Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Antonio Atienza Márquez. Grupo de Energía de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Málaga.
- José Miguel Peña Suárez, Ingeniero I+D, Corporación Empresarial Altra S.L.
- María del Carmen González Muriano, Dirección dpto. Proyectos, Corporación Empresarial Altra S.L.
Resumen
Las recientes directivas europeas relativas a edificios de energía casi nula, han fomentado el aumento de la inercia térmica en los edificios de nueva construcción, permitiendo beneficiarse de las ventajas que presentan los emisores de calor a baja temperatura. En este trabajo Airzone presenta una estrategia de control para sistemas aire-agua donde se controla de forma conjunta emisores térmicos con inercias térmicas muy diferentes (suelo radiante y fan coil). Se ha evaluado esta estrategia mediante el software TRNSYS. Revelando los resultados una disminución del consumo eléctrico en calefacción de un 7,4 % y un 20,1 % si se compara con una solución de control tradicional para suelo radiante y para fan coil, respectivamente.
Introducción
En general, los edificios de nueva construcción, a raíz de la entrada en vigor del CTE, cuentan con un nivel de aislamiento mejorado con respecto a las edificaciones más antiguas, siguiendo las indicaciones recogidas en la Directiva 2010/31/CE. Esta propiedad, al aumentar la inercia del edificio en su conjunto, permite aprovechar los beneficios de los sistemas de emisión de calor a baja temperatura, mejorando los niveles de confort y de ahorro (Hesaraki & Holmberg, 2013), además de poder reducir la potencia térmica instalada. Ello provoca una disminución de la inversión inicial y del coste de funcionamiento del sistema. Un funcionamiento prolongado del sistema de calefacción a temperatura reducida incrementa el rendimiento y garantiza el bienestar de los ocupantes (Sarbu & Sebarchievici, 2015).
Cada vez es más frecuente la apuesta en el sector residencial por una solución integral para satisfacer las demandas térmicas (refrigeración, calefacción y agua caliente sanitaria) con un único equipo de producción. Los equipos hidrónicos tipo bomba de calor aire-agua, presentan una gran versatilidad, ya que permiten configuraciones mixtas con suelo radiante, fan coils y radiadores.
Los sistemas de calefacción mediante suelo radiante incrementan el nivel de confort porque garantizan una temperatura más homogénea en todo el espacio acondicionado y evitan las corrientes de aire. Además mejoran los rendimientos de los equipos de producción (véase la Figura 1 elaborada por IDAE, 2012) al requerir un temperatura del agua de impulsión (35 ºC), menor que la requerida por un emisor tipo fan coil (45 ºC) o por un radiador de baja temperatura (55 ºC). Del mismo modo una reducción de la temperatura del agua impulsada supone menores pérdidas térmicas en la distribución de la energía desde el sistema de producción hasta las unidades terminales.
Un inconveniente del suelo radiante es la mayor inercia térmica que presenta, comparado con sistemas que utilizan ventiladores para trasferir la energía al espacio ocupado. Este hecho aumenta la complejidad del control para evitar sobrecalentamientos que incrementarían el disconfort y el consumo.
Por todo ello, Airzone presenta en este trabajo un sistema de control para equipos tipo bomba de calor aire-agua que permite el máximo aprovechamiento de las características de los elementos emisores disponibles, seleccionando la combinación más eficiente y confortable en cada situación concreta.
Objetivos y metodología
El objetivo del estudio es comparar estrategias de control de sistemas de calefacción que disponen de una producción mediante bomba de calor aire-agua y unidades terminales de suelo radiante y fan coil, ambas dimensionadas para la potencia punta, y que pueden trabajar de manera independiente o simultánea.
El trabajo se ha abordado mediante la simulación con TRNSYS 17 y la calibración parcial de algunos de los modelos utilizados. Para esta calibración se ha dispuesto de una instalación real de demostración. El esquema de principio de la instalación simulada se representa en la Figura 2.
Para las simulaciones se ha elegido una zona de 44 m2 que representa el salón de una vivienda plurifamiliar situada en Málaga (36º 43’ N; 4º 25’ O), con una carga térmica punta de calefacción de 1,33 kW. A continuación, se describen los principales subsistemas que integran la instalación: la bomba de calor, el suelo radiante y el fan coil.
Modelo de bomba de calor
El modelo de bomba de calor aire-agua se ha implementado en TRNSYS a partir de las curvas de comportamiento típicas de estos sistemas. Se han utilizado los datos publicados por Daikin del equipo ERLQ-CV3 (véase la Figura 3), que consideran la penalización del COP por los ciclos de desescarche.
Modelo de fan coil
En el modelado del fan coil se supone efectividad constante para cada velocidad. Como la transferencia de calor la controla el aire, se puede asumir una efectividad constante para cada caudal de aire, aunque el caudal de agua no sea constante. La efectividad (εv) para una etapa de velocidad cualquiera del fan coil se define según la ecuación (1), la temperatura de impulsión del aire (taire2) se calcula a través de la expresión (2) y la temperatura de salida del agua del intercambiador (tagua2) mediante la expresión (3).
Donde:
magua,cat es el caudal de agua nominal que circula por el intercambiador de calor del fan coil.
magua es el caudal real que circula por el intercambiador de calor del fan coil.
maire,cat es el caudal de aire nominal del fan coil.
maire es el caudal de aire real impulsado por el fan coil.
CPagua es el calor específico del agua.
CPaire es el calor específico del aire.
Δ Tagua, cat es el calor específico del agua.
tagua1 temperatura del agua de entrada al intercambiador de calor (igual a la temperatura del agua impulsada por el equipo de producción).
taire1 temperatura del aire de entrada al intercambiador de calor (igual a la temperatura del aire ambiente en la zona climatizada).
Modelo de suelo radiante
El modelo de suelo radiante seleccionado es el type 993 (Thornton et. al, 2005), que calcula la transferencia de calor por el método de diferencias finitas en tres dimensiones. El dimensionado del suelo se ha realizado conforme a lo dispuesto en la normativa UNE-EN 1264-2012, tomando 5 ºC como salto térmico de diseño y un caudal de 5,2 l/h·m2. El suelo está compuesto por 54 tubos en serpentín de polietileno reticulado (conductividad 0,35 W/m·K) de diámetros 16/12 mm. Los espesores y propiedades térmicas del mortero y el acabado se muestran en la Tabla I.
Estrategias de control simuladas
Control de fan coil
Se emplea una histéresis de 1 ºC entorno a la temperatura de consigna deseada (Tc) para evitar los continuos ciclos de paro–marcha del sistema y únicamente se hace uso de la etapa de velocidad media del ventilador. La temperatura de producción del agua impulsada es de 45 ºC. En las simulaciones la temperatura Tc seleccionada es de 21 ºC.
Control de suelo radiante
El suelo radiante se controla a partir de la temperatura ambiente de la zona acondicionada. Se evalúa esta temperatura en pasos de tiempo de 5 minutos (impuestos por los tiempos característicos de apertura y cierre típicos de las válvulas de dos vías). La demanda térmica se considera satisfecha cuando la temperatura ambiente ha superado 0,5 ºC a la temperatura de consigna establecida (21 ºC en las simulaciones). La temperatura de producción del agua para el suelo radiante es de 35 ºC.
Control combinado suelo radiante y fan coil
Este tipo de control aprovecha las ventajas de cada elemento emisor considerando la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de consigna. Para ello se definen tres etapas, que se pueden distinguir en la Figura 4.
Este control presenta una histéresis de ±0,2 ºC entorno a la temperatura de consigna. La producción de agua se realiza a temperatura variable (diferentes pasos entre 35 ºC y 45 ºC), directamente relacionada con la diferencia entre la temperatura en la zona acondicionada y la temperatura de consigna establecida. Con el mismo criterio se seleccionan las diferentes velocidades del fan coil.
Resultados de la simulación
Las simulaciones se han llevado a cabo bajo un perfil de ocupación comprendido entre las 8:00 y las 22:00 para cada uno de los días del periodo oficial de invierno (según UNE 100014:2004), en la vivienda descrita. Todas las simulaciones se han realizado imponiendo una temperatura de consigna de 21 ºC. Durante los periodos de no ocupación no se combate la carga térmica de la zona.
Sistema de fan coil
La Figura 5 muestra los resultados de las simulaciones del control tradicional exclusivo de fan coil.
Se observa como rápidamente asciende la temperatura ambiente (línea azul). Además, se aprecia como los intervalos de paro–marcha son aproximadamente de 10 a 15 minutos (línea verde).
Sistema de suelo radiante
En la Figura 6 se muestran los resultados de temperatura ambiente de la zona, temperatura en la superficie del suelo y señal de control, obtenidos en las simulaciones del control tradicional de un sistema con suelo radiante exclusivamente. A lo largo del periodo de simulación el valor del coeficiente de transferencia de calor convectivo-radiante oscila entre 8,5 y 11 W/m2·K.
Se observa como el tiempo de respuesta de la zona una vez que el suelo se activa, es aproximadamente cuatro horas hasta alcanzar una temperatura dentro del rango Tc ± 0,5 ºC.
Sistema combinado
En la Figura 7 se muestra los resultados obtenidos en las simulaciones del control con sistema combinado.
La señal de control (línea verde) pone de manifiesto como el control combinado permite alcanzar rápidamente la temperatura de consigna utilizando el fan coil con una temperatura de producción de agua a 45 ºC. Cuando el suelo radiante está atemperado, la carga térmica de la zona se combate exclusivamente con él, lo que permite disminuir la temperatura de producción del agua hasta los 35 ºC.
Comparación de resultados
A continuación, en la Figura 8, se analizan los resultados de confort térmico obtenidos para los diferentes controles. Se evalúan los índices PMV (Predicted Mean Vote) y PPD (Predicted Percentage Dissatisfied), para evaluar respectivamente la sensación térmica global del cuerpo y el porcentaje de personas que, probablemente, sentirán demasiado calor o demasiado frío en un ambiente determinado. La definición detallada y el cálculo de estos parámetros están recogidos en la norma UNE-EN ISO 7730.
En el análisis de estos índices se ha supuesto una actividad metabólica de 58,2 W/m2 (1 met), un aislamiento térmico de ropa de 0,155 W/m2•K (1 clo) y una velocidad relativa del aire de 1 m/s. Los índices PMV y PPD evidencian como el confort térmico con del sistema de fan coil es menor que con suelo radiante o la combinación de ambos emisores.
La Tabla II recopila la comparación de los resultados relativos al consumo, siendo el control combinado propuesto por Airzone el que presenta mayores ahorros energéticos.
Conclusiones
En este trabajo se simula en TRNSYS la optimización del control para un sistema de calefacción que combina distintos emisores térmicos: suelo radiante y fan coil. El control combinado propuesto por Airzone gracias a la gestión dinámica de la temperatura de producción del agua reduce el consumo de la instalación. Esta estrategia de control consigue un ahorro del 7,4 % comparada con una solución tradicional de suelo radiante y un ahorro del 20,1 % comparada con una solución típica de fan coil.
Referencias
- Directiva 2010/31/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios.
- Hesaraki A. and Holmberg S. Energy performance of low temperature heating systems in five new-built Swedish dwellings: A case study using simulations and on-site measurements. Building and Environment. Vol 64, June 2013, pp 85-93.
- Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). Prestaciones medias estacionales de la bomba de calor para producción de calor en edificios. Febrero 2012.
- Sarbu I. and Sebarchievici C. A study of the performances of low-temperature heating systems. Energy Efficiency. Vol 8-3, June 2015, pp 609-627.
- Thornton J. W., Bradley D., and McDowell T. «TESS Component Libraries for TRNSYS 17.» Thermal Energy System Specialists, LLC., Madison (2005).
- UNE 100014:2004. Climatización. Bases para el proyecto. Condiciones exteriores de cálculo.
- UNE-EN 1264-2012. Sistemas de calefacción y refrigeración de circulación de agua integrados en superficies.
- UNE-EN ISO 7730. Ergonomía del ambiente térmico. Determinación analítica e interpretación del bienestar térmico mediante el cálculo de los índices PMV y PPD y los criterios de bienestar térmico local.