EL AIRE ACONDICIONADO en los grandes rascacielos

En una sociedad cada día más avanzada tecnológicamente hablando, con desarrollos que sobre pasan los niveles de  la imaginación y desafían la ingeniería, se hace cada vez más común el desarrollo de grandes rascacielos, enormes edificaciones con cientos de metros de altura en donde las condiciones inermes a su diseño se presentan como un verdadero reto para la tecnología del control de la temperatura que deberá mantener estos rascacielos totalmente confortables para sus usuarios.

Un punto importante para tener éxito en la industria HVACR es mantener un ojo en el futuro; para ello el sector de la construcción representa el principal motor de diseño del sistema de aire acondicionado, de sus tecnologías y sus materiales.

CHINA SKY CITY

Actualmente se han desarrollado nuevas técnicas de construcción más rápidas y con un significativo ahorro de costos, esto se logra con la incorporación de módulos prefabricados como es el caso del proyecto China Sky City el cual ostentara en tiempo record el titulo del edificio más alto del mundo con sus mas de 220 pisos formados mediante módulos prefabricados unidos al estilo LEGO. Este moderno rascacielos, el más alto del mundo contara con una serie de impresionantes características de diseño HVAC, como, aislamiento térmico de 20 cm; lo que brindara un ahorro de un 70% a la pérdida térmica en comparación con los edificios convencionales, ventanas con 4 paneles de vidrio, protección solar externa, recuperación de calor del aire fresco y un sistema energético de enfriamiento y calefacción a gas, con un consumo de energía de climatización de 90kWh/m. También habrá un sistema de ventilación con 100% aire fresco, conteniendo un sistema filtrante de 3 etapas que significa que el aire será hasta 20 veces más limpio en el interior que en el exterior.

TORRE DA VINCI, DUBAI

A la par de este gran proyecto, en Dubái se desarrolla un nuevo proyecto, nos referimos a la “Torre Da Vinci”, un desarrollo de arquitectura e ingeniería de la construcción sin precedentes que a pesar de no ser al más alto del mundo (contara solo con 78 pisos) si representa un paradigma de la tecnología ya que empleara un diseño de cuarta dimensión del movimiento con el tiempo, esto significa que cada piso formado por módulos prefabricados tendrá la capacidad de girar independiente de otras plantas (con un sistema de control en cada planta activado por voz, o un control centralizado de acuerdo con un horario específico, el edificio puede estar parado por un período de tiempo y luego “rediseñarse” mediante el movimiento de  cada uno de sus niveles para brindar una nueva perspectiva). La Torre Da Vinci es parte del movimiento de la arquitectura dinámica, que ha ido evolucionando a lo largo de los últimos años. El núcleo de la torre de forma circular será de concreto con los módulos pre fabricados y unidos los cuales albergaran oficinas, así como los equipos de aire acondicionado, hidráulicos y de agua para uso doméstico, servicios públicos, etc. Una reducción del 30 por ciento en el costo de construcción es proyectada por los diseñadores, así como unos ciclos de construcción más cortos. La Torre Da Vinci será totalmente autosuficiente respecto a la energía requerida para su funcionamiento teniendo la capacidad de generar energía adicional para alimentar cuatro edificios cercanos, esto se lograra mediante el uso de paneles solares y un sistema único de 77 turbinas colocadas horizontalmente entre cada piso.

TORRE SHANGHAI

En China se encuentra la Torre Shanghai el rascacielos más alto de China el cual está organizado en base a nueve edificios cilíndricos apilados uno encima del otro. La capa interior de la fachada de doble piel encierra los edificios api-lados, mientras que la fachada exterior genera la envolvente del edificio, que gira en 120 grados mientras se levanta y le da a la Torre su apariencia curva. Los espacios entre las dos capas de la fachada crean nueve jardines elevados. En esta torre la sustentabilidad es la parte central del diseño. La forma cónica de la fachada, la textura y la asimetría de trabajo en conjunto ayudan a reducir las cargas de viento sobre el edificio hasta un 24%, ofreciendo un ahorro de 58 millones de dólares en materiales de construcción en gene-ral. Sus fachadas vidriadas interiores y exteriores admiten el máximo de la luz natural posible, lo que reduce la necesidad de luz eléctrica. La piel exterior de la torre también aísla el edificio, reduciendo el consumo de energía para calefacción y refrigeración. El diseño en espiral de la torre recoge agua de lluvia, que se utiliza para los sistemas de calefacción y aire acondicionado.

EQUIPOS HVAC

Los diseñadores y propietarios de los modernos rascacielos, en particular, demandan cada vez una mayor distancia vertical entre las unidades interiores y exteriores de los acondicionadores de aire múltiples. Por ello empresas lideres como Mitsubishi han desarrollado productos muy confiables para satisfacer esta necesidad a través de avanzados análisis utilizando las técnicas de simulación y prueba por software mas avanzadas como es el caso del software PRANET de Mitsubishi, realizando pruebas en su edificio sede en la ciudad de Yokohama. Esto ha permitido que cada día los acondicionadores de aire múltiples para los modernos rascacielos permitan un aumento sustancial de la distancia vertical entre las unidades interior y exterior (figura 1).

La distancia máxima entre las unidades interior y exterior se ha incrementado de manera significativa a 90 m (100 m para los coolers) desde la distancia convencional de 50 m. Un sistema convencional instalado en un edificio más alto de 50 m requiere unidades exteriores en la parte media de la construcción.

Con los nuevos sistemas, sin embargo, las unidades exteriores se pueden colocar en el techo para proporcionar una mayor flexibilidad en el diseño del sistema.

El desarrollo de sistemas de aire acondicionado del tipo multi para rascacielos encontró los siguientes retos técnicos, causadas por la presión en la tubería, ya sea para el gas refrigerante (tubo de gas) o el líquido refrigerante (tubo de líquido) que resulta de la variación de la carga hidráulica cuando la distancia vertical entre la unidad exterior y las unidades interiores excede 50 m (condición de alta prevalencia).

Retención de aceite refrigerante en el compresor.

Mitigación de la reducción del rendimiento debido a un aumento de la caída de presión en la tubería de líquido durante el calentamiento.

Reducción de la presión de carga de líquido en la unidad interior durante el enfriamiento.

Para hacer frente a estos desafíos técnicos, los ingenieros de Mitsubishi llevaron a cabo pruebas con una distancia real de 85 m verticales en el edificio Mitsubishi Juko en Yokohama.

En un estudio preliminar, el programa de análisis PRANET se utilizó para estimar las condiciones de control de funcionamiento y evaluar los riesgos con la condición de alta prevalencia. PRANET es un programa de simulación dinámica de Mitsubishi que se ha utilizado para analizar las características dinámicas de las cámaras de combustión de motores de cohetes, sistemas de oxígeno, y plantas de energía. En los acondicionadores de aire del tipo multi para grandes edificios, se puede hacer frente a la temperatura del fluido o las características de flujo de presión del refrigerante o aire, y puede ser usado para estudiar los ambientes de uso especial, como la relacionada con la condición de alta prevalencia.

RETENCION DE ACEITE REFRIGERANTE EN EL COMPRESOR

El aceite refrigerante descargado desde el compresor circula durante el funcionamiento y permanece en el sistema de refrigerante del acondicionador de aire, que consta de la red de tuberías, intercambiador de calor, y otros componentes. La unidad exterior está equipada con un separador para separar el aceite lubricante del gas refrigerante en un proceso que es menos de 100% eficiente. Por consiguiente, el aceite refrigerante que se descarga en el sistema de refrigeración debe ser recogido periódicamente. En los nuevos equipos, el aceite refrigerante se recoge durante el ciclo de enfriamiento abriendo temporalmente la válvula de expansión de la unidad interior como se ha diseñado para este propósito, dejando que el refrigerante líquido pase a través de la tubería de gas llevando el aceite refrigerante junto con él a la unidad exterior. Sin embargo, cuando la unidad exterior se instala a una distancia mayor que 50 m por encima de la unidad interior, una gran caída de presión en la tubería durante la recogida de aceite refrigerante perturba el flujo de retorno de refrigerante líquido a la unidad exterior y hace que la recolección de aceite refrigerante sea muy difícil.

En el desarrollo de la serie de rascacielos Rxe6 de Mitsubishi, se analizó el control de la válvula de expansión de la unidad interior durante la recolección de aceite refrigerante.

Durante la recolección, el ajuste de esta válvula tiene que ser determinado para proporcionar la cantidad apropiada de aceite refrigerante y el refrigerante líquido que deberá volver a la unidad exterior. Una prueba de la recolección de aceite refrigerante se llevó a cabo en el edificio Mitsubishi Juko de Yokohama, con una distancia vertical de 85 m entre las unidades exteriores e interiores, para determinar el control óptimo de la válvula de expansión de la unidad interior.

La Figura 2 muestra la relación entre la apertura de la válvula de expansión interior y la tasa de aceite refrigerante recolectado usando unidades reales durante la prueba. Bajo tales condiciones en la serie KXE6 convencional, el intervalo vertical 85 m produjo una gran caída de presión en la tubería durante la recolección de aceite refrigerante perturbando el flujo de retorno de refrigerante líquido a la unidad exterior. La tasa de recolección de aceite en toda la operación de recolección de aceite fue de cero. En agudo contraste, bajo las mismas condiciones utilizando la serie de rascacielos KXE6, como la válvula de expansión interior era más abierta, el refrigerante líquido devuelto de manera constante a la unidad exterior lograr una tasa de recolección del aceite de 100%.

En la serie para rascacielos KXE6, el punto de funcionamiento óptimo para la recolección de aceite refrigerante se determinó sobre la base de los resultados de las pruebas realizadas con un intervalo real vertical, y la escasez de aceite refrigerante en el compresor, incluso en condiciones de alta prevalencia, se redujo sustancialmente.

MITIGACION DE LA REDUCCION DEL RENDIMIENTO POR UN AUMENTO DE LA CAIDA DE PRESION EN LA TUBERIA DE LIQUIDO DURANTE CALENTAMIENTO

Un receptor está situado en el circuito de refrigerante del sistema de la serie KXE6, este último almacena temporalmente el refrigerante líquido que ha sido licuado por el condensador. Uno de los mayores cambios causados por la condición de alta prevalencia es el aumento de la caída de presión en la tubería de líquido debido a la presión de carga de líquido aplicado. Un aumento de la caída de presión en la tubería de líquido puede crear un estado de gas/líquido de dos fases en el receptor, y el receptor ya no puede controlar la cantidad en exceso de refrigerante. Este exceso recoge el refrigerante en forma de líquido en la unidad interior que está arriba desde el receptor en el circuito de refrigerante y puede hacer que el rendimiento de calentamiento sea insuficiente.

En el desarrollo de este producto, se trato este tema mediante la revisión del nivel de objetivo de control de alta presión y el punto de referencia para el subenfriamiento requerido para crear un estado de líquido saturado en el receptor durante el calentamiento. El punto de ajuste se estimó inicialmente utilizando PRANET, y el valor exacto más tarde se determinó sobre la base de los resultados de las pruebas de confirmación que utilizan unidades de aire acondicionado. El cambio del punto de ajuste, basado en el cálculo del software PRANET, activa el control del exceso de refrigerante y su funcionamiento continuo con la condición de alta prevalencia. En pruebas posteriores con las unidades reales, el valor exacto del punto de ajuste estimado en el análisis fue confirmado experimentalmente, lo que llevó a la determinación de la cantidad apropiada de refrigerante necesario para sobreenfriamiento en la serie para rascacielos Rxe6. Estos resultados de la prueba indican que la serie de acondicionadores de aire para rascacielos Rxe6 son capaces de brindar un rendimiento adecuado de calentamiento, incluso bajo la condición de alta prevalencia.

REDUCCION DE LA PRESION DE CARGA DE LIQUIDO EN LA UNIDAD INTERIOR DURANTE EL ENFRIAMIENTO

Basándose en el análisis PRANET, en situaciones durante el enfriamiento con la unidad exterior instalada a una altura mayor que la unidad interior, la presión en la cabeza de líquido extra está presente en la tubería de líquido bajo la condición de alta prevalencia. Para contrarrestar esto, un nuevo sistema instalado en la unidad exterior para disminuir la presión en la tubería de líquido. De esta manera se controla el refrigerante mediante la reducción de la presión al nivel deseado en la unidad exterior y la prevención de la acumulación de presión excesiva en la válvula de expansión de la unidad interior. A través de una prueba de uso, el punto de funcionamiento del sistema de reducción de presión para el tubo de líquido se ha optimizado para reducir la presión hasta el nivel deseado dentro de las separaciones verticales.

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