Monitoreo de energía para sistemas técnicos de salas limpias

Figura 1: Puesta en marcha del módulo central de recopilación de datos en la central de ventilación

Figura 2: Proceso DMAIC como parte de un proceso de mejora Six Sigma

Figura 3: Principio del sistema de monitoreo de energía utilizado

Figura 4: Esquema de principio técnico de la instalación de ventilación (WRG = recuperación de calor; MK = cámara de mezcla; KÜ = enfriador; BEF = humidificador de vapor; NE = precalentador; PWT = intercambiador de calor de placas)

Figura 5: Control de WRG defectuoso del sistema: calefacción y refrigeración simultáneas

Tabla 1: Resumen de las variantes de sistemas de ventilación analizadas

Figura 6: Consumo de energía determinado o necesidad de energía de las variantes de instalaciones analizadas, período de junio a diciembre de 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Ingeniera de proyectos STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (Jefe de STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Ingeniero de proyectos STZ Euro)

Mediante un monitoreo energético especializado se pueden registrar datos de medición y consumo en intervalos cortos de tiempo de los sistemas de tratamiento de aire (RLT). Los potenciales de optimización identificables, especialmente en el área de control, pueden conducir a importantes ahorros de energía y costos, sin violar los requisitos GMP. El éxito de las medidas implementadas puede demostrarse de forma cuantitativa y ajustada a las condiciones climáticas.

Situación inicial

Un operador de salas limpias (producción estéril) ha planificado una optimización del control de las compuertas de mezcla de aire en los sistemas RLT existentes como medida de ahorro energético. Se pretende actualizar las ocho instalaciones RLT, que actualmente operan con una proporción mínima de aire exterior, con un control de compuertas de mezcla basado en entalpía para aprovechar la llamada "refrescamiento gratuito". Previamente, se evaluó la eficiencia de las medidas propuestas en una instalación representativa. Para ello, se activó el control de compuertas de mezcla basado en entalpía en una instalación seleccionada y, con ayuda de un sistema de monitoreo energético especializado (ver figura 3), se registraron y analizaron los datos de medición y los flujos de energía. Para evaluar la situación actual, se creó un modelo de simulación de la instalación RLT con una proporción mínima de aire exterior. Los resultados del estudio (ahorro energético) sirvieron como base para decidir la implementación de las medidas.

Monitoreo energético para la toma de datos actuales

El monitoreo energético forma parte de un proceso DMAIC (metodología Six Sigma) e incluye las fases de Medición (M) y Control (C) mostradas en la figura 2. El monitoreo energético de las instalaciones RLT se entiende como un método para registrar el consumo de energía durante los cambios térmicos en el estado del aire en el equipo de tratamiento, basado en la evaluación y procesamiento de datos meteorológicos registrados durante un período de tiempo seleccionado, así como de datos relevantes de la instalación como temperatura, humedad, flujo volumétrico, etc. [1], [3]. Los consumos de energía determinados mediante el monitoreo incluyen los flujos de energía para el tratamiento del aire para lograr las condiciones deseadas en la sala y, si corresponde, las pérdidas por conversión de energía en la producción de frío, calor y vapor.

Además, esta metodología de registro permite detectar errores en el control, a diferencia del uso de medidores de cantidad de energía, ya que todos los datos relevantes de medición están disponibles para un análisis adecuado.

Los datos de medición necesarios de la instalación pueden registrarse y transmitirse de diversas formas. La precisión de los consumos de energía determinados depende exclusivamente de la posición y precisión de los sensores utilizados. Por ello, es recomendable definir todos los sensores necesarios y sus puntos de medición antes de comenzar el registro, o verificar la idoneidad de la instrumentación existente. Además, se debe diseñar un método seguro y, preferiblemente, automatizado para la transmisión de datos.

En la instalación existente analizada, los datos se midieron, entre otros, mediante los sensores ya instalados y se registraron como promedios de 10 minutos usando el software de automatización de edificios existente. Además, se instalaron y registraron otros sensores. Los datos de medición almacenados se importaron en un software especializado para el procesamiento de datos y se utilizaron para calcular el consumo de energía y analizar posibles fallos. El principio del sistema de monitoreo utilizado se ilustra en la figura 3.

La instalación RLT analizada suministra aire exterior a los espacios de producción a 32.000 m³/h y opera las 24 horas, como se muestra en el esquema de la figura 4. La instalación cuenta con las siguientes etapas de tratamiento térmico del aire:

- Recuperación de calor KVS con intercambiador de placas integrado,
- Mezcla de aire recirculado (cámara de mezcla),
- Enfriamiento con deshumidificación (agua fría de enfriamiento),
- Humidificación con vapor
- Calefacción posterior

y funciona con un volumen constante de entrada y salida de aire y condiciones constantes de aire de entrada.

Los datos de medición de la instalación se recopilaron desde junio hasta diciembre de 2012, permitiendo analizar el modo de operación durante días de verano, invierno y en períodos de transición. Como efecto secundario, se detectó que la instalación presenta algunos errores en el control. La nueva regulación de las compuertas de mezcla basada en entalpía funcionó correctamente, pero no se coordinó con el control de recuperación de calor (WRG) en el conducto de aire exterior, suministrado por otro fabricante. Como resultado, la WRG, incluyendo el intercambiador de placas, a menudo precalentó el aire más de lo necesario, lo que llevó a un mayor consumo de energía de enfriamiento a través del registro de enfriamiento posterior (ver diagrama en la figura 5).

Para evaluar el consumo adicional debido a errores en el control, se simuló un estado sin fallos (variante A, ver tabla 1).

Simulación de la instalación como base para la evaluación

Como método efectivo para calcular el consumo anual de energía, se ha demostrado que la simulación de la instalación con programas adecuados es útil. La simulación consiste en calcular el esfuerzo energético para los cambios térmicos horarios en el aire en el equipo de tratamiento, utilizando las disposiciones reales, los datos de rendimiento, las funciones de control implementadas y los datos meteorológicos del sitio.

Para comparar diferentes tipos de control de las compuertas de mezcla, se creó otro modelo de simulación con una proporción constante de aire exterior (variante B). Otra variante de la instalación pretende mostrar el potencial de ahorro mediante la optimización de los valores de humedad deseados (ampliación del rango de valores de referencia en ± 5 % r.F., variante C).

Como el cambio en el modo de operación de las compuertas no tiene un impacto significativo en el consumo eléctrico de los ventiladores, en la comparación de variantes no se consideró el consumo de corriente de la instalación. No se tuvieron en cuenta factores de conversión energética, solo la energía útil entregada al equipo central.

Resultados

De la figura 6 se desprende que el consumo total de energía durante el período de registro varió entre 363 MWh (variante C) y 570 MWh (estado actual). El estado actual, debido a errores en el control y a la ubicación inadecuada de algunos sensores críticos, presenta el mayor consumo energético. Considerando el estado actual como 100 %, el consumo total (térmico) tras eliminar los errores detectados (variante A) sería del 89 %. La variante A, debido a su modo de operación con aire exterior variable, consume significativamente menos energía de enfriamiento que la variante B (-17 %). Sin embargo, el consumo de energía para humidificación aumenta (+7 %). En total, se logra un ahorro energético de 49 MWh, equivalente a un 9 %, mediante el control de las compuertas de mezcla basado en entalpía.

Comparando el estado sin fallos (variante A) con la variante C, la optimización de los valores de humedad permite un ahorro adicional del 29 %. La variante C resulta ser la forma de operación más eficiente en términos energéticos, sin necesidad de medidas costosas ni de violar los requisitos GMP establecidos.

Resumen

Basándose en el análisis descrito, se activará en las 8 instalaciones el modo de operación basado en la entalpía para las compuertas de mezcla y se corregirán los errores detectados mediante el monitoreo energético. Además, se optimizarán los valores de humedad como se describió (ver [2]). En comparación con el modo de operación con una proporción mínima constante de aire exterior, se estima un ahorro de energía de aproximadamente el 36 %, lo que equivaldría a un ahorro de costes de aproximadamente 28.000 euros al año en la instalación de referencia, y en escala para las 8 instalaciones, unos 174.000 euros anuales. El monitoreo energético se extenderá por un año adicional para verificar los ahorros previstos.

El monitoreo energético realizado en el marco del proyecto, junto con la simulación de la instalación, mostró que la eficiencia energética de los sistemas RLT está muy influenciada por el concepto de control seleccionado. Gracias al monitoreo, no solo se puede determinar el consumo de energía de una instalación RLT, sino también detectar errores de control, como calefacción y enfriamiento simultáneos. La corrección de estos errores puede contribuir significativamente al ahorro energético sin necesidad de inversiones adicionales.

Bibliografía
[1] VDI 2083 Hoja 4.2: Tecnología de salas limpias - Eficiencia energética, abril 2011.
[2] Bitsch, P. y Kuhn, M.: Deshumidificación eficiente en sistemas de climatización de salas limpias. En: Tecnología de salas limpias 2010 (2), p. 16-20.
[3] Kuhn, M.: Nuevo método para la optimización operativa de sistemas de climatización de salas limpias. En: Informes VDI; 2083, Frankfurt 2009, p. 195-203.