Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Cristóbal López, Director Dpto. I+D+i, Koolnova Climatización Personalizada
- José Antonio Gutiérrez, Director Comercial, Koolnova Climatización Personalizada
- Ana Belén Pabón, Doctora por la Universidad de Córdoba, Koolnova Climatización Personalizada
- José Luis Rodríguez Correas, Director Comercial, Koolair
Resumen
En esta comunicación se presenta la aplicación de una innovadora tecnología de medición de temperatura, basada en un sensor óptico-térmico Thermopile, que permite optimizar la eficiencia energética en los EECN. Junto a la aplicación de un sistema de climatización por zonas, se trata de un original concepto, basado en un análisis de I+D+i, que representa un avance significativo y cualitativo en la medición de temperatura para instalaciones de climatización. Se analiza cada elemento radiante del recinto frente a la evaluación seca y local realizada actualmente (Resistencia NTC). Se presenta una memoria comparativa de ambas soluciones, en la que se demuestra el ahorro energético que ofrece la tecnología Thermopile frente a la tradicional en un caso real.
Palabras clave
Tecnología, I+D+i, Energía, Climatización, Medición Volumétrica, Thermopile, Sostenibilidad, Zonificación, Ahorro Energético
Mejora continua de los EECN: medición volumétrica integrada en sistemas de zonas
Con el objetivo de ayudar al cumplimento de los propósitos de eficiencia energética fijados para 2020, se desarrollan nuevas tecnologías de medición de la temperatura y actuación para las instalaciones térmicas de los edificios.
Antecedentes
Los sistemas de climatización conducidos han sufrido una amplia transformación a lo largo de su historia. El primer gran paso surge con la sectorización o zonificación, de este modo se evita derrochar energía en las habitaciones desocupadas y elimina el malestar al ofrecer a cada sector la temperatura deseada por sus ocupantes. Se tiene en cuenta que los sistemas de zonas son independientes de las máquinas de climatización, pero sin embargo interactúa sobre ellas, estableciendo temperatura de consigna que se alcanzarán en función de la temperatura medida en cada sector.
Se plantea en la actualidad un segundo salto que fomente el ahorro energético en las instalaciones de climatización de los edificios, y ayude a conseguir EECN. Gracias a la introducción de un nuevo concepto de medición de temperatura basado en sensor óptico-térmico Thermopile dicho reto es posible.
Descripción
Los sensores Thermopile se aplican junto a los sistemas de climatización por zonas. Representan una mejora considerable en la medición de temperatura para instalaciones de climatización en los EECN. Se trata de un método innovador, con capacidad de determinar la temperatura de cada uno de los recintos de una manera precisa y objetiva desde la rejilla de impulsión motorizada, o desde un punto deseado (generalmente techo en instalaciones con suelo radiante). El sensor inteligente se instala en el marco de la rejilla en la cual queda totalmente integrado.
Para que el elemento de control del sistema de zonificación, tome la decisión de abrir o cerrar la circulación de aire, ha de tener conocimiento de la temperatura del habitáculo. Cuando se alcance la temperatura de consigna, se cierra de forma automática la impulsión de aire (agua, en caso de suelo radiante).
Metodología
En general, los sistemas de climatización por zonas para edificios disponen de medición de temperatura, basado en medición seca y local a través de resistencias NTC (Negative Temperature Coefficient). Este método es uno de los más económicos y ampliamente extendidos, sin embargo este no representa la mejor opción en la medición de temperatura de estancias. Se define como medición localizada en un ámbito muy cercano a la ubicación de la resistencia. Por ello los fabricantes advierten la necesidad de ubicar los termostatos teniendo en cuenta diversos aspectos:
- Ubicar el termostato a 1.5 metros de altura para evitar la estratificación del aire.
- No ubicar el termostato al lado de un foco de calor o frío.
- Evitar la exposición del termostato en una corriente de aire.
La realidad demuestra que no existe una temperatura única y homogénea dentro de los recintos cerrados a climatizar. Existen diferentes cargas térmicas tales como luces, acristalamientos, personas, equipos, entre otros; que provocan diferentes temperaturas según sea la ubicación de los mismos en el local de estudio.
Si se tienen en cuenta los aspectos hasta el momento mencionados, además de la estratificación térmica y el gradiente de temperatura existente, deben buscarse alternativas de medición que recojan datos representativos.
Innovación
La medición real de la temperatura cobra especial interés, ya que una medición localizada (resistencia NTC) de la misma influirá de manera muy relevante sobre la cantidad de aire aportado y por ende de la eficiencia energética. Gran importancia tiene la temperatura superficial de los paramentos en la sensación de confort y por tanto en el ahorro que se puede conseguir con un manejo adecuado. La obtención de una temperatura media de todos los elementos radiantes supone una mejora considerable en la eficiencia energética de la instalación.
La solución técnica aportada por medio de un sensor THERMOPILE (volumétrico), permite obtener una medición exacta, eficiente y media de la temperatura de cada espacio. Se trata de un sensor térmico especial y su aplicación implica una innovación en la climatización de los EECN.
Una de las ventajas más importantes que diferencia este procedimiento de medición del resto, es la capacidad de realizar una pseudo imagen digital térmica de todo el recinto que se encuentre frente a él, sea un sólido o un gas. Un microprocesador interno del sensor ejecuta un algoritmo continuamente dando como resultado una temperatura media del volumen de la estancia objeto de la medición.
Su funcionamiento está basado en los estudios de Leopoldo Nobili (1784-1835) del efecto termoeléctrico, al medir la radiación infrarroja (IR) con dos contactos de Bismuto y Antimonio. Así como en la consecución de la fórmula de la longitud de onda máxima emitida por los cuerpos, por parte de Wilhelm Wien (1864-1928):
λmax = 2898/T
λ : Longitud de onda en μm; T : Temperatura en K (Kelvin)
La aparición de las leyes de Planck (Max Planck 1858 – 1947) sobre la radiación de un cuerpo negro, donde se enuncia que este absorbe todas las longitudes de onda, emitiendo únicamente una radiación infrarroja representativa de su temperatura, fue el último eslabón teórico necesario para que se pudiera desarrollar esta tecnología.
Descripción
La construcción de este tipo de sensor se compone de:
- Una capsula metálica conteniendo un substrato de Bismuto-Antimonio (Bi-Sb).
- Un filtro especial de Ia radiación que se pretende absorber (IR).
- Un circuito microprocesador.
El substrato de Bi-Sb es una matriz de filas y columnas, pudiéndose llegar hasta 200 celdas ofreciendo cada una su medida. Estas medidas las gestiona el microprocesador (DSP) interno para ofrecer una medida final cada cierto tiempo (regulable). El resultado es un sensor que informa de la temperatura de la materia que se enfrenta a él, sea un sólido ó un gas, como puede ser el Nitrógeno.
En el caso de los gases se aplica un factor de corrección en función del tipo de gas ya que, por ejemplo, el Neón solo emite un 62% de radiación IR, mientras que el Nitrógeno emite el 100%. Es por tanto ideal para medir la temperatura del aire circundante, al contener un 80% de Nitrógeno.
El ángulo de apertura de la ventana de medida es de 90°, ideal para la medida de gases en grandes recintos. Se presenta por tanto una solución tecnológica única en el mercado para la medición eficaz de la temperatura de los edificios climatizados por zonas. Tecnología desarrollada gracias a un estudio basado en I+D+i, que representa un avance importante de aplicación en los EECN.
Comparación de resultados: método convencional NTC vs nuevo sistema Thermopile
Como ya se menciona anteriormente, para sensores NTC, la ubicación de los termostatos pasa a tener un papel decisivo en el correcto funcionamiento del sistema de climatización. Por el contrario, gracias al uso del sensor Thermopile, el gradiente de temperatura de una estancia es tenido en cuenta, obteniendo la temperatura media efectiva de la estancia y por tanto obteniendo un mayor ajuste eficiencia-ahorro.
La finalidad es obtener un edificio que demande la menor cantidad de energía posible y seguir optimizando recursos, consiguiendo a lo largo del tiempo unos ahorros aún mayores en la climatización, siempre en aras del fomento del confort higrotérmico de los inquilinos.
A continuación se presenta un caso práctico donde se aplican ambas tecnologías por separado: Tecnología NTC estándar frente al nuevo sistema Thermopile, obteniendo datos para su posterior análisis. Con este estudio se pone de manifiesto el potencial de la tecnología Thermopile desarrollada.
Edificio “Vega Norte”
El edificio Vega Norte se distribuye en siete plantas, de las cuales dos de ellas están dedicadas a aparcamientos, una a locales comerciales y las cuatro restantes, a oficinas.
En el presente proyecto se plantea el estudio de la planta tercera del edificio, distribuida en tres módulos de oficinas.
La fachada exterior de cristal aporta iluminación natural a los amplios módulos de oficinas, reduciendo la dependencia de iluminación artificial con el consecuente ahorro energético. En contraposición las amplias cristaleras disminuyen las condiciones de confort en la proximidad a las fachadas, aumentando el efecto de pared fría en invierno y pared caliente en verano.
Para cuantificar el ahorro de energía que supone la utilización de la tecnología Thermopile, se realizan estudios para un mismo sistema de climatización por zonas. Las únicas diferencias se encuentran por un lado en la tecnología de medición de la temperatura y por otro en la ubicación del sensor.
- Sensor NTC*: instalado en pared a 1,5 metros del suelo. Sin exposición a la luz solar, fuentes de calor, ni corrientes de aire.
- Sensor Thermopile*: instalado en techo.
Ambos sensores ubicados en el mismo plano respecto de la fachada exterior.
Datos de la medición: (sin aporte de climatización [para el análisis comparativo de ambas soluciones técnicas, no se considera el efecto de aporte de climatización, por ser un efecto común para las dos soluciones]).
Del análisis de los datos obtenidos durante las mediciones, se aprecia una variación en la temperatura medida entre ambos sensores:
Tª exterior > Tª interior: Siendo las temperaturas medidas por el sensor NTC, mayores que las obtenidas por THERMOPILE, suponiendo una reducción energética de aproximadamente un 26,4%. Dicha medición tiene en cuenta cargas por transmisión, radiación, equipos, iluminación y ocupación que agravan la situación.
Tª exterior < Tª interior: Donde las temperaturas medidas por el sensor NTC son levemente mayores que las obtenidas por THERMOPILE. Obteniendo un aporte energético adicional de aproximadamente un 4,7%.
Considerando ambas mediciones aportadas en el apartado anterior, utilizando el sensor THERMOPILE Vs NTC y combinándolas a lo largo de un año natural se puede apreciar una reducción energética del 21,7% en climatización del edificio.
Conclusiones
Los sistemas de zonificación con sensores volumétricos, aportan valor a las instalaciones de climatización.
La aplicación de nuevos sensores de medición de temperatura con tecnología Thermopile, surge del esfuerzo por procurar la mejora de los edificios de EECN.
La variación en la medición de temperatura repercute en una reducción en la demanda de energía de refrigeración-calefacción y por lo tanto reducciones en las emisiones de CO2. El objetivo es conseguir adaptar el aporte de climatización a la auténtica demanda.
Referencias
- Castro, J.L., A method to measure total atmospheric long-wave down-welling radiation using a low cost infrared thermometer tilted to the vertical, Energy, Volume 81, 2015, Pages 233-244, ISSN 0360-5442.
- Melexis Microelectonic Integrated Systems (2006), MLX90614 family Single and Dual Zone Infra Red Thermonmeter in TO-39; Data Sheet Sep. 14, Rev 1.0 pp. 1 through 35.
- Sheet, M. D. (2009). MLX90614 family, single and dual zone infrared thermometer in TO-39.
- IDAE. Informe sintético de indicadores de eficiencia enregética en España. Año 2015. 1ª Edición. Secretaría General. Departamento de Planificación y Estudios. Julio 2017.