02 marzo 2022
El trébol de la Eficiencia en AKO
1. La refrigeración y la energía
La refrigeración es un conjunto de técnicas y tecnologías que consiguen extraer calor de espacios fríos y cederlo a ambientes más cálidos, enfriando dichos espacios a temperaturas inferiores o muy inferiores a las ambientales. Dicho proceso es muy exigente en energía. Más concretamente, se estima que un 15% de la electricidad mundial se destina a la conservación de alimentos, y esto sin tener en cuenta muchos otros productos que también necesitan de una temperatura controlada para su correcta conservación (vacunas, medicamentos termolábiles, plasma, flores, centros de procesos de datos, etc.).
Solamente en Europa, se calcula que el consumo eléctrico de las cámaras frigoríficas se sitúa en torno a los 30 TW/Año, y todo ello con una presión demográfica también al alza y que demanda cada vez más instalaciones frigoríficas que aseguren la correcta conservación de los productos que eviten en lo posible mermas y pérdidas de alimentos.
Figura 1: Evolución del precio del MWh durante los últimos 12 años en España.
Si este escenario no era ya suficientemente relevante, la situación mundial de inflación general y, especialmente, de encarecimiento del coste de la energía y de los refrigerantes, hace que la eficiencia de los sistemas de refrigeración adquiera hoy máxima relevancia. En efecto, el coste de la energía se ha triplicado de 2021 a 2022 (en enero de 2022 se pagaron 210,09 €/MWh por 70€/MWh en 2021, ver Figura 1). Para un supermercado medio con un consumo anual sobre los 1000 MWh, el coste de la refrigeración puede fácilmente superar los 100 000 € anuales, ya que los sistemas de refrigeración emplean típicamente entre el 40% y el 65% del coste total de electricidad del centro.
En consecuencia, los actores de la refrigeración no pueden ya plantearse la eficiencia como una opción, sino como una obligación.
2. Los vectores de la eficiencia energética en la refrigeración
Existen múltiples formas de incrementar la eficiencia de las instalaciones de refrigeración. Desde mejores diseños termodinámicos y/o refrigerantes más eficientes hasta compresores de mayor eficiencia, pasando por mejores aislamientos térmicos de espacios y técnicas de control y monitorización, entre otros.
AKO, grupo experto en soluciones de control, monitorización y conectividad para la cadena del frío, ha desarrollado múltiples soluciones en el último bloque: técnicas de control y monitorización; bloque que ha estado históricamente infravalorado en su potencial de ahorro y que, como veremos más adelante, ofrece grandes posibilidades para la eficiencia. Es lo que llamamos el trébol de la eficiencia en AKO.
3. El trébol de la eficiencia en AKO
AKO ha desarrollado en los últimos años tres grandes líneas de productos/sistemas que permiten, entre otros beneficios, aumentar la eficiencia de las instalaciones frigoríficas. Estas tres líneas, que se complementan entre ellas y que, a su vez, son complementarias con otras mejoras que el resto del sector de la refrigeración desarrolla continuamente, permiten alcanzar grandes y hasta muy grandes reducciones de energía, reducir las fugas de gas refrigerante, así como también minimizar el desperdicio de productos refrigerados por mala conservación. El trébol de la eficiencia en AKO consiste en:
- Optimizar la transferencia de calor y las condiciones del refrigerante en el evaporador/intercambiador de calor.
- Mantener las fugas de gas refrigerante en mínimos.
- Monitorizar, tele gestionar y optimizar los servicios refrigerados y su control para obtener un máximo rendimiento de las instalaciones.
Estas tres líneas se construyen sobre un vector común: usabilidad y facilidad con ajustes intuitivos. En efecto, nuestra experiencia nos muestra que la usabilidad y facilidad de instalación y configuración son factores claves para conseguir que las mejoras de los sistemas se acaben aplicando EFECTIVAMENTE en la instalación.
Desgranamos las hojas del trébol en las siguientes secciones:
4. Optimización de la transferencia de calor y aprovechamiento del evaporador
En sistemas de expansión directa, los más populares en las instalaciones de refrigeración, el refrigerante se evapora en el evaporador (valga la redundancia), y en dicho proceso enfría el aire del espacio refrigerado que pasa alrededor de los tubos y las aletas. Este proceso genera generalmente escarcha puesto que la temperatura de evaporación del refrigerante será normalmente inferior a 0 grados centígrados; esto es, primero se condensará el vapor de agua del aire en los tubos para después solidificarse en lo que se conoce como escarcha (frost en inglés y gibre en francés). La gestión de la escarcha y la transferencia de calor entre evaporador y aire permitirán incrementar la eficiencia del sistema, como veremos en la próxima sección.
Por otro lado, y para evitar golpes de líquido en la bancada de compresores (o compresor en una unidad condensadora), en los sistemas de expansión directa se debe regular la cantidad de refrigerante que entra en el evaporador, de modo que se pueda asegurar que en la parte final del mismo ya no queda ninguna gota de líquido por evaporar: es lo que se conoce como control de la expansión y su correspondiente recalentamiento (superheating en inglés, surchauffe en francés). Cuanto mayor sea la fracción del evaporador efectivamente utilizada para evaporar (en lugar de para recalentar el refrigerante en formato gas), mayor será su eficiencia. Dicha regulación se realiza mediante el control de la expansión. Cuanto mejor sea dicho control (preferentemente electrónico), mayor eficiencia tendrá el evaporador, como veremos en las próximas secciones.
Es interesante indicar que en sistemas que no sean de expansión directa, por ejemplo, con aeroenfriadores que utilizan glicol (glicol enfriado en un chiller externo, sistema en auge gracias a su eficiencia y reducida carga de refrigerante) el concepto de aprovechamiento del evaporador (fracción del evaporador efectivamente utilizada para evaporar) no aplica, puesto que no circula refrigerante por el intercambiador de calor, sino un líquido muy frío (glicol). Aún y así, en dichos sistemas la generación de escarcha y la eficiencia de la transferencia de calor son igualmente optimizables y, por tanto, susceptibles de ser mejorados mediante el algoritmo SELF-DRIVE ©.
4.1. Optimización del intercambio de calor: AKOCORE ADVANCE con algoritmo SELF-DRIVE ©
La transferencia de calor entre el aire de la cámara (caliente) y el evaporador o aeroenfriador (frío) es lo que conseguirá evacuar el calor de la cámara y llevarlo fuera de la misma, para cederlo finalmente al ambiente. En este proceso, como anteriormente comentado, se producirá normalmente escarcha, lo que obligará a que el evaporador/aeroenfriador deba realizar operaciones de parada de frío y desescarche.
El proceso de desescarche, es tan necesario como contraproducente para la temperatura del espacio refrigerado, puesto que por un lado exige parar la producción de frío y, por otro, añade calor (para fundir la escarcha) al espacio refrigerado. Cualquier proceso que minimice el número de desescarches es beneficioso o muy beneficioso para la eficiencia del sistema, ya que la energía destinada a desescarche puede alcanzar hasta el 10% del consumo total de la cámara o mueble refrigerado.
Adicionalmente, la escarcha, a medida que se acumula en los tubos y aletas del intercambiador, es capaz de robar muchas frigorías al bloque del intercambiador. Dichas frigorías acaban drenadas cuando se realiza el desescarche y, reaprovechadas para refrigerar, son una potencial fuente de optimización energética que ha pasado históricamente desapercibida por el sector.
Ambos aspectos: minimización de desescarches y reutilización de las frigorías acumuladas en la escarcha son la base del algoritmo patentado SELF-DRIVE © con el que cuenta el controlador AKOCORE ADVANCE y que ha alcanzado a generar ahorros de hasta el 40% en cámaras negativas con desescarches eléctricos no optimizados.
¿Y, cómo el control puede generar dichos ahorros? El algoritmo calcula con frecuencia controlada el nivel de escarcha en el evaporador y realiza solamente desescarches cuando es necesario. Cuando el nivel de escarcha es suficiente, utiliza el ventilador del intercambiador para bajar la temperatura del espacio refrigerado sin admitir refrigerante fresco, trabajando con el frío acumulado en la escarcha, por lo tanto, sin requerir trabajo eléctrico a los compresores, consiguiendo alargar los ciclos de refrigeración con lo que se denomina “free cooling”, como se puede ver en la Figura 2a. En efecto, cuando la escarcha es suficientemente importante, el espacio refrigerado es capaz de alcanzar consigna de temperatura simplemente circulando aire alrededor de la escarcha fría, sin necesidad de admitir refrigerante en el intercambiador. En el gráfico se observa cómo se consigue mantener más tiempo la cámara en rango sin por ello utilizar más entrada de líquido refrigerante: esa es la clave de los ahorros del algoritmo patentado SELF-DRIVE © de AKO.
Figura 2a: Gestión del ventilador para generar free-cooling. Las zonas sombreadas (un total de 9 min) representan refrigeración sin uso directo de refrigerante (de un total de 37 min) (24% de ahorro).
Figura 2b: Carga de potencia eléctrica demandada con free-cooling (azul) vs regulación estándar (rojo). Se observa que con menos energía (área debajo de la curva) se puede refrigerar hasta un 22% más de tiempo.
4.2. Máxima eficiencia en los evaporadores: Control de la expansión electrónica: AKOCORE para el control de EEV
Una segunda capa de optimización hace referencia al aprovechamiento del evaporador, como anteriormente introducido. Concretamente, el control de la expansión mediante válvulas electrónicas, también conocido como control de válvula de expansión electrónica. Si bien esta es una funcionalidad muy conocida en el sector de la refrigeración industrial y comercial, también es cierto que su implantación no es general. Sin entrar en disquisiciones técnicas de más profundidad (válvulas paso a paso vs. válvulas por pulsos y sus correspondientes controles, pros y cons) la difícil configuración del control electrónico y su correspondiente ajuste, además del precio de sus componentes, se encuentran entre las razones por la que esta técnica no se ha generalizado en el sector.
El nuevo controlador para cámara con control de válvula de expansión electrónica de AKO ataca precisamente de raíz esta problemática. Para la configuración, un wizard muy usable de configuración realiza únicamente las preguntas necesarias para ajustar los parámetros estrictamente necesarios, especialmente aquellos relacionados con la tipología y valores del sensor de presión, típicamente fuente de problemas.
Además, el algoritmo de control está diseñado específicamente para gestionar la expansión de refrigerante en evaporadores, equilibrado internamente para evitar grandes oscilaciones y desajustes por alteración de los parámetros Proporcionales, Integrales y Derivativos (PID) y utiliza sondas muy rápidas para poder seguir cambios bruscos en las condiciones del refrigerante. Finalmente, un limitador de la parte integral evita que típicas oscilaciones de presión en bancadas de compresores o incluso en unidades condensadoras generen acumulación de errores de control, manteniendo el recalentamiento siempre muy cercano a la consigna.
Por todo, el algoritmo de control de expansión electrónica de AKO, orientado preferentemente a válvulas por pulsos, permite llevar la máxima eficiencia a los evaporadores con una configuración muy simple y sencilla y unos resultados muy precisos y seguros, haciendo que el paso de control termostático de la expansión al control electrónico sea mucho más accesible para el sector de la refrigeración.
5. Minimizar fugas de refrigerante
Sobre eficiencia en refrigeración, un segundo aspecto -históricamente omitido- es la relación entre las fugas de gas refrigerante y el consumo energético de las instalaciones.
La aparición de la F-Gas, hace ya más de 10 años, con su HFC phase-down [1], y la inflación ligada a los refrigerantes HFC ha motivado una creciente atención a las fugas de gas refrigerante en las instalaciones, especialmente en España debido a las tasas adicionales. Sin embargo, la eficiencia energética ha sido y es un problema ligado a las instalaciones que sufren fugas y es también por ello que debe ser tenido en cuenta. Varios estudios, entre ellos [2] muestran como sistemas con fugas acumuladas de un 20% de la carga nominal pueden tener sobrecostes energéticos del 15%. Si el déficit de refrigerante es mayor, dichas ineficiencias energéticas dejan de ser lineales y podrían llegar hasta el 45% cuando el sistema funciona al 60% de la carga nominal. Ver Figura 3.
Para minimizar las fugas de gas refrigerante de las instalaciones frigoríficas, AKO ha desarrollado un sistema de detección, monitorización y cuantificación de fugas mediante tres elementos fundamentales, tal y como se explica en [1]:
- La detección prematura, a muy pocas ppm (partículas por millón), mediante la precisa y selectiva tecnología de medición NDIR (Non Dispersive Infra Red) que es capaz de detectar microfugas de hasta 1 gramo a la hora (1 g/h) a menos de 10 ppm de concentración en el ambiente. Dichas microfugas (difíciles de detectar) representan generalmente la gran mayoría del refrigerante fugado anualmente (puesto que son muy frecuentes) y además pasan desapercibidas por los sistemas de detección convencionales. Ver Figura 4a.
- La conectividad, ya sea:
- A través de buses de comunicación y pasarelas a la nube en internet (Figura 4b) o, alternativamente,
- A través de módems celulares NB IoT en los propios detectores, facilitando la instalación del sistema y acelerando su implantación hasta 3 veces.
- La nube: que realiza los cálculos necesarios para notificar al instante cuándo, dónde y con qué gravedad las fugas ocurren en la instalación. (Ver Figura 5).
Figura 3: Relación entre carga de refrigerante de la instalación y pérdida de eficiencia del sistema de refrigeración.
Figura 4: (a) Detector/transmisor HFC AKO-575400 con tecnología de detección NDIR.
(b) Gateway para envío de las lecturas de concentración del sistema de detección a la nube akonet.cloud.
Figura 5: Sistema de detección de refrigerante R-448A en la nube akonet.cloud. Los equipos en este sistema están conectados mediante Gateway EDGE (ver Figura 4b).
Esta información tan precisa sobre las fugas (en qué zona, cuándo, y cuán grave) permite al instalador, a su vez, localizar y reparar la fuga en tiempos muy cortos, minimizando sus desplazamientos (gracias a la ausencia de falsas alarmas) y maximizando la eficiencia de su tiempo en la instalación.
El uso del sistema AKOGAS por parte del mantenedor, puede conseguir reducir hasta en un 90% las fugas de las instalaciones (reducir hasta en un 90% la cantidad de gas fugado anualmente) y, consecuentemente, permite evitar la aparición de ineficiencias en la instalación.
6. Monitorización, telegestión y optimización
En la apuesta por la eficiencia de AKO, la última hoja del trébol es la monitorización, telegestión y optimización de los activos de refrigeración.
Para ello, AKO ha desarrollado hasta dos vías alternativas de monitorización, telegestión y optimización: 1) sensores de temperatura y humedad relativa IoT sin hilos (ver Figura 6a, que permiten digitalizar activos de refrigeración con costes y tiempos de instalación muy reducidos) y 2) controladores de cámaras frigoríficas y/o muebles refrigerados que, a través de gateways o pasarelas de comunicación (como el que se muestra en la Figura 6b) permiten controlar el activo refrigerado desde la plataforma en la nube. Los describimos brevemente en las siguientes secciones.
En efecto, cuando una instalación de cualquier tipo es monitorizada, su comportamiento puede ser analizado: se detectan posibles incidencias o malfuncionamientos antes y se pueden ajustar varios parámetros de su uso u operación, haciendo que su eficiencia aumente. Este es el caso de las instalaciones de refrigeración, que pueden mejorar típicamente hasta un 5% cuando son monitorizadas, reduciendo además mermas y posibles pérdidas de producto refrigerado en caso de averías o incidencias.
6.1. Monitorización de temperatura y humedad relativa NB IoT
Una vía muy sencilla, rápida y efectiva para monitorizar una instalación frigorífica es utilizar sensores de temperatura y humedad relativa conectados mediante la tecnología NB IoT de AKO (Ver Figura 6a). Dichos sensores, que cuentan con su propio módem de comunicaciones con tecnología Narrow Band IoT y batería de hasta 4 años de autonomía (dependiendo de número de transmisiones y temperatura de trabajo del equipo) permiten digitalizar un activo de refrigeración (cámara frigorífica, mueble refrigerado, etc.) con una instalación extremadamente sencilla y rápida.
Esta tecnología, en sus distintos modelos y que permiten monitorizar rangos de temperatura desde -200°C hasta +100°C, ofrece una gran cantidad de información en la nube: registro, análisis de datos mediante múltiples técnicas gráficas y agrupación, históricos, alarmas inmediatas y correspondientes notificaciones para la gestión de las incidencias.
La combinación de sus capacidades de información en la nube juntamente con su flexibilidad y facilidad de puesta en marcha e instalación (sin hilos) está impulsando el despliegue de estos dispositivos tanto en cadenas de supermercados como entre distintos actores del sector del transporte refrigerado que, mediante esta técnica, están progresivamente mejorando la eficiencia de sus instalaciones y de su cadena del frío.
6.2. Control conectado IoT
Una segunda vía de monitorización y optimización para mejorar la eficiencia energética de las instalaciones de refrigeración es la del control conectado. Esta segunda vía, además de proporcionar similares prestaciones que los sistemas sin hilos en lo que repecta a la monitorización y su correspondiente análisis de datos en la nube, permiten además dar un paso adicional en la telegestión. En efecto, todas las maniobras necesarias son controlables en tiempo real des de la nube, así como todos los parámetros que regulan el control del activo de refrigeración: temperaturas de consigna, desescarches, parámetros de finalización y activación, etc. Las posibilidades del control conectado, además de permitir optimizar la instalación y aumentar su eficiencia, son una herramienta enormemente potente para el instalador, contratista y mantenedor. En efecto, la conectividad en la nube (con muy alta ciberseguridad y con acceso desde cualquier punto y dispositivo, sin necesidad de utilizar la red informática de la propiedad) permite la resolución a distancia de un gran número de problemas, evitando desplazamientos innecesarios.
La Figura 6b muestra el detalle de un controlador AKOCORE ADVANCE en formato LIVE, mostrándose los valores de entrada para todas las sondas, el estado de los relés en tiempo real además de toda la información de eventos, auditoría e históricos y registros propios de la monitorización.
Fig. 6(a) Sensor de Temperatura y humedad relativa NB IoT AKODATA AKO-59811.
Fig. 6b) AKOCORE ADVANCE conectado en modo en DIRECTO (LIVE). A la izquierda de la pantalla se observa el estado del display, sondas de temperatura y relés del controlador en tiempo real. A la derecha de la imagen podemos ver el registro de temperatura, eventos y análisis de temperatura, entre otras funcionalidades.
7. Conclusiones
El trébol de la eficiencia en AKO se basa en tres pilares, los tres complementando mejoras aditivas para el aumento de la eficiencia de las instalaciones frigoríficas:
- Optimizar la transferencia de calor en el evaporador mediante técnicas avanzadas de regulación electrónica de la expansión del refrigerante y mediante técnicas patentadas (SELF-DRIVE©) para reducir número de desescarches y reutilizar frigorías en la escarcha (free-cooling). Estas técnicas pueden ofrecer hasta un 40% de ahorros.
- Reducir la cantidad de gas refrigerante fugado, evitando así que la instalación incurra en ineficiencias debidas a un incorrecto nivel de refrigerante. Este sistema evita ineficiencias de hasta el 45%.
- Monitorizando, telegestionando y optimizando las instalaciones de refrigeración: ya sea mediante sensores sin hilos (NB IoT) o mediante la conectividad de controladores, que permiten la optimización remota de los espacios refrigerados. Las mejoras en eficiencia en este bloque se cifran típicamente entorno al 5%.
8. Referencias
[1] AKOGAS: Una herramienta para sobrevivir a la F-GAS sin morir en el intento. Artículo técnico de AKO: https://www.ako.com/es/articulo-tecnico-akogas/
[2] Refrigerant Loss, System Efficiency and Reliability – A Global Perspective. David Bostock, GEA Refrigeration UK Ltd. IOR Institute of Refrigeration’s 2013 Annual Conference.
Autor: Xavier Albets-Chico, Technical Director
Habla con nuestro experto: xalbets@ako.com