Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD TECNOLOGIA DE LA INDUSTRIA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA
CURSO: DIAGNOSTICO DE EFICIENCIA ENERGETICA AREA ELECTRICA Y TERMICA PARTE I: EFICIENCIA ENERGETICA: AREA ELECTRICA
FACULTAD TECNOLOGIA DE LA INDUSTRIA: PRODUCIENDO INGENIEROS POR COMPETENCIA PARA ALCANZAR LA MAXIMA EFICIENCIA EN EL DESARROLLO INDUSTRIAL DE NICARAGUA
PROFESOR: EDMUNDO J.PEREZ ESCOBAR ESPECIALISTA Y CONSULTOR EN EFICIENCIA ENERGETICA PROFESOR TITULAR A TIEMPO COMPLETO MASTER EN INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Abril-Mayo de 2009.
Agradecimientos muy especiales por la asesoría y colaboración de mis profesores, profesores, los Ingenieros especialistas Mexicanos Mexicanos en Eficiencia Energética: Ing. Alex Ramírez Rivero. Director general GENERTEK, Ing. Odón de Buen Rodriguez, director de ENTE, ENTE, y ex director de la CONAE, México, Ing. Miguel Ángel Ángel Ramírez, especialista en climatización; al Dr. Humberto Humberto Rodriguez (experto internacional Colombiano); y Al proyecto PEER de BUN-CA. BUN-CA.
1
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
INDICE 1. Metodología de la Auditoria la Auditoria Energética
4
1.1. Antecedentes 1.1. Antecedentes 1.2. Recopilación de información y planeación planeación de Actividades de Actividades 1.2.1. Recopilación de Información 1.2.2. Planeación de Actividades de Actividades 2. TRABAJO EN PLANTA EN PLANTA INDUSTRIAL 2.1. Análisis 2.1. Análisis del proceso proceso 2.1.1. Procesos 2.1.2. Actividades 2.1.2. Actividades para para el Análisis Análisis de los Procesos 2.2.1. Sistema Eléctrico de Distribución 2.2.2. Sistemas Electromotrices. 2.2.3. Sistema de Aire de Aire Comprimido 2.2.4. Sistema de Bombeo 2.2.5. Sistema de Iluminación 2.2.6. Sistemas de Vapor
4 6 6 7 8 8 8 10 10 12 13 15 16 17
3. TRABAJO EN OFICINA EN OFICINA
19
3.1. Análisis 3.1. Análisis de la Facturación 3.1.1. Comprensión de la factura la factura eléctrica 3.1.2. Medición, monitoreo y registro y registro del consumo del consumo y demanda. y demanda. 3.1.3. Análisis 3.1.3. Análisis Histórico de la Facturación 3.2. Índices Energéticos 3.3. Balance de Energía
19 19 19 19 25 27
4. PERSONAL A PERSONAL A DESEMPEÑAR LA AUDITORÍA LA AUDITORÍA ENERGETICA 5. ADMINISTRACIÓN 5. ADMINISTRACIÓN DE DE LA LA ENERGÍA
29 30
5.1. Control del Control del Consumo Consumo de Energía eléctrica 5.1.1. Información de Energía 5.1.2. Beneficios Adicionales Beneficios Adicionales de los Sistemas de administración de energía 5.1.3. Controles de Encendido y Apagado Apagado 5.1.4. Controladores Programables 5.2. Control de Control de Demanda Máxima 5.2.1. Control de Control de Demanda 5.2.2. Demanda Máxima Medida 5.3. DESCRIPCIÓN DE LA DE LA METODOLOGÍA DE CONTROL DE CONTROL DE DEMANDA DE DEMANDA 5.3.1. Censo de las principales las principales cargas 5.4. PERFIL DE DEMANDA DE DEMANDA DE LA DE LA EMPRESA 5.5. PROPUESTA DE OPERACIÓN DE OPERACIÓN CON EL CONTROL DE DEMANDA DE DEMANDA 5.6. EQUIPOS DE CONTROL DE CONTROL DE DEMANDA DE DEMANDA 5.7. CARACTERÍSTICAS DE LOS DE LOS EQUIPOS DE CONTROL DE CONTROL DE DEMANDA DE DEMANDA
30 31 32 33 33 34 34 34 35 35 36 38 38 39
6. FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA
41
6.1. DEFINICIONES: Potencia Activa; Potencia Activa; Potencia Reactiva; Potencia Aparente Potencia Aparente 6.2. REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE 6.2.1. REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA 6.2.2. DESVENTAJAS PROVOCADAS POR UN FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA BAJO 6.3. PÉRDIDAS EN LA CAPACIDAD DE LAS DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS 6.4. FORMAS DE EVITAR DE EVITAR UN FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA BAJO
42 42 42 44 44 45 2
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6.5. TIPOS DE COMPENSACIÓN DE COMPENSACIÓN 6.6. CÁLCULO DE LA DE LA COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA 6.7. CÁLCULO DE LA DE LA POTENCIA CAPACITIVA PARA AUMENTAR PARA AUMENTAR EL FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA 6.8. PRECAUCIONES AL PRECAUCIONES AL AUMENTAR AUMENTAR EL FACTOR DE POTENCIA DE POTENCIA
46 46 48 50
7. AHORRO 7. AHORRO DE ENERGÍA DE ENERGÍA EN MOTORES EN MOTORES ELÉCTRICOS
51
7.1. USO RACIONAL DE ENERGÍA DE ENERGÍA 7.1.1. AJUSTAR 7.1.1. AJUSTAR LA VELOCIDAD DE OPERACIÓN DE OPERACIÓN DEL MOTOR 7.1.2. MEJORAR EL SUMINISTRO DE ENERGÍA DE ENERGÍA ELÉCTRICA 7.1.2.1. Ajustar 7.1.2.1. Ajustar el el Voltaje Voltaje de Alimentación de Alimentación al Motor al Motor 7.1.2.2. Corregir el Corregir el Desbalanceo Desbalanceo de Voltaje 7.1.3. OPERAR EL MOTOR EN SU CARGA NOMINAL 7.1.4. COMPRAR UN MOTOR DE ALTA ALTA EFICIENCIA
51 52 53 53 54 55 56
8. REEMPLAZO DE MOTORES DE MOTORES ESTÁNDAR POR MOTORES DE ALTA ALTA EFICIENCIA 9. CONVERTIDORES DE FRECUENCIA DE FRECUENCIA
59 63
9.1. INTRODUCCIÓN 9.2. APLICACIONES 9.2. APLICACIONES DE LOS DE LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA DE FRECUENCIA 9.3. ANÁLISIS 9.3. ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA DE FRECUENCIA 9.3.1. Instalación de un Convertidor de Convertidor de Frecuencia 9.4. Análisis 9.4. Análisis Energético 9.4.1. Selección Energética del Convertidor del Convertidor de de Frecuencia 9.4.2. Determinar cómo Determinar cómo Varía la Velocidad de Velocidad de la Flecha con Respecto al Tiempo al Tiempo 9.4.3. Ciclo de Operación de la Carga 9.4.4. Curva del Sistema del Sistema 9.4.4.1. Válvula de Control 9.4.4.2. Control de Control de velocidad 9.4.5. Curva del Equipo del Equipo 9.5. Ventiladores 9.5.1. Relación entre la Velocidad del Velocidad del Fluido Fluido y la y la Demanda de Energía 9.5.2. Ejemplo de Ahorro de Ahorro de Energía en Ventiladores
63 63 64 64 66 67 68 68 70 70 70 71 73 74 75
10. AHORRO 10. AHORRO DE ENERGÍA DE ENERGÍA EN ILUMINACIÓN EN ILUMINACIÓN
77
10.1 Conceptos Técnicos Básicos 10.2 Tipos de Lámparas 10.2.1 Lámparas Fluorescentes. ‐ 8. 10.2.2 Lámparas T ‐ 10.2.3 Lámparas T5 (TL 5 HO) 10.2.4 Lámparas de Alta de Alta Intensidad de Intensidad de Descarga (HID) 10.2.5 Lámparas de Vapor de Vapor de Mercurio. 10.2.6 Lámparas de Vapor de Vapor de Sodio en Alta en Alta Presión (VSAP). 10.2.7 Lámparas 10.2.7 Lámparas de Vapor de Vapor de Sodio en Baja Presión (VSBP). 10.2.8 Lámpara de Aditivos de Aditivos Metálicos 10.2.9 Aditivos 10.2.9 Aditivos Metálicos Pulse Start 10.3 Características de Luminarias 10.4 Metodología para Metodología para el Diseño el Diseño y Optimización y Optimización de un Sistema de Iluminación 10.5‐ Análisis de la situación actual. 10.6 Oportunidad de Oportunidad de Ahorro Ahorro de energía 10.6.1 Reemplazar iluminación de Aditivos de Aditivos Metálicos por Metálicos por Fluorescente Fluorescente T5 y la y la Iluminación fluorescente tipo T12 por T12 por T8 T8
77 80 80 82 84 85 85 86 86 87 88 89 90 91 93 93 3
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
1. METODOLOGÍA DE LA AUDITORÍA ENERGÉTICA 1.1. Antecedentes La auditoria energética son estudios que permiten determinar dónde y como se utiliza la energía. Se identifican los puntos del diagrama de proceso de mayor uso de energía haciendo resaltar aquellos donde esta se desperdicia y aquellos en donde es posible generar algún ahorro. Existen varios tipo de auditorías variando en tamaño, enfoque precisión y costos dependiendo de las fuentes y necesidades del proceso en el cual se desarrolla el mismo, sin embargo es conveniente dividir cualquier auditoría energética en tres niveles, “1” , “2” y “3”. El Nivel “1” este es una auditoría de inspección se lleva a cabo mediante un examen visual del proceso industrial de que se trate reconociéndolo y revisando el diseño original para dar una idea cuantitativa del potencial y de los ahorros obvios de energía que pueden lograrse por medio de procedimientos sencillos de operación y mantenimiento. Se detectan fugas de energía, mala operación de los equipos o instrumentos, etcétera. El nivel “2” proporciona información sobre el consumo de energía por sistemas o procesos específicos de operación. Este nivel detecta los sistemas y partes del proceso con mayor desperdicio energético. Esta auditoría proporcionará información cuantitativa sobre los ahorros de energía que se pueden lograr y el monto de la inversión que será necesario realizar. Para realizar esta auditoría es necesario contar con la instrumentación suficiente para hacer las mediciones necesarias, en el área eléctrica y térmica. El nivel “3” o micro-auditoría se revisara a detalle a todos los equipos consumidores de energía, eléctrica y térmica, involucra también las oportunidades de ahorro de agua, además será necesario abordar calculo de autogeneración de energía o cogeneración si es que es necesario. La metodología de una auditoría no puede verse como un mapa de carreteras o una receta de cocina, ya que las actividades que se hagan en una planta no necesariamente se tienen que realizar en otra, sin embargo los lineamientos generales servirán como una guía. Antes de iniciar una auditoría energética es muy importante definir los objetivos que se quieren alcanzar, es necesario delimitar la frontera del proyecto para la auditoría, esto implica que se debe de tener una idea del alcance o profundidad de la auditoría y así enfocar los objetivos en forma más precisa para alcanzarlos más eficientemente.
4
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #1.1: Diagrama de Flujo de una auditoria Energética
Las auditorias energéticas se tienen que enfocar principalmente al análisis del proceso productivo y al de todos los sistemas que alimentan al proceso como son: los sistemas electromotrices, de aire comprimido, de agua, de vapor, de enfriamiento y el sistema eléctrico de distribución. 5
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
En el análisis del proceso es donde se encuentra el mayor potencial de ahorro, tanto por la reducción de los consumos de energía eléctrica y térmica, como por la eliminación o reducción de los residuos industriales. Una auditoría energética integral, proporciona una visión global de la planta, para facilitar el entendimiento del flujo de energía y materiales y concentrarse en las áreas donde la reducción en el consumo y demanda de energía sea rentable.
1.2 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Y PLANEACION DE ACTIVIDADES 1.2.1 Recopil ación de Infor mación Al iniciar la auditoría energética es recomendable que la empresa proporcione información base que el auditor utilizara en la auditoría, aunque la mayoría de las veces esta información se consigue hasta que el equipo auditor se encuentra en planta. Formato No.1 Nombre de la empresa. Dirección; Teléfono; Fax; e-mail. Nombre de la persona encargada del proyecto. Puesto que desempeña. Principales productos que fabrica. Turnos de trabajo. Proyectos de ahorro de energía realizados. Layout de la planta. Diagrama de flujo del proceso o procesos. Documento que explique el proceso. Nombre de los productos elaborados Diagrama unifilar actualizado o no. Diagrama de distribución de tuberías de aire comprimido. Diagrama de distribución de tuberías de agua de enfriamiento. Datos de placa de los motores eléctricos y su aplicación. Listado de los principales procesos.
Listado de los principales sistemas.
Manuales de operación de compresores, sopladores, bombas centrífugas, etc. Facturas de energía eléctrica de al menos un año. Datos de producción de al menos un año. Facturas de combustibles o gas de al menos un año (ideal es, tres años). Datos de placa (chapa) de los equipos de aire acondicionado o refrigeración, motores eléctricos, bombas y compresores. Horarios de operación de lunes a viernes y fin de semana. Turnos de trabajo lunes a viernes sábado y domingo Horario del primer turno ________horas __________horas Horario del segundo turno ________horas __________horas Horario del tercer turno ________horas __________horas. Total de horas de operación al año Tarifa eléctrica; Número de empleados operativos; Número de empleados administrativos Tasa de rentabilidad considerada adecuada por la empresa para sus inversiones (%)
Período máximo de recuperación considerado adecuado por la empresa. Comentarios adicionales con respecto a la información general de la empresa Principales funcionarios relacionados con el diagnóstico Nombre del Director o Gerente General Comentarios adicionales con respecto a la información general de la empresa 6
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Formato #2: Producción Mensual de la Empresa Producción Producto #1
Mes
Producción Producto #2
Producción Producto #3
Producción Producto….
Producción Total
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Las unidades en las que se presente este formato dependerán del tipo de producto que elabora la empresa.
Formato 3: Facturación de Energía Eléctrica EMPRESA: Lacteos G & G Corporations, S.A. FACTURAS DE ENERGIA DEL ANO 2009 Medidor #: 22234567
MES
Carga Activa (Kwh)
NIS:
43569765
TARIFA T-4D MT, INDUSTRIAL MEDIANA BINONOMIA
Carga Reactiva (Kvar)
Dem anda (Kw)
FP
Costo Alumbr Cargo x Costo X ado Comercia Energía Deman bajo FP. Publico lización ActivaUS da US$/me US$/me US$/mes $/mes US$/m s s es
Regulació n INE C$/mes
IVA US$/mes
Total x Cargos US$/mes
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Promedio
1.2.2. Planeación de Activi dades En forma paralela a la solicitud de la información se tienen que planear las actividades en la empresa para que el personal encargado del área este enterado de lo que se está haciendo y además colabore con nosotros en la Auditoría Energética.
7
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla #1.1: Cronograma de Actividades para realizar una auditoría Energética.
2.TRABAJO EN PLANTA INDUSTRIAL 2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO 2.1.1 Procesos Los procesos son todos aquellos equipos o conjunto de equipos a los que se les suministra materia prima, materiales, agua y energía y de los que se obtiene un producto intermedio o final. El análisis del proceso tiene que realizarse por medio de diagramas de bloques con todas las entradas y salidas que tenga. Por ejemplo en empresas que usen procesos térmicos se medirán temperaturas en la entrada y salida, presiones iniciales y finales, dirección de los flujos hasta llegar a la producción 8
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
final incluyendo todo producto intermedio producto intermedio con entradas de materia prima y salidas de desechos. Actividades: Elaborar los diagrama de flujo de cada uno de los procesos productivos y dividir cada proceso en operaciones unitarias. Estudiar las etapas teóricas del proceso. Analizar la forma actual de control del proceso y proponer mejoras en la automatización Preguntarse en cada una de las etapas si es realmente necesaria para el producto final Identificar posibles desperdicios de agua, aire, vapor, materia prima, etc. Identificar y evaluar los usos irracionales de energía, como son: Presiones arriba de las necesarias. Temperaturas de enfriamiento muy bajas. Flujos de enfriamiento muy altos. Aire comprimido para enfriamiento o para limpieza. Motores eléctricos trabajando en vacío. Resistencias eléctricas energizadas más tiempo del necesario. Lámparas mal colocadas. Presión y temperatura de vapor por arriba de la necesaria. Derrames de agua de tanques. Condensado tirado al drenaje Para evaluar una oportunidad de ahorro de energía en el proceso se requiere de la participación del personal de la empresa, muchas de estas medidas se evaluarán al comparar la situación actual, contra el de diseño, pero tendrán que contar con la aprobación del personal de la planta. Además en esta etapa del análisis es muy importante contar con el apoyo de proveedores o consultores expertos en el tema. Pero muchas veces este apoyo podrá venir del mismo personal de la planta, quienes tienen la “idea” pero que no cuentan con los equipos de medición o experiencia para traducir su “idea” en unidades energéticas y económicas. Todo tendrá que ser medido para poder ser cuantificado en unidades con base anual y evaluado en términos energéticos y económicos. 2.1.2 Actividades para el Anális is de los Procesos . Una de las actividades más importantes que el equipo auditor puede realizar es el análisis del proceso o los procesos con el objetivo de integrar métodos de ahorro energético en el proceso. Actividades: Evaluar medidas de reducción de temperaturas, flujos o presiones. Caracterizar las variaciones que ocasionan problemas al proceso. Investigar sobre las mejoras tecnológicas que proporcionan el mismo servicio con un menor consumo de energía. Evaluar la posible instalación de equipo para recuperar calor desperdiciado, ya sea de los gases de salida o condensados. Evaluar para cada una de las operaciones unitarias su utilidad en el proceso y si no es indispensable proponer su eliminación. 9
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Automatización de líneas de producción. Mantenimiento oportuno de los equipos de intercambio de calor. Eliminar etapas innecesarias en el proceso. En procesos, evitar la operación en el horario punta.
2.2 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS Sistemas Un sistema son todos aquellos equipos que le proporcionan un servicio al proceso, como son: Sistema de aire comprimido Sistema de enfriamiento por medio de chillers. Sistema de aire acondicionado. Sistema de vapor. Sistema de iluminación. Sistema eléctrico de distribución. Sistema de bombeo. Actividades: El sistema se analizará como un todo pero evaluando sus principales divisiones: Un sistema tiene un área en donde se genera (compresor, bomba, caldera, etc.). Tienen la parte correspondiente a distribución (tuberías, válvulas, etc). El uso que se le da (temperaturas, flujos, presiones antes y después del proceso). Evaluará la recuperación que se este haciendo o el desperdicio. Nota: Para los sistemas de una planta existen oportunidades de ahorro de energía “típicas” y pueden ser evaluadas por los especialistas en energía. Identificar los principales sistemas que le proporcionan un servicio a los procesos y obtener la información necesaria para el diagnóstico energético. 2.2.1 Sistema Eléctrico de Distrib ución. Este es uno de los principales sistemas a analizarse, de las mediciones de este podemos sacar resultados concluyentes de la situación de la empresa. Actividades: Recopilación de Información Datos de placa (chapa) de los transformadores. Capacidad en amperes de los interruptores termomagnéticos o similares. Posibilidad de conectar el equipo de medición. Mediciones Realizar mediciones en el secundario del transformador principal. Realizar mediciones en el centro de carga principal de la planta. Realizar mediciones en circuitos derivados o subpaneles que abastezcan a los equipos de mayor demanda de consumo de energía y de potencia. Obtener la curva característica del comportamiento de los parámetros eléctricos de toda la planta, medidos en la subestación principal, por al menos 48 horas. Preguntar por el número de equipos que se encuentran en operación durante las mediciones y los que arrancaron durante las mediciones. Análisis de las mediciones Hacer las gráficas de las mediciones y discutirlas con el personal de la planta. Describir el comportamiento del perfil de demanda. Evaluar las Oportunidades de Ahorro. Incremento del factor de potencia. Reducción de la demanda máxima . •
•
10
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Balanceo de voltaje. Control del consumo de energía. Monitorear los índices energéticos por área productiva. Identificar errores en la facturación eléctrica. Cambiar de tarifa eléctrica. Identificar el consumo de energía independiente de la producción. Retiro de transformadores innecesarios. Redistribución de la carga en transformadores. Formato No.4 Recopilación de Información del Sistema Eléctrico
Indicar el objetivo del proyecto Potencia del Transformador KVA Relación de transformación % de impedancia Indicar que equipos se encuentran conectados a este transformador Indicar el amperaje de los interruptores de estos equipos ¿se han presentado eventos provocados por causas inexplicables? ¿Equipo que esa experimentando fallas en su funcionamiento? Síntomas del equipo, ¿se bloquea?, ¿se apaga? Se queman las tarjetas? ¿Las fallas tienen alguna periodicidad o son aleatorias? Indicar si se tiene pensado instalar más equipo Porcentaje aproximado de carga no lineal conectada a este transformador. Tiempo de duración de las mediciones. En el caso de medir picos de demanda identificar los equipos que los ocasionan Observaciones Formato No.5 Mediciones en los Transformadores Numero o nombre del transformador Fecha de las mediciones
Inicio
Fin
Hora de las mediciones
Inicio
Fin
Responsable de las mediciones Variable
Fase A
Fase B
Fase C
Neutro
Voltaje (V rms) Distorsión armónica en voltaje (% THD) Amperaje (A rms) Distorsión armónica en corriente (% THD) Potencia Activa (kW) Potencia Total (kW) Potencia Reactiva (KVA) Factor de potencia (PF) % THD 3 ª / corriente (A) % THD 5 ª / corriente (A) % THD 7 ª / corriente (A)
11
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
2.2.2 Sistemas Electro motr ices. Los sistemas electromotrices están en todas las empresas industriales y son de las áreas intensivas en el consumo de energía y poseen un alto potencial de ahorro de energía. Actividades: Recopilación de Información. Datos de placa, aplicación de los motores. Horas de operación por día de semana y fin de semana. Identificación de los motores rebobinados y el número de reparaciones el lugar en donde se reparó, la causa por la que se quemo y la fecha de la última reparación. Tipo de control o la dependencia con respecto a otro equipo con la que operan. Periodicidad de los ajustes en la variación de flujo en ventiladores. Las variaciones en las condiciones de operación de los equipos susceptibles de instalación de convertidores de frecuencia, identificando las diferentes necesidades de flujos, presiones y número de horas por nivel de carga a lo largo de la jornada de trabajo o ciclos de operación.
Mediciones. A los motores eléctricos mayores a 10 hp y con más de 4,000 horas de operación al año, efectuar mediciones necesarias, para determinar las condiciones de carga de las variables eléctricas. Realizar mediciones puntuales en motores con carga constante. Realizar mediciones continuas en motores con carga variable. Análisis de las mediciones. Hacer las gráficas de las mediciones y discutirlas con el personal de la planta Describir el comportamiento del perfil de demanda En base al porcentaje de carga y diseño del motor se determinará la eficiencia de operación de los motores, utilizando las curvas características de funcionamiento. Analizar los factores que afectan la eficiencia de los motores como son: Porcentaje de variaciones de voltaje, Porcentaje de desbalanceo de voltaje entre fases. Evaluación de las Oportunidades de Ahorro. Sustitución o reubicación de los motores que están trabajando a sobre carga o a un porcentaje menor al 40%. Corregir desbalanceo o diferencias de voltaje. Instalar motores de alta eficiencia. Instalar convertidor de frecuencia. Instalar equipos de control de la operación (uso racional de energía). Mejorar la alineación con el equipo acoplado. Instalar un banco de capacitores. Reemplazar sistemas de corriente directa por convertidor de frecuencia con motor de corriente alterna. Instalar controles de voltaje. Mejorar la conexión a tierras. Aplicación de bandas síncronas. Alinear correctamente el motor y el equipo accionado. 12
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Colocar controles de consumo.
Formato No. 6 Formato de Recopilación de Información de Motores Área o Departamento Fecha de las mediciones Hora de las mediciones Responsable de las mediciones Equipo Accionado Marca Modelo Tipo de Control Horas de operación al año Hora de arranque Hora de paro Días de operación a la semana Comentarios ¿Qué hace el equipo accionado por el motor? Formato No.7 Formato de Mediciones en l os Motores Datos de Placa (Chapa) Identificación
Tipo de motor
Marca
Armazón (frame)
Potencia hp
Velocidad (rpm)
Voltaje (Volt)
Corriente (Amp)
Eficiencia %
Factor de Servicio
Mediciones eléctricas Identificación
Voltaje (Volts) V1N
V2N
V3N
Voltaje promedio
Corriente (amperes) I1
I2
I3
Potencia(Kw) Corriente Promedio
1N
2N
3N
Continuación Mediciones en Motores Eléctricos
Identificación
Factor de potencia FP% 1
2
3
Factor de potencia Promedio %
Potencia Trifásica
Comentarios de las mediciones
Kw
2.2.3 Sistema de Aire Compri mido Actividades: Recopilación de Información. Inventario de los compresores de aire, anotando su localización, marca, tipo, capacidad, antigüedad, flujo, presión y horas de operación por año. Capacidad y localización de los tanques de almacenamiento de aire. Planos con la distribución de las principales tuberías de aire comprimido. Inspeccionar el motor del compresor, el filtro de admisión, el tipo de lubricante, la válvula de admisión, los controles de descarga. Entrevistas con el personal de la empresa. 13
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Identificar los usos del aire comprimido. Mediciones Realizar mediciones trifásicas al menos por 24 horas por compresor. Hacer las graficas de las mediciones y discutirlas con el personal de la planta. Describir el comportamiento del perfil de demanda. Hacer mediciones de presión en varios lugares de la planta. Medir dimensiones de las mangueras de aire comprimido.
Evaluar las oportunidades de Ahorro de Energía Reducir la presión de descarga Reducir la temperatura de alimentación del aire Trabajar con compresores más chicos el fin de se Reemplazar compresores ineficientes. Eliminar fugas de aire comprimido. Eliminar usos innecesarios del aire. Retiro de compresores innecesarios. Utilizar aceite sintético. Utilizar diámetros de tubería adecuados. Distribuir el aire en lasos cerrados. Colocar tanques de almacenamiento. Seleccionar el compresor adecuado a la aplicación. Formato # 8: Aire comprimido
14
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Mediciones de la Operación del Compresor
USO FINAL DEL AIRE COMPRIMIDO Margen de presión de seguridad (psi) Descripción de la herramienta
No
Localización en la planta
Reducción de presión propuesta (psi) Flujo de Aire Requerido (cfm)
Presión en (Psig) Actual
Requerida
Diferencia
1 2 3
2.2.4 Sistema de Bombeo Actividades: Recopilación de Información y Mediciones. Inventario de las principales bombas, mostrando su localización, marca, tipo, capacidad, antigüedad, curva característica, flujo, presión y horas de operación por año. Planos con la distribución de las principales tuberías de agua. Inventario de los principales consumidores de agua ya sea para proceso o de enfriamiento, integrando su localización, marca, tipo, flujo, presión y horas de operación por año. Para el agua de enfriamiento se debe de obtener los flujos de diseño y los incrementos de temperatura del agua al salir del proceso o equipo a enfriar. Método de control (manual, automático), especificando sus parámetros de referencia. Horas de operación por nivel de carga. Inventario de todos los puntos en donde el agua se esté enviando al drenaje. Dispositivos de control instalados (flujo y presión), en ductos y tuberías. Condiciones óptimas de funcionamiento en base a la información de los manuales de operación y curvas características.
Periodicidad de los ajustes en la variación de flujo bombas.
Oportunidades de Ahorro de energía. Dimensionamiento correcto del sistema de bombeo. Instalar bombas de alta eficiencia. 15
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Mejorar la colocación de las bombas Aplicar controles de velocidad variable. Eliminación de fugas. Utilizar diámetros de tubería apropiados. Disminuir adecuadamente el diámetro de los impulsores. Instalar controles de operación. Alineación correcta del motor y bomba. Modificaciones al flujo por potencia y no por velocidad del motor. Trabajar en los puntos del ojo de buey. Determinación de la curva del sistema Formato #9: Evaluación del sistema de Bombeo Cálculo de Carga Total de Bombeo HT
Sistema de Bombeo
Caudal G (m3/seg)
Número de equipos
Densidad Kg/m3
Marca y Modelo de la bomba
Potencia Hidráulica de Salida HPh ( kW)
Marca y modelo del motor
Eficiencia De la Bomba ηbn
identificación de equipo
Potencia Mecánica de entrada a la bomba HPm
Presión de succión m.c.a 1 psig = 0.7030696 m.c.a
Eficiencia del Motor ηm
Presión de descarga m.c.a
Pe: Potencia Eléctrica Entrada al sistema,Kw
Ht = Pd ‐ Ps (m.c.a.)
Eficiencia Electromecánica Global ηee
2.2.5 Sistema de Ilumi nación Este es uno de los sistemas con mayor potencial de ahorro en las industrias debido a la desinformación de las nuevas tecnologías de ahorro o el mal empleo de la iluminación. Su análisis es rápido y sus resultados se muestran a corto plazo. Actividades:
Recopilación de Información y Mediciones. Tipo de luminarias, tipo de foco, ubicación, horas de operación y tipo de control. Color de paredes y pisos. Mediciones de niveles de iluminación. Identificación de los circuitos de alumbrado. Plantear en campo las propuesta de iluminación en campo. Oportunidades de Ahorro de Energía. Reubicar lámparas o desconectarlas. Retrofit de iluminación: Fluorescentes T12 a T8 con balastro electrónico. Aditivos metálicos a fluorescentes T5. Reemplazo de iluminación (hacer el cálculo con software). Fluorescentes T5. HID pulse arc Fluorescentes T8. 16
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Instalación de equipos de control. Sensores de presencia. Nivel de iluminación. Equipo central programable. Conectar circuitos independientes. Instalar laminas translúcidas. Reemplazar focos Incandescentes por fluorescentes compactas. Instalación de controles de tiempo Formato #10: evaluación de los sistemas de Iluminación. Hoja de levantamiento “A”
Nombre del inmueble
Fecha Dimensiones
Costumbre de uso
Color del local
Localización de la luminaria Ancho
Largo
Alto
Horas/día
Días/mes
Piso
Techo
Pared
Tipo de luminaria y potencia de Lámpara y Balastro Pot. Watt
Balastro
Hoja de levantamiento “B’ Localización del luminaria
Cantidad de luminarias Fuera de servicio
Total
Nivel de Iluminación (Luxes) Actual
Recomend ado
Tipo de Control de Luminarias
Tipo de Gabinete y Difusor
Observaciones
2.2.6 Sistemas d e Vapor La mala administración de estos sistema nos puede generar grandes perdidas, uno de los errores más comunes es creer que si el sistema cumple con la demanda de producción este actúa de manera eficiente. Actividades:
Recopilación de Información y Mediciones Hacer un inventario de los generadores de vapor, integrando su localización, marca, capacidad, antigüedad, flujo, presión y horas de operación por año. Datos de placa de cada generador de vapor. Identificar las condiciones de operación e instrumentación del generador de vapor. Reportes de trabajo del área de calderas, por turno, día y semana. Planos con la distribución de las principales tuberías de distribución de vapor, indicando la localización de las trampas de vapor. Inventario de los principales consumidores de vapor instalados, integrando su aplicación, localización, capacidad, flujo, presión y horas de operación por año. Temperaturas de almacenamiento, transporte de los combustibles líquidos. Descripción del sistema de control de la combustión. Descripción de la forma actual de administrar la carga en las calderas, de las prácticas operativas y de las pruebas realizadas. Hacer un seguimiento de la tubería de vapor e identificar tramos sin aislamiento. 17
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tomar mediciones de temperatura antes y después de cada usuario de vapor. Hacer un seguimiento de las tuberías de retorno de condensados. Hacer mediciones en los tanque de almacenamiento de condensados y combustible, temperatura y área total. Hacer mediciones de los gases de combustión, temperatura de gases, presión de vapor, flujo de combustible y de agua de alimentación. Conductividad del agua de alimentación y de las purgas. Temperatura ambiente (bulbo seco y húmedo), humedad relativa y presión barométrica. Diámetros de las fugas de aire comprimido, condensado y vapor. Determinación de los índices energéticos para generación de vapor, por caldera y por mes. (producción de vapor / consumo de combustible) Determinación del costo de generación de una tonelada de vapor por hora.
Oportunidades de Ahorro de Energía. Reducción del exceso de aire en la caldera. Recuperación del calor de los gases. Administración de carga en las calderas. Recuperación de calor de la purga. Hacer análisis de gases por semana. Reemplazo de la caldera. Aislamiento térmico en la tubería y tanques. Reparación o reemplazo de trampas de vapor. Recuperación de condensados. Mejorar la administración de la carga de las calderas. Modificaciones en la instrumentación y control. Cambios en las prácticas operativas y de pruebas. Propuestas para mejorar el mantenimiento. Sustitución de quemadores. Incremento del retorno de condensados. Precalentamiento del aire de la combustión o del agua de alimentación. Mejorar la transferencia de calor en los tubos de agua. Instalar turbo bombas para el agua de alimentación. Instalar turboventiladores para el aire de combustión. Eliminar fugas y grietas en la caldera. Automatizar el sistema de control de la combustión. Repartir la carga según los puntos de máxima eficiencia. Establecer un sistema de contabilidad energética. Formato # 11: Consumo de Energía Térmica
Combustible: Bunker. Volumen
Agua. Volumen
Período
Período
Consumo*
Consumo
Unidades
Unidades
Costo Total
Costo Total
18
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Formato # 12: Producto para Tratamiento de Agua y Aditivos de Combustibles Producto
Período
Consumo
Unidades
Costo
Costo Por M3/Agua Tratada
Costo Por M3 de Combustible
Formato # 13: Datos del Generador de Vapor Datos De Placa (Chapa) Cantidad
Descripción Capacidad
Presión
Temperatura
Año Manufactura
3.- TRABAJO EN OFICINA 3.1. ANALISIS DE LA FACTURACION El análisis de la factura eléctrica puede ayudar a identificar muchas medidas de ahorro en los equipos consumidores de energía eléctrica.: 3.1.1. Compr ensión de la factur a eléctrica ¿Se está aplicando la tarifa apropiada?; ¿Cuáles son los costos de demanda y consumo? ¿Es la facturación exacta?; ¿Cuál es la demanda máxima? ¿Hay multas por bajo factor de potencia?; ¿Cuál es el factor de carga de la planta? ¿Cuál es el costo real del kWh? 3.1.2. Medición, moni toreo y regis tro del consu mo y demanda. ¿Cuál es la variación mensual del consumo y demanda? ¿Son explicables las variaciones mensuales en la facturación? ¿Cuál es el consumo de electricidad por unidad de producción? ¿Son explicables las variaciones del índice consumo/producción? ¿Qué instrumentos están disponibles en la planta? ¿Qué mediciones se registran normalmente a. ¿Es la facturaci ón pr ecisa? Debe asegurarse que los medidores están funcionando apropiadamente. Es una buena práctica que la planta instale sus propios medidores para cruzar las mediciones con los equipos de la empresa suministradora y comprobar la veracidad de los datos. Aun mejor, los medidores pueden instalarse en cada área o departamento consumidor de energía eléctrica, y las lecturas pueden usarse, no solo para comprobar las facturas, sino lo que es más importante, para ayudar en la determinación de los consumos relativos de las diferentes áreas o departamentos. Este es el primer paso para la contabilidad energética. Una contabilidad energética, puede empezar con el registro y análisis de las lecturas de los medidores de energía y demanda, a través de estos datos se pueden identificar variaciones en consumo, demanda y factor de potencia, con posibilidad de ahorros de consumo y económicos. El mismo personal de la empresa puede tomar estas lecturas a diario pero es muy importante que sea a la misma hora siempre. 3.1.3. Análisis Histórico de la Facturación El análisis Histórico de la facturación eléctrica nos proporciona información muy útil para poder determinar los potenciales teóricos de ahorro de energía. Primero se tiene que capturar en hoja de cálculo la información de al menos doce facturas de energía eléctrica, las variables que nos interesa analizar se encuentran en la siguiente tabla. 19
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #3.1: Perfil de demanda y Consumo de Energía
Figura #3.2: Ilustración del Factor de carga
20
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Costo de la Energía Eléctrica. Los costos de facturación muestran una marcada tendencia ascendente, atribuible al incremento de la tarifa eléctrica, principalmente en el concepto “ajuste por combustibles”, el cual ha aumentado en un 10%.
Figura #3.3: Tendencia del importe de la facturación eléctrica
Figura #3.4: Tendencia del precio Real del Kwh
Figura #3.5: Consumo de Bunker en el Área de Calderas 21
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #3.6: Tendencia en el Precio del Bunker
22
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 3.7: Tendencia del gasto efectuado por el consumo de Bunker
Figura # 3.8: Consumo de Energía Eléctrica Vs. Producción
Las tendencias entre ambos parámetros guardan comportamientos distintos tal y como se observa en la siguiente. Durante enero se registra un pico de producción (9,000 ton) y el consumo de energía eléctrica se mantiene en el 1,000, 000 kWh, en marzo la producción indica una disminución (5,500 ton), mientras que el consumo de energía se mantiene en 1,000,000 kWh. 23
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 3.9: Comportamiento de la Producción y el Consumo de Energía
En el caso del bunker, se observa un comportamiento proporcional a la de producción. La línea de tendencia indica que el consumo de bunker a producción cero es de 1,500 galones de bunker que representa tan solo el 1.57% del consumo promedio mensual del hidrocarburo. Figura # 3.10: Consumo de Bunker VS Producción
24
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 3.11: Comportamiento de la Producción y el Consumo de Bunker
3.2. Índices Energético s El indicador por excelencia para conocer la eficacia en el uso de energéticos es el índice energético, que es la relación entre su consumo y la producción. Mantener valores bajos indica la correcta aplicación de estrategias al interior de la empresa para el máximo aprovechamiento de los recursos empleados. En Esta empresa se lleva un control muy preciso de éstos indicadores debido a su importancia para evaluar y/o cuantificar los ahorros energéticos derivados de la implantación de proyectos de ahorro de energía; en la se muestra los indicadores mensuales, tanto por energía (kWh), como por combustibles fósiles (Bunker). Tabla 3.1. Indicadores Energéticos
25
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Se sugiere obtener estos indicadores por producto fabricado, para ello es necesario, en el caso del bunker, conocer el consumo de vapor por Planta de Producción. Para la energía eléctrica se debe tener el registro del consumo de energía eléctrica de cada subestación por Planta. INDICADOR DE CONSUMO DE ENERGÍA ELECTRICA O ÍNDICE ENERGÉTICO ELÉCTRICO (IEE) Este se ubica entre 110 y 178 kWh/ton, el IEE promedio es de 150 kWh/ton. En la se muestra el comportamiento de este indicador durante el 2005 y el valor promedio con la línea trazada horizontalmente. En los meses de marzo, abril, septiembre y diciembre se registraron los máximos valores del IEE; es claro que los bajos niveles de producción no son sinónimos del mejor aprovechamiento del energético, ya que el IEE se incrementa considerablemente, una evaluación preliminar permite identificar el potencial de ahorro de energía que se puede alcanzar cuando se presenta esta situación: Ahorro en kWh = (IEE máximo – IEE promedio) promedio) x Producción Promedio. Ahorro en kWh = (178 kWh/ton – 150 kWh/ton) kWh/ton) x 7,437 ton. Ahorro en kWh = 208,236 kWh/año. Figura # 3.12. Indicador de consumo o Índice Energético Eléctrico (IEE)
ÍNDICE ENERGÉTICO TÉRMICO (IET) Para el caso del índice energético térmico, registra valores entre 10.8 y 13.7 galones de bunker/ton de producto. El indicador promedio es 12.6 galones de bunker/ton (ver Tabla # 3.1). Nuevamente se traza con una línea horizontal el valor promedio de este indicador.
26
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura 3.13: Índice Energético Eléctrico (IET)
En enero se registra el valor más alto de este indicador, el potencial asociado a este punto es el siguiente: Ahorro en Bunker = (IET máximo – IET promedio) x Producción. Ahorro en Bunker=(13.7 galones de bunker/ton – 12.6 galones de bunker/ton) x 9,100 ton. Ahorro en Bunker = 10,010 galones/año.
3.3.BALANCE DE ENERGÍA A continuación se presenta de manera ilustrativa un balance de energía eléctrica realizado a un edificio de oficinas, considerando solo el consumo eléctrico Tabla #3.2 Balance de Energía de un Edificio
Potencia Total (Kw)
% En demanda
Kwh/ano
% En Consumo
Iluminación
22.67
24.38
41712
32.26
Aire Acondicionado
47.7
51.31
30500
23.59
Otros Equipos
22.6
24.31
57100
44.16
Totales
92.97
100.00
129312
100.00
Total
Figura # 3.14: Balance de energía respecto a Demanda
27
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 3.15: Balance de energía respecto al Consumo.
Es muy importante emprender acciones con respecto al horario de operación de las computadoras, de los enfriadores de agua, e impresoras ya que son los principales consumidores de energía en este inmueble.
Tabla #3.3: Balance de Energía de una una empresa Industrial Industrial
28
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 3.16: Balance de energía Eléctrica
4. PERSONAL A DESEMPEÑAR LA AUDITORÍA ENERGETICA La capacidad y experiencia del personal que conduzca la auditoría es el factor que define su éxito. Usualmente este personal se le refiere como auditor energético y los requisitos que deben cumplir son los siguientes: Experiencia de haber trabajado en varias industrias. Sentido práctico, y conocimiento del funcionamiento de equipos. Conocimiento de instrumentación, sus aplicaciones y sus limitaciones. Curiosidad técnica y pensamiento analítico. Buena base en los principios de ingeniería. Habilidad para hacer cálculos. Buen carácter para tratar con la gente; paciencia. Compromiso con su trabajo. El equipo de trabajo básico requerido para hacer el diagnóstico típicamente se compone de: un experto en el proceso y equipos de la planta, un experto en energía térmica y un experto en energía eléctrica. Normalmente el experto térmico o el de proceso, asume la función de coordinador. El experto en procesos preferentemente debe ser un ingeniero mecánico o químico, que conozca los detalles de operación y producción de un cierto proceso o un rango de diferentes operaciones unitarias, y los principios de eficiencia energética aplicados al proceso. Una persona experimentada en el proceso de producción de papel, por ejemplo, puede aplicar su conocimiento en casi cualquier papelera; de igual manera un solo experto puede cubrir toda la rama agroalimentaria debido a que los procesos están formados por equipos y tecnologías similares; en la industria química, existen procesos 29
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
muy específicos, por lo tanto, conviene asegurarse de la experiencia del experto en el proceso particular de que se trate. El experto en energía térmica es un ingeniero en energía, mecánico o químico con amplios conocimientos teóricos y prácticos y sobre el diseño y la operación de equipos que utilizan energía térmica: calderas, quemadores, sistemas de vapor y condensados, hornos, secadores, evaporadores, sistemas de refrigeración, etc. El experto en energía eléctrica puede ser un ingeniero eléctrico, mecánico o electrónico que tiene conocimiento práctico y teórico, de sistemas eléctricos y del equipo que utiliza energía eléctrica: generadores, transformadores , motores, sistemas de control, sistemas de velocidad variable, compresores, ventiladores, bombas, etc. En algunos casos, dependiendo de su experiencia, uno de los expertos podría tomar responsabilidad de dos áreas; por ejemplo, el experto en procesos puede también tomar la responsabilidad de la parte térmica, o el eléctrico puede cubrir parte del proceso. En realidad, se recomienda que los expertos cuenten con una amplia experiencia, no limitada a su área de trabajo: la determinación de medidas de ahorro normalmente requiere de experiencia de varios campos. Por ejemplo: la aplicación de un equipo de frecuencia variable para regular la velocidad de un sistema de bombeo requiere de experiencia eléctrica, los ahorros de la instalación de tal sistema dependen totalmente de cuánto y durante que período se podría variar la velocidad del equipo en función de los requisitos en proceso, implicando tener conocimientos sobre e l proceso particular. Los auditores energéticos deben de saber aprovechar de manera correcta los datos de instrumentos fijos existentes en la instalación y de instrumentos portátiles para su uso temporal. Al mismo tiempo tienen que estar siempre conscientes de las limitaciones de ambos tipos de instrumentos. Asimismo, el auditor deberá confirmar la validez de cada dato o medición, y estar siempre tratando de verificar y comprobar cada dato, a través de mediciones adicionales, o bien a través de balances de energía o masa, de su experiencia o de las leyes de la física. El auditor debe, igualmente, usar sus conocimientos y su criterio cuando recoja o interprete los datos relacionados con el uso de energía para interpretarlos adecuadamente. Las oportunidades de ahorro de energía se identifican aprovechando la experiencia de los auditores, antecedentes en otras instalaciones similares, referencias bibliográficas a través del análisis detallado de los sistemas de la instalación en particular.
5. ADMINISTRACIÓN DE LA ENERGÍA “Lo que no se puede medir, hazlo medible” Galileo “Lo que no se mide no se puede controlar” De Marco “y lo que no se controla no se puede administrar” W.E. Deming 5.1 CONTROL DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Las auditorias realizados han mostrado que reducir la operación innecesaria del equipo representa una fracción significativa del potencial de ahorro de energía eléctrica; es común encontrar motores funcionando en vacío, máquinas girando vacías, luminarias y ventiladores encendidos sin necesidad, agua en circulación que hace a las bombas girar y muchas otras faltas que se pueden corregir fácilmente. 30
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Como con la administración de la demanda, se encuentran disponibles una variedad de opciones para reducir el desperdicio y tener un control más estrecho, sin dejar de lado la opción humana. Nunca como ahora, los dispositivos automáticos ofrecen tantas ventajas significativas a su contraparte humana; su confiabilidad es mucho mayor, ya que la fatiga, la falta de atención, mala actitud, incapacidad y otras características humanas no entran en juego. Aún más, las ventajas de la tecnología de microprocesadores y el desarrollo de nuevas aplicaciones han hecho muchos de los nuevos dispositivos más útiles y con una mayor rentabilidad.
5.1.1 Información de Energía:
El detalle del consumo de energía eléctrica permitirá tener un mayor control sobre el buen uso de la energía. El análisis económico es de importancia crítica ya que sin beneficio económico es difícil convencer a la dirección de la empresa. Una vez que se instala un medidor, se pueden esperar ahorros por ese simple hecho del 1% Se puede medir un transformador, un panel de control, etc. La información de energía eléctrica nos ayuda a: Interpretar y controlar lo que está ocurriendo Costeo Efectivo Tomar medidas cuando las variables salen\ de los límites establecidos Eficiencia en los procesos; Detección de Anomalías; Evaluación de tecnologías . Reducción de Picos de demanda, corrimiento de carga, detección de oportunidades de ahorro. Determinación de índices energéticos (kwh/m2, kwh/pieza producida, etc.) y fijar metas o límites. Evaluación de proyectos de generación alterna (Diesel, cogeneración, etc.). Evaluación de resultados en proyectos para justificar fondos. Convertir datos históricos en información valiosa Pronósticos de comportamiento de carga Crecimiento ordenado
Figura # 5.1: Índice Energético Vs. Producción
31
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
5.1.2 Beneficios Adicionales de los Sistemas de administración de energía Capacidad de Acceso Remoto Permite acceso desde cualquier punto a los datos de la red Subcontratación de análisis por Especialistas Máximo de eficiencia sin gastos de desplazamiento Centralización del análisis Corporativos o empresas regionales Comparativos de eficiencia entre diferentes plantas Minimizar salidas del sistema Analiza el desempeño del la red durante un evento Se pueden modificar parámetros para evitar problemas similares en el futuro Alarmas vía correo o mensajes Proporciona alarma con la descripción y valor del evento Dirige el personal al lugar correcto con información correcta sobre lo ocurrido Lecturas automáticas Realiza la medición y registro automático de los datos evitando horas-hombre y optimizando la precisión Identificación de pérdidas y desperdicio Monitoreo en fines de semana y feriados ( cuando no hay consumo regular) identifica pérdidas y desperdicio
Figura # 5.2: Perfil de Demanda de un Domingo.
Ejemplos: Compresor trabajando cuando no hay producción (fugas de presión). Maquinaria que ha quedado encendida por descuido. Aire acondicionado e iluminación innecesaria. Software Especializado 32
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Captura de Disturbios Conocimiento inmediato del evento ocurrido Capacidad para “compartir” con la empresa eléctrica la fotografía del evento ocurrido. Minimizar el tiempo invertido en el análisis posterior al evento Figura # 5.3: Pantalla del software
Existen interfases de comunicación para fabricantes principales de los equipos de Data Centers. Cualquier marca de equipo de potencia puede ser monitoreada o leer variables específicas mediante módulos de entradas y salidas.
5.1.3 Controles de Encendido y Apagado
Existe una gran variedad de dispositivos simples y de bajo costo, que usualmente controlan sólo una carga, se pueden clasificar dentro de esta categoría. Controles de tiempo, los tipos mecánicos y más recientemente los tipos electrónicos, controlan el encendido y apagado de equipo específico a tiempos preestablecidos durante un día o semana. Interlocks y relevadores, pueden conectarse al cableado del equipo auxiliar de un equipo primario de manera que, por ejemplo, cuando se apaga una máquina de proceso, su ventilador, o iluminación o flujo de agua se suspende automáticamente.
33
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Relevadores de fotocelda, empleados especialmente para sistemas de iluminación para encender en la oscuridad y apagar cuando la iluminación natural sea adecuada. Equipo termostático, que puede tener diferentes puntos de referencia para ciertos períodos del día o de la noche, y pueden reducir el empleo de los equipos de calefacción o refrigeración. Sensores infrarrojos de presencia, que perciben la presencia o ausencia humana y pueden apagar o encender la iluminación de un área o algún equipo.
5.1.4 Controladores Programables
Los controladores programables son dispositivos de bajo y mediano costo que emplean microprocesadores. Se emplean principalmente en equipos que tienen cargas cíclicas y sustituyen a los relevadores electromecánicos. También son usados con frecuencia para controlar equipo individual con el método de encendido/apagado o a una hora específica del día. Los equipos típicos disponibles controlan 4, 8, 12, 16 o muchos más puntos y se pueden expandir por módulos de 8 o más puntos. El tiempo de arranque o paro de cada punto puede controlarse individualmente o monitorearse, hay disponibles relojes de 7 días o de un año completo, de modo que el equipo puede desconectarse en fines de semana o días festivos.
5.2. CONTROL DE DEMANDA MAXIMA 5.2.1 Control de Demanda
El control de demanda es, la administración de las principales cargas eléctricas para reducir e imponer un límite máximo a la demanda (kW) durante ciertos períodos de tiempo. Los cargos por demanda máxima representan un componente importante y apreciable de la factura eléctrica. Dependiendo del factor de carga de la planta, los cargos directos por demanda típicamente representan del 10% al 15% de la factura en el periodo de invierno, pero del 40 al 45% en el periodo de verano.
5.2.2 Demanda Máxima Medida
La demanda instantánea integrada por el medidor de la compañía eléctrica sobre cualquier intervalo de 15 minutos (en el caso de las tarifas horarias, sobre los tres intervalos de demanda máxima integrada que forman el período de 15 minutos como se ve en la figura #5.4, en el cual la demanda de energía eléctrica sea mayor que en cualquier otro intervalo de 15 minutos en el período de facturación.
Figura #5.4: Períodos de Demanda de Energía.
34
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Estos valores medidos de la demanda máxima se registran mensualmente durante el período punta, valle y resto. 5.3. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA DE CONTROL DE DEMANDA El primer paso de esta metodología es la Recopilación de Información en donde básicamente se debe de obtener los datos básicos de la facturación eléctrica y producción de la empresa a analizar, el censo de las principales cargas y sus horarios de operación. Con el diagrama unificar actualizado se podría obtener esta información. Una vez obtenida esta información se procede al An álisi s de la Infor mació n, esto requiere de un análisis histórico de la facturación eléctrica revisando la siguiente información; Obtener los índices energéticos de un año de la empresa (kWh/piezas) Comportamiento de la demanda punta e intermedia en el periodo de verano. Graficar el comportamiento de la demanda y del consumo de energía anual. Revisar el perfil de demanda proporcionado por la empresa eléctrica para un mes. Verificar día a día el comportamiento de la demanda en el período punta Verificar el comportamiento de la demanda en periodos sin producción. La siguiente etapa de la metodología es la correspondiente a las Mediciones y se realiza cuando la empresa analizada quiere llegar al detalle de la información, de preferencia tiene que hacerse esta etapa con el apoyo de una firma consultora que tenga los equipos de medición apropiados, ya que se realizan mediciones en transformadores y en cada una de las principales cargas, además se realiza un análisis de las mediciones eléctricas y de la operación de estas cargas. Esta etapa requiere de un trabajo intenso en planta para hacer mediciones, analizar la operación y entrevistarse con el personal para definir nuevos horarios de operación y prioridades de desconexión de algunas de las cargas. La Propuesta de Operación con el Control de Demanda se realiza con base a las entrevistas con el personal de la empresa o con base a la información entregada por ellos mismo, en donde básicamente se presentarán los nuevos horarios de operación y con ellos se elaborarán los nuevos perfiles de operación ya sea para un día típico o para un fin de semana, con estos se tendrá el nuevo perfil de demanda mensual con la reducción en la demanda máxima y en la demanda facturable. Si se tienen el consumo y demanda de energía eléctrica en cada uno de los horarios de facturación podremos calcular el monto a pagar, dependiendo de la tarifa eléctrica, Una vez que tengan las facturaciones de antes y después de aplicar un control de demanda podrán Determinar los Ah orro s de Energía y Econó micos . Cuando conozcan el número de cargas a controlar y los criterios de control podrán Seleccion ar el Equipo de Control de Demanda apropiado para la empresa analizada y su costo. Conociendo la inversión a realizar y los ahorros económicos que nos proporcionará el equipo, podremos hacer la Evaluación Económica de nuestro proyecto.
5.3.1 Censo de las principales cargas Aquí se anotarán las principales cargas eléctricas de la empresa, indicando su aplicación, el horario actual de operación y el propuesto. Es obvio que este horario será fuera del horario punta. Es importante que se anoten las cargas eléctricas que cubran al menos un 80% de la demanda máxima promedio de la empresa.
35
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Para definir el nivel de prioridad de las cargas se tendrán que realizar varias juntas con el personal operativo de la empresa y que ellos estén completamente de acuerdo con el nivel de prioridad y el tiempo máximo de desconexión. Tabla #5.1: Censo de las Principales Cargas Eléctricas
Número
Aplicación del equipo
Potencia del equipo (KW)
Horario actual de operación. Inicio‐Paro
Horario propuesto de operación. Inicio‐ Paro
Nivel de prioridad
1 2 3 . . N‐1 N (0) Puede ser trasladada su operación fuera de horario punta (1) El arranque puede ser retrasado o adelantado 30 minutos o más. (2) El arranque puede ser retrasado o adelantado entre 15 y 30 minutos (3) Pueden retrasar o adelantar su arranque menos de 15 minutos.
5.4 PERFIL DE DEMANDA DE LA EMPRESA
El perfil de demanda de la empresa se refiere al comportamiento de la demanda máxima medida en el equipo de medición de la empresa suministradora, en intervalos de 15 minutos, normalmente, es necesario conocer el perfil de demanda de un día típico de operación, de una semana y del mes completo.
Figura # 5.5: Perfil de Demanda de un día Típico de Operación.
36
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Esta es una empresa que trabaja los tres turnos pero la mayor parte de la carga se concentra entre las siete treinta y las dieciocho horas. En esta empresa durante todo el mes se tuvieron valores de demanda máxima inferiores a los 2,000 kW solo este día se llego a los 2,200 kW y ese fue el valor registrado para la facturación eléctrica.
Figura #5.6: Demanda semanal
Este el perfil de demanda de una semana de operación (iniciando el lunes por la madrugada) en el que se puede apreciar el comportamiento durante el día que esta redondeando los 2,000 kW y durante la noche que se encuentra redondeando los 1,500 kW. Durante el fin de semana (los dos últimos días) la demanda máxima se comporta en forma muy similar al período nocturno, esto es debido a que los equipos de aire acondicionado se pagan en este horario.
5.5. PROPUESTA DE OPERACIÓN CON EL CONTROL DE DEMANDA Una vez seleccionadas las cargas eléctricas que se integrarán en el control de demanda se puede hacer una simulación del comportamiento de la demanda durante un día típico de operación. Figura # 5.7: Perfil de Demanda Con Control
37
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Se presenta una grafica en la que se traslada la operación de cargas que suman un total de 350 kW que operaban en el horario punta (14:00 a las 18:00 horas) para que ahora trabajen de las 12 de la noche a las cuatro de la mañana. Además se limito el valor de la demanda máxima a los 2000 kW desconectando cargas no prioritarias. En la figura #5.7, se puede apreciar que el comportamiento de la demanda máxima solo cambia en las horas que presentan un pico máximo de KW.
5.6. EQUIPOS DE CONTROL DE DEMANDA Un controlador de demanda básicamente es un dispositivo que actúa sobre una señal, que temporalmente apaga cargas eléctricas predeterminadas, para mantener la demanda máxima bajo control. El controlador, apaga o establece ciclos de trabajo a las cargas cuando la demanda alcanza un valor preseleccionado, o crece a una tasa. El punto prefijado debe ser cuidadosamente seleccionado, para que no se afecte la producción o necesidades de operación. Existe una gran variedad de controladores de demanda disponibles, con diferentes grados de sofisticación, complejidad y costo. La unidad básica tiene los siguientes componentes principales: Transformadores de corriente, para proveer una señal de entrada desde el suministro de la Comisión Federal de Electricidad al controlador de demanda. Transductores, para convertir la señal de entrada en Watts a una señal en milivolts para el panel lógico. Controlador de la carga de demanda, para monitorear los niveles de potencia a la entrada y actuar cuando éstos se aproximen al nivel pico de la demanda preseleccionada. Panel relevador, para mandar señales de control a las cargas conectadas; el panel lógico manda señales a éstos relevadores de corriente los cuales en su momento, controlan el equipo. Las unidades más sofisticadas añaden varios parámetros comunes, para ofrecer un equipo más poderoso y versátil: Controles de reloj, que son usados para rotar la selección de varias cargas sobre una base de tiempo, y también para controlar el tiempo máximo que una carga está apagada. Programador de ciclos de trabajo, para determinar los tiempos y períodos del ciclo de apagado de una carga durante diferentes horas de operación. Programador de la hora del día, que añade la posibilidad de apagar equipos independientemente de la demanda. diversos como son; sensores, analizadores, fuente externa de Equipos alimentación, memorias de estado sólido, características de todo el equipo electrónico de control de demanda y de adquisición de datos.
5.7. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE CONTROL DE DEMANDA Casi todos los controladores automáticos, tienen la posibilidad de implementar varios niveles de prioridad, además de manejar diferentes tablas de niveles de acuerdo al día, la fecha, el mes, la estación, o el año. Algunos equipos implementan esquemas de reconexión y/o conexión anticipada en el caso de demandas bajas y cargas programables de gran “capacitancia”. De esta manera, la capacidad de almacenar energía del sistema/planta/instalación, se optimiza en forma económica. 38
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Existen sistemas para control que van desde un sistema de monitoreo, registro y adquisición de parámetros eléctricos, así como un excelente equipo para control de demanda eléctrica mediante la conexión y desconexión de cargas. Este sistema permite cubrir cualquier necesidad de medición eléctrica y control de demanda, ya que ofrece entre otras cosas: Control de demanda. Estado de las cargas en control. Mediciones en tiempo real. Registro de eventos de medición y operación. Manejo de tendencias Facturación Generación de reportes Puede ser un sistema modular que permite tener diferentes configuraciones, usos y aplicaciones en forma integral. Cada módulo puede trabajar en forma independiente o conjunta de acuerdo a las necesidades.
5.8. OPERACIÓN DE LOS CONTROLADORES DE DEMANDA ELÉCTRICA Existen equipos complejos que tienen módulos que permiten, aparte de un control de demanda automático también se puede conectar una PC que permite el monitoreo, este sistema es muy simple de instalar, el cual consta de un equipo receptor de los pulsos de medición principal, que a su vez, se enlaza a una computadora personal que sirve como ventana al usuario. A todo controlador de demanda se le tiene que asignar un punto de referencia sobre el cual se basarán las funciones de los equipos de control de demanda. La definición del punto de referencia en el controlador de demanda tendrá un impacto, tanto en el número de cargas seleccionadas, como en la cantidad de ahorros que puedan obtenerse. Conjuntamente con el personal de producción, mantenimiento e ingeniería, se define el primer punto de referencia del Controlador y al operar el equipo se podrán hacer los ajustes hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de cómo opera el sistema y que influencia tiene sobre el proceso. Figura #5.8: Operación del Controlador de Demanda
La posición de la línea de Alta Demanda, se determina mediante la especificación del parámetro de la demanda máxima.
39
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
La posición de la línea de Baja Demanda se determina como un porcentaje de la línea de alta demanda, este porcentaje es generalmente del 15%. Una vez que se determinan las líneas de alta y baja demanda se tienen que realizar las acciones de control, de la siguiente forma: Si la demanda de referencia supera a la línea de alta demanda el control de demanda activa un relevador de control para eliminar cargas. Si la demanda de referencia tiene valores menores a la línea de baja demanda, el equipo activará un relevador de control para eliminar la acción restrictiva. Este punto de referencia inferior previene separaciones o incorporaciones de cargas demasiado frecuentes. Ya que el control de demanda se encuentra activado por el punto de referencia, empieza a seleccionar las cargas asignadas una por una, de acuerdo con la prioridad que fue introducida en el programa. Las cargas no críticas deben seleccionarse primero. El número de cargas que debe ser seleccionada dependerá de las características del proceso, así como la potencia individual de cada carga. Cuando el controlador ha estado trabajando por algún tiempo y cuando la operación de la planta se ha acostumbrado a él, se podrán hacer algunas reducciones en el punto de referencia de la demanda, asegurándose de evaluar el impacto de la derivación de cada carga seleccionada. Otros controladores de demanda utilizan métodos diferentes para determinar la tasa de crecimiento de la demanda instantánea y mantener el punto de referencia del controlador. A continuación se escriben algunos de los métodos más comúnmente empleados.
Método de Carga Instantánea En este método el nivel de la potencia demandada se mide continuamente y se compara con el punto de referencia preseleccionado (f ig. #5.9). Este método proporciona un control preciso de la demanda actual. Este método es recomendable en empresas con régimen de operación continuo, donde se presenta poca variación de carga a lo largo de la jornada de trabajo. En estos casos el nivel de operación normal está muy cercano al punto de referencia superior preseleccionado. Tiene la desventaja de que prácticamente cada vez que entre alguna nueva carga, el controlador actúa, poniendo fuera de servicio alguna otra carga, según la programación del controlador. Figura # 5.9: Método de Carga Instantánea
40
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6. FACTOR DE POTENCIA
Cuando una empresa opera con un bajo factor de potencia, además del recargo que tiene que pagar en la facturación eléctrica, tiene otras implicaciones de igual o mayor magnitud, particularmente en el tamaño de sus equipos de transformación y distribución (cableado) de la instalación eléctrica, y con el uso eficiente de la energía eléctrica. El factor de potencia no es un problema nuevo, es un problema siempre presente en las instalaciones eléctricas ya sean: Industriales, Comerciales y/o de servicios. 6.1 DEFINICIONES: Potencia Activa; Potencia Reactiva; Potencia Aparente. Para el correcto entendimiento se presentan a continuación algunas definiciones que serán de utilidad. Potencia Activa Es la energía que es realmente aprovechable para realizar alguna función útil, las unidades en la que se expresa son Watts (W), o múltiplo de esta (Kw; Mw), su formulación es:
Donde: P = Potencia Activa, (Watt); V = Voltaje de la línea, ( V); I = Corriente en la línea,( A). Cos Θ = Factor de Potencia (Fp).
Potencia Reactiva (Q=Kvar) Es la energía necesaria para mantener un campo electromagnético, esta energía es útil donde el campo electromagnético es necesario para generar movimiento, para inducir corriente, en los transformadores y en los balastros de las lámparas, disminuyendo o aumentando el voltaje, las unidades en las que se expresa general mente corresponden a Volts Amperes Reactivos (VAr), que denominaremos Q. Potencia Aparente(S=KVA): Es la energía que corresponde a la suma vectorial de la potencia activa y reactiva, es el producto de la corriente y tensión de la línea, las unidades en la que se expresa son VA, y su formulación es:
Donde: P = Potencia Activa, (Watt) ; V = Voltaje de la línea, V; I=corriente en la línea (A).
Tipos Básicos de consumidores Consumidores Óhmicos (resistivo puro) : A las maquinas o consumidores que no necesitan potencia reactiva para funcionar se les conoce como consumidores óhmicos o resistivos puros; por ejemplo: planchas, bombillos incandescentes, tostadores, percoladoras, etc. Notase que la formulación de la potencia aparente es semejante a la de potencia activa a excepción que no aparece Cos Θ, o sea que es igual a que Fp=1, estas potencias son iguales en el caso de tener conectado cualquier componente consumidor de energía eléctrica resistivo puro.
41
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Consumidores Inductivos: A las maquinas o consumidores que necesitan un campo electromagnético para funcionar, llámense motores o transformadores, reciben el nombre de consumidores inductivos; estos consumidores necesitan para funcionar, además de la potencia activa, una potencia reactiva. Ejemplo de estos consumidores son: motores eléctricos de inducción, transformadores, balastros electromagnéticos, equipos auxiliares de computación, etc.
6.2. REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
Por definición, el factor de potencia en circuitos de corriente alterna esta determinado por el cociente de la potencia activa entre la potencia aparente:
6.2.1. REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
Por definición, el factor de potencia en circuitos de corriente alterna esta determinado por el cociente de la potencia activa entre la potencia aparente:
Donde: FP = Factor de Potencia ;P = Potencia Activa ;S = Potencia Aparente. Triángulo de Potencias El triángulo de potencias consiste en tres valores Potencia Aparente, kVA; Potencia Activa, kW y Potencia Reactiva, kVAr; arreglados en un triángulo rectángulo: Figura #6.1: triangulo de Potencias
Donde el angulo Θ formado entre Potencia Aparente (kVA), Potencia Activa (kW), se puede determinar de la siguiente forma:
y de la función básica de trigonometría para los triángulos rectángulos:
Cosθ=Cateto adyacente/Hipotenusa. Por lo tanto, tenemos que :
Donde S cumple con la siguiente relación de Pitágoras de los triángulos rectángulos: Donde: S = Potencia Aparente; P = Potencia Activa ;Q = Potencia Reactiva.
Recordemos que los parámetros que mide la compañía suministradora son: potencia activa y potencia reactiva. 42
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Analogías Para una mejor comprensión del concepto de factor de potencia se presentan las siguientes analogías. Se tiene un tarro de cerveza, ver figura# 6.2, que representa la potencia aparente (VA o kVA), la espuma representa la potencia reactiva (VAr o kVAr) y la cerveza representa la potencia real (W o kW), en esta analogía el factor de potencia es la razón de la cerveza y la espuma. Figura # 6.2: Analogía del Factor de Potencia con un Tarro de Cerveza
La segunda analogía es la de un caballo, ver figura #6.3, que esta jalando por la vía del tren un carro, el caballo se encuentra a un cierto ángulo con respecto a las vías, entonces la fuerza de empuje del caballo es la potencia total, el esfuerzo de tracción que mueve al carro es la potencia real y el empuje lateral que no efectúa trabajo real es la potencia reactiva. Figura #6.3: Analogía del Factor de Potencia con un Caballo Jalando un Carro
43
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6.2.2. DESVENTAJAS PROVOCADAS POR UN FACTOR DE POTENCIA BAJO Las cargas eléctricas pueden consumir potencia reactiva en tal magnitud que afectan al factor de potencia de una instalación, a demás de un incremento en la corriente total I, se tienen serios inconvenientes, no solo para el usuario sino también para la compañía suministradora, a continuación se muestran algunas de estas:
Incremento En La Facturación De La Energía Eléctrica Debido a que un bajo factor de potencia significa energía desperdiciada y afecta la utilización del sistema de distribución eléctrico, en algunos países, México por ejemplo, las empresas suministradoras de energía, ofrecen una reducción o bonificación en la facturación eléctrica por una alto factor de potencia (mayor de 90%) e imponen una penalización o recargo por bajo factor de potencia (menor de 90%), donde la bonificación no será mayor de 2.5% de la facturación eléctrica y el recargo no será mayor del 150%, la formulación para determinar los porcentajes aplicables estas descritas en un capitulo anterior. En Nicaragua, la legislación aun no aplica este caso. 6.3. PÉRDIDAS EN LA CAPACIDAD DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS El tamaño de los conductores se diseñan para un cierto valor de corriente y, para no dañarlos son operados en un rango aceptable por debajo del límite. El exceso de corriente producida por un bajo factor de potencia, ver f igura #6.4, puede obligar a utilizar conductores de mayor diámetro. Figura #6.4: Reducción de la Corriente Eléctrica por Corrección del FP
Deficiencias en la regulación de voltaje Como exceso corriente está circulando por los conductores de electricidad; el voltaje disminuye en consecuencia. Compensación Del Factor De Potencia.
44
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6.4. FORMAS DE EVITAR UN FACTOR DE POTENCIA BAJO Para evitar que se incurra en un bajo factor de potencia la empresa debe de hacer lo posible por evitar la demanda excesiva de potencia reactiva: Selección Correcta De Motores Eléctricos La correcta selección en velocidad, a mayor velocidad el factor de potencia es mayor, numero de fases y tipo de motor para la utilización en una aplicación trae como consecuencia un aumento en el factor de potencia
Aumento de carga de los motores eléctricos Al operar a una mayor carga los motores aumentan su factor de potencia, tal como lo muestra la Figura # 6.5.
Figura #6.5: Relación en1tre Porcentaje de Carga y del Fp
Reparación de los motores quemados Una reparación de deficiente de un motor eléctrico trae como consecuencia, además de una perdida en eficiencia, una disminución del factor de potencia, por lo que es necesario que la empresa conozca la calidad y forma de reparación de motores de sus talleres. Equipos Para Compensar El Factor De Potencia Los equipos más frecuentemente usados para compensar el factor de potencia son básicamente: 45
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Capacitores de potencia Debido a su bajo costo, mantenimiento casi nulo y la capacidad que tienen para ensamblarse entre si, hacen de los capacitores, la forma mas práctica y económica para mejorar el factor de potencia. Los capacitores se pueden agrupar en bancos o unidades ya sean fijas o automáticos (conmutables) y se instalan en paralelo con las cargas inductivas. Las unidades automáticas son frecuentemente usadas en los casos donde el factor de potencia presenta grandes variaciones, pero en general las unidades fijas son las de mayor popularidad en la industria.
6.5. TIPOS DE COMPENSACIÓN Ya conocemos que la forma más económica y sencilla para compensar el factor de potencia son los capacitores, ahora bien, ¿donde los instalo?, ¿En el transformador principal?, ¿Del lado de alta o baja tensión?, ¿En las cargas inductivas?, O ¿en grupos de cargas inductivas?. Estas preguntas serán respondidas dependiendo de las necesidades de cada instalación de cada instalación, el caso ideal sería emplazar los capacitores junto a cada carga inductiva, pero debido al costo se opta por soluciones más económicas. A continuación se muestran los 3 tipos de compensación que existen: Individual Es considerada en los casos de motores de mediana y gran capacidad, ver figura #6.6, que tengan funcionamiento continuo, de tal manera que el factor de servicio de los capacitores sea alto. Figura #6.6: Compensación Individual
En estos casos hay que cuidar que la potencia capacitiva no exceda la potencia reactiva de los motores para evitar posibles sobrevoltajes en las líneas de tensión.
Compensación En Grupo Este tipo de compensación es aplicable cuando se tienen cargas de un ciclo de trabajo semejante y se pueden agrupar en lotes de cargas, ver figura #6.7. 46
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 6.7: Compensación en Grupo
Compensación Central La compensación se puede hacer de forma centralizada donde todas las cargas son compensadas por un banco único de capacitores de potencia, ver figura #6.8, esta opción mejora el voltaje pero no reducen las pérdidas por efecto Joule. Este tipo de compensación se pude colocar en el lado de alta o baja tensión, si son colocados en el lado de alta tensión, aunque son más económicos , no se libera la capacidad utilizada por los kVAr de los transformadores. Figura # 6.8: Compensación Central
47
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6.6. CÁLCULO DE LA COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Calculo del factor de potencia en una empresa Para calcular el factor de potencia total de una empresa es necesario remitirse al historial de facturaje eléctrico (recibos de energía eléctrica) de por lo menos seis meses atrás, con estos se toman los valores del consumo total (suma del consumo en base, intermedia y punta) de electricidad y los Kvarh que son incluidos a partir de la tarifa con cargo por factor de potencia, con estos se realiza un promedio y se calcula el FP a partir de la formula:
Donde: FP = Factor de Potencia; P = Consumo total Activo, kWh ;Q = Consumo Reactivo, kVArh.
Si se tiene la idea de que el factor de potencia puede tener grandes variaciones, entonces se procede a conectar un equipo de monitoreo constante que nos permita realizar la medición de la potencia, tensión y corriente (o del factor de potencia directamente) de las líneas de alimentación, ver figura#6.9, después del transformador para determinar si se justifica el gasto de un banco de capacitores automático y corroborar lo observado en la facturación eléctrica.
Figura # 6.9: Factor de Potencia en el Tiempo
6.7. CÁLCULO DE LA POTENCIA CAPACITIVA PARA AUMENTAR EL FACTOR DE POTENCIA. Una vez conocido el factor de potencia: es menor de .90; si la respuesta es si entonces para evitar ser penalizado con recursos económicos (dinero) por parte de la empresa suministradora, necesitamos realizar el cálculo que nos determine la capacidad necesaria 48
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
de los capacitores para contrarrestar la potencia reactiva, esto implica hacer ecuación con funciones trigonométricas: Donde: KVAr del banco = Potencia de los capacitores a instalar, en kVAr KW = Demanda, en kW ; FP actual = Factor de potencia actual, en fracción FP deseado = Factor de potencia deseado, en fracción Afortunadamente se han construido tablas, como la que se muestra en la tabla #6.1, las que nos facilitan encontrar el valor de los capacitores multiplicando la potencia activa, kW, por el factor indicado para llevar de un factor de potencia bajo a uno deseado. Por ejemplo supongamos que se tiene una carga de 1000 kW con un factor de potencia de 0.72, s e desea aumentar el factor de potencia hasta 0.95. de la tabla 1 de terminamos que el factor multiplicativo es 0.663, por lo tanto la potencia de los capacitores es 1000*0.663= 663 kVAR. La Tabla#6.1, es solo un arreglo de funciones trigonométricas, está incluida en algunas publicaciones relacionadas al tema del factor de potencia. La primera columna de la izquierda muestra el factor de potencia actual, el cual se puede obtener de los recibos de facturación. El factor de potencia puede variar de mes a mes por lo que es conveniente obtener un promedio de éstos. En la parte superior, en el primer renglón, se tiene el factor de potencia que se desea alcanzar. Es muy fácil determinar los kVAR necesarios para incrementar el factor de potencia.
Tabla # 6.1. Incremento del factor de potencia* (Fuente: General Electric GEP-390A) 49
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
50
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
6.8. PRECAUCIONES AL AUMENTAR EL FACTOR DE POTENCIA Sobre voltajes Armónicas y Capacitores En las instalaciones donde exista una gran cantidad de equipos que produzcan armónicas, tales como: rectificadores, convertidores de frecuencia, hornos de inducción, etc.; deben de tomarse medidas que prevengan el efecto de resonancia que puede acarear problemas de altos voltajes y de sobre intensidades que pueden destruir el capacitor y afectar las instalaciones de manera nega tiva.
Donde : fo = frecuencia de resonancia; f = frecuencia de la red ; Pcc = Potencia de corto circuito; Pc = Potencia capacitiva. Por otra parte una armónica elevada provoca una sobre intensidad que puede destruirlo ya que la impedancia es inversamente proporcional a la frecuencia:
Xc = 1/2πfC. Para evitar estos problemas existen dos soluciones:
Reactancias de Choque o antirresonancia: Consiste en intercalar con el capacitor una reactancia, que no pueda generar peligro alguno con alguna armónica, alejándose del punto de resonancia de la instalación. Esta solución únicamente protege al capacitor pero no elimina las armónicas.
Filtros: Las corrientes armónicas son absorbidas en mayor parte por el filtro quedando en la red solo una parte de ellas.
7. AHORRO DE ENERGÍA EN MOTORES ELÉCTRICOS 7.1. USO RACIONAL DE ENERGÍA El uso racional de energía en los motores eléctricos quiere decir que se utilicen solo el tiempo que sea necesario de acuerdo a las condiciones de producción, es muy común encontrar motores trabajando en vacío. Para reducir el consumo de energía eléctrica se pueden utilizar controles para apagar los motores cuando estos no sean necesarios. Cuando se utilizan correctamente los controles de los motores se disminuye considerablemente el consumo de energía. 51
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Los operadores de equipos grandes creen que si apagan y prenden muy seguido el motor este incrementará la demanda medida por ENEE. Esto no es cierto ya que en una de las publicaciones de NEMA (National Electrical Manufacturing Asotiation) sobre la operación de motores indica que existe un cierto número de arranques permitidos para varios tamaños de motores y además muestra también el mínimo tiempo permitido entre los arranques. A continuación se presenta la Tabla #7.2 con los valores máximos de arranques por hora y el mínimo tiempo que tendría que estar apagado un motor de 1,800 RPM diseño B.
Tabla # 7.2: Número de Arranques Permitidos y Mínimo Tiempo entre Arranques
7.1.1 AJUSTAR LA VELOCIDAD DE OPERACIÓN DEL MOTOR Está es una de las oportunidades de ahorro de energía más importantes y que se puede aplicar con el mismo personal de la planta y con simples modificaciones a los diámetros de poleas de ventiladores, extractores, sopladores y agitadores o de impulsores en bombas centrífugas. En cargas centrífugas un pequeño cambio en la velocidad del motor a plena carga se transforma en un significativo cambio en el consumo de energía. Las Leyes de Afinidad de los ventiladores muestran que la potencia demandada por el motor varia al cubo de la velocidad de rotación y en contraste el flujo de aire varia linealmente con la velocidad. Un incremento de 20 RPM en la velocidad del motor por ejemplo de 1,740 a 1,760 RPM resulta en un incremento de 3.5% en la potencia que tiene que entregar el motor. Un incremento de 40 RPM solo aumentara el flujo de aire 2.3 % pero incrementará el consumo de energía un 7%.
Leyes de Semejanza (o Afinidad)
52
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
7.1.2 MEJORAR EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA 7.1.2.1 Ajustar el Voltaje de Alimentación al Motor El voltaje del motor debe mantenerse lo más cercano posible al valor indicado en la placa con una desviación máxima del 5%. Si el motor es operado a un voltaje inferior al de placa, digamos un 10%, el motor incrementará la corriente para producir el par requerido por la carga. Esto causara un incremento en las pérdidas del tipo I2R. Debido a estas pérdidas se incrementa la temperatura del motor, lo que reduce enormemente la vida del aislamiento y por lo tanto la del motor. Las variaciones de voltaje mayores al 10%, provocan que disminuya en gran medida la eficiencia, el factor de potencia, el par y el tiempo de vida del motor. Esta anomalía puede corregirse ajustando las derivaciones (TAB’s) del transformador. En la Figura #7.1 se muestran los efectos sobre la operación de un motor al operar a un voltaje diferente al de diseño.
Figura #7.1: Efectos de la Variación de Voltaje en el Funcionamiento del Motor 53
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
7.1.2.2 Corregir el Desbalanceo de Voltaje Otro aspecto importante en la operación eficiente de un motor, es el desequilibrio o desbalanceo entre las magnitudes de voltaje de cada fase. El porcentaje de desequilibrio se expresa por medio de la relación.
DV(%) = 100% (máxima desviación respecto al valor promedio del voltaje) Voltaje promedio Por ejemplo tenemos las siguientes mediciones en cada una de las fases: 462 V, 463 V y 455 V.
El voltaje promedio es 460 V La máxima desviación con respecto al valor medio es: El valor máximo de : (Máximo - Promedio) o el (Promedio - Mínimo) 463 - 460 = 3 V ; 460 V - 455 V = 5 V , donde el valor máximo es 5V
El desbalanceo de voltaje es = (5 V / 460 V) X 100 = 1.1% La eficiencia del motor se reduce en forma notable a medida que aumenta el desbalanceo de voltaje. Por ejemplo un desbalanceo del 3.5% se traducirá en un aumento en las pérdidas de aproximadamente un 20%, con el consiguiente incremento de temperatura. Desbalanceo superiores al 5% indican un serio problema.
54
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
A continuación se presentan algunas de las causas que ocasionan el desbalanceo:
Un circuito abierto en el lado primario del sistema de distribución. La distribución no uniforme de cargas monofásicas sobre un mismo sistema de alimentación. Fallas en la operación de los capacitores automáticos. Que el equipo se encuentre demasiado lejos del transformador. Un circuito abierto en el sistema primario de distribución.
Esta es una de las principales causas por las que se queman los motores. Cuando el desbalanceo sea superior al 1% es necesario corregir las causas, y cuando sea superior al 3% hay que actuar rápidamente ya que el motor se puede quemar. Un desbalanceo de voltaje de un 2% requiere tomar de tomar un factor de ajuste de 0.95, este es un factor multiplicativo y cada uno de los parámetros de operación del motor se verán afectados por este valor. Por ejemplo si la eficiencia es de 88%, con este desbalanceo será de (88) (0.95) = 83.6% Figura # 7.2: Grafico del Factor de Ajuste por desbalanceo de Voltaje
7.1.3 OPERAR EL MOTOR EN SU CARGA NOMINAL Pocos motores operan a su carga nominal, por lo que la eficiencia, el factor de potencia y la corriente de placa no son aplicables, toda vez que estos valores se toman para condiciones de "carga plena" o "nominal".
55
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Los fabricantes tienen disponibles para los usuarios las curvas características de los motores, en donde se muestra como varía la eficiencia y el factor de potencia con la carga a la que trabaje el motor. En algunos catálogos se indican los valores de eficiencia al 25, 50, 75 y 100% de carga. La eficiencia tiene poca variación desde el 50% hasta el 100% de la carga nominal, y comienza a disminuir a partir de 40% de carga.
Figura # 7.3: Variación de la Eficiencia con el Porcentaje de Carga
56
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
7.1.4 COMPRAR UN MOTOR DE ALTA EFICIENCIA Existen en el mercado motores de los denominados de "Alta Eficiencia", los cuales tienen un incremento de 6.0% de eficiencia para los motores menores a 50 hp, y de un 2 al 3% de incremento para los motores mayores a 50 hp. El costo se incrementa en un 20 a 30% con respecto a los motores estándar, pero este incremento en precio se paga rápidamente con los ahorros de energía. Hasta hace algunos años, el costo inicial era el factor más importante al seleccionar un motor de características dadas entre los fabricantes reconocidos por la confiabilidad y disponibilidad de sus productos.
Solía dejarse a un lado consideraciones como la del costo de operación, que depende de la eficiencia, lo cual es comprensible por el bajo costo de la energía en ese entonces y porque en la industria la energía eléctrica representaba un porcentaje pequeño del valor total de sus costos de producción. La cantidad de dinero que se ahorra por la compra de un motor de alta eficiencia, en lugar de un estándar, depende de, la capacidad del motor, las horas al año de operación, el Porcentaje de carga, el incremento de la eficiencia y el costo de la energía eléctrica en su empresa. Determinación de las Horas de Operación. El ahorro de energía eléctrica es directamente proporcional al número de horas de operación. Es necesario determinar el número de horas de operación del motor por turno, día y año. Determinación de la Energía Ahorrada. Un motor de alta eficiencia consume menos energía eléctrica para proporcionar la misma energía mecánica que un motor estándar. La diferencia de eficiencia determina los kW ahorrados. Por medio de la siguiente ecuación se puede calcular el ahorro, al comparar la compra de un motor de alta eficiencia contra la compra de un motor estándar, que operarán a la misma carga pero con diferente eficiencia: kW ahorrados = hp x L x 0.746 x ( 100/E estándar - 100/E alta eficiencia)
Donde: hp = Potencia Nominal del Motor; L = Porcentaje de Carga; E est. = Eficiencia del motor estándar bajo condiciones de trabajo E alta eficiencia = Eficiencia del motor de alta eficiencia bajo condiciones de trabajo El ahorro anual de energía será: kWh ahorrados = kW ahorrados x horas anuales de operación
Con el ahorro en la demanda calculado y los cargos por demanda y consumo dependiendo de la tarifa eléctrica, se pueden calcular los costos anuales de operación ahorrados por medio de la siguiente ecuación: 57
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
(kWahorrados x 12 mes / año x cargo mensual por demanda ) + + (kWhahorrados x cargo por energía consumida) Las ecuaciones se aplican cuando los motores operan a carga constante. En casos de variaciones, se puede aplicar las ecuaciones para cada período en el que la carga es aproximadamente constante, el ahorro total será la suma de los ahorros en cada período. La energía ahorrada depende del tamaño del motor y el incremento en eficiencia entre el motor de alta eficiencia y el motor estándar instalado.
Debido a la mejora en el diseño y al uso de materiales de alta calidad, el costo de los motores de alta eficiencia es de un 20 al 30% mayor que el de un motor estándar. En muchos casos los ahorros en el consumo de energía permite amortizar el sobreprecio inicial en un tiempo muy corto. Para determinar la factibilidad económica de instalar un motor de alta eficiencia, se evalúan los ahorros con relación a la diferencia en los costos. La mayoría de los gerentes de plantas industriales requieren que el tiempo de recuperación de la inversión menor a dos años. El tiempo de recuperación se define como el período requerido para que el ahorro obtenido sea igual o mayor a los costos de la inversión. Para la compra o reemplazo de un motor que se ha quemado o al término de su vida útil, el tiempo de recuperación asociado a la compra de un motor de alta eficiencia, en 58
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
lugar de uno estándar, es igual al sobreprecio entre los costos totales ahorrados al año. Periodo de recuperación para una nueva adquisición PR = Diferencia en el Precio entre el motor de alta eficiencia y el estándar Ahorros anuales
Para el reemplazo de un motor en buen estado el tiempo de recuperación será la relación de los costos de compra e instalación a los ahorros anuales que se obtienen. Generalmente el período de recuperación será mayor a cuatro años, si el motor se encuentra operando a una eficiencia y factor de carga normal. Periodo de recuperación para el reemplazo PR = Costo del nuevo motor + costo de la instalación Ahorros totales anuales
8. REEMPLAZO DE MOTORES ESTÁNDAR POR MOTORES DE ALTA EFICIENCIA A continuación se presenta un ejemplo de evaluación con los ahorros de energía eléctrica que se pueden tener al reemplazar un motor estándar que se encuentra trabajando en condiciones normales, por otro de alta eficiencia. A continuación se presentan en tabla #8.1, los cálculos por reemplazar cada uno de los motores estándar (1,800 RPM Totalmente Cerrados) por motores de la misma capacidad, pero de alta eficiencia. Para hacer este ejercicio se considero que el motor estándar se fabrico en México y por lo tanto se toma el valor que se presenta en la Norma de Eficiencia Energética para motores de inducción hasta 200 hp. Para el motor de alta eficiencia se tomo el valor promedio de los principales proveedores. Se calculo el porcentaje de ahorro en demanda por sustituir un motor estándar que se encuentra trabajando en promedio al 75% de carga y los resultados varían del 9.82% para los motores pequeños hasta un 5.46% para el motor más grande.
59
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla #8.1: Reemplazo de Motores Estándar por Motores de Alta Eficiencia
Tabla # 8.2: Reemplazo De Un Motor (Procedimiento De Evaluación) 60
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
61
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #8.1: Costo de operación de un motor durante su vida útil
Figura # 8.2: Período de Recuperación del Costo Adicional del un Motor de Alta Eficiencia
62
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
9. CONVERTIDORES DE FRECUENCIA 9.1 INTRODUCCIÓN La historia del convertidor de frecuencia es relativamente corta, pues apenas en 1970 se experimentaba con los primeros equipos, y fue en 1974 cuando salió al mercado el primer convertidor de frecuencia a bajo costo, pero todavía con serias deficiencias; en 1982 ya se encontraba en el mercado el primer convertidor de frecuencia especial para la aplicación de bombas y ventiladores.
9.2 APLICACIONES DE LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA El propósito de un convertidor de frecuencia es el de controlar la velocidad y/o el par en un motor eléctrico. Sería imposible mencionar todos los motivos por los cuales se puede necesitar un control de la velocidad o de par. Sin embargo, se pueden, clasificar las razones por las que se usa un convertidor de frecuencia, en dos grandes campos: las necesarias y las benéficas. Necesarias. Algunas aplicaciones requieren controlar la velocidad y el par. Simplemente no hay otra manera razonable de operar el equipo que controlando la velocidad o el par. Independientemente de los costos o el mantenimiento. Ahorro de Energía. Algunas aplicaciones pueden operar bien sin control de velocidad. Esto significa que debe de haber un incentivo económico para controlar la velocidad y esto es el ahorro de energía eléctrica. Par variable. Estas son aplicaciones en las cuales el par cambia de forma no lineal con respecto a la velocidad. Usualmente, el par variable se atribuye a equipos que manejan fluidos para los cuales el par cambia con el cuadrado de la velocidad. Bombas, ventiladores, sopladores compresores centrífugos, son ejemplos comunes de la aplicación de par variable. Par constante. Estas aplicaciones tienen un par que no cambia con la velocidad. Los compresores de tornillo son un ejemplo de este tipo de aplicación. En cualquier sistema de presión, el par requerido para ejercer esta presión es fijo, y la velocidad puede ser modulada para controlar de capacidad de flujo.
Potencia constante. Esta aplicación muestra un perfil inverso de velocidad-par. A medida que se incrementa la velocidad, el par disminuye. La velocidad más baja suministra el par máximo. Ejemplos son: el motor de tracción y las maquinasherramientas. La velocidad de los motores de inducción de corriente alterna trifásicos es depende de 2 factores exclusivamente: la frecuencia y el número de polos y la fórmula que los rige es la siguiente: RPM = 120 x f (HZ) No. de polos En un motor las características de fabricación como el numero de polos no se pueden cambiar sin tener que cambiar el motor; por lo que la única manera de modificar la velocidad de un motor de inducción corriente alterna es con la variación de frecuencia; y esto se logra a través de un convertidor de frecuencia; y como se puede apreciar en la formula la variación de velocidad será proporcional a la variación de la frecuencia. La variación de la frecuencia se logra por un sistema electrónico de potencia donde la señal de voltaje y corriente alterna se rectifica en primera instancia, se filtra y se suaviza por medio de capacitores y filtros de corriente directa. 63
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Ya una vez modificada y filtrada la corriente directa se invierte de nuevo a corriente alterna con la frecuencia deseada para el motor a través del modulo de inversor.
Figura # 9.1: Sistema Motor – Convertidor de Frecuencia
9.3 ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA ¿Tiene sentido el utilizar un convertidor de frecuencia? ¿Es necesario o cuando menos benéfico para el sistema? La respuesta puede depender de los cálculos para determinar el ahorro de energía u otros beneficios como mejorar la calidad del producto o el incremento en la producción. Regularmente, la compra de un convertidor de frecuencia se puede justificar económicamente con los ahorros de energía.
9.3.1 Instalación de un Convertidor de Frecuencia Se requiere de un cierto grado de inteligencia para instalar un variador de velocidad. La ingeniería debe estar integrada en un informe o de una manera formal mediante esquemas y especificaciones de la instalación. El grado de ingeniería requerido depende del tamaño y de la complejidad en la instalación del convertidor de frecuencia. El intentar instalar un convertidor de frecuencia sin planeación o inadecuada ingeniería, ocasiona problemas.
64
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #9.2. Control del Flujo con el Convertidor de Frecuencia
Figura #9.3: Sistemas de Torres de Enfriamiento
65
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura#9.4: Regulación de Presión
9.4 Análisis Energético Un motivo fundamental para la instalación de los convertidores de frecuencia es el gran potencial de ahorro de energía. Un convertidor de frecuencia puede ahorrar energía, pero es importante comprender por qué se obtiene dicho ahorro. La potencia es el producto de la velocidad de la flecha del motor y el par de la flecha. Por lo tanto, reduciendo una de las dos variables por consecuencia se reduce el consumo de energía. El grado en el cual se puede reducir la velocidad y el par, indica cuanta energía puede ahorrarse. Los equipos que manejan fluidos (bombas y ventiladores) regularmente son los candidatos para ahorrar energía por que debido a que la velocidad de estos mecanismos muchas veces se puede reducir en un 50% o más sin efectos negativos al proceso.
66
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Para sistemas de fluidos simples aplica la ley cúbica; reduciendo el flujo en un 20 %, se reduce el consumo de energía en un 49 %. En las figuras# 9.5 y 9.6 se muestran dos métodos de control de flujo. Figura#9.5: control de Velocidad con Válvula.
Fig. # 9.6: Control de Velocidad con el CF
El método de control No.1 cosiste de un motor eléctrico, bomba y sistema de control. El flujo de fluido deseado se controla con el controlador indicador de flujo (FIC). El flujo se mide con el elemento de flujo y la señal se transmite a la válvula para incrementar o disminuir el valor de operación. Este es un típico proceso de control de flujo usando una válvula de estrangulamiento para controlar el flujo del proceso. El otro método de control tiene un convertidor de frecuencia entre el suministro de potencia eléctrica y el motor. La señal que se usa para controlar la válvula de estrangulamiento ahora se usa para controlar la velocidad del motor y la bomba. El utilizar una válvula para regular el flujo de un fluido consume más energía debido a la resistencia adicional de la válvula, esta operación es comparable a manejar un automóvil con el pedal de aceleración presionado y controlando la velocidad con el freno. El control de velocidad ajusta la velocidad del equipo accionado a los requerimientos de flujo del proceso.
9.4.1 Selección Energética del Convertidor de Frecuencia Es necesario que se conozca lo siguiente (o ser capaz de hacer buenas suposiciones). Tamaño del motor eléctrico a controlar. Tipo de equipo accionado. Horas anuales de operación del motor. 67
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Variación de la carga en el motor. Esta es una cuestión cualitativa que no requiere de recopilar gran información.
9.4.2 Determinar cómo Varía la Velocidad de la Flecha con Respecto al Tiempo. La realización de esta tarea depende del conocer como varía con el tiempo alguna de las variables del proceso (flujo, velocidad, uso de aire, etc.). Para la mayoría de las aplicaciones de ahorro de energía, la variable es la razón de flujo de fluido, puede ser líquido o gaseoso. La relación de flujo contra tiempo es necesaria para la construcción del ciclo de operación de la carga. Es una lista de las horas de operación anuales utilizadas en cada condición de flujo. La información del ciclo de operación de la carga puede representarse por una tabla o en un histograma. (Ver Figura # 9.7) Figura #9.7: ejemplo del ciclo de operación de la Carga
Muchas veces un proceso no opera con flujos específicos, pero varía continuamente en un intervalo de condiciones de flujo. En éste caso, es práctica común el definir algún número arbitrario de “intervalos” de flujo, semejando la operación dentro de algún intervalo tomando en cuenta lo que ocurre en el punto medio de dicho intervalo.
9.4.3 Ciclo de Operación de la Carga El diagrama del ciclo de operación de la carga, flujo vs. tiempo, es el punto más importante a determinar. También es el más difícil de obtener. El mejor caso será cuando se disponga de los datos históricos de operación “típica” para varios días o semanas. Esta puede ser en forma de tabla de lecturas por horas, tomadas por un 68
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
operador, por un sistema de control digital. Sí se dispone de esta información sólo queda el verificar si algunos de estos datos son típicos para un año completo. Por ejemplo: El técnico investiga la aplicación de una bomba de proceso y puede obtener gráficas de tres semanas diferentes para un año. Todas las gráficas muestran que no hay cambio en el perfil de flujo en cada día durante una semana, pero el perfil diario es muy diferente de una semana a la siguiente semana. Una conversación con el ingeniero de proceso y con los operadores, revela que la primera gráfica es típica del producto A, la segunda del producto B, y la tercera del producto C. Además, hay un producto D para el cual el técnico no ha obtenido una gráfica. El técnico tiene que obtener la cuarta gráfica y determinar cuantas semanas se utilizan para cada producto en un año típico. Este dato ya puede ser aceptado como típico de la operación de esa bomba para un año completo. El diagrama del ciclo de operación ya se puede desarrollar definido arbitrariamente de 10 a 15 intervalos de flujo (conteniendo el máximo y mínimo flujo de las gráficas) y contando el número de horas utilizadas en cada intervalo. En ocasiones los datos históricos no están disponibles. La alternativa es menos exacta y habrá que dedicar más tiempo en comparación al de recolectar los datos históricos de flujo. El siguiente paso del historial de datos de flujo es buscar los datos históricos de alguna variable secundaria. En muchos casos es posible realizar cálculos del flujo por medio de presión, temperatura, o la velocidad de alguna parte del equipo asociado. Uno debe estar muy familiarizado con el proceso de transformar una medición secundaria en dato de flujo. Usted mismo puede hacer el historial de datos de operación. Existen medidores de flujo baratos que permiten medir y de igual manera registrar el flujo a través de un ducto. La validez de las mediciones depende del registro de datos para las condiciones típicas de operación del sistema. Por eso, importante conocer muy de cerca cómo son los cambios del sistema en el curso de un año antes de decidir cuándo y cómo hacer registros. Hay situaciones en las cuales el flujo es una variable de modo que no se puede determinar directamente. Este es el caso de ventiladores, en tal situación uno debe contar con una potencia eléctrica leída del motor. Si uno tiene las curvas de eficiencia del equipo apropiadas que el flujo puede ser determinado de esta medición. De nuevo, deben realizarse mediciones para todas las condiciones típicas de operación del sistema, y la duración anual de esas condiciones de operación deben ser conocidas.
69
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura # 9.8: Ciclo de Operación de la carga
9.4.4 Curva del Sistema La curva del sistema describe cómo cambia la presión del sistema (resistencia) con la razón de flujo de líquido. Para todo sistema la fricción involucra pérdidas, la curva del sistema es una gráfica cuadrática que intercepta el eje vertical (presión) de una presión vs. Flujo. El valor de la presión en flujo igual a cero, es igual a la presión estática del sistema. Una vez conocido ese punto, solamente es necesario otro punto para definir la curva cuadrática. Cualquier punto puede servir, es necesario preguntar por el punto de diseño ya que es fácil de encontrar (usualmente señalado en la curva del equipo que es adquirida con la bomba o ventilador). Si el punto de diseño no se conoce (o es susceptible de sufrir cambios), entonces se podría necesitar una medición. La variable a medir es la razón de flujo. La medición debe ser tomada sin otro mecanismo de control de flujo en operación. Por ejemplo, si se usa una válvula de control para controlar el flujo, entonces es indispensable abrirla completamente cuando se tome la medición.
9,4.4.1.Válvula de Control. P1 y P2 son las curvas de la bomba, estas las proporciona el fabricante y S1 y S2 son las curvas del sistema y dependen del sistema de bombeo. Si utilizo la válvula de control para regular el flujo, el punto de trabajo se moverá por la curva S1 hasta S2 por la curva P1. La cabeza (presión) cambia simultáneamente de H1 hasta H2s. (ver figura 9.9).
9.4.4.2. Control de velocidad El punto de trabajo se mueve desde la curva P1 a lo largo de la curva del sistema S1 la curva de la bomba de menor velocidad P2.
70
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #9.9. Curva del Sistema con y sin Convertidor de Frecuencia
La presión decrece desde H1 hasta H2p. El requerimiento de potencia de bomba es: P= (Q x H x g x ρ) / n Donde ρ, g y n pueden ser considerados como una constante K. Entonces el uso de la formula es más simple y queda expresada como sigue: P= K x Q x H Nosotros la usaremos ahora para ver dentro del diagrama de suministro de energía que es proporcional al área de el rectángulo Q x H. Control regulador de flujo Ps = k x Q2 x H2s y El control de velocidad Pp = k x Q2 x H2p. 9.4.5 Curva del Equipo La curva del equipo (por ejemplo: “curva de bomba” o “curva de ventilador”) describe la capacidad del equipo como una variable de presión de salida con respecto a alguna razón de flujo específica. Esta curva se debe obtener del fabricante del equipo.
71
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #9.10: Curva Típica de una Bomba
Las curvas siempre son proporcionadas junto con el equipo. Antes de contactar con el vendedor, es aconsejable que corrobore la disponibilidad de la compra, la ingeniería y registros de mantenimiento del equipo y la facilidad con que el equipo será instalado.
Figura #9.11. Determinación de la Curva Q-H para la Bomba y el Sistema
72
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
9.5 Ventiladores Existen varios dispositivos mediante los cuales es factible controlar el flujo en los ventiladores. El más usual es el control por damper el cual consume una gran cantidad de energía. Otro de ellos resulta al controlar las paletas de aspiración, lo cual nos da el 80% de circulación máxima este se conoce comúnmente como ¨Inlet Vanes¨, por ultimo esta el control de velocidad. Al emplear el control de velocidad en ventiladores grandes se logran sustanciales ahorros de energía. En un sistema en el que la presión es proporcional al cuadrado de la circulación de aire, la eficiencia del ventilador permanece constante para cualquier velocidad. La energía consumida por el motor esta basada en la ley de los ventiladores descrita anteriormente y que dice ¨ La energía es función del cubo de la velocidad, de tal forma que el control de la velocidad es sumamente ventajoso cuando se trabaja con circulación reducida ¨ Los métodos generalmente utilizados para variar el volumen de aire en los ventiladores se enlistan a continuación.
Ventilador con inclinación hacia atrás y dámper a la descarga Ventilador de aspas aerodinámicas o ventilado con inclinación hacia atrás y paletas interiores. Ventilador con curvatura el frente y damper a la descarga. Dispositivos de velocidad ajustable (clutch) Convertidor de frecuencia y motor de Corriente Alterna.
No se debe malgastar energía para sobreponerse a las contrapresiones innecesarias. A continuación mostramos una gráfica de potencias contra velocidades de los diferentes sistemas de control de caudal. Figura #9.12. Gráfica de Comparación de Eficiencia
73
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla #9.1: Porcentajes de Ahorros con Diferentes Métodos de Control de Volumen considerando un 60% de Flujo Método Máximo Ahorro Ventilador con inclinación hacia atrás y 13% dámper a la descarga. Ventilador de aspas aerodinámicas o ventilado con inclinación hacia atrás y paletas interiores.
36%
Ventilador con curvatura al frente y dámper a las 48% descargas. Dispositivos de velocidad ajustable. (clutch) 50% Variador de frecuencia y motor de CA. 78% 9.5.1 Relación entre la Velocidad del Fluido y la Demanda de Energía La potencia eléctrica que demandará un motor en una manejadora de aire depende básicamente del flujo, la presión y la eficiencia del ventilador. El único trabajo del ventilador es vencer la fricción del ducto. La eficiencia del ventilador es prácticamente la misma a todas las velocidades, la potencia del ventilador será proporcional al flujo y a la presión, pero estás dos variables dependerán de la velocidad del ventilador. HP = QP = 6,354 N HP = potencia del ventilador Q = Flujo (pies3/minuto) P = Caída de presión (pulgadas de agua) N = Eficiencia del ventilador Para conocer el flujo utilizamos la siguiente ecuación: Q = VA V = Velocidad promedio del fluido (pies/seg) A = Área de la sección transversal del ducto (pies2) Para conocer la presión en el ducto se utiliza la siguiente ecuación: P = FLV2/2Dg F = Factor de fricción de Moody. L = Longitud del ducto. (pies) D = Diámetro equivalente del ducto. (pies) G = constante gravitacional. (32.2 pies/seg2) Sustituyendo estos valores en la primer ecuación, tenemos. HP = (VA)[FLV2/2Dg] 6,354 N HP = AFLV3/2Dg 6,354 N En esta ecuación se aprecia que el consumo de energía del motor depende con el cubo de la velocidad, duplicar la velocidad incrementar la potencia eléctrica en ocho veces más (2)3 =8. Leyes de Afinidad Considerando que todas las variables de esta fórmula permanecen iguales como los es el área y diámetro de los ductos, el factor de fricción, y la eficiencia y solo varía la velocidad para determinar la variación en la demanda de energía eléctrica. La velocidad es directamente proporcional a las RPM del motor, entonces al variar las RPM con un convertidor de frecuencia podremos reducir el consumo de energía del motor. 74
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Comparemos la relación entre el consumo de energía y la velocidad de la flecha
Para conocer la potencia cuando se cambia la velocidad utilizaremos la siguiente ecuación: hp2 = hp1 [RPM2]3 [RPM1]3 9.5.2 Ejemplo de Ahorro de Energía en Ventiladores El ventilador transmite energía al sistema por medio de fuerza centrifuga. Esto da como resultado un incremento en la presión y por lo tanto flujo del aire en la manejadora. La mayoría de los sistemas requieren de varios puntos de operaciones. Existen actualmente varios métodos para cumplir con estos requerimientos, a continuación evaluaremos los dos siguientes: Compuertas a la salida del ventilador. Variadores de Velocidad.
Figura #9.13: Potencia/Flujo en la Compuertas a la Salida de los Ventiladores.
Figura #9.14: Curva del Sistema + Ventilador.
75
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Compuertas a la Salida del Ventilador : Este arreglo afecta la curva del sistema incrementado de la resistencia al flujo del aire. La curva del sistema incrementando la resistencia al flujo del aire. La curva del sistema es una función que se puede establecer como: P= K X (CFM)² P = Presión requerida para producir un flujo dado en el sistema. CFM = es el flujo de aire deseado (ft3/min.) K = las compuertas afectan K veces la Formula del sistema. Figura #9.15: Curva de Flujo con Compuertas.
Convertidores de Frecuencia Cuando las leyes de flujo y presión son combinadas el resultado es una formula que es igual a la formula del sistema: P= K x (CFM)² P2 = P1 x (N2/N1)² Q2/Q1 = N2/N1 => (Q2/Q1)² = (N2/N1)² Sustituyendo (Q2/Q1)² por (N2/N1)² en la primera ecuación, nos queda: P2=P1 x (Q2/Q1)² o P2= (P1/(Q1)²)x (Q2)² La cantidad P1 / (Q1)² coincide con la constante del sistema, K. Esto muestra que cuando la velocidad del ventilador cambia, entonces las curvas del sistema deberán cambiar también. Figura#9.16 Curva de Flujo con Variador de Velocidad
76
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #9.17: Curva de Potencia/ Flujo con Variador
10. AHORRO DE ENERGÍA EN ILUMINACIÓN
10.1 Conceptos Técnicos Básicos Iluminancia: Cantidad de luz que llega a un plano determinado, se mide en luxes Luminancia: Cantidad de luz reflejada por una superficie en todas direcciones Intensidad: luminosa Cantidad de luz que emite una fuente luminosa se mide en lúmenes Eficiencia Luminosa: La cantidad de luz que emite una fuente luminosa por unidad de energía, se expresa en lúmenes por Watt (LPW) Luminaria: dispositivo que filtra, distribuye y dirige y controla la radiación luminosa, procedente de las fuentes de luz protegiéndolas y conteniendo los elementos necesarios para la conexión de las mismas a la corriente de la línea. Balastro: dispositivo electromagnético y /o electrónico que controla las características eléctricas de encendido y operación de las lámparas de descarga necesarias para su correcto funcionamiento.´ Difusor: Dispositivo que sirve para modificar la distribución espacial del flujo luminoso radiante y que depende esencialmente del fenómeno de la difusión. Reflector: Parte del luminario Diseñado para reflejar el flujo luminoso de las lámparas en determinadas direcciones mediante la reflexión. Eficiencia de una Lámpara: Es el flujo luminoso emitido por una lámpara entre la potencia eléctrica (Watt) que requiere para operar, se expresa como lumen/Watt. 77
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Lúmenes Eficacia = -----------------Watt Eficiencia de una Luminaria: Es el flujo luminoso emitido por el conjunto de lámparas que aloja un luminario entre la potencia eléctrica (Watt) que requiere para operar incluidos los balastros, se expresa como lumen/W. Lúmenes Eficaci a = -----------------Watt Temperatura de Color (CCT): La temperatura de color también se define como la tonalidad de la luz que genera la fuente luminosa se mide en grados K .Las lámparas incandescentes tienen una baja temperatura de color (2,800 K) denotada por un tono rojo-amarillo; las lámparas luz de día poseen alta temperatura de color (aproximadamente 6,000 K) y aparecen como azulado. En la actualidad el fósforo usado en lámparas fluorescentes puede graduarse para proveer cualquier temperatura de color deseada en el rango de 2,800 a 6,000 K Figura# 10.1. Eficiencia de la L ámpara en Funci ón d el Tipo de Lámpara y Potencia Eléctrica
78
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Luz cálida 2700K a 3500K
Luz fría 4000K a 6500K
Índice de Rendimiento de Color (CRI o IRC: color rendering index): Es una medida que describe la calidad de la reproducción de colores de la luz de una lámpara, debe ser considerada en toda aplicación de iluminación, se mide en una escala del 0 al 100, o en porcentaje. La luz del sol y la luz incandescente tienen un CRI de 100. Es importante saber que los objetos y personas iluminados bajo una luz con alto CRI se ven más naturales, además que el nivel de iluminación se percibe como mayor claridad. En aplicaciones comerciales, las lámparas con alto índice de rendimiento de color hacen que la mercancía sea más atractiva al cliente, la comida sea más apetitosa en los restaurantes y la gente en general luzca mejor, saludable y más natural. En las oficinas se incrementa la productividad del trabajador, se reduce el ausentismo y se disminuye el riesgo de cometer errores. El rendimiento de color, se puede definir también como la capacidad de una lámpara para reproducir los colores verdaderos de los objetos que iluminan.
79
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Figura #10.2: Temperatura de color de algunas lámparas
Foco incandescente = 100; Tubo Fluorescente T12 = 65; Lámpara de Mercurio = 45; Lámpara de Sodio de Alta presión = 21.
10.2 Tipos de Lámparas Las fuentes luminosas o lámparas son aquellos objetos artificiales capaces de emitir radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda visibles para el ojo humano. Las fuentes luminosas artificiales de mayor importancia en nuestra época son las lámparas, estas las podemos clasificar en la siguiente manera:
10.2.1 Lámparas Fluorescentes. La luz de produce debido al fenómeno de fluorescencia por medio de una descarga eléctrica dentro de un tubo cuya longitud es mucho mayor que su diámetro, en una atmósfera de vapor de mercurio a baja presión. La radiación de mercurio en estas condiciones no es visible, por lo que se utilizan polvos fluorescentes, los cuales tienen 80
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
la propiedad de cambiar la longitud de onda ultravioleta del arco a longitudes de onda dentro del espectro visible. Figura #10.3: Representación de una Lámpara Fluorescente
Las lámparas fluorescentes requieren de un reactor o balastro para operar, generalmente los balastros se diseñan para operar a la vez un par de lámparas. Recientemente se han diseñado balastros para operar tres o cuatro lámparas. De acuerdo a su tecnología de arranque las lámparas fluorescentes se dividen en tres grupos: Arranque instantáneo. Arranque Rápido. Arranque programado (escalonado). Estas también reciben el nombre “SLIM LINE”, a la vista se identifican por su casquillo de un solo contacto o pin en cada extremo. Estas lámparas no requieren calentamiento previo ni arrancador, pero requieren de un elevado voltaje de arranque. El balastro enciende las lámparas en serie una después de la otra, una vez encendidas las dos lámparas una parte del balastro deja de operar, en caso de que alguna de las lámparas se funda la otra puede seguir operando, no obstante el balastro sigue funcionando y puede recibir daños de gravedad. Figura #10.4: Lámpara Fluorescente de Arranque instantáneo
Arranque rápido: Las lámparas encienden en forma suave y con un ligero retardo de hasta dos segundos. El balastro suministra una tensión de arranque menor que en caso Slim Line, no obstante el balastro hace que los cátodos de las lámparas estén permanentemente calientes. La identificación simple de estas lámparas de realiza identificando sus dos contactos o pines en cada uno de los casquillos de sus extremos. Figura #10.5: Lámpara Fluorescente de Arranque Rápido
81
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla # 10.1: Datos de Lámparas Fluorescentes
10.2.2 Lámparas T - 8. Los sistemas denominados T8, son lámparas fluorescentes que poseen las características más avanzadas en calidad y eficiencia. Con un CRI de 85, un flujo luminoso arriba de los 104 lúmenes por watt operando con balastro electrónico y un diámetro de 25mm. , las lámparas T8 son la mejor opción para diseños de iluminación de oficinas, bibliotecas, tiendas, hospitales y otras múltiples aplicaciones en donde sea importante ahorrar energía y tener una iluminación de alta calidad.
Estos productos cuentan con una gran variedad de temperaturas de color para crear ambientes y efectos diferentes. Pueden encontrarse lámparas fluorescentes con un CRI de 85, estas son una excelente opción para oficinas, tiendas comerciales y ap licaciones industriales gracias a su alto CRI.
82
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla 10.2: Especificaciones Tecnológicas
Figura #10.6: Comparación de consumo energía y nivel de luxes
83
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
10.2.3 Lámparas T5 (TL 5 HO) Las TL 5 son lámparas fluorescentes con un diámetro de 16mm, siendo 40% menores que una lámpara fluorescente común TL 80. Las lámparas TL 5 HO fueron desarrolladas para alta eficiencia y miniaturización del sistema. La familia TL 5 HO es indicada para instalaciones que necesitan alto flujo luminoso de las luminarias. Se utiliza un balastro electrónico de alta frecuencia (HF) tipo "cut-off", el flujo luminoso máximo es alcanzado aproximadamente a 35ºC en posición de funcionamiento universal. • Las lámparas TL 5 HO fueron especialmente desarrolladas para funcionar con balastro electrónico. Debido a la alta tensión en la lámpara, la frecuencia de 50 Hz no es recomendada ni aceptada. El tubo es 40% más delgado que las TL 80 cuyo diámetro es de 26mm. Esta lámpara más delgada proporciona a los diseñadores de luminarias más libertad en el diseño de sus productos. • La longitud fue definida para facilitar la instalación en sistemas modulares de techo.
Aplicación Las lámparas TL 5 permiten mayor compactación y sistemas más eficientes. El hecho de ser una lámpara menor y con mayor cantidad de lúmenes hace de la familia TL 5 HO una excelente opción para iluminación arquitectónica y soluciones especiales. El alto flujo es optimizado para sistemas ópticos directo/indirecto en luminarias suspendidas y luminarias de mesa en oficinas, almacenes, restaurantes y áreas de recepción. Además de esto, ellas ofrecen soluciones económicas para iluminación con alturas considerables como en el almacenes, industrias y tiendas de departamentos, bien como en aplicaciones en estantes con efecto.
Beneficios
Un alto flujo luminoso de hasta 4350 lm. • Mantenimiento del flujo luminoso de acuerdo a las normas. • Un índice de reproducción de color de 85. • Una pequeña cantidad de mercurio (3mg). • En un ciclo de 3 horas de encendido la lámpara tendrá una vida de 20000 horas si funciona con balastro de encendido rápido de alta frecuencia. • Estas lámparas son apropiadas para dimerización. • Las lámparas pueden funcionar a una temperatura ambiente entre -15ºC y +50ºC y manifiestan pocas estrías inclusive en bajas temperaturas si son comparadas con las lámparas TL 80.
¿Cómo puede un arreglo de lámparas fluorescentes producir suficiente luz como para ser una alternativa de reemplazo a una lámpara de aditivos metálicos de high bay de 36,000 lúmenes?. En promedio un arreglo con una lámpara de aditivos metálicos tiene un 70% de eficiencia. Tomemos una lámpara de 360 W de aditivos metálicos que tiene inicialmente 36,000 lúmenes y lo multiplicamos por 0.75. Que es el factor de perdida de luz lo cual nos da 27,000 lúmenes. Entonces se multiplica ese numero por la eficiencia del luminaria que es de 0.70 lo cual nos da 18,900 lúmenes. Ahora veamos una luminaria con un arreglo de 8 focos fluorescentes T5 de 40 W, los lúmenes iniciales son de 3300 x 8 = 26,400 lúmenes. Quitémosle un 11% de estos lúmenes por el factor de pérdida de luz y nos quedaremos con 23,760. Ahora lo multiplicaremos por la eficiencia del luminario que es de 0.91. Esto nos da 21,622 84
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
lúmenes contra los 18,900 lúmenes que tenemos con la lámpara de 360 W de aditivos metálicos. Adicional a esto tenemos un rendimiento de color de 82 para las lámparas fluorescentes contra 65 para las lámparas de aditivos metálicos y el arreglo con lámparas fluorescentes nos proporciona 20,757 lúmenes contra los 17,010 de la de aditivos metálicos con beneficio adicional tendremos que la lámpara de aditivos metálicos tiene una demanda de 415 W y el arreglo con lámparas T5 tendrá una demanda de tan solo 300 W. 10.2.4 Lámparas de Al ta Intensidad de Descarga (HID) Estas lámparas pertenecen a la familia identificada como Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID). La luz se produce al paso de una corriente eléctrica a través de gas de mercurio gasificado de baja presión. 10.2.5 Lámparas de Vapor de Mercu rio . La cantidad de mercurio puro que contiene una lámpara se gradúa con exactitud, también se incluye gas argón para facilitar la descarga eléctrica. Las lámparas producen una luz verde azulada blanquecina debido a la ausencia de radiaciones rojas que provoca la combinación mercurio argón. Fig. . #10.7 Representación de una Lámpara de Vapor de Mercurio
Tabla # 10.3:Datos de las Lámparas de Vapor de Mercurio
85
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
10.2.6 Lámparas de Vapor de Sodio en A lta Presió n (VSAP). Estas lámparas funcionan bajo el mismo principio que las de Vapor de Mercurio pero varían en sus componentes y geometría. Sus componentes son sodio, mercurio y un gas noble que puede ser argón o xenón, el principal productor de la luz es el sodio que a diferencia de las lámparas de mercurio se encuentra en alta presión, el mercurio en este caso es un corrector de color y controlador de voltaje, el xenón es empleado para iniciar la descarga eléctrica. Figura# 10.8: Representación de u na Lámpara de Vapor de Sodio en Alt a Presión
Poseen una alta eficacia luminosa pero con bajo rendimiento del color. Requieren de un periodo de calentamiento de 3 a 4 minutos para lograr su completa brillantez, si existe una interrupción momentánea el tiempo de reencendido es casi de un minuto. Estas lámparas producen una luz dorada blanquecina provocada por el predominio del sodio y la corrección de color del mercurio. Tabla 10.4: Datos de Lámparas de VSBP
10.2.7 Lámparas de Vapor de Sodio en B aja Presión (VSBP). El principio de operación es el mismo que las demás lámparas de descarga, empero el gas de sodio se encuentra a baja presión y su geometría es de mayores dimensiones llegando a presentar una longitud mayor a un metro. Este tipo de fuentes luminosas es la 86
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
de mayor eficacia luminosa; Pero también las de menor rendimiento de color tan solo 20%, por ello su brillantez es totalmente monocromática en diferentes tonos de amarillo. Figura #10.9: Representación de u na Lámpara de Vapor de Sodio en Baja Presión
Tabla 10.5: Datos de Lámparas d e VSBP
10.2.8 Lámpara de Aditivos Metálicos. Es otra lámpara de alta intensidad de descarga se caracteriza por su luz blanca y ser la de mejor rendimiento de color con alta eficacia luminosa. Cuando se requiere de iluminación de gran calidad en la reproducción de colores y en locales con altura superior a los tres metros de altura esta fuente luminosa es la opción adecuada. Sin embargo en locales donde la reproducción de colores no es necesidad imperiosa es uso de estas lámparas resulta un lujo. La temperatura de color de este tipo de lámparas es de 4100 K. La nueva generación de este tipo de lámparas se conoce como Halogenuros Metálicos, ellas presentan una nueva tecnología que ha permitido reducir sus necesidades de potencia eléctrica así como sus dimensiones de diseño. Tabla 10.6: Datos de Lámparas de Ad itivo s Metálicos
87
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
10.2.9 Aditi vos Metálicos Pulse Start Pulse Start es una lámpara de Aditivos Metálicos que opera con un tubo de descarga mejorado que permite una mayor eficacia 120 LPW contra 90 LPW de una lámpara convencional. Encendido "instantáneo" (2 min) y reencendido rápido (4 min) contra los sistemas convencionales (4 minutos de arranque y 15 minutos de reencendido). Utiliza un ignitor de alto plicación de Aditivos Metálicos Pulse Start es ideal para iluminación en áreas generales, voltaje para encender la lámpara. Flujo luminoso superior en más de un 25% contra Aditivos Metálicos estándar. Incremento en la vida en un 50% en las versiones de 175, 250 y 320W de 15,000 a 20,000 horas. Disponibles en temperatura de color de 3700K y 4100K. IRC = 65.
Ap licación La lámpara de Aditivos Metálicos Pulse Start es ideal para iluminación en áreas generales, estacionamientos, Iluminación industrial, exteriores y centros comerciales. Figura # 10.10: Comparación lumen vs. horas de operación
Especialmente recomendada para aplicaciones de seguridad en donde se requiere una respuesta rápida a cualquier falla en el suministro de energía eléctrica (aeropuertos, centrales de transporte público, fábricas).
Luminarias Una luminaria es aquel aparato compuesto por un gabinete o armadura de metal que sirve para repartir, filtrar la iluminación a través de un reflector y accesorios necesarios para 88
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
fijar, proteger y conectar la(s) lámpara(s) al circuito de alimentación eléctrica, junto con este, va incluido un refractor que tiene como finalidad proporcionar la mejor distribución luminosa de una fuente de luz artificial. En este subtema nos ocuparemos de las características que exigen las luminarias para un buen funcionamiento, entre ellas se encuentran: Características fotométricas u Ópticas. Características mecánicas y eléctricas Características de tipo estético. 10.3 Características de Luminario Características Fotométricas.
Como característica de fabricación más importante se destacan las que incluyen a continuación: Distribución y flujo luminoso: Este dato proporciona la intensidad luminosa (en candelas) emitida por la lámpara en cierto número de direcciones, generalmente estos valores se dan para una emisión unitaria (1.00 lm) de flujo luminoso. Cuando se trata de repartos de luz de forma simétrica respecto a un eje de revolución bastara dar las intensidades para direcciones con una serie de intervalos de ángulos, para el caso de luminarias asimétricas deberán suministrarse datos en distintos ángulos en planos longitudinales y transversales.
Limites de Iluminación. Para apreciar la luminosidad de las luminarias es necesario conocer los niveles con que se ve en ángulos elevados. Apantallamiento. Es el ángulo crítico por encima del cual puede provocarse deslumbramiento directo es de 450C con la vertical descendente. Envejecimiento irrecuperable. Los componentes de una luminaria sufren a lo largo de su utilización perdida permanente no recuperables mediante operaciones de mantenimiento. En el caso de reflectores, las superficies con acabados especulares envejecen más lentamente que las que tienen acabados mates. Para los refractores por transmisión (difusores), pierden su transmitancia mediante la disminución del factor de amarillamiento en el caso de poli carbonato, en vidrios debe de añadirse un decolorante para evitar un tono pajizo con el tiempo.
Otras características de las luminarias se refieren al empleo de estas, entre ellas se encuentran los siguientes puntos: Rendimiento luminoso: Es la relación de entre el flujo luminoso que incide en un plano de trabajo y el flujo que sale de una luminaria. Factor de Utilización: Es la relación de entre el flujo luminoso que llega a un plano de trabajo y el flujo luminoso que emite la(s) lámpara(s) funcionando en desnudo. Características Mecánicas y Eléctricas. 89
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Solidez Ejecución en un material adecuado a las condiciones de trabajo previstas Construcción que permita funcionar a la lámpara en condiciones apropiadas de temperatura. Protección de las lámparas y equipo eléctrico contra la humedad y demás agentes atmosféricos. Facilidad de montar, desmontar y limpiar Cómodo acceso a la lámpara y equipo eléctrico
10.4 Metodología para el Diseño y Optimización de un Sistema de Iluminación. Los sistemas de iluminación se diseñan para realizar determinadas tareas o necesidades, sin embargo, por diferentes motivos se van realizando modificaciones, de tal manera que también cambian los requerimientos a la iluminación, pero en muy pocas veces se toman en cuenta las nuevas necesidades luminosas. En otros casos los sistemas de iluminación desde su diseño original no contemplan el nivel de iluminación adecuado para la tarea a realizar. El objetivo de esta metodología es rediseñar sistemas de iluminación actuales y obtener sistemas nuevos que garanticen los niveles de iluminación requeridos en ese local, además hacer uso de nueva tecnología en lámparas y balastros ahorradores de energía. De tal manera que puedan obtenerse atractivos ahorros de energía y mejorar el confort visual. Básicamente la metodología consta de las siguientes actividades:
Levantamiento de la información del sistema de iluminación en estudio Análisis de la situación actual Realizar la nueva propuesta del sistema de iluminación Comparar niveles de iluminación y la situación energéticamente de los sistemas actual y propuesto Determinar el volumen de obra e inversión del sistema propuesto Calcular el tiempo de recuperación de la inversión
Levantamiento de la información del sistema de iluminación en estudio. Para realizar esta actividad se tiene un formato donde se vacía toda la información requerida del sistema de iluminación actual, el cual se muestra a continuación. El formato incluye la información que se describe a continuación: Denominación del inmueble o área. Nombre con el que se identifica el inmueble ya sea edificios, oficinas, pabellones, talleres, laboratorios Fecha. Día en que se efectúa el levantamiento. Localización de la luminaria. Área donde se encuentra el luminaria considerado (Taller 1, Nave de empaques, Biblioteca, Dirección General, Jefatura de personal, etc.). Dimensiones del local. Dimensiones del local mencionado en el punto anterior. Costumbres de uso. Cuantas horas diarias y mensuales se utiliza la iluminación. Color del local. Color del local referido en los puntos anteriores. Si hay ventanas con cristal transparente se debe indicar. Ejemplos: Piso gris claro, Techo color blanco, pared verde claro, dos paredes combinadas (0-1 mt. de altura pared verde claro y de 1-3 mts. cristal transparente). 90
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tipo de luminaria y potencia de lámpara y balastro. Se refiere al tipo de luminarias por el tipo de lámparas que contenga (incandescente, fluorescente , de alta descarga, vapor de Hg o Sodio alta y baja presión, etc.) indicando cantidad de lámparas y potencia, ejemplo: Luminaria cuadrada con lámpara incandescente 100 Watts, Luminaria con lámpara fluorescente 2x39 Watts tipo Slim Line, Balastro normal 2 x 39 Watts, Luminaria tipo suburbana Vapor de Sodio alta presión 159 Watts. etc. Cantidad de luminaria. Es el número de luminarias que se encuentran en el total referido en los puntos anteriores, indicando los que están fuera de servicio y los totales. Nivel de iluminación. Es el nivel de iluminación o iluminancia en luxes del local ya referido. Para tomar la lectura actual se deben tomar en cuenta los siguientes puntos: a) Se deben realizar sin luz natural (de preferencia de noche) con toda la iluminación disponible en operación. b) Formar una malla imaginaria, (ver figura abajo), con cuadros de un metro de lado y en cada nodo tomar una lectura, la célula fotosensible del luxó metro deberá colocarse a la altura del plano de trabajo, la lectura reportada es el promedio de todas. Se debe emplear luxómetro con carátula que cubra un rango de 0 -1000 luxes. Dejar en blanco la columna del nivel de iluminación recomendado (de la hoja B), esta será utilizada más adelante. Malla Imaginaria
Tipo de control de luminaria. Se indicará como se operan, es decir que tipo de interruptor las controla y dónde se localiza, si es a través de apagador individual o interruptor en tablero. Tipo de gabinete y difusor. Se deberá indicar si es gabinete rectangular, cuadrado, cónico, etc. con sus dimensiones, además el tipo de montaje (empotrado, sobrepuesto ó suspendido) Observaciones. En esta columna se anotarán las características especiales de las luminarias, local, tipo de montaje.
10.5- Análisis de la situación actual. Una vez realizado el levantamiento del sistema de iluminación se puede caracterizar de manera clara el sistema actual, es decir, las dimensiones y colores del local, las actividades que se realizan en el mismo, el tipo de lámparas instaladas, el tipo de luminarias y el estado de deterioro de ellos, el nivel de iluminación actual, el tiempo de uso del sistema de iluminación, el tipo de control, etc. 91
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Toda esta información permitirá establecer si el sistema de iluminación es adecuado. Es importante además contar con información de los fabricantes para tener más elementos de análisis.
Entre los elementos que hay que analizar están:
Los co lores, los claros permiten una mayor reflectancia en techos, paredes y pisos. Que el tipo de lámparas sea adecuado para la altura de m ontaje. El estado de los lumi narias, en cuanto aprovechan el flujo l umino so de las lámparas. Si el nivel de ilum inación actual cum ple con los r ecomendados para cada actividad en particul ar. El contro l de encendido y apagado, indivi dual y/o general. El tipo de lum inaria, si su diseño es acorde con el lo cal y las tareas que el se realizan. El tipo de lámparas y balastros, de que tipo de tecnolo gía son y en que color de lámpara se utiliza. El tipo de dif usor, si esta amarillento, corroído, etc.
Realizar la nueva propuesta del sistema de iluminación. En esta etapa se realiza la propuesta del nuevo sistema de iluminación, como por ejemplo se muestra en la tomando como base el análisis realizado al sistema actual. Posteriormente se realizan los estudios de iluminación para el sistema propuesto, cuya metodología se presenta en el próximo capitulo. Por tanto, se establecen los tipos de lámparas y balastros a utilizar, es decir, la potencia de los mismos, la temperatura de color de las lámparas, de igual manera los tipos y número de luminarias a instalar y su nueva distribución si es el caso. Puede emplearse el mismo formato, que en el punto anterior, para cuantificar la situación energética. Además de ser necesario debe recomendarse el cambio de color de las paredes y techo para obtener mejores niveles de iluminación, etc.
92
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla 10.7: Opciones de sustitución de Iluminación POTENCI POTENCIA A DEL DESCRIPCION DEL SISTEMA DEL AHORRO AHORRO SISTEMA PROPUESTA DE AHORRO O ARREGLO SISTEMA (WATT) (%) (watt) (watt) Incandescente 250 watt
250
Incandescente 150 watt
150
Luz mixta 250 watt
250
Luz mixta 160 watt
160
Vapor de Mercurio 400 watt
450
Vapor de Mercurio 250 watt
285
Vapor de Mercurio 175W
150
Vapor de Mercurio de alta presión 250wa
300
Vapor de sodio de alta presión 70w Vapor de sodio de alta presión 70w Vapor de sodio de alta presión 70w Vapor de sodio de alta presión 70w Vapor de sodio de alta presión 250w Vapor de sodio de alta presión 150W Vapor de sodio de alta presión 70W Muroplus 2X26W PL fluorescentes compactas
99
151
60.4
99
51
34.0
99
151
60.4
99
61
38.1
300
150
33.3
185
100
35.1
99
51
34.0
52
248
82.7
Tabla 10.8: Potencia y ahorro según diseño.
10.6 Oportunidad de Ahorro de energía 10.6.1 Reemplazar la il umin ación d e Aditi vos Metálicos p or Fluo rescente Tipo T5 y la Iluminación fl uorescente tipo T12 por T8
93
Curso: Eficiencia Energética: Área Eléctrica y Térmica. Facultad Tecnología de la Industria, UNI‐RUPAP, dpto. Energética. Prof. Máster Ing. Mecánico: edmundo j. pérez escobar
Tabla 10.10: Resumen TABLA RESUMEN Ahorro en Costos, US$/año Inversión Necesaria, US$ Período de Recuperación, años Ahorro de Energía Eléctrica kW/mes kWh/año
31,256 40,972 1.3 39.38 313,012
Recomendación Reemplazar las luminarias actuales tipo Low Bay de Aditivos metálicos por luminarias con lámparas Fluorescentes tipo T5, además reemplazar la fluorescente tipo T12 por fluorescentes tipo T8.
Situación Actual En este almacén y en sus oficinas la empresa se tienen 122 lámparas de aditivos metálicos de 400 W en una luminaria tipo Low Bay, estas lámparas son recomendables para algunos almacenes por la forma en que abre la campana de iluminación, esto quiere decir que pueden iluminar los estantes altos con los productos almacenados. Pero hoy en día son fácilmente reemplazables por luminarias con lámparas fluorescentes T5 de alta intensidad de descarga. Además en las oficinas tienen luminarias de 2x4 pies con cuatro focos de 40 W y pueden reemplazarse a fluorescentes tipo T8 con balastro electrónico y reflector especular. A esto se le llama el retrofit en iluminación se aprovecharía la instalación eléctrica el montaje y solo se cambiaría la lámpara y en las oficinas además se aprovecharía el chasis del luminaria y se cambiaría el balastro, los focos, las bases y se le agregaría un reflector especular para poder reducir el número de focos de cuatro a dos. Tabla 10.11: Situación Actual del sistema de Iluminación
Nombre del local
Poten Numer Potencia Horas días Consumo cia costo Tipo de Tipo de o de de Operaci operaci de del anual ón al ón al Energía Lámpara Luminaria Lumina luminaria Área total ria (watt) día ano kwh/ano Kw
1
Almacén
400watt aditivos
2
Oficinas parte baja
4x40w T12
2x4 pies
26
200
5.2
24
365
45552
4472
3
Oficinas parte alta
4x40w T12 250 w; ADM
2x4 pies
34
200
6.8
12
365
29784
3413
Wall pack
16
275
4.4
12
365
19272
2208
575532
57310
4
Exterior total
Low bay
122
450
54.9
24
365
480924
47217
198
71.3
94