En este capítulo se muestra un par de casos de estudio. En el primero, se describe parte de la tecnología utilizada en residencias construidas en el área metropolitana de Monterrey del mismo estilo que tienen las residencias del SorteoTec. En el segundo caso se analiza el sistema de acondicionamiento de ambiente del tercer piso del edificio de Laboratorios de la DIA en el ITESM Campus Monterrey.
De acuerdo con el Reporte Anual de Calidad del Aire en Monterrey [Reporte2006], en el año 2006 los meses calurosos fueron de marzo a octubre, donde la temperatura máxima alcanzada fue de 41.1°C en el mes de mayo; mientras que los meses de diciembre a febrero fueron los más fríos, se puede destacar que el mes de febrero la temperatura mínima fue de 1.1°C y la temperatura promedio anual alcanzada en el Área Metropolitana durante ese año fue de 22.7°C. Además, en el mismo año, la precipi tación pluvial acumulada fue de 803 mm. Con respecto a la humedad relativa presentada se mantiene un promedio anual del 56%, observando que los meses más húmedos fueron septiembre, octubre y diciembre con 69, 70 y 69% de humedad relativa respectivamente. Esta información hace notar las variaciones del clima en el área metropolitana de Monterrey.
8.1 Residencias del tipo de las residencias del SorteoTec
Las construcciones consideradas en este caso son residencias de 600m2 aproximadamente construidas en el área metropolitana de Monterrey. Sus constructores están conscientes de que el ahorro energético en las residencias que construyen es importante, tanto para el ambiente como para el usuario final; es por ello que incorporan algunos sistemas de ahorro de energía a las construcciones.
Desde el principio del proyecto tienen la idea del ahorro energético en mente. Utilizan materiales de construcción que aíslan térmica y acústicamente, que no permiten la formación de mohos o el paso de la humedad. Los muros de la casa se hacen con concreto celular Contec de Hebel, el cual tiene pequeñas burbujas de aire distribuidas uniformemente que reducen su peso y mejoran su capacidad aislante. Las azoteas se hacen también con concreto del mismo tipo, solo que a estas se les aplica aligerante, concreto armado, Foamular1 y Aislogar2 y
una membrana para impermeabilización, quedando azoteas de color rosa.
Utilizan vidrios dobles en puertas y ventanas; las ventanas utilizan doble cristal Duovent3, donde el vidrio exterior es Transluz-E y el interior es de 6mm de
espesor; esto da factores de transferencia de entre 0.33 y 0.37 BTU/ft3h°F.
No utilizan por el momento vegetación interior; sin embargo, las residencias cuentan con un amplio jardín trasero con alberca y una pequeña cascada artificial que, además de hacer que la casa se vea bonita y proporcionar un lugar de tranquilidad y descanso a los propietarios, eleva la humedad del ambiente y provoca que la temperatura sea más estable. También se observa que las recamaras, el comedor y la sala se encuentra junto al jardín.
El acondicionamiento de aire se hace con equipos de la marca Crestron distribuidos en la azotea de la casa, que en total entregan aproximadamente 10 toneladas de refrigeración. El aire de retorno de las habitaciones pasa por los espacios entre los plafones para mejorar el diseño del plafón y ocultar los propios retornos. El control de los equipos se hace desde uno, dos o tres termostatos (dependiendo del número de equipos) ubicados en puntos estratégicos de la casa; estos termostatos se comunican a una computadora central que modifica el Setpoint del equipo; además, el usuario final puede modificarlo de forma local o desde Internet.
El mobiliario y las paredes interiores son de color claro; excepto en la sala de cine. Utilizan espejos en algunas paredes, lo cual ofrece la sensación de amplitud y favorece la iluminación. La iluminación ambiental es homogénea y cada habitación cuenta con interruptores para apagar o cambiar la intensidad de la luz en alguna zona particular; esta se controla con interruptores individuales que pueden accionarse manualmente o por medio de un sistema de control.
Cada circuito eléctrico para iluminación, climatización, manejo de las cámaras de seguridad, sensores del estado de las puertas y ventanas, riego,
1Aislante térmico de espuma rígida de poliestireno rígido y superficie lisa patentado por la compañía Owens
Corning
2Aislante termoacústico de fibra de vidrio patentado por Owens Corning
música ambiental o local, y otros sistemas pueden ser controlados desde una central ubicada en un punto estratégico de la casa con terminales de mando con pantalla táctil en la recámara principal y el recibidor. Además, todo el sistema cuenta con una dirección de Internet por lo que también puede ser monitoreado y controlado desde cualquier punto del mundo a través de la Red. Otra característica importante es que cada conjunto de interruptores en la casa puede ser configurado, a gusto del usuario final, para controlar algún circuito; es decir, se puede configurar el sistema para que un interruptor específico encienda una luz, modifique su intensidad o cambie el volumen del audio ambiental.
Todas las puertas de la residencia cuentan con sensores de apertura, de esta manera se puede saber si la habitación está ocupada o si está vacía. Se reconoce que este no es un método infalible, ya que podrían utilizar sensores de movimiento y estar seguros de que hay algo que se mueve allí. Sin embargo los simples sensores de movimiento tampoco son infalibles, pues si la persona está leyendo o dormida y no se mueve, el sensor ya no la detectará e iniciará las políticas de ahorro de energía.
Estas políticas tampoco se encuentran automatizadas para los sistemas de iluminación, acondicionamiento y música ambiental; la razón de esto radica en las preferencias del usuario final, históricamente el usuario prefiere tener el control de cuándo y dónde enciende las luces. Por otro lado, el sistema de riego de los jardines si se encuentra automatizado siguiendo políticas de horario; es decir, enciende los aspersores a cierta hora de la tarde y los apaga algún tiempo después.
Para terminar, al hacer entrega de la residencia al usuario, se le explica el procedimiento para configurar el sistema y se le ofrece soporte técnico por cualquier duda posterior. Además, el usuario puede continuar automatizando su casa y llevarla al nivel que desee.
En los párrafos anteriores se indican las características de este tipo de residencias; se puede notar que siguen varias de las sugerencias dadas en esta tesis, entre otras:
1. Utilizan materiales aislantes en la construcción de muros y azoteas (3.3.2.1),
2. Las casas tienen jardín, o patio (3.3.1.2),
4. Tienen espejos y fuentes de agua en espacios exteriores (3.3.2.3), 5. Las paredes y los muebles son de color claro (3.3.2.2),
6. Se cuenta con termostatos que sensan la temperatura de algunas habitaciones de la casa (5.4.10),
7. Se entrega un manual del manejo de los sistemas de la residencia y se ofrece soporte técnico posterior al usuario final (3.1.4.2),
8. Todos los equipos, incluyendo refrigeradores, son nuevos y de alta eficiencia (3.3.2.8 y 3.3.2.9),
Algunas de las cosas que aun se podrían hacer para reducir el consumo eléctrico en estas residencias son:
1. Colocar sensores de presencia o de tecnología dual4 para variar la
intensidad luminosa cuando sea necesario,
2. Generar más zonas dentro de la casa para controlar la temperatura.
8.2 Área de Laboratorios de la DIA del ITESM
El edificio de Laboratorios de la DIA se encuentra delimitado por Aulas 7 al norte, Aulas 4 al oeste y la calle Luis Elizondo en diagonal. La figura 8.1 muestra la ubicación del edificio marcándolo con una cruz. Cuenta con 4 pisos y el caso de estudio se limita al tercero.
El ITESM utiliza el sistema Metasys5 con arquitectura extendida para manejar los sistemas de acondicionamiento de ambiente del Campus. Este sistema permite llevar un historial de datos en una computadora. Las computadoras de monitoreo y control se encuentran en una zona cercana al Estadio Tecnológico, desde donde se puede cambiar el setpoint de cualquier manejadora del campus y de otros lugares como el auditorio Luis Elizondo, el Campus Norte, la Escuela de Medicina y la EGADE. Los controladores DX-91006
4Sección 6.2.3
5Johnson Controls
se comunican a través de equipos de comunicación NC, los cuales se conectan a la red Ethernet del campus con una dirección IP fija. La figura 8.2 muestra la forma en la que está conectado el sistema.
Figura 8.1 Ubicación de Laboratorios de la DIA
8.2.1 Estado Actual
Desde Junio de 1999 el ITESM Campus Monterrey aplica el estándar interno de Control de Sistemas de Volumen Variable que se aplica a los equipos
HVAC con VAV, donde la estrategia es: 1. Verificar fecha y hora.
Con el fin de ahorrar energía en el sistema, se apaga el variador de frecuencia del abanico de aire y se cierra la válvula de agua fría mientras no son horas hábiles. Las horas hábiles son:
• lunes a viernes, de 6 a 21 horas.
• sábados, de 6 a 13 horas.
2. Establecer lazos de control PI para cada caja VAV del sistema.
El lazo de control PI genera un porcentaje de apertura de la caja VAV en base a la medición de temperatura de la zona que está siendo acondicionada por dicha caja. La diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura medida es un error, este error es proporcional al porcentaje de apertura de la caja %QCn.
%Q
Cn=
100*(PV−SP)
P (8.1)
Donde:
%QCn es el porcentaje de apertura de la caja, PV es la temperatura medida,
SP es la temperatura deseada,
P es la banda proporcional, generalmente de 1ºC.
3. Establecer el porcentaje de velocidad de la UMA en base al porcentaje de flujo total requerido.
Sabiendo de antemano cuál es la capacidad total de flujo de cada VAV y que el flujo total de la UMA es igual a la suma de todos los flujos, se tiene que el
porcentaje de flujo total requerido de la UMA, y por ende su porcentaje de velocidad obedece a la siguiente ecuación:
%N UMA=%QTUMA=( Q C1 Q T )(%Q C1)+( Q C2 Q T )(%Q C2)+…+( Q Cn Q T )(%Q Cn) (8.2) Donde: %N
UMA es el porcentaje de velocidad del aire de la UMA, %QT
UMA es el porcentaje de flujo total de aire de la UMA,
QCn Q
T
es la relación entre el flujo de la caja n y el flujo total de la UMA,
4. Enviar la señal de velocidad del variador de velocidad electrónico (Señal de VCD).
senaldelvariador= N
UMA
10 (8.3)
5. Control de la válvula de agua fría.
Se considera que el porcentaje de apertura de la válvula de agua fría es el mismo valor porcentual que el de velocidad o flujo de aire de la UMA.
Esta estrategia, mostrada en el diagrama de flujo de la figura 8.3, permite que sea el mismo controlador de la UMA quien controle las cajas VAV. Se utiliza un controlador modelo DX-9100. Este estándar se limita a cajas VAV con actuadores proporcionales y un número máximo de 8 cajas por sistema VAV.
Esta estrategia presenta como ventajas principales:
1. La simplicidad. Esta estrategia considera que todo lo que provoque una variación de temperatura es una perturbación, ya sea que cambie el número de personas, que cambie la temperatura exterior, que los equipos eléctricos se encuentren funcionando o que alguna de las cajas VAV se descalibre; todo es considerado perturbación,
2. La facilidad de programación en el controlador DX-9100, pues se utilizan operaciones muy básicas con variables de entrada y de memoria, no requiere alto poder de procesamiento,
3. No requiere medir las presiones en los ductos de ventilación, ya que se conocen las relaciones de flujo de cada caja con el flujo total de la UMA y con ello se controla el flujo total con los flujos individuales.
Aunque las desventajas son:
1. Se requiere conocer perfectamente la relación que guardan los flujos de cada caja VAV con la capacidad total de la UMA para no excederla,
2. Es una estrategia de “fuerza bruta” al no considerar la temperatura del aire que sale de la UMA.
En cuanto a las temperaturas, en el campus se maneja un SP general de 22.5°C y se considera que los usuarios están confor tables con temperaturas entre 17.5°C y 27.5°C.
La figura 8.4 muestra el diagrama de instrumentación que ilustra la forma en que los termostatos controlan la apertura de las cajas VAV, la velocidad del abanico y la apertura de la válvula de agua fría. Cada pequeño lazo “Caja VAV – Termostato” controla una de las 8 zonas en las que se divide el laboratorio, y la
señal de cada termostato es enviada a un controlador de velocidad del abanico SIC que incrementa o decrementa el flujo de aire a mayor o menor temperatura, pues este controlador maneja tanto la velocidad del abanico para controlar el flujo de aire, como la apertura de la válvula de agua fría para controlar la cantidad de agua fría en la manejadora.
El diagrama de la figura 8.4 es una de las formas de representar un control de relación en la manejadora y un control maestro-esclavo en las cajas VAV individuales. Las constantes K1 a K8 indican la relación entre el flujo de la caja
individual VAV y el flujo total de la manejadora.
La figura 8.5 muestra los espacios existentes en el tercer piso. Los sensores de temperatura se representan como círculos rojos, los actuadores se representan como rectángulos amarillos y las letras verdes son el distintivo del nombre de la oficina o laboratorio, mientras que la tabla 8.1 indica el nombre de los sensores y actuadores en cada zona y las oficinas o laboratorios que cubre.
ZONA TERMOSTATO ACTUADOR LABORATORIOSOFICINAS O 1 T-2 C-2 LD-306 A, B y C 2 T-3 y 4 C-3 y 4 LD-306 D 3 T-5 y 6 C-5 y 6 LD-306 N 4 T-7 C-7 LD-306 J 5 T-8 y 9 C-8 y 9 LD-306 E 6 T-10 y 11 C-10 y 11 LD-306 M y L 7 T-12 y 13 C-12 y 13 LD-306 K 8 T-14 C-14 LD-306 F, G y H
Tabla 8.1 Zonificación de Laboratorio de la DIA.
Comportamiento
Con el fin de conocer el comportamiento térmico del laboratorio cuando la UMA es controlada por el estándar actual, se monitorearon los valores de temperatura de agua helada a la entrada y salida de la UMA; la temperatura exterior al laboratorio y la temperatura en cada uno de los espacios internos del mismo durante el día 10 de septiembre del 20077 y a partir de las 8:45 AM del lunes 28 de abril hasta las 8:40 AM del martes 29 de abril8 del 2008.
La figura 8.6 muestra el comportamiento térmico del laboratorio el día 10 de septiembre. En ella, la línea azul oscuro con cuadros indica la temperatura exterior, tiene un promedio de 27.3ºC y una desviación estándar de 2.5ºC; la línea rosa lisa representa la temperatura de la zona 1(LD306-C), varía mucho, esto puede deberse a la entrada y salida continua de instructores y alumnos a esa oficina. Es visible que la línea morada con triángulos varía muy poco manteniéndose en 23. 08ºC casi todo el tiempo; esto se debe a que representa la zona 4 (cubículo LD306-J) que se encuentra en el centro del laboratorio por lo que la temperatura exterior le afecta mucho menos que a las otras zonas.
La figura 8.7 muestra el comportamiento de los días 28 y 29 de abril. Para la figura 8.7, la línea azul oscuro con cuadros indica la temperatura exterior, puede verse cómo varía la temperatura desde 12ºC hasta 26ºC, tuvo un promedio de 19.14ºC y una desviación estándar de 3.59ºC, puede verse que la temperatura exterior fue baja, fueron días fríos, por lo que no hubo un consumo considerable de energía para enfriar el laboratorio. La otras líneas son las temperaturas de las primeras 5 zonas del laboratorio.
Figura 8.7 Comportamiento térmico del laboratorio entre el 28 y 29 de abril del 2008.
Válvula de Agua Fría
Además, se tomaron lecturas del comportamiento de la válvula de agua fría para relacionar la señal que le llega del control con el flujo de agua que pasa por la válvula. Se tomaron 11 lecturas, una por minuto, variando el porcentaje de
apertura desde 0% hasta 100%, con un paso de 20%, y se midió el flujo de agua en GPM’s; luego se promediaron las lecturas y se obtuvo una fórmula que relaciona el porcentaje de apertura con el flujo de agua. La tabla 8.2 muestra los porcentajes de apertura, los flujos ascendentes (٨) y descendentes (٧) y el promedio; mientras que la figura 8.8 muestra el flujo en la válvula en función del porcentaje de apertura.
Es importante hacer notar que, aunque la válvula se encuentre completamente cerrada, existe un flujo de agua fría circulando por la UMA. Sin embargo, como no hay flujo de aire en la UMA puesto que el variador de frecuencia se encuentra apagado, no hay consumo de energía.
APERTURA FLUJO ∧∧∧∧ FLUJO ∨∨∨∨ PROMEDIO
0 2.5 2.53 2.515 20 12.59 13.26 12.925 40 47.24 54.15 50.715 60 72.57 73.75 73.16 80 75.12 74.67 74.895 100 82.12 82.12 82.12
Tabla 8.2 Comportamiento de la válvula de agua fría.
Figura 8.8 Comportamiento de la válvula de agua fría.
≤ ≤ + ≤ ≤ − ≤ + = 100 60 72 . 59 224 . 0 60 20 2 . 17 506 . 1 20 5 . 2 5 . 0 Ap si Ap Ap si Ap Ap si Ap Q (8.4)
Donde:
Q es el flujo de agua fría que pasa por la válvula [GPM's], Ap es el porcentaje de apertura de la válvula.
Para convertir este flujo Q de GPM a Kg/s se debe multiplicar por 0.0631. Cálculo de energías
Para calcular la energía utilizada por la UMA para enfriar el aire que llega a las 8 zonas del laboratorio se utilizan las ecuaciones 8.4 y 5.1.
El anexo B es una simulación del comportamiento del laboratorio hecha con los datos registrados el día 10 de septiembre del 2007, y la hoja calcula las aperturas de las caja VAV individuales, el porcentaje de apertura de la válvula de agua fría, el flujo de agua que pasará por esa apertura y la diferencia de temperaturas de agua helada, y la energía instantánea en W. Además, la hoja puede calcular la energía de las 24 horas usada para enfriar el laboratorio durante ese día. Cabe hacer la aclaración de que se basa en las temperaturas tomadas reales, no tiene un modelo de cada cuarto para calcular la temperatura en el siguiente tiempo de muestreo.
En el anexo C, la columnas Salida y Entrada se refieren a las temperaturas
del agua helada que salen y entran a la UMA respectivamente; la columna llamada
%VAF es el porcentaje de apertura de la válvula de agua fría, dato que sirve para
calcular el flujo Q de agua en la manejadora la cual es multiplicada por 0.0631
para convertirla a kg/s; la última columna, Energía kW es la energía instantánea
calculada con la ecuación que deriva a partir de la ecuación 5.1 que es:
) ( i e p s t t v c Q q = − (8.5) Donde: q s
tasa de transferencia de calor sensible, [W],
Q tasa del flujo volumétrico del caudal de agua, [ft3/h,kg/s], calculada a partir de la
ecuación 8.4, (t
i−te) diferencia de temperaturas de entrada y salida, [C],
c
p calor específico del agua a presión constante, cuyo valor
9 es 4,188.00
J/(kg-K), v volumen específico del agua, cuyo valor es de 106.32 m3/kg,
Utilizando la ecuación 8.5 se calcula la energía instantánea que la manejadora transfiere del aire caliente al agua fría. Se utilizaron para el cálculo de la columna Energía las constantes Cp y v cuyos valores son 4,188 J/(kg-K) y
106.32 m3/kg respectivamente. La figura 8.9 muestra la energía calculada retirada
del aire de la manejadora el día 10 de septiembre de 2007 y la figura 8.10 muestra la energía retirada del aire en la manejadora los días 28 y 29 de abril de 2008; hay que recordar que es relativamente poca porque esos días de abril fueron fríos.