El Control de la Eficiencia Energética en Climatización al Alcance del Usuario

Comunicación presentada al I Congreso Edificios Inteligentes:

Autores

• Alfonso Rodríguez, Corporación Empresarial Altra S.L.
• Mª Carmen González, Corporación Empresarial Altra S.L.

Resumen

Dado el continuo aumento de los costes de la energía eléctrica, la población está cada vez más sensibilizada  con el uso racional de la energía y busca tecnologías que le faciliten este fin. De ahí la importancia de que los interfaces de comunicación impliquen al usuario con el funcionamiento de la instalación, consiguiendo un uso correcto y  optimizando los costes de explotación de la misma. Así se acerca al usuario final a la gestión energética de su instalación buscando una solución de compromiso entre confort y ahorro energético Por ello, los fabricantes estamos ante el reto de incluir en nuestra solución integrada de producto al usuario final como parte del mismo.

Antecedentes: Innovación Tecnológica Hacia la Eficiencia Energética

La pérdida de productividad en el sector de la construcción y, en general, de la economía española en su conjunto, se ha visto acompañada de un cambio normativo que empuja el sector de la eficiencia energética y proyecta luz verde en el área de la edificación.

Perseguir estos objetivos trae consigo:

• Poder acogerse al Plan de Acción 2011-2020: constituye el segundo Plan Nacional de Acción de Ahorro y Eficiencia Energética (NEEAP1) que, de acuerdo con el artículo 14 de la Directiva 2006/32/CE2 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 5 de abril de 2006, sobre la eficiencia del uso final de la energía y los servicios energéticos, el Estado español deberá remitir a la Comisión Europea en 2011.
• Fomentar la sustitución o mejora de equipos e instalaciones térmicas o de control de los edificios existentes por otras que permitan obtener una mayor eficiencia energética, incorporación de sistemas de enfriamiento gratuito por aire exterior, o de aplicación de TICs (Tecnologías de la información y comunicación) para el mejor control del gasto energético, ya afecten a uno o varios edificios. En estos proyectos se deberá justificar una reducción anual del 20% del consumo de energía convencional del equipo o instalación térmica sobre el que se produce la reforma.
• Estar preparados para el enorme potencial de crecimiento de la rehabilitación energética en España como se reconoce en los Planes de Vivienda y Rehabilitación de la Administración General del Estado y de las diferentes CCAA, favorecidas por el CTE y las disposiciones del RITE.
• Abordar con producto/servicio el mercado de las empresas de servicios energéticos ESES, especialmente por la existencia de varias iniciativas y actuaciones por parte de las Administraciones Públicas encaminadas al fomento de las ESES en España.
• Facilitar al usuario final la comunicación e interacción con sus instalaciones ya que, dado el continuo aumento de los costes de la energía eléctrica, es importante que los interfaces de comunicación impliquen al usuario con el funcionamiento de la instalación, consiguiendo un uso correcto y  optimizando los costes de explotación de la misma.

Este planteamiento sobre las tendencias en cuanto a consumo y eficiencia energética tiene un efecto directo en los desarrollos que los fabricantes realizan de sus productos y servicios. Es en definitiva consecuencia y origen. De un lado la realización de estudios que permitan generar conocimiento (Know-how) y de otro lado establecer las bases tecnológicas que permitan llevar al mercado productos que planteen un uso eficiente de los recursos.

Este paradigma ha llevado a los fabricantes de soluciones en climatización eficiente y organismos oficiales a trabajar mano a mano para adecuar las herramientas de simulación a las distintas tecnologías de equipos de A/A. Adecuación que permite simular tanto el ahorro energético como la mejora en calificación energética que supone la inclusión de dichas soluciones en los proyectos.

Los nuevos productos desarrollados para el control de equipos de aire acondicionado plantean ventajas competitivas para los fabricantes. Pero para alcanzar estas ventajas es necesarios llevar a cabo una fuerte labor de I+D+i en todas las áreas de la empresa.

Metodología y Resultados Obtenidos: La Orientación al Usuario Final

En muchas ocasiones los sistemas de climatización se aíslan del usuario final, bien sea particular en instalaciones residenciales, o sea profesional en terciarias, con funcionamientos automatizados que excluyen la decisión del usuario, o si lo hacen es con difíciles instrucciones de manejo y que requieren de un amplio conocimiento sobre climatización.

Dado el continuo aumento del coste de la energía eléctrica, la población está cada vez más sensibilizada  con el uso racional de la energía y busca tecnologías que le faciliten este fin. Por esta razón es importante que los interfaces de usuario lo impliquen con el funcionamiento de la instalación, formándolo, consiguiendo un uso correcto y optimizando los costes de explotación de la misma.

Se han diseñado interfaces que además de integrar algoritmos inteligentes de funcionamiento y optimización de consumos energéticos, convierten al usuario final en parte del funcionamiento del sistema o solución planteada.

Por ello, los fabricantes de sistemas de zonificación llevan a manos del usuario final la posibilidad de “auto-gestionar” su instalación permitiéndole:

• Mostrar la información de la mejora de eficiencia y el ahorro en consumo al usuario final a través de un interfaz gráfico.
• Adaptar dicha interfaz a toda la tipología de edificios, monitorizando y mostrando esta información tanto al usuario como al gestor del edificio, según el caso.
• Informar sobre el ahorro energético: los porcentajes de ahorro o sobre consumo de la instalación  se muestran en los interfaces del sistema de forma dinámica en función de la configuración por parte del usuario de las temperaturas seleccionadas,  uso del edificio y localidad del mismo.
• Limitar temperaturas: facilitar al usuario el adecuarse a los rangos de temperatura establecidos en la normativa vigente desde los 22ºC en invierno y 24ºC en verano basadas en la normativa europea UNE EN ISO 7730:2006 hasta los 21ºC en invierno y 26ºC en verano que establece el Real Decreto1826/2009.
• Establecer temperaturas eficientes: informar al usuario que la temperatura seleccionada es más o menos eficiente para su instalación mediante un código de colores.

Estos puntos marcan las líneas para el estudio realizado. Este estudio plantea realizar el cálculo del porcentaje de ahorro energético que se produce en una solución formada por  un sistema de climatización compuesto:

• Equipo de aire acondicionado con distribución por conductos.
• Sistema de zonificación integrado con el equipo mediante pasarela de comunicaciones.

El sistema planteado, comparado con una solución basada en una única unidad de aire acondicionado con distribución de aire por conductos, ya plantea unos ahorros a partir del 17%.

Se realiza un estudio para analizar el nivel de ahorro (expresado en tanto por ciento) que se puede obtener al ir modificando las temperaturas de consigna marcadas por el usuario sobre la instalación de climatización.

La siguiente condición de partida establecida son las temperaturas de confort de referencia marcadas en la normativa europea UNE EN ISO 7730:2006 que establece las temperaturas de confort en 22ºC para invierno y 24ºC para verano. A partir de estas condiciones se toman otras condiciones ambientales. Para varias ciudades de la geografía española se toman la zona climática en la que se ubican para realizar el estudio a lo largo de un período de un año. Recordar que las zonas climáticas según se establecen en el Código Técnico de la Edificación, Documento básico HE, Apéndice D2, “Determinación de las zonas climáticas en función del ambiente climático” establece que para España se diferencian finalmente 12 zonas climáticas.

Además de la caracterización, dada por esas doce zonas, se establece para cada localidad en función del desnivel entre esta localidad y la capital de provincia se obtiene la siguiente tabla de la que se obtienen las condiciones de entorno adecuadas. Para realizar el estudio completo se toma una vivienda modelo que se transporta a las diferentes localidades.

Todo esto lleva a los siguientes resultados:

Para el modo frío, frente a los 24ºC de referencia se obtiene que mientras mayor sea la temperatura, mayor es el ahorro conseguido. Por ejemplo, para 26ºC se consiguen unos ahorros frente a los 24ºC de un 35%. De forma análoga, cuando la temperatura seleccionada por el usuario se establece en 20ºC el consumo es un 125% superior al de los 24ºC.

Discusión de los resultados obtenidos

Estos resultados vienen a corroborar la intuición de que mientras mayor sea el requerimiento del usuario, mayor es el sobreconsumo que se produce. De igual forma, mientras más relajada sea la demanda, el consumo será menor frente al caso base establecido.

Básicamente todo esto se apoya en el hecho de que los sistemas de zonas integrados mediante pasarela de comunicaciones con los equipos de aire acondicionado con distribución de aire por conductos, consiguen que el elemento de mayor consumo de la solución, el compresor, trabaje durante mayor tiempo en carga parcial, consiguiendo una mayor eficiencia en la instalación.

Los  elementos que integran los sistemas de control zonificado con los equipos de aire acondicionado: “pasarelas de comunicaciones” son los que establecen el punto de trabajo del equipo en función de la información recogida sobre el comportamiento del sistema de zonas. Sus funcionalidades básicamente se podrían resumir en:

• Encendido y apagado.
• Cambio de modo de funcionamiento (frío o calor).
• Control de la velocidad del ventilador de la unidad interior de la máquina.
• Control de la temperatura de consigna de la máquina.

Con la supervisión de estos aspectos, se consigue mejorar el funcionamiento conjunto desde dos puntos de vista, operación y utilización.

• Operación. Se configuran los equipos para que trabajen obteniendo el mayor rendimiento posible, adaptando la potencia térmica y el caudal de aire a la situación concreta de operación del sistema de zonas.
• Utilización. Se configuran los equipos para que se ajusten a las exigencias concretas de confort de cada zona acondicionada. En cuanto a la utilización, se incluyen diferentes técnicas para mejorar el funcionamiento: limitación del tiempo de funcionamiento de los equipos (programaciones horarias), limitación de la temperatura de consigna (algoritmo Eco-Adapt), regulación de forma dinámica de la velocidad del ventilador de la unidad interior (algoritmo Q-Adapt), etc.

Además de estas ventajas es imprescindible destacar que la supervisión directa de los parámetros de climatización (apertura de compuertas, velocidad del ventilador, temperatura de consigna de máquina, etc.), permite disminuir los efectos perjudiciales derivados de la condensación y de la estratificación vertical de la temperatura. El primer fenómeno se produce al trabajar en modo frío, ya que en verano, la diferencia de temperatura entre el intercambiador de calor de la unidad interior y el aire ambiente de las zonas provoca la condensación. El segundo fenómeno ocurre al trabajar en modo calor, pues en invierno, el aire caliente impulsado tiene menor densidad que el aire que se encuentra en las zonas y tiende a desplazarse hacia las parte superior de las mismas, provocando una estratificación vertical de la temperatura.

Los algoritmos de control implementan las operaciones necesarias para calcular los parámetros de climatización (temperatura de consigna de máquina, velocidad del ventilador de la unidad interior, apertura /cierre de compuertas, etc.). Esté computo se realiza a partir de la información del estado de las zonas y de la máquina, tal y como se aprecia en el diagrama de flujo de la Figura 4.

Finalmente al usuario, la pasarela de integración le permite gestionar el modo de funcionamiento del equipo y todos los algoritmos de control implementados por Airzone, haciéndole más fácil el manejo de toda la instalación y liberándole de las partes más tediosas del control.

Alcanzado este punto es cuando se dispone de la información para poder establecer funcionalidades de usuario presentadas a través de las interfaces que permitan, según su elección, establecer diferentes niveles de relación de  confort/ahorro. Si bien podrían automatizarse los comportamientos para alcanzar las cotas de ahorro mayores, sería a costa de sacrificar confort.

Conclusiones

La situación marco actual lleva al sector de la climatización a aportar soluciones eficientes que permitan de forma sostenible reducir la dependencia energética de todos los países.

Del lado de los fabricantes y su relación con los organismos públicos, se han de establecer las herramientas adecuadas que permitan determinar y justificar las eficiencias planteadas por los productos desarrollados. A fin de cuentas es poder establecer una letra, un indicador que permita establecer comparativas fiables y cuantificadas.

Y nunca olvidar que en última instancia es el usuario quién tiene dicha eficiencia al alcance de la mano. En definitiva, los fabricantes estamos ante el reto de incluir en nuestra solución integrada de producto al usuario final como parte del mismo. Con usuarios conectados mediante tecnologías de la comunicación a todo su entorno y más aún en una etapa económica dónde los recursos escasean, esto se hace primordial, y es y será uno de los ejes del esfuerzo del sector.

Agradecimientos

Al departamento de Energía de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Málaga por su implicación en el estudio energético de los algoritmos y sistemas de aire acondicionado por zonas Airzone.

Referencias

• Clarke, J. A., and D. McLean, 1988, ESP-a Building and Plant Energy Simulation System, Energy Simulation Research Unit, University of Strathclyde, Strathclyde.
• Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2011, 2º Plan de Acción Nacional de Eficiencia Energética en España 2011 – 2020, 2011.
• Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2011, Análisis del consumo energético del sector residencial en España.