Los compresores son clave para la descarbonización en HVACR

La demanda global de enfriamiento de confort está creciendo, lo que está contribuyendo a mayores emisiones de carbono y ejerciendo presión sobre las redes eléctricas en todo el mundo y en los EE. UU. De hecho, según un informe de la Agencia Internacional de Energía (AIE), la demanda global de energía del aire Se espera que los acondicionadores de aire se tripliquen para 2050, y que el stock mundial de acondicionadores de aire en edificios aumente a 5600 millones para 2050, frente a los 1600 millones actuales. Eso equivale a 10 acondicionadores de aire nuevos vendidos cada segundo durante los próximos 30 años, según el informe.

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Esta es una preocupación, ya que los sistemas HVAC, así como los equipos de refrigeración comercial, consumen una cantidad significativa de energía, lo que conduce a un aumento de las emisiones de carbono. Para abordar este problema, los fabricantes han estado trabajando arduamente para encontrar soluciones, y una de las más prometedoras es el compresor de velocidad variable.

A diferencia de los sistemas HVAC tradicionales de velocidad fija, que están diseñados para cumplir con los requisitos de carga máxima en los días más calurosos o más fríos, los compresores de velocidad variable ofrecen una solución más eficiente desde el punto de vista energético. Usando esta tecnología, los sistemas HVAC pueden ajustar su salida para satisfacer con precisión las demandas específicas del edificio, el clima local e incluso para equilibrar las cargas entre múltiples compresores o sistemas, dijo Frank Ford, director de gestión de productos de Turbocor Compressors en Danfoss.

"Al hacerlo, los sistemas de compresores de velocidad variable pueden generar ahorros de energía de hasta un 40% en comparación con los sistemas de compresores de velocidad fija", dijo. "Esta reducción significativa en el uso de energía no solo genera ahorros de costos para los propietarios de edificios, sino que también contribuye a los esfuerzos de descarbonización al reducir la necesidad de plantas de energía adicionales".

Dado que los sistemas convencionales de velocidad fija suelen estar diseñados para adaptarse a los días de máxima carga, suelen tener más capacidad de la necesaria para el uso diario normal. En consecuencia, estos sistemas se encienden y apagan con frecuencia, lo que puede provocar fluctuaciones en la temperatura y un control reducido de la humedad, así como disminuciones en la eficiencia debido al arranque y la parada, dijo Vickie Blakey, gerente de marketing de productos residenciales de Emerson.

"Los compresores de modulación, por otro lado, brindan a los sistemas la capacidad de ajustar la capacidad para que coincida con la carga, y esto da como resultado tiempos de funcionamiento más prolongados con una mayor eficiencia para maximizar tanto la comodidad como el ahorro de energía", dijo. "El uso de compresores de modulación en aplicaciones de bomba de calor ayuda a construir objetivos de descarbonización para calefacción y refrigeración al ayudar a reducir las emisiones, así como el consumo de energía".

OPCIONES DE HVAC: Los compresores de velocidad variable se usan a menudo en bombas de calor, unidades de techo, enfriadores y sistemas geotérmicos. (Cortesía de LG Electronics Component Solution)

Las bombas de calor también reemplazan o complementan cada vez más los equipos de calefacción basados ​​en combustibles fósiles, como calderas y hornos, que pueden reducir aún más las emisiones de carbono de un edificio. Las bombas de calor de velocidad variable tienen como objetivo específico abordar las necesidades de calefacción de espacios al ofrecer capacidad adicional durante condiciones climáticas extremadamente frías cuando la temperatura exterior cae por debajo del punto de congelación, dijo Jerry Edwards, líder parcial de ingeniería de ventas en el equipo comercial de soluciones de componentes de LG Electronics.

"La tecnología de velocidad fija no puede ajustarse, por lo que cuando los componentes están dimensionados para enfriamiento a alta temperatura, en realidad tienen un tamaño menor para calentamiento a baja temperatura", dijo. "La tecnología de velocidad variable permite la capacidad de compensar en ambos extremos del espectro, al reducir la salida del compresor cuando no es necesario y aumentarla cuando se requiere".

Los compresores de velocidad variable se pueden usar en una amplia gama de equipos HVAC, incluidas bombas de calor, unidades de techo, enfriadores y sistemas geotérmicos, pero los beneficios de la tecnología variarán según la aplicación. Como señaló Edwards, la tecnología de velocidad variable tiene más sentido en los sistemas que están diseñados para operar en una amplia gama de cargas de compresores y capacidades de salida deseadas.

"La capacidad variable trae mayores eficiencias, capacidades potencialmente más altas y niveles de sonido más bajos cuando la tecnología es lo que necesita el sistema", dijo. "Si el sistema opera en un rango bastante pequeño de cargas/salidas, no se necesitaría un compresor de velocidad variable y no traería una ventaja considerable. También podría ser demasiado costoso para usar en sistemas muy grandes, pero para bombas de calor residenciales , tejados y similares, podría haber beneficios al utilizar la tecnología de velocidad variable".

Los sistemas de compresores de velocidad variable generalmente cuestan más que sus contrapartes de velocidad fija, pero dado que ofrecen una mayor eficiencia energética, proporcionarán un costo total de propiedad más bajo al considerar los ahorros en costos de energía a largo plazo, dijo Ford.

"Para maximizar los ahorros de costos, son necesarias condiciones de carga variables, y cuanto más varíen las condiciones, mayor será el beneficio", dijo. "Si bien estas condiciones de carga variables suelen estar presentes en la mayoría de los edificios, existen ciertas aplicaciones que tienen requisitos de carga más consistentes, por lo que el uso de la tecnología de compresores de velocidad variable puede resultar en tiempos de recuperación más prolongados".

En algunos casos, los compresores de velocidad variable se pueden adaptar a los sistemas HVAC existentes para mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, sería más ventajoso instalar un nuevo sistema con compresores de velocidad variable, dijo Blakey, ya que generalmente sería más eficiente y tendría menos emisiones de carbono que un sistema existente con una modificación de velocidad variable.

EFICIENCIA MEJORADA: En algunos casos, los compresores de velocidad variable se pueden adaptar a los sistemas HVAC existentes para mejorar la eficiencia energética. (Cortesía de Emerson)

Al adaptar un sistema con compresores de velocidad variable, la consideración principal es el control del compresor, dijo Ford. Esto se debe a que, a diferencia de los compresores de velocidad fija que funcionan de forma intermitente, los compresores de velocidad variable requieren una señal o un programa para controlar su velocidad a través de un VFD o un controlador de compresor integrado.

"También es importante tener en cuenta que no todos los tipos de tecnologías de compresores de velocidad variable son adecuados para la actualización", dijo Ford. "Por ejemplo, no se recomienda la actualización de la tecnología de compresores sin aceite promovida por Danfoss con los compresores Turbocor debido a los desafíos para eliminar completamente el aceite del sistema. Dejar aceite en el sistema puede causar daños a este tipo de compresores".

SIN REMODELACIÓN: No se recomienda adaptar compresores Turbocor sin aceite en un sistema existente debido a los desafíos de eliminar completamente el aceite del sistema. (Cortesía de Danfoss)

Además de ahorrar energía, los compresores de velocidad variable pueden ayudar a mejorar la IAQ y la comodidad al permitir ciclos de funcionamiento más largos del equipo HVAC, lo que reducirá la humedad relativa y las fluctuaciones de temperatura, lo que hará que el espacio sea inherentemente más cómodo, dijo Blakey.

"La rápida disminución de la temperatura ambiente y el rápido ajuste a las demandas son factores clave para la comodidad del cliente", dijo. "Por ejemplo, los compresores scroll con modulación continua pueden ajustarse del 10 % al 100 % de su capacidad (o viceversa) instantáneamente variando las duraciones relativas de los ciclos de carga y descarga. Esto significa reaccionar a los cambios en la demanda del sistema mucho más rápido, sin tener que pasan a través de cambios de velocidad intermedios. Los compresores scroll de modulación que utilizan tecnología digital también cuentan con controles y protección mejorados junto con un control de humedad más estricto".

Los sistemas de velocidad variable básicamente adaptan su rendimiento a la demanda del espacio acondicionado, lo que conduce a un control más estricto de la temperatura interior, dijo Edwards. Además, los sistemas de velocidad variable pueden diseñarse para operar específicamente para la deshumidificación, que puede ser una variable clave para definir la comodidad de un espacio interior.

"La deshumidificación requiere ajustar la velocidad del compresor y el flujo de aire interior para eliminar principalmente la humedad en lugar de enfriar principalmente el espacio, lo que los sistemas de velocidad fija no pueden hacer", dijo. "Un sistema de velocidad fija proporciona deshumidificación como un efecto secundario del enfriamiento del espacio, y cuando las condiciones ambientales son suaves, la deshumidificación puede ser prácticamente insignificante. Un sistema de velocidad variable puede brindar una mejora notable en esos climas más suaves".

Otro beneficio es la longevidad. Las tecnologías tradicionales de compresores de velocidad fija que se encienden y apagan con frecuencia pueden experimentar un desgaste excesivo en sus componentes. Esto es especialmente cierto para los compresores a base de aceite, dijo Ford.

"Al reducir la cantidad de arranques y paradas, los sistemas de velocidad variable pueden ayudar a prolongar la vida útil del compresor y otros componentes, lo que ahorra a los propietarios de edificios y a los usuarios finales dinero en costos de mantenimiento y reemplazo", dijo.

Edwards agregó que los niveles de sonido también son más bajos con los sistemas de velocidad variable, ya que la mayoría de los componentes interiores y exteriores, incluidos los compresores, motores y ventiladores, son más silenciosos cuando funcionan a velocidades más bajas.

Los compresores de velocidad variable también se usan en aplicaciones de refrigeración comercial, donde pueden abordar de manera efectiva dos componentes críticos de la sustentabilidad: la eficiencia energética y la transición a refrigerantes con un GWP más bajo, dijo Joe Summers, gerente sénior de productos de scroll y variadores para el negocio de tecnologías climáticas de Emerson. .

"En comparación con los compresores de velocidad fija, la tecnología de compresión de velocidad variable generalmente ofrece mejoras de eficiencia energética del 20% al 30% en aplicaciones de refrigeración", dijo. "Los compresores de velocidad variable también se califican para su uso con alternativas de refrigerantes de PCA más bajo, como CO2, R-290 y refrigerantes A2L emergentes. Debido a que los compresores de velocidad variable pueden funcionar al doble de la velocidad de sus contrapartes de velocidad fija, por lo tanto Duplicando el flujo másico de refrigerante: pueden producir hasta el doble de la capacidad de refrigeración del compresor utilizando cargas más pequeñas de alternativas de bajo GWP Esto significa que un compresor de velocidad variable R-290 o A2L de carga baja podría potencialmente ofrecer la misma capacidad que dos fijos modelos de alta velocidad, eliminando la necesidad de múltiples circuitos de refrigeración en algunos casos y, a su vez, reduciendo los costos aplicados y el espacio ocupado por los equipos".

La incorporación de tecnología de velocidad variable en los sistemas de refrigeración comercial también ofrece otras ventajas, dijo Summers, como la reducción de los ciclos del compresor hasta en un 90 % en comparación con los modelos de velocidad fija; eliminando el desgaste excesivo del compresor; reducción de los gastos de mantenimiento; prolongar la vida útil del equipo; y operando más silenciosamente.

"El objetivo de los compresores de velocidad variable es funcionar a la velocidad más baja posible durante el mayor tiempo posible. Uno de los beneficios operativos de esto es la mejora en la calidad del sonido y los armónicos del compresor", dijo. "La operación continua a baja velocidad no solo es más silenciosa que un compresor fijo de una sola velocidad, sino que los sonidos del ciclo del compresor Copeland se reemplazan con un zumbido constante que se convierte en un ruido blanco casi imperceptible".

Los compresores de velocidad variable permiten una adaptación precisa de la carga y un mejor control de la temperatura, y se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones de refrigeración comercial de baja y media temperatura, incluidas las unidades autónomas de acceso directo; unidades de condensación remotas; paquetes de pergaminos distribuidos; y reacondicionamiento de racks. También se pueden usar en aplicaciones nuevas y reacondicionadas; sin embargo, Summers advierte que hay situaciones de reacondicionamiento en las que un compresor de tamaño insuficiente nunca podrá funcionar a capacidad de carga parcial (es decir, cualquier capacidad que no sea la plena), lo que anularía el propósito de usar tecnología de velocidad variable.

Sin embargo, cuando tiene sentido, adaptar un compresor de velocidad variable a un rack de compresores de velocidad fija existente puede ser una forma efectiva de habilitar la modulación de capacidad variable, dijo Summers. Dijo que esta estrategia implica reemplazar un compresor viejo con un compresor de velocidad variable para que sirva como el compresor líder en el rack.

"También es posible simplemente aplicar un VFD a un compresor de velocidad fija y configurarlo para que funcione con la presión de succión del compresor o conectarlo a un control del sistema de refrigeración", dijo. "El control de supervisión E3 de Emerson, por ejemplo, tiene una programación nativa para admitir este tipo de instalaciones, e incluso los controladores heredados, como el control E2, pueden actualizarse fácilmente con la información requerida para maximizar el beneficio de un compresor de velocidad variable en un escenario de actualización".

Con un número cada vez mayor de usuarios finales centrados en lograr los objetivos de sostenibilidad y descarbonización, la necesidad de sistemas mecánicos energéticamente eficientes seguirá aumentando. La tecnología de velocidad variable brinda una solución viable a este desafío al permitir que los equipos HVACR funcionen de manera más eficiente y precisa, lo que resulta en un consumo de energía reducido y emisiones de carbono más bajas. Como resultado, el futuro de los equipos HVACR parece estar cada vez más ligado a la tecnología de velocidad variable.

Joanna Turpin es editora sénior. Puede comunicarse con ella al 248-786-1707 o [email protected]. Joanna ha estado en BNP Media desde 1991, primero dirigiendo la división de libros técnicos de la compañía. Obtuvo su licenciatura en inglés de la Universidad de Washington y trabajó en su maestría en comunicación técnica en la Universidad de Eastern Michigan.