Integración de las Bombas de Calor en los Sistemas de Gestión de los Edificios

Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:

Autor

• Manuel Herrero, Adjunto a Dirección, Asociación de Fabricantes de Equipos de Climatización (AFEC)

Resumen

Las Bombas de Calor (BdC) tienen cada vez una mayor presencia y un mayor protagonismo en lo que respecta a las instalaciones de climatización de los Edificios Inteligentes. Ello se debe a la elevada eficiencia que tienen estos equipos y a su capacidad de captar energía procedente de fuentes renovables para la climatización de los espacios, lo que las cataloga como una Tecnología Limpia, contribuyendo su utilización, de una manera destacada, a alcanzar los niveles de excelencia que deben tener los citados Edificios Inteligentes. En estos equipos productores, la capacidad de Regulación y Control y de Comunicación es especialmente importante. En este documento se describen las características de los equipos Bomba de Calor que les permiten integrarse en los sistemas de control de estos edificios, resaltando lo relativo a: su capacidad de integración en los sistemas de Gestión Edificios Inteligentes, la comunicación con el Sistema Central de Gestión y coordinación con el resto de instalaciones, la monitorización y el registro de parámetros, y la interface con el usuario y los programas de gestión de la energía.

Climatización de los edificios inteligentes con bombas de calor

La calificación de un Edificio como Inteligente o Smart Building viene asociada a unos requisitos de gestión y control integrado y automatizado de las instalaciones que lo componen (climatización, iluminación, electricidad, seguridad, telecomunicaciones, voz y datos, control de accesos, protección contra incendios, etc.), a la vez que al cumplimiento de unos elevados niveles en lo que respecta a bienestar y condiciones de utilización, eficiencia energética, seguridad y accesibilidad.

En relación a los dos primeros, las Bombas de Calor pueden contribuir de manera activa al funcionamiento de los edificios inteligentes, ya que son capaces de favorecer el cumplimiento de los requisitos de estos edificios en lo que respecta a:

• Elevada eficiencia en el consumo y en la utilización de recursos: las BdC son equipos altamente eficientes, capaces de aprovechar de un modo óptimo las fuentes de energía naturales y residuales.
• Utilización de avanzadas tecnologías de control para la gestión automática de la totalidad de las instalaciones del edificio (Inmótica). Las BdC se integran en estas tecnologías gracias al avanzado diseño de sus sistemas de control
• Seguridad: La tecnología de la BdC es una tecnología madura y consolidada, a la vez que incorpora los últimos avances tecnológicos en lo que respecta a materiales y componentes.
• Flexibilidad: Las BdC son equipos muy versátiles capaces de adaptarse a prácticamente cualquier situación y de ofrecer un amplio abanico de soluciones.
• Bienestar: Las BdC son capaces de mantener las condiciones ambientales confortables y saludables gracias su funcionamiento a baja temperatura y a su capacidad de adaptar en todo momento sus prestaciones que a la demanda existente, así como sus posibilidades para tratar el aire de ventilación.
• Respeto con el medio ambiente: la elevada eficiencia de las BdC, y el cumplimiento con los requisitos más estrictos de ecodiseño, hace que estos equipos supongan una solución sostenible y perdurable en el tiempo.

Requisitos de control de los sistemas de climatización en los edificios inteligentes

Introducción

Dentro del campo de las instalaciones de los “Smart Buildings”, los sistemas de Regulación y Control (R&C) deben disponer de:

• Una elevada capacidad de integración de todas las instalaciones del edificio, que les permita asegurar en todo momento un funcionamiento correcto de todas ellas, ofreciendo los niveles de servicio esperados, con el menor consumo energético y el mayor aprovechamiento posible de los recursos.
• Una gran flexibilidad ante la multitud de diferentes escenarios que pueden presentarse. Suelen ser edificios con gran diversidad de uso, grandes grados de ocupación, destacada importancia de los sistemas de comunicación y elevados requisitos de suministro energético.
• Una respuesta adecuada ante situaciones de emergencia.

Por todo ello, el sistema de R&C no puede limitarse a un sistema central de control que se encargue de la gestión del funcionamiento de las instalaciones mediante una serie de señales de arranque/paro. Es necesaria una elevada capacidad de gestión de datos y una estructura que permita comunicarse con los componentes de las diferentes instalaciones. Estos componentes a su vez deben disponer de sus propias capacidades de control y de comunicación, funcionando en todo momento en sus zonas de óptimo rendimiento, de manera autosuficiente y en permanente comunicación bidireccional tanto con el sistema central de gestión como con el resto de los componentes de los sistemas, como es el caso de los equipos BdC.

Estructura del Sistema de Control y Gestión del Sistema de Climatización

Dentro del modelo de servicios integrados de los edificios inteligentes, la gestión de la climatización está ligada de manera directa con el confort y el consumo energético, y relacionada de manera indirecta con gestión de la seguridad y la protección contra incendios. Por ello, para realizar una gestión eficaz de la climatización, el Sistema Central de Gestión (SCG) deberá permitir la conexión con los controladores de los componentes de esta instalación, y la comunicación entre ellos por medio de los respectivos protocolos. Las BdC funcionarán de manera autónoma dentro de sus zonas de óptimo rendimiento y en permanente comunicación bidireccional tanto con el citado SCG como con el resto de componentes.

A su vez, este sistema deberá gestionar el conjunto de las diferentes instalaciones para que éstas puedan trabajar de manera coordinada. Asimismo, debe disponer de los necesarios algoritmos de funcionamiento para poder reaccionar coherentemente ante la alteración de las condiciones de funcionamiento que se puedan producir en el edificio. Para lograrlo, el Sistema de Control debe soportarse sobre:

• Una arquitectura central, que contendrá el Puesto Central de Control y Supervisión (PCCS). Este puesto sirve de enlace entre el Operador y el Sistema de Control, permitiendo el manejo de las instalaciones y su supervisión. Gracias al mismo se realizará el manejo de puntos de control, así como la generación de informes de tendencias, alarmas, etc., facilitando el seguimiento y el ahorro energético, todo ello bajo una estructura jerarquizada en diferentes niveles de acceso, que delimitarán el nivel de intervención de los operadores o usuarios.

• Una arquitectura perimetral, compuesta por la red de cableado estructurado y los diferentes Procesadores de Control Distribuido (PCD), que son los elementos encargados del control y supervisión de las distintas instalaciones, así como del envío de la información por medio de los buses de comunicaciones. Normalmente son controladores programables capaces de dotar de un funcionamiento autónomo a los diferentes elementos de la instalación en función de las señales recibidas, así como del intercambio de información entre ellos. Tomarán la información de las instalaciones a través de sus Entradas/Salidas Analógicas/Digitales, y ejecutan los programas definidos en su memoria (no volátil). Dentro de esta misma arquitectura perimetral, se encuentran los Integradores de Protocolos de Terceros (IPT) que son los encargados de recibir la información de los elementos a él conectados mediante un bus de comunicaciones y con un protocolo abierto (JBUS, BACNET, LON, etc.) y convertirla al leguaje propio del SCG. De esta manera, traspasan la información recibida enviándola al ordenador central para su visualización, y permiten la programación y por tanto el tratamiento de los datos recibidos, para ejecutar acciones, ya sea en el propio subsistema a él conectado como en otros controladores.

Las Bombas de Calor actuales, de última generación, cuentan con avanzadas estaciones de control, capaces de gestionar múltiples parámetros internos y externos, y de comunicarse con los sistemas centralizados. Por esto, es esta última modalidad a la que con más frecuencia se recurre en el caso de los Edificios Inteligentes.

Capacidad de control y comunicación de las Bombas de Calor

Consecuentemente, los controladores de las Bombas de Calor podrán estar directamente conectados a la red del sistema de control, y comunicarse con los otros sistemas.  El intercambio de información de estos parámetros se realiza directamente, sin pasos intermedios, lo cual asegura la fiabilidad y la rapidez de las comunicaciones. De igual modo, desde el puesto central de control podrá accederse a los puntos de control de las Bombas de Calor, gestionando su funcionamiento.

Asimismo, gracias a este intercambio de datos, de manera recíproca el sistema podrá recibir, en tiempo real, información facilitada por el controlador de la Bomba de Calor, que podrá ser registrada y procesada para que el controlador central actúe en consecuencia. Puede ser información relativa a:

• Modo de funcionamiento (confirmación)
• Estado de funcionamiento
• Cómputo de las horas de funcionamiento de cada equipo, y de cada uno de sus principales componentes
• Supervisión de las alarmas propias de los equipos (fallos en la comunicación, avería en sensores, salto de las protecciones de componentes, etc.)
• Valores de las variables de funcionamiento facilitados por los equipos
  • Puntos de consigna: lectura y modificación
  • Temperaturas de agua/aire de impulsión y retorno
  • Parámetros frigoríficos de funcionamiento: presiones, temperaturas, recalentamiento, etc.
  • % de la capacidad a la que trabaja del equipo
  • Consumo energético en un cierto período de tiempo
  • Indicación de funcionamiento inadecuado o de sobrepaso de los umbrales establecidos (por ejemplo, excesivos arranques/paradas, incapacidad de alcanzar el punto de consigna, etc.)
  • Indicaciones relativas a mantenimiento
  • Etc.

Monitorización y registro de parámetros. Interface con el usuario

Tan importante como disponer de poderosas herramientas de control, es que los usuarios, a sus niveles de acceso, sean capaces de recibir la información relativa al funcionamiento de los diferentes equipos y sistemas de un modo íntegro, claro y completo, de manera que puedan supervisar el funcionamiento de los mismos y establecer las estrategias de gestión.

En relación a los equipos Bomba de Calor, los usuarios tanto a nivel local como, evidentemente, a nivel de operador del Sistema de Gestión, pueden acceder a la información relativa al funcionamiento de aquellos, y siempre en función del nivel de acceso con el que cuenten, en un entorno gráfico, basado en pantallas con barras de iconos de las herramientas estándar y menús abatibles.

El acceso a la información se podrá hacer bien desde el display del propio equipo, o bien, evidentemente, desde el puesto central de control. En estas pantallas figuran claramente indicados los principales parámetros de funcionamiento, y se puede acceder a todos los gráficos de medida de los parámetros, a los gráficos de alarmas y a los gráficos de registros, así como a la gestión de la entrada de datos y a los procesos de autenticación y seguridades.

También puede accederse remotamente vía un Web Browser, a través del cual se podrán realizar todas las funciones que normalmente se efectúan desde el enlace de Operador, tales como la introducción de los puntos de consigna y, de manera destacada, los mensajes de alarma en junto con la identificación de las mismas.

Programas de gestión de la energía

Los sistemas de gestión energética que incorporan tanto los SCG, a un nivel global, como las propias Bombas de Calor a un nivel local, permiten analizar el uso que se está haciendo de la energía en tiempo real, así como su optimización en base a unos criterios de funcionamiento establecidos, sin penalizar el confort ni, lógicamente, la salubridad o la seguridad.

Para ello los sistemas cuentan con una adecuada monitorización de los consumos energéticos basándose en una veracidad de los datos, y con la ayuda de unas herramientas de apoyo, tales como gráficos de tendencias. Los sistemas proveen información acerca de la carga de funcionamiento de los equipos en cada momento junto con sus registros históricos, mostrando sus ciclos y pudiendo relacionarlos con diferentes parámetros que pueden influir, como pueden ser por ejemplo las temperaturas exteriores o el grado de ocupación, permitiendo hacer análisis causa-efecto.

En caso de que se disponga de diferentes fuentes energéticas, también facilitan información acerca del coste de las mismas, permitiendo al usuario optar por la alternativa más económica.

En función de los datos tomados, y de los objetivos establecidos, podrán implementarse programas de gestión energética, entre los que se pueden destacar:

• Programas de arranque/parada óptimo para sistemas de calefacción y para sistemas de refrigeración
• Climatización por free-cooling
• Climatización nocturna
• Corrección de puntos de consigna basados en tendencias de temperatura/entalpía
• Ajuste de la banda de HR
• Reajuste de los puntos de consigna en función:
  • De la temperatura exterior
  • Del grado de actividad (curvas de demanda)
  • De la hora del día
  • Reajuste de las temperaturas de producción en función de la temperatura exterior
  • Imposición de la demanda máxima

En cualquiera de estos programas el sistema hace un análisis completo del consumo de la totalidad de la instalación, facilitando datos reales de su consumo final e informando acerca de su implicación en los diferentes subsistemas.

Con estas funciones, los sistemas podrán ‘allanar’ sus perfiles energéticos. De igual modo, podrán hacerse previsiones de consumos, en función de la demanda prevista, con la consiguiente ayuda a la planificación económica del edificio, en la que los costes energéticos suponen una importante partida.

A nivel de los propios equipos, las Bombas de Calor cuentan con sus propios algoritmos de eficiencia, entre los que cabe destacar:

• Modulación de la potencia de los compresores y de los componentes mecánicos, con el consiguiente aumento de la eficiencia a cargas parciales.
• Sistemas de volumen variable de refrigerante de flujo variable de aire y de caudal variable de agua.
• Sistemas de sectorización del funcionamiento de las unidades interiores en función de las demandas en cada recinto.
• Incorporación de sistemas de recuperación de calor en ciclos de refrigeración y de aprovechamiento de la entalpía del aire exterior.
• Sistemas de temperatura variable de descarga.

Conclusión

La amplia complejidad de los edificios inteligentes y sus elevados requisitos en lo que respecta a funcionamiento, telecomunicaciones, consumo energético y sostenibilidad, hace que todos los elementos que forman parte de sus instalaciones deban disponer de avanzados sistemas de control, a la vez que una gran capacidad de comunicación, mediante protocolos abiertos.

Las Bombas de Calor, gracias a los avances tecnológicos que incorporan, tanto en lo relativo a su funcionamiento como a la regulación, ofrecen excelentes alternativas para la climatización de estos edificios.

Agradecimientos

• Isidro García Sampedro. Sistemas de Gestión Integral, Honeywell
• Carlos García Sanchez. Gestión Integrada de la Edificación, Johnson Controls