TRABAJO DE FINAL DE GRADO
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
SISTEMA DE GESTIÓN DOMÓTICA PARA OPTIMIZAR EL CONSUMO ENERGÉTICO DE UNA VIVIENDA.
Memoria técnica
Autor/a: Guerrero Rodríguez, Nèstor.
Director/a: Manzanares Brotons, Manuel Andrés.
Convocatoria: Primavera 2022.
Resumen
Este trabajo de fin de grado se centra en la programación y diseño de una placa de control con el fin de adaptar una casa, para que esta sea domótica, es decir, una casa inteligente que haga la vida más fácil de las personas que vivan en ella y para que sea eficiente energéticamente.
El diseño del módulo de control pasa por todas sus fases, desde cálculos de componentes, búsqueda en las hojas de datos de montajes recomendados por los fabricantes para cada componente, el diseño del esquema eléctrico de todo el proyecto y su correspondiente diseño y realización de una placa de circuito impreso.
Para lograr esta eficiencia se ha diseñado ciertas funcionalidades para el control de la iluminación, el control de los electrodomésticos y los sistemas de calefacción y refrigeración; que son controlados de manera automática y también mediante una aplicación de teléfono móvil desarrollada en este proyecto. Además, se monitoriza el consumo energético de la casa y se le dan el máximo de facilidades al usuario para que el consumo en su hogar sea el mínimo.
Destacar que el diseño del módulo de control que se instalaría para este proyecto, está adaptado para esta aplicación para lograr así su máxima eficiencia. El presente proyecto deja ver, en primer lugar y como objetivo principal, la destacable diferencia de la eficiencia energética entre una casa convencional y una con una instalación domótica, y en segundo lugar, la utilidad de las casas inteligentes y el hecho de que van a formar parte, cada vez más, de nuestro día a día y de su ventajoso uso en para cualquier tipo de usuario.
Si bien es cierto que el diseño de la placa de control se quedará en solo un diseño, para poder demostrar de manera práctica la utilidad de lo que se defiende en este proyecto, se va a realizar una maqueta de una casa domótica como parte práctica, la cual también se desarrollará en esta memoria.
Resum
Aquest treball de fi de grau se centra en la programació i disseny d’una placa de control amb el fi d’adaptar una casa, perquè aquesta sigui domòtica, és a dir, una casa intel·ligent que faci la vida més fàcil per les persones que visquin en ella i perquè sigui eficient energèticament.
El disseny del mòdul de control pasa per totes les seves fases, des de càlculs de components, cerca en full de dades de muntatges recomanats pels fabricants per a cada component, el disseny de l’esquema electrònic de tot el projecte i el seu corresponent disseny i realització de una placa de circuit imprès.
Per a assolir aquesta eficiència s’han dissenyat diverses funcionalitats per al control de la il·luminació, el control dels electrodomèstics i els sistemes de calefacció i refrigeració; que són controlats de manera automàtica i també mitjançant una aplicació de telèfon mòbil desenvolupada en aquest projecte. A més, es monitora el consum energètic de la casa i se li donen el màxim de facilitats a l’usuari perquè el consum a la seva llar sigui el mínim.
Cal destacar que el disseny del mòdul de control que s’instal·laria en aquest projecte, està adaptat per a aquesta aplicació per adquirir així la seva màxima eficiència. El present projecte deixa veure, en primer lloc i com a objectiu principal, la destacable diferència de l’eficiència energètica entre una casa convencional i una amb una instal·lació domòtica, i en segon lloc, la utilitat de les cases intel·ligents i el fet que seran part, cada vegada més, del nostre dia a dia i de la seva gran per a qualsevol tipus d’usuari.
Si bé és cert que el disseny de la placa de control només es quedarà en un disseny, per poder demostrar de manera pràctica la utilitat del que es defensa en aquest projecte, es realitzarà una maqueta d’una casa domòtica com a part pràctica, la qual també es desenvoluparà en aquesta memòria.
Abstract
This final degree project is focused on the programmation and the design of a control board. In order to become a house in a home automation, that is a smart house that makes life easier for the people who live in and to be energy efficient.
The control module has been designed through all its phases, from calculations of components, search in the datasheets of assemblies recommended by the manufacturers for each component, the design of the electrical diagram of the entire project and its corresponding design and realization of a printed circuit board.
To reach this efficiency, certain functionalities have been designed, such as the illumination control, the control of the electric appliance and the heating and cooling systems; that are controlled automatically and also through an app developed in this project. Furthermore, the consumption of the house is monitored and with the aim of having the minimum consumption at the house, several eases are given to the user.
Note that the design of this control board is adapted to this application so it can achieve the maximum efficiency. This project reveals, first and foremost, the remarkable difference in energy efficiency between a conventional house and one with a home automation installation, and lastly, the usefulness of smart houses and the fact that they will become part of our day-to-day and their interesting use of any type of user.
Although it is true that the design of the control board will remain in a design, in order to demonstrate in a practical way the usefulness of what is defended in this project, a mockup will be made of a home automation as a practical part, which will also be developed in this report.
Agradecimientos
Quiero agradecer primero de todo a mi familia y pareja que son los que más me han apoyado durante este trabajo y me han motivado en los momentos más difíciles.
También quiero agradecer a mi tutor el tiempo que ha dedicado a ayudarme durante el proyecto, por los consejos que me ha dado, por guiarme y por su apoyo también. Por último, agradecer a todos los compañeros que he tenido a lo largo de la carrera que han aportado, aunque sea lo más mínimo en mi desarrollo como ingeniero.
Glosario
- Datasheet: hoja de datos de un componente (en este caso serán componentes electrónicos) que proporciona el fabricante. En él se encuentran todas las características del componente.
- Trigger: también conocido como “disparo” se produce cuando una señal digital cambia su estado y deja de estar en su nivel de referencia. Se espera que se produzca este cambio de estado en la señal para tomar cualquier tipo de decisión, dependiendo de la aplicación o del momento.
- APP: abreviación empleada para referirse a una aplicación de un dispositivo móvil.
- Software: es un programa mediante el cual se pueden realizar tareas des de un ordenador.
- Interfaz de usuario (UI): se entiende por UI al sistema de interacción que tiene el usuario con una máquina, ordenador, etc. En este caso con su vivienda.
- Bus de datos: sistema de comunicación mediante el cual se transfieren datos entre dos dispositivos o componentes inteligentes.
- Interrupción externa: en algunos pines de un microcontrolador, es cuando les llega información y esta es atendida en el microcontrolador por encima de lo que esté procesando en ese momento. Es decir, si el microcontrolador está en su bucle desarrollando el programa, cuando llega una interrupción externa, se parará la ejecución del bucle para poder atender el código de la interrupción.
- PIR: es un sensor de movimiento el cual funciona mediante infrarrojos. Envía datos digitales.
- LDR: es un sensor de luz crepuscular, el cual mide, de manera analógica, la cantidad de luz que hay en el lugar donde está situado.
- Monitorización: es cuando se produce el control de un suceso (en el caso de este proyecto será el cambio de potencia de manera instantánea) mediante un monitor o pantalla. Este cambio, por lo tanto, se puede apreciar de manera gráfica.
- Topología: en este proyecto se refiere a la configuración de la distribución de los dispositivos de la instalación.
- Protocolo: son un conjunto de normas o reglas que dictan la manera de actuar según el caso.
- Ethernet: tecnología de cableado mediante la cual se interconectan dispositivos en una red local.
- LED: es un tipo de emisor de luz mediante radiación electromagnética que se transforma en luz.
- ACS: abreviatura de Agua Caliente Sanitaria.
- Final de carrera: son dispositivos que detectan la posición de un elemento cuando son accionados.
- GND: conexión a masa o tierra.
- PCB: proviene de sus siglas en inglés (“Printed Circuit Board”). No es más que el circuito impreso donde se colocan todos los componentes de un diseño electrónico y sus interconexiones.
- RFID: sistema de identificación por radiofrecuencia.
Índice
RESUMEN __________________________________________________________ 1 RESUM _____________________________________________________________ 2 ABSTRACT __________________________________________________________ 3 AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ 4 GLOSARIO __________________________________________________________ 5 1. OBJETIVOS DEL TRABAJO _________________________________________ 11 2. MOTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN ____________________________________ 12
3. ESPECIFICACIONES BÁSICAS. ______________________________________ 13
3.1. Descripción del problema. ... 13
3.2. Especificaciones que debe cumplir el prototipo. ... 14
3.2.1. Interfaz y comunicación mediante bluetooth y LCD. ... 14
3.2.2. Iluminación y control de persianas. ... 14
3.2.3. Horario valle. ... 15
3.2.4. Control de temperatura. ... 15
3.2.5. Sistema de seguridad. ... 16
3.2.6. Monitorización del consumo de la vivienda. ... 16
4. INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA. _________________________________ 17
4.1. Aplicaciones de la domótica. ... 174.2. Estructura general de un sistema domótico. ... 18
4.3. Topología. ... 18
4.3.1. Sistemas centralizados. ... 18
4.3.2. Sistemas descentralizados. ... 19
4.3.3. Sistemas distribuidos. ... 20
4.3.4. Sistemas híbridos o mixtos. ... 20
4.4. Protocolos de comunicación... 21
4.4.1. KNX. ... 21
4.4.2. Z-Wave y Zigbee. ... 21
4.4.3. Insteon. ... 22
4.4.4. I2C. ... 23
5. LA IMPORTANCIA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA. _____________________ 24
5.1. Sistemas para evitar consumos innecesarios... 24
6. ESTUDIO ENERGÉTICO PREVIO. ____________________________________ 26 6.1. Dispositivos eléctricos de la vivienda. ... 27
7. DESARROLLO DEL SISTEMA DOMÓTICO. ____________________________ 30 7.1. Sensores. ... 30
7.1.1. Sensores de presencia. ... 30
7.1.2. Sensor de luz. ... 31
7.2. Persianas. ... 31
7.3. Sistema de calefacción y refrigeración. ... 32
7.3.1. Tipos de calefacción y su eficiencia. ... 32
7.3.2. Solución escogida para la refrigeración y calefacción. ... 33
7.4. Instalación ACS (Agua Caliente Sanitaria). ... 34
7.5. Ahorro respecto al estudio energético previo. ... 35
8. PROTOTIPO DE VENTA. __________________________________________ 39 8.1. Diseño del módulo de control. ... 39
8.1.1. Fuente de alimentación. ... 39
8.1.2. Esquema general y componentes elegidos. ... 40
8.1.3. Diseño de la PCB. ... 67
8.2. Diagramas de bloques de las funcionalidades del sistema domótico. ... 73
8.2.1. APP. ... 74
8.2.2. Modo ausente. ... 76
8.2.3. Modo seguro. ... 77
8.2.4. Modo ahorro. ... 77
8.2.5. Loop. ... 78
8.2.6. Alumbrado. ... 79
9. PROTOTIPO DE PRUEBAS. ________________________________________ 80 9.1. Esquema eléctrico... 80
9.1.1. Sensor de corriente. ... 81
9.1.2. Motor paso a paso DC. ... 82
9.1.3. LCD 1602+I2C. ... 83
9.1.4. Módulo bluetooth. ... 84
9.1.5. LDR. ... 85
9.1.6. Potenciómetros. ... 85
9.1.7. LEDs. ... 86
9.1.8. Pulsadores. ... 86
9.1.9. Alarma. ... 87
9.1.10. Sensor de presencia. ... 87
9.1.11. Alimentación. ... 87
10. IMPACTO MEDIOAMIENTAL. _______________________________________ 89
11. NORMATIVA. ____________________________________________________ 90
12. POSIBLES MEJORAS. ______________________________________________ 91
CONCLUSIONES. ____________________________________________________ 92
BIBLIOGRAFÍA.______________________________________________________ 93
1. Objetivos del trabajo
Este proyecto ha sido realizado con el objetivo de implementar una casa domótica en cualquier casa convencional, o diseño de nueva construcción. Se pretende facilitar la vida de las personas, dándoles con fácil control de la vivienda, dotada de sensores, actuadores y un microcontrolador encargado de que el sistema inteligente funcione perfectamente. Destacar que este proyecto está pensado para que le sea útil a cualquier persona.
Se busca la máxima eficiencia energética, puesto que vivimos en un mundo donde se debe evitar el malgasto energético y además dicha diferencia genera un ahorro importante en la factura de los usuarios. La finalidad del diseño y programación del microcontrolador es optimizar su programación para que actúe en los momentos que se precise y no esté constantemente procesando información innecesaria. Para conseguir esto, este sistema está basado en interrupciones externas (señales clave en los sensores) que hagan que el microcontrolador de órdenes y en una aplicación móvil que ayuda a la comunicación entre el usuario y su propio hogar, para poder controlarlo y poder consultar información de interés.
Mantener la seguridad en la vivienda es algo esencial hoy en día, por lo que se ha de instalar un sistema de seguridad en el que el usuario decida cuando esté activado.
Es de gran interés hacer que este proyecto sea lo más fácil de adaptar en una vivienda y que cualquier operario con un mínimo de conocimientos sobre el tema, sea capaz de poder adaptar una vivienda y hacerla inteligente, simplemente leyendo y siguiendo la información disponible en este trabajo referente a su implementación práctica.
Por último, el hecho de que esta memoria esté ligada con la eficiencia energética, y como tal el hecho de no malgastar dinero (ya que no se malgasta energía), hace que haya que buscar también un equilibrio en el precio que supondría llevar a cabo este proyecto, es decir que no tenga un costo excesivo.
2. Motivación y justificación
La motivación para hacer este TFG diría que es incluso la motivación que me llevo a emprender la carrera que, a día de hoy curso, es la siguiente: todo empezó cuando tuve que hacer el trabajo de fin de curso de bachillerato, el cual lo desarrollé dentro del campo de la domótica. Este hecho me llevó a empezar a indagar en el mundo de la electrónica e hice también una sencilla maqueta para poder realizar unos primeros programas sencillos. Desde entonces siempre me ha interesado el mundo de la domótica y me ha parecido una aplicación muy útil dentro del campo de la electrónica y la automatización.
Además, hoy en día, facilitar la vida de las personas y mejorar su calidad de vida es algo que se busca cada vez más, por lo cual la domótica se usa cada vez más en el día a día de las personas y con los años se van adaptando paulatinamente más viviendas. También es muy importante para consumir el mínimo de energía posible, ya que a día de hoy hay mucho malgasto (consumismo en general) por despreocupación de la población y, además, ayudar a las personas que necesiten un control en su consumo, sobre todo para poder ahorrar en las facturas.
Cuando me interesé por este proyecto y leí de qué trataba vi que tocaba varias ramas de la ingeniería electrónica como es el caso de programación, el diseño de sistemas basados en microcontrolador, el diseño y montaje de circuitos electrónicos y el diseño de una aplicación móvil (cosa que nunca había hecho). El hecho de que sea un proyecto que toque tantas ramas diferentes y que se complementen para un mismo objetivo es algo que me atrajo y motivó desde el principio. Además, también me incentivó el hecho de que cada vez la domótica tiene más cabida en el mundo profesional y brinda cada vez más posibilidades y oportunidades laborales, con lo cual entender más este mundo es algo que me interesa.
Por último, destacaría que me motiva como profesional el hecho de hacer un diseño útil de un sistema automatizado y monitorizado para una vivienda. De esta manera puedo probar lo que he aprendido durante estos años en el grado y, ver que tiene utilidad en la vida real, es algo que me apasiona.
3. Especificaciones básicas.
En este capítulo se procederá a explicar las especificaciones básicas del proyecto. Básicamente, se tratarán dos puntos. En el primero, se expondrán los problemas que debe resolver el sistema de automatización y control de la casa propuesto. En el segundo punto, se exponen los objetivos de diseño en el proyecto.
3.1. Descripción del problema.
El malgasto energético en las viviendas es un hecho que está a la orden del día alrededor del mundo y es algo que afecta a la gran mayoría de la población. Hay que tener una mayor consciencia de que los recursos energéticos no son infinitos y hacer un consumo responsable de estos. Aparte, producir energía es cada vez más caro y esto se ve reflejado en los bolsillos de la población. Como sociedad no podemos quedarnos estancados en el consumismo ineficiente y hay que dar un paso más hacia la eficiencia energética.
A día de hoy no se ve la domótica y el hecho de tener una casa inteligente y que sea eficiente energéticamente como algo fácil de implementar en una casa o como algo que realmente pueda cambiar la vida de las personas. Sobre todo, las personas a partir de cierta edad (nuestros padres y abuelos) no lo ven como algo necesario, ya que no han vivido con ningún sistema así desde pequeños y creen que es algo inútil.
Por otro lado, también genera rechazo el hecho de que gran parte de los habitantes no confían en esta tecnología, ya que la ven ineficiente o insegura y que puede ocasionar problemas serios en una vivienda.
Con este proyecto se va a probar que esto no es cierto y que un sistema que haga una vivienda inteligente es algo que tiene mucha utilidad en el día a día y además se va a demostrar que no es tan caro como se piensa implementar esta tecnología en una vivienda y de que es tan segura y eficiente como muchos otros sectores tecnológicos que hoy en día dan más credibilidad. Aparte de demostrar a la población que reniega de su utilidad, también se busca seguir motivando al sector más joven de la población para que, cada vez, la ingeniería en torno a la domótica, sea más potente y más fácil de implementar mediante el estudio de nuevas posibilidades y su desarrollo en el mundo laboral.
A la gente lo que más le llama la atención hoy en día es, sobre todo, el ahorro económico y, cada vez a más gente, le interesa la eficiencia energética y el dejar de malgastar recursos. Aprovechando esta
3.2. Especificaciones que debe cumplir el prototipo.
A continuación, se van a presentar una serie de sub apartados que incluyen las diferentes funcionalidades que cubrirá este proyecto y que tienen el objetivo de demostrar que los problemas expuestos en el apartado anterior serán solucionados en este sistema.
3.2.1. Interfaz y comunicación mediante bluetooth y LCD.
Para que el usuario pueda tener un mayor control de la vivienda, es necesario proporcionar una herramienta de comunicación usuario-vivienda. Se optará por diseñar una aplicación que se adapte a las necesidades del usuario. De manera que este pueda controlar todos los dispositivos, recibir información útil y de interés sobre el estado del hogar y seleccionar modos de automatización que se deseen. La APP se conectará vía bluetooth con el microcontrolador.
Se ha de mencionar que aparte del sistema automatizado, se ha de dar total control al usuario para qué sea él el que decida cuando un proceso o modo de la casa va a ser automático o no. Es decir, por ejemplo, si se decide que cada vez que sea de noche se enciendan luces donde se detecte presencia en la casa, si el usuario quiere apagar la luz por cualquier motivo, lo podrá hacer forzándolo desde la aplicación (o manualmente, desde el interruptor), lo mismo pasaría con las persianas, etc. Hay que tener siempre en mente que el usuario siempre busca la comodidad y la facilidad y, aunque es cierto que suelen tener la intención del ahorro y no malgastar, llega un punto que o se les facilita que hagan esto, o cada vez lo hacen menos. Es por eso que siempre hay que darle al usuario la máxima facilidad para la eficiencia energética y el ahorro económico.
Se programará el microcontrolador de manera que solo se den órdenes a los actuadores cuando se den ciertas consignas (a través de la información que transmiten los sensores). Se va a hacer trabajar el mínimo al microcontrolador trabajando con el máximo de interrupciones externas posibles, para que el microcontrolador no esté trabajando de manera innecesaria.
Por otra parte, en caso de que la aplicación falle (y asumiendo que la APP será la herramienta principal de control de la vivienda, simplemente porque hoy en día el uso del teléfono móvil es masivo a nivel mundial) se ha de proporcionar un segundo método de comunicación vivienda-usuario. Se optará por emplear una pantalla LCD que esté fija en algún lugar de la vivienda, la cual sea controlada mediante botones (pulsadores) de navegación.
3.2.2. Iluminación y control de persianas.
Cuando se detecte que es de noche (mediante sensores de luz) se activará la posibilidad de que de manera automática en las habitaciones se encienda la luz cuando se detecte presencia (mediante
sensor de presencia). Se emplearán bombillas de bajo consumo en zonas donde no se necesite una gran iluminación, para reducir el malgasto energético (obviamente esto depende del usuario, pero siempre se le recomendará del uso de dispositivos lo más eficientes posible).
En cuanto al control de las persianas, se puede controlar también mediante la aplicación, como todo.
Al principio, se consideró la idea de hacer que cada vez que sea de noche se bajen de manera automática las persianas, y que, cuando sea de día, se suban automáticamente. Pero realmente se consideró que no era una gran funcionalidad y que no tenía gran utilidad y no suponía un paso más allá en la eficiencia energética. De modo que no se ha aplicado esta funcionalidad. Sí que es cierto que el hecho de bajar las persianas por la noche ayuda a mantener la temperatura del interior de la vivienda (más que nada en invierno) pero se pueden bajar las persianas siempre que se quiera desde la aplicación, así que se decidió dejarlo así.
3.2.3. Horario valle.
Como es bien sabido, desde 2020 que se crearon tramos para las tarifas de la luz. Depende de en qué franja horaria del día nos encontremos, el precio de la luz será más o menos barato. Con lo cual se hará programará el sistema para tener un modo de ahorro en el cual podremos hacer que ciertos electrodomésticos (lavadora, secadora y/o lavavajillas) serán activados de manera automática cada veinticuatro horas en dicho horario (00:00h-08:00h) funcionando solo el rato que deba funcionar cada uno, por supuesto. Esta opción se puede habilitar o deshabilitar mediante APP. De esta manera hay una mayor eficiencia energética en la casa y un ahorro mayor.
Sin duda esta será una de las opciones que más eficiencia energética y ahorro (sobre todo ahorro económico) nos dará de toda la vivienda.
3.2.4. Control de temperatura.
Un sistema domótico debe tener un control de temperatura ajustado a las necesidades del cliente.
Además, se deberá poder controlar la temperatura de forma aislada en cada habitación o parte de la vivienda. Esto, aparte de hacer que los usuarios que vivan en la casa tengan cada uno la temperatura que crean más adecuada en su habitación o en zonas comunes, hará que haya una disminución en el malgasto energético ya que la energía que se emplee será justo la que se necesite.
En este apartado entra en juego el sistema de refrigeración y el de calefacción. Existirá la posibilidad de poder hacer que estos sistemas una vez en funcionamiento sean detenidos por pérdidas de calor, se dará el caso cuando se detecten ventanas abiertas. De esta manera se evita el malgasto energético, y se da un paso más en la eficiencia energética. Una vez más, este modo puede ser desactivado si el usuario lo desea por cualquier motivo.
3.2.5. Sistema de seguridad.
Es necesario brindar la mayor seguridad a la vivienda, con lo cual se añade un “modo seguro” para que cuando los usuarios vayan a estar un largo periodo fuera de casa puedan estar tranquilos de que no sucederá nada (o al menos que haya muchas menos posibilidades de que pase algo, ya que siempre existe la posibilidad). Como bien es sabido, los ladrones aprovechan estos periodos de tiempo para entrar a robar a las viviendas. Con lo cual, con este modo se simulará actividad humana en la casa abriendo o cerrando persianas o encendiendo o apagando luces de manera automática a ciertas horas del día.
3.2.6. Monitorización del consumo de la vivienda.
No toda la eficiencia energética depende de la automatización del sistema, es necesario que el usuario colabore en ello, siendo consciente del consumo que está teniendo en su vivienda. Es por eso que el usuario tendrá disponible la visualización de la potencia que se está consumiendo en el hogar de manera instantánea y así pueda tomar sus propias decisiones en cuanto a cómo quiere gestionar el consumo en su vivienda, siendo más responsable de sus acciones.
4. Introducción a la domótica.
Según la RAE [1], se entiende por domótica como “el conjunto de sistemas que automatizan las diferentes instalaciones de una vivienda”. Es decir, la domótica se encarga de tener el máximo control posible sobre los diferentes dispositivos eléctricos que componen la red de una vivienda, para garantizar así un mayor confort en los usuarios, una mayor seguridad, máxima eficiencia energética y comunicación entre el usuario y la vivienda (comunicación bidireccional).
La domótica hace de una vivienda un sistema inteligente que contribuye a la calidad de vida y que facilita la vida de las personas. A continuación, en el siguiente apartado se hablará de las aplicaciones de la domótica.
4.1. Aplicaciones de la domótica.
Las aplicaciones de la domótica, las cuales han sido mencionadas en el anterior apartado, son las siguientes.
• Confort. El hecho de que una vivienda sea inteligente, que la puedas controlar con el esfuerzo mínimo y que te facilite la vida con procesos automatizados hace de la domótica una opción muy atractiva para las personas.
• Seguridad. Siempre que se pueda automatizar cualquier proceso, es posible brindar una mayor seguridad, y en el caso de las viviendas es el caso perfecto para poder informar de robos, inundaciones, incendios. Se da la posibilidad de que el propio sistema de la vivienda pueda avisar a urgencias cuando alguna de estas desgracias ocurre. Una mayor seguridad significa más tranquilidad para el usuario.
• Eficiencia energética. Es posible tener un mayor control en el consumo energético de la vivienda debido a tener un dispositivo o varios dispositivos inteligentes que tienen control sobre los elementos actuadores de la casa. Mediante la
monitorización del consumo, la capacidad de que la vivienda proporcione esta información al usuario y que este sea capaz de adaptar el funcionamiento de su casa a sus necesidades, se consigue una considerable reducción del consumo energético.
Esto también se ve reflejado en un gran ahorro económico a la larga, reduciendo el costo de las facturas.
•
Comunicación. Cuando se habla de que hay una comunicación bidireccional entre el usuario y la vivienda, se entiende que el usuario de órdenes a la vivienda que el microcontrolador hace cumplir, y la vivienda la proporciona información útil sobre el estado de esta al usuario, ya sean alarmas, estado de dispositivos (por ejemplo, que el lavavajillas está encendido), consumo energético y recomendaciones.4.2. Estructura general de un sistema domótico.
Una vivienda inteligente siempre consta, con respecto a componentes, de tres grandes grupos.
Son los sensores, los actuadores y los controladores.
• Los receptores que pueden ser simplemente interruptores, o pulsadores, o sensores. Los sensores son los encargados de interpretar y transmitir a los controladores la información que captan de, en este caso, la vivienda. Son los que nos dan señales para que el microcontrolador sea capaz de procesar y decidir si ha de dar alguna orden a algún actuador o no.
• Los actuadores tienen la función de realizar las acciones que los microcontroladores deseen.
• El microcontrolador se encarga de procesar la información que le llega de los sensores y de dar las órdenes necesarias, según las circunstancias que se den, a los actuadores, con tal de que todo funcione tal y como está previsto.
Estos elementos están conectados entre sí de manera que la información fluya de la manera más eficiente. Existen diferentes tipos de conexiones, es lo que se llaman topologías, y se tratan a continuación.
Por último, cabe destacar que, aunque no forme parte de forma física, también juega un papel muy importante la interfaz con el usuario. A día de hoy todos los sistemas domóticos tienen una interfaz, por mínima que sea, para que el usuario pueda configurar su vivienda inteligente de la manera que más se adapte a sus necesidades. De esta manera se crean diferentes posibilidades para la vivienda, y hacen de esta un sistema adaptable que haga sentir cómodo al usuario.
4.3. Topología.
Las topologías pueden ser centralizadas, descentralizadas, distribuidas o mixtas.
4.3.1. Sistemas centralizados.
Los sistemas domóticos centralizados son los que constan de un solo microcontrolador, al cual le llega toda la información de receptores y de actuadores, ya que todos están conectados a este único controlador. Este tipo de sistemas puede ser adecuado para instalaciones domésticas no muy sofisticadas y en las que no hay que controlar muchos dispositivos. De hecho, este es el sistema más empleado en hogares estándar.
Figura 4.1. Esquema de la distribución de un sistema domótico centralizado [2].
Este sistema presenta las ventajas de que es más económico debido a su sencillez, es más fácil de instalar (no se requiere de un profesional, siempre y cuando se tengan unos mínimos conocimientos), sus componentes son universales. Sin embargo, presenta varios contras como es que si falla el único controlador del que dispone, fallará todo el sistema al depender todo de él y que es un sistema aparatoso debido a que todo está conectado en un mismo punto.
4.3.2. Sistemas descentralizados.
Los sistemas descentralizados, en cambio, están distribuidos en pequeños grupos de controlador- sensor-actuador. Estos pequeños grupos se comunican con otros, si es necesario, para recibir o transmitir información; se conectan entre sí mediante un bus de datos. Es decir, son pequeños bloques de sistemas centralizados que se conectan mediante un bus. En estos sistemas los sensores gozan de más independencia, ya que pueden transmitir información sin necesidad de depender de otros sensores.
Figura 4.2. Esquema de la distribución de un sistema domótico descentralizado [2].
Esta distribución tiene la ventaja de que es mucho más fácil adaptar nuevos sensores o actuadores (más escalabilidad), obtiene un mayor rendimiento que el centralizado, debido a que se pueden realizar más órdenes a la vez y además es más fiable que un centralizado, ya que si se estropea parte de la instalación, solo afectará al grupo centralizado en el que se dé el fallo, el resto de grupos trabajarán con total normalidad. Por otro lado, tiene el inconveniente de que se requiere a un profesional para su instalación y que sus componentes no son de tipo universal.
4.3.3. Sistemas distribuidos.
En este caso, los sensores y actuadores constan de independencia y pueden actuar por cuenta propia (según lo que se les indique mediante una interfaz de usuario, o según para lo que estén programados).
Figura 4.3. Esquema de la distribución de un sistema domótico distribuido [2].
Estos sistemas requieren de mayor programación que los anteriores y también requieren de un técnico especializado para su instalación.
4.3.4. Sistemas híbridos o mixtos.
Este sistema es una mezcla de los anteriores. En esta estructura, la información tampoco es necesario que pase siempre por un controlador. También incorpora buses que pueden conectar diversos controladores, sensores y/o actuadores. No es práctico usarlo en instalaciones sencillas, ya que es un sistema más complejo y si la aplicación no lo requiere no es necesario complicarse tanto.
Figura 4.4. Esquema de la distribución de un sistema domótico híbrido o mixto [2].
4.4. Protocolos de comunicación.
Los protocolos de comunicación marcan las pautas en que el mensaje que se transmite a través de la red domótica se ha de transmitir para que sea interpretable. En domótica para las conexiones comentadas anteriormente se usan distintos protocolos. Existen protocolos de uso abierto, es decir, los fabricantes pueden acceder a la información de su estructura y de cómo emplearlos y además mejorarlos de cara a competir en el mercado con otras marcas. También hay protocolos cerrados que son exclusivos de ciertas marcas. A continuación, se explicarán los más utilizados.
4.4.1. KNX.
Fue formado por los tres protocolos de comunicación más importantes del momento (2007), los cuales son: EIBA, BatiBus y EHS. El medio que utiliza para transmitir datos este protocolo es un BUS (cableado).
Ha sido esencialmente diseñado para la domótica y es un estándar abierto. Las cualidades que presentan son:
• Tiene capacidad de escalabilidad, es decir, puede ser ampliable en un futuro de manera simple.
• Al ser un estándar abierto, todos los componentes que se quieran instalar en la instalación serán compatibles.
• Se pueden llegar a conectar hasta 60000 elementos en un bus KNX, lo cual lo hace apto para cualquier tipo de instalación, en edificios o en viviendas familiares.
• Puede transmitir por varios medios: cableado par trenzado, red eléctrica, radiofrecuencia e IP/Ethernet.
Figura 4.5. Logo de KNX [3].
Sin embargo, hay que comentar que al ser una instalación por BUS (cableado) se requiere de una gran instalación en el inmueble que encarece el precio final del paso a la vivienda domótica.
4.4.2. Z-Wave y Zigbee.
Se va a hacer un apartado conjunto para estos dos protocolos debido a su semejanza en funcionalidad y desempeño.
Al contrario que Z- Wave, Zigbee es de protocolo abierto. A diferencia de KNX, son protocolos de comunicaciones inalámbricas que emplean ondas de radio de baja energía. De esta manera es posible que los dispositivos se comuniquen mediante Wi-Fi.
En este tipo de instalaciones se cuenta con lo que es conocido como Hub, que es un puente que está conectado a internet y permite a los dispositivos que puedan comunicarse entre ellos. De esta manera, no es necesario que el resto de dispositivos se conecte al rúter, utilizando así el internet que brinda el Hub.
Figura 4.6. Logo de Z-Wave [4].
Figura 4.7. Logo de Zigbee [5].
Zigbee cuenta con una mayor transferencia de datos (40 - 250 kbps) que Z-Wave (9,6 - 100 kbps). En cambio, en lo que a radiofrecuencia se refiere, Zigbee suele emplear la de 2,4GHz (la de los routers) lo que puede causar mayores interferencias que con Z-Wave, que emplean diferentes radiofrecuencias dependiendo de si se instala en Europa, o en Estados Unidos. Al ser dos estándares bastante parejos en ventajas y desventajas, el escoger uno u otro dependerá de la situación y preferencia de cada usuario, pero sí que es cierto que, si hay poca distancia entre dispositivos, el Zigbee es más eficiente y al contrario lo sería el Z-Wave, en distancias largas.
4.4.3. Insteon.
Este protocolo surge del anterior X10 debido a los problemas de fiabilidad que tenía. Insteon es mucho más fiable, flexible y de bajo costo que X10. Consta de una red redundante, que combina para su transferencia de datos la radiofrecuencia y el cableado eléctrico de la vivienda. Además, se basa en una red de doble malla que lo que hace es asegurarse que la información que le está llegando no se trata de algún error de comunicación (se confirma el mensaje que se recibe, si este no es erróneo).
Trabaja en radiofrecuencias de 131,65 kHz, evitando así interferencias que hay en otras radiofrecuencias más empleadas.
4.4.4. I2C.
Como último protocolo de comunicación se va a hablar del “I2C”. Es un protocolo muy empleado, sobre todo en los tan conocidos microcontroladores de Arduino. Tiene la ventaja de que puede funcionar simplemente mediante dos conexiones, una que es la denominada SCL y otra llamada SDA, lo cual lo hace un sistema menos farragoso.
Las siglas SCL vienen de la palabra inglesa “Serial Clock”, y por este pin es por donde el microcontrolador que se comporta como maestro envía los pulsos de reloj que sincronizan el sistema (conjunto de microcontroladores).
En cambio, las siglas SDA son de la palabra “Serial Data” y es por donde se transfiere la información (en forma de datos serial) entre los microcontroladores conectados al bus I2C. El pin SDA consta de ocho bits, los primeros siete bits indican la dirección del microcontrolador al cual se dirigen los datos, y el octavo bit indica si se quiere leer o escribir datos en él.
Existen dos tipos de modos de comunicación en este bus. El modo en el que el maestro es el que transmite datos y el esclavo el que los recibe y el modo contrario. El primer modo es para configurar el microcontrolador esclavo (escritura) y el segundo es para poder leer datos del esclavo (como por ejemplo de un sensor), con lo cual es la parte de lectura.
Cabe destacar que cualquier microcontrolador conectado a este bus puede actuar como Maestro.
Figura 4.8. Ejemplo genérico de conexión de microcontroladores maestros y esclavos al bus I2C [6].
5. La importancia de la eficiencia energética.
Se han consultados datos de consumos energéticos en las residencias españolas en el último estudio de la IDAE [7] y se han encontrado los siguientes datos (período 2010-2019).
Figura 5.1. Datos del consumo energético por usos de dispositivos eléctricos en las residencias españolas en el período 2010-2019 [7].
Como se puede observar en el gráfico, la calefacción y los electrodomésticos son los causantes de la mayor parte del consumo energético en las viviendas en España. Es por eso que conviene hacer un buen uso de estos y tener un máximo control, de esta manera se consigue una disminución en el malgasto energético que se da en estos casos. Por ejemplo, según la IDAE, aumentar en un grado la temperatura en la que se quiere mantener el hogar mediante calefacción aumenta el consumo entre un 6% y un 8%. Esto sucede de manera similar con el aire acondicionado cuando se quiere reducir la temperatura de la vivienda.
Además, con una mayor eficiencia energética se consigue una reducción en las facturas, ya que, por ejemplo, una calefacción de sistema eléctrico puede llegar a costar unos 1800 euros anuales.
5.1. Sistemas para evitar consumos innecesarios.
A continuación, se van a exponer diversos sistemas que hacen posible un consumo correcto de la energía en las viviendas.
• Bombillas inteligentes: tienen una mayor eficiencia energética, ya que son LED y tienen mayor vida útil que las convencionales. Hay que tener en cuenta su calidad de luz (lúmenes reales) o la temperatura de la luz (cálida o fría) a la hora de comprarlas. Cabe destacar que las bombillas LED consumen incluso menos que las de bajo consumo (ahorran 0,38 kWh más al día y cuestan de media unos 23 euros menos al año).
• Incorporar grifos inteligentes, que permiten un uso controlado del agua y la energía.
• Control del sistema de calefacción y refrigeración aislado según la zona de la vivienda.
Mediante sistemas de apagado automáticos y monitorización del precio.
• Usar lavadora, secadora y lavavajillas en horarios valle para menor costo económico.
6. Estudio energético previo.
Para poder hacer el diseño de una instalación domótica que sea eficiente energéticamente al máximo, hay que hacer el estudio del gasto energético en una vivienda convencional. Con lo cual se ha escogido la siguiente vivienda que está situada en San Andrés de la Barca.
El plano ha sido realizado mediante un programa online llamado “Visual Paradigm”.
Figura 6.1. Plano de la vivienda a estudiar [fuente: propia].
Se va a proceder a hacer una estimación del consumo de los aparatos que funcionen con energía eléctrica en la vivienda, para así luego determinar cuánto podría ser la disminución de este consumo y del gasto económico con la propuesta de este proyecto.
Las luces se han colocado de diferente color en función del tipo de bombilla que usen:
• Bombilla Halógena.
• Bombilla de bajo consumo.
6.1. Dispositivos eléctricos de la vivienda.
Primero de todo hay que saber los dispositivos que consumen energía eléctrica que se están empleando en la vivienda. Se ha tenido en cuenta, ya que la calefacción y el aire acondicionado solo trabajan ciertos meses al año.
Dispositivo Número de elementos
Potencia (kW)
Tiempo de funcionamiento aproximado (horas/día)
Consumo anual (kWh)
Bombilla halógena
3 0,020 · 3 = 0,06
1 21,9
Bombilla de bajo consumo
5 0,009 · 5 = 0,045
2 32,85
TV 2 0,150 · 2 =
0,300
3 328,5
Lavadora 1 1,800 0,3 197,1
Secadora 1 1,800 0,3 197,1
Lavavajillas 1 1,800 0,35 229,95
Horno 1 1,500 0,2 109,5
Microondas 1 0,7 0,1 25,55
Ordenador de sobremesa
1 0,200 2 146
Vitrocerámica 1 1,400 0,7 357,7
Calefacción 1 1,300 1 474,5
Aire
acondicionado
1 1,000 1 365
Tabla 6.1. Consumo energético de la vivienda [fuente: propia].
Se ha obtenido un valor de potencia total de 12,405 kW y un uso promedio de 36,45 horas al día. Al año el consumo sería de unos 3430 kWh.
Para poder saber el coste económico de esta factura de electricidad, hay que considerar primero la potencia a contratar en le vivienda. La potencia nominal que consumen la suma de los dispositivos eléctricos de este inmueble es de 12,405 kW. Lo que se recomienda para poder hacer el cálculo de la potencia a contratar es dependiendo del uso de estos dispositivos, se aplica un factor de simultaneidad, si se hace un gran uso de ellos se aplica un 0,5, si no un 0,25 [8].
12,405 kW · 0,35 = 4,34 kW (0,35 es el factor de simultaneidad, un valor razonable de uso entre 0,25 y 0,5). La potencia de 3,45 kW se queda corta con lo que se escogerá la de 4,6 kW. Además, se suele recomendar lo que sale en la siguiente imagen (lo cual se cumple para este caso):
Figura 6.2. Potencia eléctrica a contratar en una vivienda según tamaño y número de residentes [8]. Así que, se escogerá una potencia contratada de 4,6 kW, ya que por números sale este valor y mediante la tabla anterior también, puesto que esta vivienda es para una o dos personas.
El consumo que se obtiene mensualmente (al dividir el anual entre 12 meses) es de: 286 kWh aproximadamente. Con lo cual, con estos datos comentados, se ha hecho un cálculo estimado del coste de la factura (se ha hecho en dos meses porque en marzo la luz tenía un precio altísimo en España,
Otros (secador, cargador móvil, etc.)
- 0,400 0.5 73
Frigorífico 1 0,100 24 876
TOTAL - 12,405 36,45 3434,65
tanto que hay más 40 € de diferencia entre dos cuotas exactamente iguales; esto deja mucho que ver con la importancia de tener un buen control del consumo hoy en día…).
Figura 6.3. Resultado de la simulación de la factura de la vivienda a estudiar en el mes de febrero de 2022 [9].
Figura 6.4. Resultado de la simulación de la factura de la vivienda a estudiar en el mes de noviembre de 2021 [9].
7. Desarrollo del sistema domótico.
A continuación, se expondrán todos los elementos que formarán parte de la instalación domótica, se justificará por qué se han escogido y su distribución en la vivienda.
7.1. Sensores.
Figura 7.1. Distribución de los sensores [fuente: propia].
En la figura superior se puede observar la disposición de los sensores de la casa. A continuación se entrará en detalle con cada tipo de sensor.
7.1.1. Sensores de presencia.
El símbolo que presentan en la imagen es:
Figura 7.2. Símbolo de sensor de movimiento por infrarrojos PIR [10].
Se ha considerado esta la mejor distribución de sensores de presencia. Teniendo en cuenta que el sensor de presencia tiene un rango de visión de hasta 110º y que, la distancia de detección es más que suficiente en cualquier caso (7 metros), no es necesario incorporar más sensores de presencia.
Estos sensores tendrán la función del control automático de la iluminación de la casa. Siempre y cuando el sensor de luz nocturna de valores con los que se considere que ya no hay suficiente luz solar para iluminar la vivienda y se detecte presencia en una estancia de la vivienda, se podrá indicar al microcontrolador que es el momento de encender una luz.
Además, también tienen la función de qué, si el usuario de la vivienda habilita la alarma, si se detecta la presencia de algún intruso en el hogar, se activará la alarma de la casa.
7.1.2. Sensor de luz.
En la figura es el que está recuadrado de color naranja. Su símbolo es el siguiente:
Figura 7.4. Símbolo del sensor LDR [11].
Como ya se ha mencionado con anterioridad, se complementa con el sensor de presencia para dar órdenes en el control del alumbrado. Da valores analógicos dentro de un rango (0-1023), y a partir de cierto valor (consigna preestablecida), se considera que no hay suficiente luz solar para poder iluminar la casa.
Como se puede observar hay un sensor LDR por cada estancia de la vivienda (son los empleados para controlar la iluminación de cada cuarto, que dependerá de la cantidad de luz que tenga el cuarto y no de si es de día o de noche, lo cual tiene más sentido, ya que lo que interesa es iluminar la estancia cuando sea preciso). Hay un último sensor que está en el exterior (estará cubierto con algún recubrimiento de plástico para poder protegerse de las adversidades meteorológicas).
7.2. Persianas.
Las persianas están situadas en todas las ventanas de la vivienda. Cabe destacar que las persianas, aparte de darnos privacidad, son también útiles para ayudar a mantener la temperatura deseada en casa y que no se escape la energía en forma de calor, con lo cual dan una mayor eficiencia energética.
Además, también aportan seguridad a la vivienda debido a que la hacen más difícil de penetrar.
Obviamente en la instalación domótica se instalarán persianas eléctricas que puedan ser integradas en el sistema automatizado de la casa.
7.3. Sistema de calefacción y refrigeración.
En este capítulo se incidirá en la parte de refrigeración y calefacción del habitáculo. En un proyecto de domótica no puede faltar un diseño de estas dos funcionalidades, ocupan gran parte del consumo energético en una vivienda y hay que optimizarlos al máximo. Se va a tratar de justificar cuáles serían los sistemas más óptimos que se deberían tener en una casa domótica, pero en ningún caso se dice que la casa deba tener estos sistemas, todo esto dependerá del presupuesto del usuario y de lo que vea más conveniente, sin embargo, esto sería lo más ideal.
Antes de nada, hay que hacer comparaciones con posibles instalaciones y decidir cuál sería la mejor opción.
7.3.1. Tipos de calefacción y su eficiencia.
Para poder decidirnos por un sistema de calefacción u otro, hay que estudiar cuál es la opción más eficiente energéticamente. Se centra el foco en calefacciones eléctricas, descartando así las de gasóleo y gas, para poder tener un control.
- Caldera eléctrica: son la tecnología más habitual en España y sirven para calentar tanto radiadores como suelo radiante. No emiten gases contaminantes. Brindan el calor necesario, pero a cambio de un consumo elevado y son menos eficientes si lo comparamos con otros sistemas.
- Acumuladores y radiadores eléctricos: consumen electricidad para calentar resistencias eléctricas. Tienen el mismo problema que las calderas, dan buen rendimiento en cuanto a calentar la estancia se refiere, pero tienen un alto consumo. Tampoco emite gases contaminantes y tiene la ventaja de una fácil instalación. Pueden ser fijos o móviles.
- Bomba de calor: también conocidas como bombas de calor aerotérmicas, ya que utilizan la energía del exterior (aire) para calentar o refrigerar (sí, tienen uso como sistema de calefacción, pero también como sistema de refrigeración, lo cual lo hace un sistema muy versátil al tener dos funcionalidades en uno). Es el sistema más eficiente en el uso de la energía eléctrica y a pesar de que hay que hacer una inversión inicial más grande que en las demás opciones, sale rentable con el paso del tiempo.
Dependiendo de los modelos, se puede llegar a obtener hasta casi un 80% de la energía de forma gratuita, ya que, por cada kW de energía eléctrica consumido, se aportan hasta 4,5 kW
de potencia calorífica. La aerotermia está catalogada como energía renovable en el CTE (código técnico de la edificación).
Otro punto a favor de la bomba de calor, es que se puede emplear para calentar agua y utilizar calefacción por suelo radiante, qué es la más eficiente.
7.3.2. Solución escogida para la refrigeración y calefacción.
Debido a los puntos expuestos en el anterior apartado, se decide que lo más óptimo es usar el sistema de calefacción y de refrigeración, una bomba de calor, ya que aporta los dos sistemas en uno y tiene múltiples ventajas respecto la eficiencia, ya mencionadas anteriormente.
La bomba de calor calentará un depósito de agua si se requiere en la instalación (dependiendo del tipo de elementos instalados) si se opta por radiadores o calefacción por suelo radiante. También se puede refrigerar la estancia por el mismo aparato eléctrico que servirá de aire acondicionado. Esta última opción de la instalación ya irá dependiendo de las necesidades y presupuesto del usuario.
Con lo cual, para maximizar el uso de la energía disponible es recomendable emplear suelo radiante por agua (mejor por agua que por electricidad debido a que es el más eficiente y además si se hace uso del eléctrico habría que contratar una potencia mayor en el habitáculo debido a que puede estar funcionando gran parte del día).
Ya explicados todos estos detalles, en este proyecto se empleará la combinación de bomba de calor por aerotermia, más el suelo radiante; ya que es la combinación más eficiente para la casa domótica.
Hay que tener mucho cuidado si se instala suelo radiante, pues no cualquier superficie es apta para ello. El suelo radiante funciona mejor con ciertos acabados de suelos y además han de cumplir normativas. Los mejores acabados son los de baldosas y piedra, puesto que son los que mejor conductividad térmica presentan (200W/m2).
Los acabados con parqué (tablas de madera) han de cumplir ciertas normativas para no dañarse y además que conduzcan el calor de manera adecuada. No sería conveniente añadir suelo radiante y que, dependiendo del tipo de parqué, no se caliente de manera óptima la estancia. No hay que olvidar que se busca la máxima eficiencia energética.
Se incorporarán termostatos para poder controlar la temperatura de manera aislada en las siguientes salas o espacios de la vivienda: en dormitorios, en el comedor y en la cocina. No se incorporarán ni en los baños ni en el recibidor ni en el pasillo, ya que ninguno de estos espacios tendrá calefacción ni refrigeración. Los termostatos ayudan a la eficiencia energética, controlando que se consuma exactamente lo que se quiere consumir en cada zona de la casa y dan con confort extra a los habitantes de la vivienda.
El pasillo no gozará de estas funcionalidades debido a que es un lugar de paso y no es necesario emplear energía en un sitio donde nadie de la casa permanecerá mucho rato, de todas maneras, más o menos se mantendrá en la misma temperatura que el comedor, ya que no está aislado de este.
Además, el baño tampoco necesita, ya que se considera que tampoco son sitios donde se pase gran parte de la estancia en la casa, con lo cual no hay que destinar tantos recursos a ellos (idealmente), para evitar así malgasto energético. Sin embargo, si el cliente lo desea, se pueden instalar toalleros eléctricos en los baños, por el hecho de que cumplen una doble funcionalidad al calentar la estancia y calentar y secar las toallas que se empleen (se recomiendan los toalleros eléctricos, que no los toalleros radiadores debido a que estos últimos consumen mucha más electricidad).
En la siguiente imagen se puede observar el esquema de esta instalación.
Figura 7.4. Diagrama del sistema de climatización [12].
7.4. Instalación ACS (Agua Caliente Sanitaria).
La instalación de Agua Caliente Sanitaria también es muy importante para el ahorro energético. Se va a ligar este apartado con el anterior, ya que debido al tipo de instalación decidido anteriormente para los sistemas de refrigeración y de calefacción, se puede aprovechar la bomba de calor también para el ACS. Cuando la bomba de calor sirve aparte de para la calefacción y la refrigeración, hay que añadir un depósito de ACS. Este depósito tiene que tener la medida adecuada para la vivienda con tal de no malgastar energía, ya que contiene un serpentín encargado de mantener el agua caliente. En este caso, en vez de un simple depósito que mantiene el agua caliente, se incorporará un termo eléctrico que no es más que el mismo depósito, pero en el que puedes ajustar la temperatura del agua. Esto nos ayudará a controlar el consumo de energía adaptándola a cada vivienda.
En la siguiente figura se puede ver cómo sería el funcionamiento y la disposición de este sistema.
Figura 7.5. Diagrama del sistema de ACS [12].
7.5. Ahorro respecto al estudio energético previo.
Una vez expuestos todos estos apartados, habría que volver a recordar el valor de consumo que se dio en el apartado 6.1 en la vivienda de la que se ha hecho el estudio (tabla 6.1.). Se ha hablado en los apartados previos a este de soluciones energéticas que reducen considerablemente el malgasto energético en un hogar. Según la IDAE, tal y como se comenta en el artículo [13], el ahorro energético que se puede llegar a tener en una casa después de un año con un sistema domótico, respecto a cuando tenía una vivienda convencional, se puede observar en la siguiente imagen (un 10% en ordenador, un 11% en agua caliente, un 17% en calefacción, un 20% en pequeños electrodomésticos, un 25% en aire acondicionado y un 80% en iluminación):
Figura 7.6. Ahorro energético en una vivienda después de un año de una instalación domótica [13]. Si estos datos que acabamos de mencionar los aplicamos en la tabla 6.1 nos quedaría una nueva tabla con los siguientes valores:
Grupo reducido Dispositivo Consumo anual anterior (kWh)
Consumo anual tras reducción (kWh)
Iluminación (80%) Bombilla halógena 21,9 4,38 Iluminación (80%) Bombilla de bajo
consumo
32,85 6,57
Pequeños
electrodomésticos (20%)
TV 328,5 262,8
Lavadora 197,1 197,1
Secadora 197,1 197,1
Lavavajillas 229,95 229,95
Horno 109,5 109,5
Pequeños
electrodomésticos (20%)
Microondas 25,55 20,44
Pequeños
electrodomésticos (20%)
Ordenador de sobremesa
146 116,8
Vitrocerámica 357,7 357,7
Calefacción (17%) Calefacción 474,5 393,83
Aire Ac. (18%) Aire acondicionado 365 299,3
Tabla 7.1. Consumo energético de la vivienda después de una instalación domótica [fuente: propia].
Como puede observarse el resultado de aplicar domótica en una vivienda es más que notable, se ha visto reducido el consumo en kWh de 3434,65kWh a 3129,87kWh. Esto ha sido solo teniendo en cuenta este estudio de la IDEA, pero en este proyecto se dan a conocer nuevas maneras en las que por ejemplo se podría ver reducido el consumo de la lavadora y secadora, en cuanto a dinero se refiere, haciéndolas trabajas en horario valle.
Si aplicamos este nuevo consumo anual de nuevo en el simulador de la factura de la luz de la CNMC (dividiendo entre doce meses el resultado obtenido, que serían unos 260,82kWh), se obtiene (esta vez solo en el mes de marzo).
Figura 7.7. Nueva factura en el mes de marzo después de la instalación domótica y su respectivo ahorro energético [9].
Si comparamos la nueva factura, con la de la figura 6.2, que es la que corresponde al mismo mes, podemos ver que nos ahorramos más de 10€, esto al año podrían ser 120€, lo cual es una gran diferencia. Además, cabe destacar que no se ha tenido en cuenta el consumo del agua caliente, el cual, con una buena gestión domótica, según la IDEA puede ser reducido (como se ha comentado antes) un Pequeños
electrodomésticos (20%)
Otros (secador, cargador móvil, etc.)
73 58,4
Frigorífico 876 876
TOTAL 3434,65 3129,87
Una vez expuestos estos datos, queda claro que la domótica aporta una gran mejora en la eficiencia energética y un gran ahorro económico.
8. Prototipo de venta.
8.1. Diseño del módulo de control.
8.1.1. Fuente de alimentación.
Para poder obtener los 5 V en la entrada de la placa se utiliza una fuente de alimentación conmutada, comúnmente usada en muchos diseños. En este caso convierten los 230V de corriente alterna que proporciona la red de la vivienda, a 5 V de tensión continua. El modelo que se añade en el diseño es el RS-15-5 (del fabricante MEAN WELL), el cual puede aporta 5Vdc al circuito de control y puede llegar a aportar hasta 3 A de corriente (con lo cual 15 W de potencia). Consta de 5 puertos o pines, el de fase y neutro que van conectados a la red eléctrica de la vivienda, el de tierra (GND), y el de V- y V+ (el cual da el voltaje al circuito de control).
Se ha preferido una fuente conmutada antes que el típico montaje con un regulador de tensión lineal, ya que la fuente conmutada es más óptima energéticamente.
Figura 8.1. Fuente de alimentación RS-15-5, del fabricante MEAN WELL [14].
Se ha de mencionar que en el esquema que se verá a continuación, la tensión que suministra esta fuente de alimentación conmutada viene marcada por el símbolo (recordar que todo lo que esté conectado a este símbolo, estará conectado a la fuente de alimentación, y, por tanto, a los 5 V de tensión continua que proporciona):
Figura 8.2. Símbolo de la alimentación en el software Proteus [fuente: propia].
8.1.2. Esquema general y componentes elegidos.
A continuación, se muestra el esquema electrónico que se ha de realizar para el desarrollo del prototipo de la placa. Está dividido en varias imágenes para que se puedan interpretar bien las conexiones. En los planos (documento aparte de este, se puede ver con mayor detalle y con sus respectivos cajetines todos los esquemas eléctricos y de la PCB; también se puede ver el esquema general donde salen todos los componentes juntos).
Estos esquemas han sido efectuados con el software “Proteus” que está dedicado al diseño electrónico y que presenta una gran cantidad de librerías y componentes, y en el que son destacables sus grandes posibilidades y versatilidad.
En los dos siguientes apartados se va a explicar el porqué de dos microcontroladores y sus especificaciones.
Antes de explicar cada imagen, ha de quedar claro cómo se han distribuido las placas en el proyecto (ya que no todo cabe en una misma placa y además es ineficiente desde el punto de vista del cableado).
La placa principal es la de control (módulo de control) en la cual solo van los componentes que no hace falta que estén cerca de los actuadores y los sensores, están los componentes que exclusivamente se emplean para el control del sistema domótico. De manera que, hay una placa de control y después, separada de esta, hay otras placas para los actuadores y los sensores (las cuales están al lado de la red eléctrica de la vivienda, y que estarán divididas en más o menos placas, dependiendo del número de actuadores y sensores del sistema domótico, para evitar tener PCBs de gran tamaño).
Sin embargo, todas estas placas han de estar conectadas con la placa de control, es por eso que se han añadido conectores que unirán estas placas. Estas señales de control, serán unidas entre conectores mediante cables trenzados y apantallados, para evitar al máximo las interferencias externas.
Se ha decidido separar tanto los componentes porque es mucho más fácil llevar el cableado de control a estas placas que llevar todo el cableado de la red eléctrica (la cual es más difícil de manipular) de la vivienda a la placa de control.
En la primera imagen se puede observar la placa de control:
