados mayoritariamente en la actualidad (casi en forma exclusiva en nuestra región).
El uso de válvulas de expansión electrónicas podría llevar a importantes ahorros de energía cuando el sistema no trabajó en la condición de diseño (por ejemplo en invierno o durante la noche) porque permite reducir la presión de condensación al valor mínimo que nos permite el medio condensante, y no tener que mantenerla por encima de un determinado valor como debemos hacer con válvulas de expansión termostáticas.
Los sistemas indirectos con compresión en simple etapa son instalaciones con refrigerante secundario, en las cuales se realiza el ciclo frigorífico con un refrigerante en un circuito tradicional, y en el evaporador se enfría otro fluido, llamado refrigerante secundario, que es el que se envía a los intercambiadores situados en los lugares donde se encuentra la carga térmica. Es una instalación más compleja que presenta ciertas ventajas, pero tambien algunas desventajas.
Estos sistemas requieren del uso de una bomba para mover al refrigerante secundario entre los intercambiadores donde se enfría el aire o producto, y el evaporador donde el fluido secundario cede su calor al refrigerante tradicional.
Tienen la ventaja que el refrigerante primario se mantiene confinado en una sala de máquinas, siendo mucho más sencillo mantener el sistema libre de fugas ya que no hay largos tendidos de cañerías con refrigerante y la carga de éste es muy inferior que en las instalaciones tradicionales. Asimismo permite utilizar fluidos (como amoníaco), que por tener cierto margen de riesgo, no se podrían enviar a zonas ocupadas por público y si en una sala de máquinas a la que sólo tiene acceso personal calificado y que en condiciones de un escape accidental se puede ventear fácilmente al exterior.
El inconveniente que presentan es que dada una determinada temperatura en el espacio refrigerado normalmente un sistema directo tiene un COP ligeramente superior que uno indirecto debido a que en estos tenemos dos intercambios de calor: entre refrigerante y fluido secundario y entre éste y el aire (o el producto)
El tema de la selección del refrigerante secundario no presenta dificultades en media temperatura, ya que las alternativas son varias, pero en baja temperatura las soluciones más comunes (agua con glicoles) no se pueden utilizar, ya que las temperaturas que el sistema requiere están por debajo de los valores a los que estos fluidos pueden trabajar (tanto las soluciones de agua y etilenglicol, y agua y propilenglicol presentan problemas de imposibilidad de ser bombeados por su densidad). Una alternativa valida en baja temperatura son los fluidos con cambio de fase como el ice slurry (también conocido como hielo binario) y el CO2 o productos químicos especialmente desarrollados para trabajar en estas temperaturas con baja viscosidad.
Para el equipamiento a utilizar en baja temperatura tenemos más opciones que en el caso anterior. Para congelar un producto o conservarlo a temperaturas por debajo de -18ºC se pueden utilizar diferentes sistemas:
• Simple Etapa
• Doble Etapa
• Compresor a tornillo en simple etapa con economizador
También se puede elegir entre distintos sistemas de control de flujo igual que en el caso de enfriamiento y podríamos tener también sistemas directos o indirectos.
La compresión en doble etapa es una alternativa de equipamiento más compleja que los de simple etapa, con un mayor costo inicial pero una mejor eficiencia energética. Al hacer la compresión en dos procesos separados y enfriando el gas de descarga de la etapa de baja permite aumentar la eficiencia del ciclo ideal, y más aun en una situación real, ya que al trabajar cada compresor con una relación de compresión menor más alto será el rendimiento de estos. Si a su vez contamos con extracción de vapores en la etapa intermedia también el rendimiento aumenta, ya que al refrigerante usado hasta ese punto no es necesario reducirle innecesariamente la presión hasta la de succión en la etapa de baja porque es aspirado por el compresor de alta.
La compresión en doble etapa en las instalaciones de congelados
cuando se usan en supermercados generalmente es a través de compresores de dos etapas (ambas etapas están en una misma máquina) o con una central de baja, que es una carga más de la central de media temperatura.
Una alternativa para usar un sistema de simple etapa y tener las ventajas de un sistema doble etapa es utilizar un compresor a tornillo (trabajando en simple etapa) con economizador.
Un compresor a tornillo puede tener una segunda puerta de aspiración (a una presión intermedia entre la de succión y la de descarga) que se utiliza para ingresar el refrigerante que se expandió para subenfriar el líquido refrigerante que se envía 39F a los evaporadores.
Esto permite incrementar el Efecto Refrigerante Neto a expensas de un pequeño aumento del Trabajo de Compresión, incrementando el COP del ciclo. El uso del economizador siempre aumenta la capacidad del compresor, debido al subenfriamiento de líquido, pero sólo en baja temperatura se incrementa en forma importante el rendimiento, justificando la mayor inversión que este sistema requiere.
El proceso de condensación tiene una gran importancia en el rendimiento del ciclo. En la medida que la temperatura de condensación baja, se reduce la presión de condensación, reduciéndose el trabajo de compresión, por lo tanto aumentando el COP.
Los condensadores deben tener la capacidad suficiente para disipar todo el calor que es absorbido en los evaporadores más el calor producido en la compresión. Se clasifican según el medio de enfriamiento:
• Condensadores enfriados por aire
• Condensadores enfriados por agua
• Condensadores evaporativos
Los supermercados utilizan generalmente condensadores enfriados por aire, pero se podría mejorar el rendimiento del ciclo, usando superficies de intercambio mayores que nos llevaría a presiones de condensación más baja.
Aun mejor sería el rendimiento si utilizáramos condensadores enfriados por agua, ya que como se ve en el gráfico el trabajo de compresión usando condensación por agua es menor que disipando el calor en uno enfriado por aire. Los sistemas de condensación por agua, ya sea con intercambiadores casco y tubo o evaporativos, tienden a la temperatura de bulbo húmedo del aire, y generalmente esta se encuentra al menos 8ºC o 10ºC por debajo de la temperatura de bulbo seco.
Hemos visto algunas alternativas para reducir el uso de energía en sistemas frigoríficos en supermercados, con distintos impactos en el ahorro de energía y distintos valores de inversión, pero desde el punto de vista de la sustentabilidad todas son valiosas para reducir en lo que se pueda el impacto sobre el medio ambiente.
