PROYECTO DE OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA MEDIANTE FREE COOLING INDIRECTO PARA LA CLIMATIZACIÓN DE SALA ELÉCTRICA EN CHUQUICAMATA

1. EDUARDO
ANDRÉS
MUÑOZ
NAVARRO
PROYECTO DE
OPTIMIZACIÓN
ENERGÉTICA
MEDIANTE FREE
COOLING INDIRECTO
PARA LA
CLIMATIZACIÓN DE
SALA ELÉCTRICA EN
Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Ingeniería de Ejecución en Climatización
Trabajo de Titulación
29 de mayo de 2012

2. INTRODUCCIÓN

3.  MINERÍA: ALTOS CONSUMOS ELÉCTRICOS.
 CODELCO consume el 13,3% de la electricidad generada en Chile.
 SALAS ELÉCTRICAS
 Responsables de la transmisión de la energía eléctrica a las
diversas faenas mineras.
 Rápido crecimiento de la minería conlleva a soluciones de corto
plazo.
 Los equipos en su interior generan calor, debido a la potencia
eléctrica que circula.
 SOLUCIÓN DE CLIMATIZACIÓN
 Los equipos eléctricos requieren trabajar a ciertos niveles de
temperatura y humedad para un funcionamiento óptimo y una
buena vida útil.
 La solución ideal es la Climatización de Precisión; no obstante,
para disminuir costos, se instalan equipos heavy duty.
 Debido al uso heavy duty (24 hrs / 365 días) el consumo eléctrico
de estos equipos de Climatización suelen ser altos.
PRESENTACIÓN GENERAL DEL
PROBLEMA

4.  OBJETIVO GENERAL
 Diseñar un sistema que permita la optimización energética
mediante Free-Cooling Indirecto, para la climatización de sala
eléctrica en Chuquicamata.
 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Determinar variables climatológicas de Chuquicamata.
 Seleccionar la tecnología más favorable al Free-Cooling a
implementar.
 Desarrollar un proyecto de ingeniería aplicable a una sala eléctrica
en Chuquicamata.
 Evaluar la optimización energética que aportaría el nuevo sistema.
OBJETIVOS DEL TRABAJO

5. CLIMATIZACIÓN DE
SALAS ELÉCTRICAS

6. Las salas eléctricas son recintos que se emplean como
subestaciones transportables para distribuir la energía
eléctrica en Media y Baja Tensión, en lugares donde no es
conveniente instalar subestaciones de obra civil.
Por lo general las Salas Eléctricas pre-fabricadas son
construidas enteramente en acero y materiales no
combustibles. Los equipos contenidos en las salas eléctricas
son completamente pre-alambrados y probados en fábrica.
SALAS ELÉCTRICAS

7. Sala eléctrica
tipo Shelter
con una
solución de
climatización
mediante
equipos
mochila heavy-
duty.
SALA
ELÉCTRIC
A TIPO
SHELTER

8. TEMPERATURAS Y HUMEDADES
PARA INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS

9. HEAVY DUTY
Split
Mochila
Rooftop
PRECISIÓN
TIPOS DE EQUIPOS DE AIRE
ACONDICIONADO

10. EQUIPO DE
AIRE
ACOND.
TIPO SPLIT

11. EQUIPO DE
AIRE
ACOND.
TIPO
MOCHILA

12. EQUIPO DE
AIRE
ACOND.
TIPO
ROOFTOP

13. CLIMATIZAD
OR DE
PRECISIÓN

14. COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE
AIRE ACONDICIONADO

15.  Para una correcta operación, la Sala Eléctrica debe poseer
climatización, de lo contrario varios de los componentes
podrían perder eficiencia, quemarse o provocar otros
perjuicios a la faena. En caso de falla del climatizador es
conveniente poseer una redundancia. Existen dos filosofías:
 N+1: N es la cantidad de climatizadores que enfrían la sala.
Se agrega 1 climatizador más, el cual respalda a cualquier
de los equipos del conjunto de climatizadores en operación,
para ello, se ha dividido la carga térmica en N
climatizadores, haciendo una redundancia en 1.
 N+N: N es la cantidad de climatizadores que enfrían la sala.
Se agrega la misma cantidad de equipos, los cuales
respalden el conjunto de climatizadores en operación.
FILOSOFÍA DE FUNCIONAMIENTO

16. DESCRIPCIÓN
GEOGRÁFICA DE LA
ZONA

17.  Chuquicamata, es una mina de cobre y oro a cielo abierto,
considerada la más grande del mundo en su tipo. Ubicada
en la Precordillera de Domeyko, a 15 km al norte de Calama
en la Provincia de El Loa, II Región de Antofagasta, Chile, a
2.700 msnm.
CARACTERÍSTICAS GEOGRÁFICAS

18. ESTUDIO DE VARIABLES
CLIMATOLÓGICAS DE LOS ÚLTIMOS
15 AÑOS

19. MÉTODO DIRECCIÓN
METEOROLÓGICA DE CHILE

20. MÉTODO METEORED

21. MÉTODO METEONORM

22. MÉTODO PEDRO SARMIENTO

23. MODELACIÓN DE TEMPERATURAS

24. MODELACIÓN: ASHRAE

25. MEDIA DE TEMPERATURAS PARA
CALAMA

26. RESULTADO DE LA MODELACIÓN
ASHRAE

27. RESULTADO DE LA MODELACIÓN
ASHRAE

28. RESULTADO DE LA MODELACIÓN
SARMIENTO

29. RESULTADO DE LA MODELACIÓN
SARMIENTO

30. DISTRIBUCIÓN DIARIA DE
TEMPERATURAS (MAYO)

31. MAYO
Día |Hr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
1 7,0 6,3 5,7 5,1 4,7 4,3 4,2 4,6 8,6 11,8 14,7 17,3 19,5 20,9 21,4 21,1 19,9 18,6 16,2 13,9 11,9 10,2 8,8 7,5
2 7,0 6,3 5,6 5,0 4,5 4,2 4,0 4,4 8,5 11,6 14,5 17,2 19,4 20,7 21,3 21,0 19,9 18,6 16,2 14,0 12,0 10,3 8,9 7,6
3 7,0 6,3 5,6 4,9 4,4 4,0 3,9 4,2 8,3 11,4 14,3 17,0 19,2 20,6 21,3 21,0 19,8 18,5 16,2 14,0 12,1 10,4 9,0 7,7
4 6,9 6,2 5,5 4,8 4,3 3,9 3,7 4,0 8,2 11,3 14,2 16,9 19,1 20,5 21,2 20,9 19,8 18,5 16,3 14,1 12,2 10,5 9,1 7,8
5 6,9 6,2 5,4 4,7 4,2 3,7 3,6 3,8 8,0 11,1 14,0 16,7 19,0 20,4 21,1 20,8 19,7 18,5 16,3 14,2 12,3 10,6 9,2 7,9
6 6,9 6,1 5,3 4,6 4,0 3,6 3,4 3,6 7,9 10,9 13,8 16,6 18,8 20,3 21,1 20,8 19,7 18,4 16,3 14,3 12,4 10,7 9,3 8,0
7 6,9 6,1 5,3 4,5 3,9 3,4 3,2 3,4 7,7 10,8 13,7 16,4 18,7 20,2 21,0 20,7 19,7 18,4 16,4 14,3 12,4 10,8 9,4 8,1
8 6,9 6,0 5,2 4,4 3,8 3,3 3,1 3,2 7,5 10,6 13,5 16,3 18,5 20,1 20,9 20,6 19,6 18,3 16,4 14,4 12,5 10,9 9,4 8,2
9 6,9 6,0 5,1 4,3 3,7 3,1 2,9 3,0 7,4 10,4 13,3 16,1 18,4 20,0 20,9 20,5 19,6 18,3 16,4 14,5 12,6 11,0 9,5 8,3
10 6,9 6,0 5,1 4,2 3,5 3,0 2,8 2,8 7,2 10,3 13,2 15,9 18,3 19,9 20,8 20,5 19,5 18,2 16,5 14,6 12,7 11,1 9,6 8,3
11 6,9 5,9 5,0 4,1 3,4 2,9 2,6 2,6 7,1 10,1 13,0 15,8 18,1 19,8 20,7 20,4 19,5 18,2 16,5 14,7 12,8 11,2 9,7 8,4
12 6,9 5,9 4,9 4,0 3,3 2,7 2,4 2,4 6,9 9,9 12,8 15,6 18,0 19,7 20,7 20,3 19,4 18,1 16,5 14,7 12,9 11,3 9,8 8,5
13 6,9 5,8 4,8 3,9 3,2 2,6 2,3 2,2 6,8 9,8 12,7 15,5 17,9 19,6 20,6 20,3 19,4 18,1 16,6 14,8 13,0 11,4 9,9 8,6
14 6,9 5,8 4,8 3,8 3,0 2,4 2,1 2,1 6,6 9,6 12,5 15,3 17,7 19,5 20,5 20,2 19,3 18,1 16,6 14,9 13,1 11,5 10,0 8,7
15 6,8 5,8 4,7 3,7 2,9 2,3 2,0 1,9 6,5 9,4 12,3 15,2 17,6 19,4 20,4 20,1 19,3 18,0 16,6 15,0 13,2 11,6 10,1 8,8
16 6,7 5,6 4,6 3,6 2,8 2,1 1,8 1,8 6,3 9,3 12,2 15,0 17,5 19,3 20,4 20,0 19,2 17,9 16,5 14,8 13,1 11,5 10,0 8,7
17 6,6 5,5 4,4 3,5 2,6 2,0 1,7 1,7 6,2 9,2 12,1 14,9 17,4 19,2 20,3 20,0 19,1 17,8 16,4 14,7 13,0 11,4 9,8 8,5
18 6,4 5,3 4,3 3,3 2,5 1,9 1,6 1,6 6,0 9,0 12,0 14,8 17,3 19,1 20,3 19,9 19,0 17,7 16,3 14,6 12,8 11,2 9,7 8,4
19 6,3 5,2 4,1 3,2 2,4 1,8 1,5 1,5 5,9 8,9 11,8 14,7 17,2 19,0 20,2 19,8 19,0 17,6 16,2 14,5 12,7 11,1 9,6 8,2
20 6,1 5,1 4,0 3,1 2,2 1,6 1,4 1,4 5,8 8,8 11,7 14,6 17,1 19,0 20,2 19,7 18,9 17,6 16,1 14,4 12,6 11,0 9,4 8,1
21 6,0 4,9 3,9 2,9 2,1 1,5 1,3 1,3 5,6 8,6 11,6 14,4 17,0 18,9 20,1 19,7 18,8 17,5 16,0 14,3 12,5 10,9 9,3 8,0
22 5,9 4,8 3,7 2,8 2,0 1,4 1,2 1,2 5,5 8,5 11,4 14,3 16,9 18,8 20,0 19,6 18,7 17,4 15,9 14,2 12,4 10,7 9,2 7,8
23 5,7 4,6 3,6 2,6 1,8 1,3 1,0 1,1 5,4 8,3 11,3 14,2 16,8 18,7 20,0 19,5 18,6 17,3 15,8 14,1 12,2 10,6 9,0 7,7
24 5,6 4,5 3,4 2,5 1,7 1,1 0,9 1,0 5,2 8,2 11,2 14,1 16,7 18,6 19,9 19,5 18,6 17,2 15,7 13,9 12,1 10,5 8,9 7,5
25 5,4 4,3 3,3 2,4 1,6 1,0 0,8 0,9 5,1 8,1 11,0 14,0 16,6 18,5 19,9 19,4 18,5 17,1 15,6 13,8 12,0 10,3 8,7 7,4
26 5,3 4,2 3,1 2,2 1,4 0,9 0,7 0,8 4,9 7,9 10,9 13,8 16,5 18,5 19,8 19,3 18,4 17,0 15,5 13,7 11,9 10,2 8,6 7,2
27 5,1 4,1 3,0 2,1 1,3 0,8 0,6 0,7 4,8 7,8 10,8 13,7 16,4 18,4 19,8 19,2 18,3 16,9 15,4 13,6 11,8 10,1 8,5 7,1
28 5,0 3,9 2,9 1,9 1,2 0,6 0,5 0,6 4,7 7,7 10,6 13,6 16,3 18,3 19,7 19,2 18,2 16,8 15,3 13,5 11,6 9,9 8,3 7,0
29 4,9 3,8 2,7 1,8 1,0 0,5 0,4 0,5 4,5 7,5 10,5 13,5 16,1 18,2 19,6 19,1 18,1 16,7 15,2 13,4 11,5 9,8 8,2 6,8
30 4,7 3,6 2,6 1,7 0,9 0,4 0,2 0,4 4,4 7,4 10,4 13,4 16,0 18,1 19,6 19,0 18,1 16,6 15,1 13,3 11,4 9,7 8,1 6,7
31 4,6 3,5 2,4 1,5 0,8 0,3 0,1 0,3 4,3 7,3 10,2 13,2 15,9 18,0 19,5 18,9 18,0 16,6 15,0 13,2 11,3 9,6 7,9 6,5
DISTRIBUCIÓN MENSUAL DE
TEMPERATURAS (MAYO)

32. DISTRIBUCIÓN ANUAL DE
TEMPERATURAS

33. DISTRIBUCIÓN ANUAL DE
TEMPERATURAS
RANGOS FAVORABLES AL FREE
COOLING

34. TECNOLOGÍAS
EXISTENTES DE FREE
COOLING

35.  El Free-Cooling es un término en inglés que se puede
traducir como “Enfriamiento libre” o “Enfriamiento gratuito”.
El Free Cooling ocurre cuando la entalpía del aire externo a
un recinto es menor a la entalpía del aire interno, existiendo
un flujo calórico desde el aire interno al aire externo de
manera directa o indirecta (Ver sección 4). Es un sistema de
ahorro energético o de recuperación de energía, según
como se le utilice.
FREE COOLING

36.  Se denomina Free
Cooling Directo, como
aquel sistema de Free
Cooling que introduce
aire exterior del
ambiente, generalmente
filtrado, directamente a
la sala sin haber pasado
previamente por algún
tipo de serpentín de
enfriamiento
(evaporador, batería de
agua helada, etc.),
serpentín de
calefacción,
deshumectador o algún
tipo de humidificador.
FREE COOLING: DIRECTO

37.  Este tipo de Free Cooling
Indirecto, por lo general,
utiliza un Intercambiador de
Calor que realiza el
intercambio energético desde
el aire interno hacia el aire
externo sin que estos gases
tengan posibilidad de
mezclarse. Es por ello que
generalmente se debe
proveer de un sistema
consistente en un
intercambiador de calor de
placas y de dos ventiladores
en el interior de una caja.
Dicho Intercambiador de
Calor es comúnmente
conocido como una unidad
Recuperadora de calor.
FREE COOLING: INDIRECTO (AIRE-
AIRE)

38.  Tipo de Free Cooling Indirecto donde el agua es el medio
que realizará el intercambio calórico; transportando el calor
generado en el interior hacia su rechazo en el exterior. Este
tipo de Free Cooling Indirecto puede ser realizado mediante
alguna de las siguientes posibles aplicaciones:
 Mediante Chiller y Unidades Manejadoras de Aire, donde el equipo
enfriador de agua (Chiller) rechazará el calor generado en el
interior.
 Mediante Climatizadores con condensador interno, que rechacen el
calor a través de agua, mediante dry cooler.
 Ambas opciones requieren que los equipos posean una
modalidad mecánica, y de control, para realizar el Free
Cooling.
FREE COOLING: INDIRECTO
(AIRE-AGUA/AGUA-AIRE)

39.  El Free Cooling Dinámico
(DFC, Dynamic Free
Cooling) es un sistema
híbrido desarrollado por
STULZ, para su línea
CyberAir 2 y actualmente
CyberAir 3. La tecnología
desarrollada por esta
empresa logra un gran
ahorro energético, puesto
que es el primer sistema
de aire acondicionado de
precisión en el mundo que
cambia automáticamente al
mejor modo de
funcionamiento según la
carga térmica suplida por
el climatizador.
FREE COOLING DINÁMICO (DFC)

40. FREE COOLING DINÁMICO
Consumo de energía
DX
CompressorCooling
FC
FreeCooling
EFC
Extended
FreeCooling
MIX
Compressor
&FreeCooling
DFC
» Selección automatica del modo de operación más eficiente,
dependiente de temperatura externa y carga térmica
» Operación con compresor o solo Free Cooling en 4 modos
» La válvula de expansión electrónica mejora el COP en modo mixto
(Compresor + Free Cooling)

41. PROYECTO DE
INGENIERÍA

42.  SITUACIÓN EXISTENTE
EXISTENTE

43.  Equipo: Acondicionador de Aire.
 Tipo: Compacto “Mochila”
 Montaje: En muro.
 Flujo de descarga de aire:
Horizontal.
 Uso: Heavy Duty.
 Marca: Carrier Company.
 Capacidad: 17,58 kW
 Serie: 50BW
 Modelo: 50 BW E 60 38 3 5 D.
 Cantidad: 4.
 Filosofía de operación: N = 4.
 Expansión: Directa de
Refrigerante.
 Enfriamiento del Condensador:
Aire.
 Refrigerante: R-22 (HCFC)
 Consumo anual: 211.956,96 kWh.
CLIMATIZADOR EXISTENTE

44.  P&ID
 SITUACIÓN PROYECTADA
SITUACIÓN PROYECTADA

45. CONSUMO ELÉCTRICO: DX

46. CONSUMO ELÉCTRICO: MIX

47. CONSUMO ELÉCTRICO: EFC

48. CONSUMO ELÉCTRICO: FC

49. ESTUDIO DE
FACTIBILIDAD
ECONÓMICA

50.  Costo sistema actual:
 Costo sistema proyectado:
COSTOS DE LOS SISTEMAS

51. RETORNO DE INVERSIÓN

52. CONCLUSIONES Y
OBSERVACIONES

53. FIN DE LA
PRESENTACIÓN