Los caminos hacia el liderazgo en el diseño de energía y medio ambiente Créditos de conservación de agua para torres de enfriamiento evaporativo
Neal Walsh: Gerente Comercial, Baltimore Aircoil Company, Inc. y Robert Downey: Gerente de Desarrollo de Ventas Globales y Especialista en Tratamiento de Agua, Baltimore Aircoil Company, Inc.
Las torres de enfriamiento por evaporación juegan un papel importante en los edificios ecológicos al reducir significativamente el consumo de energía cuando complementan o reemplazan los sistemas de aire acondicionado tradicionales, lo que reduce la huella de carbono y los costos operativos. Aunque el enfriamiento por evaporación es excelente para ahorrar energía, consume algo de agua, pero los beneficios en el ahorro de energía superan el uso del agua, que en algunos lugares es un recurso escaso.
Por lo tanto, la conservación del agua es una alta prioridad en el diseño y operación de equipos enfriados por agua y juega un papel importante en la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) del USGBC y otros programas de sustentabilidad. LEED asigna puntos de crédito para reducir el consumo de agua.
Dos caminos de diseño
Las opciones LEED para reducir el consumo de agua potable en torres de enfriamiento se pueden dividir en dos estrategias:
Obtener más uso del agua potable
La primera estrategia está dirigida a maximizar el uso y el valor de cada galón de agua potable utilizada en el enfriamiento evaporativo mediante la optimización de los ciclos de concentración (COC) de la torre de enfriamiento. El éxito de esta estrategia y la facilidad o dificultad de implementarla depende en gran medida de la calidad del agua potable disponible.
Sustitución de agua no potable
La segunda estrategia recomendada por LEED, que se puede combinar con la primera, es sustituir el agua no potable, como el agua condensada de HVAC o el agua de lluvia, por una parte del agua total consumida. De manera análoga al uso de la energía solar y eólica como fuentes de "energía alternativa" para reemplazar o complementar el consumo de combustibles fósiles, el uso de agua no potable actúa como una fuente de "agua alternativa", reemplazando el agua potable potencialmente escasa. Obviamente, la viabilidad de este enfoque depende de los tipos de fuentes de agua no potable disponibles.
Para algunas de estas rutas de diseño, lograr la reducción deseada del uso de agua potable conlleva algunos efectos secundarios potenciales y nuevos desafíos que deben evaluarse y abordarse. Por ejemplo, aumentar el COC es más difícil cuando el agua local tiene una dureza alta. Otro ejemplo es el condensado de HVAC y el agua de lluvia que a menudo son excelentes opciones naturalmente blandas para el agua no potable. Cabe señalar que estos introducen los problemas potenciales de partículas en el aire que fomentan el crecimiento biológico y de corrosividad en el equipo de refrigeración.
Consumo de agua en una torre de enfriamiento
Para comprender el principio de COC, debemos dar un paso atrás y comprender las causas de la pérdida de agua en una torre de enfriamiento.
Evaporación
El vapor de agua es un subproducto importante del enfriamiento por evaporación, y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) estima que se evaporan alrededor de 1,8 galones de agua por cada tonelada-hora de enfriamiento. Según la EPA, “la evaporación es la función principal de una torre de enfriamiento y es el método que elimina el calor del sistema de la torre de enfriamiento. La cantidad de evaporación no suele ser el objetivo de la eficiencia del agua, ya que es responsable del efecto de enfriamiento”.
Fuente: EPA: Guía de gestión de eficiencia del agua - Sistemas mecánicos, noviembre de 2017
Deriva, fugas y desbordamiento
Si bien la evaporación se considera una causa necesaria y aceptable de pérdida de agua, se deben controlar cuidadosamente otros medios de pérdida de agua.
La deriva es la pequeña cantidad de agua en forma de neblina o gotas de agua que sale de la torre de enfriamiento con poco o ningún efecto de enfriamiento beneficioso. Los fabricantes de equipos abordan esto al incluir eliminadores de gotas, que controlan la pérdida de gotas entre el 0,05 y el 0,2 % del caudal de agua a través de la torre de enfriamiento. Para una aplicación de 500 toneladas nominales con un flujo de 1500 gpm, la pérdida por deriva podría ser de hasta 3 gpm, lo cual es típico para las unidades de flujo cruzado y representa alrededor del 1 % del uso total de agua.
Las fugas o el desbordamiento no deben ocurrir regularmente en una torre de enfriamiento operada y mantenida adecuadamente. Las alarmas de desbordamiento deben instalarse en el desagüe de desbordamiento, como lo exigen normalmente los códigos de plomería y construcción, para corregir rápidamente cualquier problema de fuga o desbordamiento.
purga
Esto deja una causa restante de pérdida de agua. La purga, también conocida como purga, es el agua que se purga del sistema para mantener la concentración de sólidos disueltos en el agua de refrigeración circulante dentro de límites aceptables. A medida que el agua se evapora, el agua se escapa pero la mayoría de las otras moléculas quedan atrás. Este proceso eleva la concentración de sólidos disueltos totales (TDS) que quedan en el agua del sistema, incluidos calcio, magnesio, cloruro y sílice. Las altas concentraciones pueden causar la formación de incrustaciones o conducir a la corrosión, lo que resulta en ineficiencias del sistema, fallas y dolores de cabeza por mantenimiento. La concentración de sólidos en suspensión de partículas en el aire y otras fuentes también aumenta, lo que facilita el ensuciamiento biológico y pone en riesgo el crecimiento bacteriano.
En pocas palabras, la concentración de TDS y sólidos en suspensión se controla mediante la eliminación del agua de purga. Para mantener el volumen óptimo de agua en el sistema, el volumen total de agua que se pierde a través de esta purga y de la evaporación se reemplaza por “agua de reposición” (suponiendo que no haya pérdida por deriva, fugas y desbordamiento).
Maximización de ciclos de concentración
Una medida fundamental de la eficiencia de la torre de enfriamiento son los ciclos de concentración, también conocidos como relación de concentración. Los ciclos de concentración (COC) se definen como la relación entre los sólidos disueltos (conductividad) en el agua de la torre y los sólidos disueltos (conductividad) en el maquillaje. Esto se determina fácil y comúnmente tomando la conductancia específica del agua de enfriamiento y dividiéndola por la conductancia del agua de reposición. El cálculo también se puede hacer utilizando minerales que no se ven afectados por el régimen de tratamiento químico, como el cloruro o la sílice.
Un método alternativo, igualmente preciso, para calcular el COC es tomar el volumen de agua de reposición y dividirlo por el volumen de sangrado. Esto se hace fácilmente si la torre está equipada con medidores de agua en las líneas de llenado y purga, una práctica muy recomendable.
Cuanto mejor sea la calidad del agua de reposición, en otras palabras, cuanto menor sea el TDS, los sólidos en suspensión y la corrosividad, mayor será el COC que se puede lograr y se requiere menos purga para mantener el COC deseado para mantener la calidad del agua del sistema. dentro de límites aceptables. A continuación, analizamos varios métodos para mejorar la calidad del agua de reposición.
El TDS, y específicamente la dureza del agua, es por mucho el factor más importante que afecta las estrategias para conservar el agua al aumentar el COC. El aumento del COC es mucho más fácil de implementar en lugares donde el agua es naturalmente blanda, como partes del noreste, sureste y noroeste de los Estados Unidos.
En la versión 4.0 de LEED, lograr al menos 10 COC otorga de 2 a 4 créditos, dependiendo de si el sistema es para una construcción nueva, un edificio existente o un centro de datos. Los programas de reducción de agua que logren menos de 10 COC obtendrán solo de 1 a 2 créditos (a menos que al menos el 20 % del agua de reposición sea agua no potable reciclada, en cuyo caso se pueden obtener de 2 a 4 créditos).
LEED versión 4.1 es algo diferente. Elimina el umbral de 10 COC y en su lugar otorga créditos basados en exceder el COC por un porcentaje. El porcentaje compara el COC antes y después de que se tomen medidas para mejorar la calidad del agua de reposición. Para proyectos BD+C y centrales y envolventes, exceder el COC de referencia en un 25 % otorga 2 créditos, y para proyectos centrales y envolventes se puede obtener un punto adicional si se supera el COC de referencia en un 30 %.
Agua no potable como fuente alternativa
Cuando estén disponibles, las fuentes de agua no potable pueden ser una excelente manera de conservar el agua potable y un camino para obtener 2 créditos LEED. Veamos cuatro categorías comunes de agua no potable: condensado de HVAC, agua de lluvia y pluvial, agua municipal reciclada y aguas grises.
Condensado HVAC
Especialmente en el sureste de los EE. UU., la alta humedad y las altas cargas de enfriamiento durante la mayor parte del año brindan un alto potencial para la captura de condensado. En Washington, DC, por ejemplo, la captura de condensado podría ser de hasta 10 gal/cfm de OA cada año y en Miami hasta 31 gal/cfm de OA cada año, según un artículo de ASHRAE Journal de 2021.
El condensado de HVAC es una fuente ideal de agua de reposición para torres de enfriamiento por dos razones. Primero, el momento de la generación de condensado de los sistemas de aire acondicionado se alinea bien con el momento de la necesidad de agua de reposición para las torres de enfriamiento. Esta alineación significa que un tanque de almacenamiento puede no ser necesario. En segundo lugar, el agua condensada es pura con un contenido de minerales disueltos muy bajo. Sin embargo, una desventaja potencial del condensado HVAC es que a veces contiene metales pesados, como cobre o plomo, que pueden requerir tratamiento antes de usarse como agua de reposición.
Agua de lluvia
El agua de lluvia y las aguas pluviales se recolectan comúnmente de los techos y las superficies duras, como los firmes de las carreteras o los estacionamientos. Las regulaciones varían según el estado sobre el uso de dicha agua. Este mapa proporciona una evaluación inicial de la viabilidad de implementar la captura de agua de lluvia y pluvial. Un estudio de 2012 publicado por la Universidad de Tennessee concluyó que se puede lograr una gran cantidad de COC con agua de lluvia porque los sólidos disueltos son significativamente más bajos que en el agua del grifo.
Sin embargo, el pH del agua de lluvia suele estar alrededor de 6 o por debajo y, por lo tanto, debe mitigarse antes de usarla en una torre de enfriamiento para minimizar el riesgo de corrosión y contaminación. Además, el control del crecimiento microbiológico debe incluirse en cualquier plan de tratamiento de agua donde se utilice agua de lluvia recolectada. El nivel de tratamiento requerido para el agua de lluvia recolectada depende de la fuente. Dos problemas comunes son los excrementos de pájaros si la lluvia se recolecta de un techo y el aceite si se recolecta de los firmes de las carreteras y los estacionamientos.
Agua Municipal Reciclada y Aguas Grises
Los municipios locales están desarrollando cada vez más la capacidad de recuperar y vender aguas residuales tratadas (a un precio significativamente más bajo que el agua potable) en lugar de descargarlas en un lago o río. La “tubería morada”, junto con la señalización adecuada, se utiliza para distinguir dichos sistemas de distribución de las líneas de agua potable.
Esta agua suele ser de buena calidad, aunque la concentración de minerales suele ser superior a la del agua potable. Una ventaja es que el mayor contenido de sílice, alcalinidad, dureza y fosfato en el agua recuperada suele ser menos corrosiva que el agua del grifo. Cuando se utiliza agua municipal reciclada, los equipos de gestión de la calidad del agua deben evaluar cómo los inhibidores de corrosión del proceso municipal pueden afectar las estrategias de tratamiento del agua para el agua de reposición de la torre de refrigeración.
Desafortunadamente, las fuentes comerciales típicas de aguas grises, por ejemplo, urinarios y lavandería, no son apropiadas para su uso como fuente directa de agua no potable sin un tratamiento adicional significativo. Los jabones que se encuentran en la ropa pueden ser problemáticos porque actúan como fuente de alimento para el crecimiento microbiológico.
Abordar los desafíos de la calidad del agua
Según la calidad del agua disponible y según las pruebas y recomendaciones de los profesionales del tratamiento del agua, la estrategia para conservar el agua puede requerir la implementación de uno o más métodos de mitigación. Estos métodos se dividen en dos categorías básicas: (a) mejorar el agua con tratamiento químico y filtración, y (b) proteger el sistema con materiales de construcción que ofrecen una alta protección contra la corrosión.
Minerales Disueltos. El agua con alto contenido de minerales puede ser particularmente desafiante porque los altos niveles de calcio, magnesio, alcalinidad y sílice aumentan el riesgo de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor, lo que puede degradar rápidamente el rendimiento del sistema. Por otro lado, los altos niveles de cloruros y sulfatos aumentan el riesgo de corrosión en varios metales utilizados en los sistemas de agua de refrigeración, lo que podría generar un aumento de los costos de mantenimiento y una reducción de la vida útil de los activos. Limitar los sólidos disueltos es fundamental para lograr aumentos en el número de ciclos de concentración. Generalmente se utilizan tres métodos de mitigación:
Tratamiento químico. Los productos químicos inhibidores de incrustaciones provocan un proceso llamado modificación del cristal, que suaviza los bordes duros del precipitado cristalino en un material más redondo que permanece en solución por más tiempo y es menos probable que forme incrustaciones. Los tratamientos químicos también incluyen polímeros dispersantes que coalescen y aglomeran estas partículas más blandas y, mediante fuerzas hidrofílicas e hidrofóbicas, hacen que sea menos probable que estas partículas se adhieran a las superficies de transferencia de calor. Estos tratamientos químicos funcionan, pero tienen límites basados en la química moderna y, a menudo, son insuficientes para tratar el agua con un alto contenido de minerales.
Pretratamiento mecánico. La mayoría de las instalaciones deben considerar el pretratamiento mecánico, ya sea sistemas de ablandamiento de agua o sistemas de ósmosis inversa parcial o una combinación de ambos. Los ablandadores de agua usan una resina de intercambio iónico, que recolecta calcio y magnesio, junto con un tanque de salmuera, que usa sal como regenerante. Estos sistemas son relativamente simples y tienen un costo total de propiedad bajo, pero solo eliminan calcio y magnesio y no otros sólidos disueltos como cloruros; y no reducen la alcalinidad. Los ablandadores de agua pueden aumentar los ciclos de concentración de aproximadamente 2 a 4, pero rara vez permiten los grandes saltos necesarios para llegar a 10 COC.
La ósmosis inversa parcial (RO) es más eficaz. El agua se empuja a través de una membrana, eliminando el 95-98% de todos los minerales. Normalmente, la ósmosis inversa se usa para producir agua pura, pero eso sería demasiado corrosivo para las aplicaciones de torres de enfriamiento. Por lo tanto, se utiliza RO parcial, que mezcla el agua de RO con el agua de reposición municipal. Para el agua con un contenido mineral muy alto, el diseño más rentable es utilizar un ablandador de agua para eliminar los minerales de dureza antes del proceso de ósmosis inversa.
Sólidos suspendidos. La concentración de sólidos en suspensión de diversas fuentes de agua y de partículas suspendidas en el aire que se acumulan en la torre de enfriamiento facilita el ensuciamiento biológico y corre el riesgo de un crecimiento bacteriano peligroso. Para esta aplicación, la filtración ciclónica es más efectiva y fácil de mantener que la filtración con arena.
La solución más rentable es diseñar e instalar un sistema de filtración de flujo lateral con tubería de barrido de cuenca. El sistema debe ensamblarse en fábrica y entregarse con la nueva torre de enfriamiento. (Los sistemas de posventa requieren quitar el paquete de relleno, lo que aumenta el riesgo de dañar el relleno).
Corrosión. Las estrategias de conservación del agua a menudo implican una elevada corrosividad del agua del sistema, especialmente cuando se utiliza agua de ósmosis inversa parcial o agua no potable de alta pureza, como el agua de condensación HVAC y agua de lluvia.
Para ver las pautas de calidad del agua de BAC, haga clic aquí .
Materiales alternativos de construcción
Otra estrategia de mitigación es seleccionar un material de construcción para la torre de enfriamiento que ofrezca cierta protección contra la corrosión, como el acero inoxidable. Para obtener el nivel más alto de protección contra la corrosión, se pueden aplicar revestimientos de poliuretano para lavabos. El sistema de protección contra la corrosión TriArmor® de Baltimore Aircoil Company ofrece un revestimiento de poliuretano aplicado en fábrica.
Múltiples caminos de diseño
Los propietarios y operadores que aborden las incrustaciones, las bacterias y la corrosión mantendrán la máxima eficiencia del sistema y extenderán la vida útil del equipo de enfriamiento por evaporación. La siguiente tabla resume las consideraciones de diseño para cumplir con los objetivos de la figura de la derecha.
Estos diversos caminos de diseño ofrecen muchas opciones para ganar puntos LEED en edificios existentes y construcciones nuevas. Al reducir el consumo de energía y agua potable, los sistemas de torres de enfriamiento bien diseñados y bien mantenidos conservan recursos naturales y dinero escasos.
Para obtener más información, vea el seminario web de BAC sobre LEED y equipos de enfriamiento por evaporación: lo que necesita saber.