Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Francisco Fernández Hernández, Profesor Ayudante Doctor, Universidad de Málaga
- José Miguel Peña Suárez, Responsable de Calidad de Producto y Energía, Corporación Empresarial Altra
- Juan Antonio Bandera Cantalejo, Ingeniero I+D Energía, Corporación Empresarial Altra
- María del Carmen González Muriano, Directora de Proyectos, Corporación Empresarial Altra
- Montserrat Ventura, Ingeniera de Proyectos, Corporación Empresarial Altra
Resumen
En España la reglamentación relativa a la edificación eficiente se rige por el Código Técnico en la Edificación y el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios. Sin embargo, han surgido diferentes iniciativas a raíz de la mayor concienciación por la edificación sostenible a nivel global. Como ejemplo, se pueden mencionar LEED, BREEAM y VERDE, que no siendo de carácter obligatorio en España, gradualmente se están tomando como referente en la edificación y la gestión energética. Estas iniciativas redundan en edificios más económicos, con un menor coste de utilización y mantenimiento, gracias a que sus nuevos métodos de cálculo cuantifican las ventajas aportadas por nuevas soluciones tecnológicas. Los sistemas de climatización en edificios han experimentado un gran salto tecnológico debido a la optimización de los procesos de control, diseño y fabricación de estos equipos. Los sistemas de control perfeccionan el comportamiento de las instalaciones de climatización, calefacción y ventilación, aportando un alto nivel de confort al usuario final, a la vez que se consigue un ahorro energético considerable. El efecto de este tipo de control zonificado no está contemplado en las herramientas oficiales disponibles en España. Debido a esta carencia de las herramientas oficiales, las certificaciones voluntarias adquieren mayor importancia, ya que éstas sí evalúan dicho impacto. El objetivo de esta comunicación es mostrar el impacto de incluir un sistema de zonificación y control en el edificio a nivel energético y de confort en las certificaciones voluntarias de sostenibilidad de edificios, que están marcando la tendencia a seguir en materia de sostenibilidad energética.
Palabras clave
Métodos de Calificación Energética, Eficiencia Energética en Edificios, Sistemas de Control de Climatización
Introducción
En los últimos años la preocupación por el aumento en el consumo de energía de los edificios se ha traducido en la creación de diferentes directivas europeas orientadas a conseguir una mayor eficiencia energética y sostenibilidad en los edificios. Para conseguir reducir el consumo de energía de un edificio y llegar a lo que se denomina edificios de energía casi nula, además de las medidas pasivas que permiten reducir la carga térmica en el edificio, los sistemas de control sobre los elementos consumidores, principalmente la iluminación, los sistemas de climatización y los equipos, son fundamentales para garantizar el confort de los usuarios (térmico, lumínico, calidad de aire, etc.), y fomentar la optimización del consumo de energía de estos elementos.
En esta línea, existen estudios que demuestran la necesidad y el potencial de ahorro mediante elementos de control. En un estudio con 118 edificios diferentes identifican 384 problemas relacionados con el control: programación, comunicación entre dispositivos, problemas en gestionar o controlar datos, etc., haciendo especial hincapié en que deben ser detectados y diagnosticados para el buen funcionamiento del edificio (Ardehali & Smith, 2001). Una gran cantidad de energía es desaprovechada por una ineficiente gestión de los sistemas HVAC por la falta de medidas de predicción y medida de la ocupación en el edificio (Shi, 2017).
La selección de técnicas de modelado y un modelo apropiado del sistema de calefacción, refrigeración y ventilación son dos elementos fundamentales para mejorar la funcionalidad del sistema de control y la eficiencia energética de los edificios (Afroz, 2018). Sin embargo, lograrlo no es una tarea sencilla, y por ello se hace uso de programas de simulación térmica especializados que permitan un estudio energético del edificio exhaustivo y detallado. Actualmente, los programas convencionales no tienen en cuenta el efecto de estos sistemas de automatización y control en la eficiencia energética de los edificios y, en particular, los controladores de calefacción y refrigeración se suponen que son ideales y alcanzan las temperaturas de consigna de forma exacta y sin oscilaciones.
Como solución, ya existen normativas europeas que obligan a considerar el efecto de los sistemas control de climatización en la eficiencia energética del edificio, como son las normas EN 15232‑1:2017 y EN 15500‑1:2017, que ya se están teniendo en cuenta en métodos de cálculo en países como Francia, pero que, en España, ni el CTE ni el RITE, contemplan aún la obligación de cuantificar el impacto que los sistemas de control tienen en el comportamiento energético de los edificios.
El objetivo de este estudio es mostrar la influencia que tiene el sistema de control zonificado de Airzone, con una algoritmia inteligente que controla el sistema de climatización en función de las condiciones térmicas del edificio, en el consumo de energía y confort de los usuarios de un edificio y las ventajas que conlleva en los principales métodos de calificación/certificación energética de edificios que se realizan en la actualidad. En particular, se muestra un caso de estudio con la certificación BREEAM, una de la más importante en Europa para garantizar la calidad de un edificio.
El sistema de control zonificado
Los sistemas zonificados se basan en el control independiente de la temperatura de cada una de las zonas. Para ello se incorpora un termostato en cada estancia que permite conocer la demanda térmica en cada una de ellas y seleccionar una temperatura de consigna independiente según las preferencias del usuario. De esta manera, cuando una zona alcanza la temperatura de consigna, ésta envía una señal de control a la compuerta motorizada de la zona para que se cierre e interrumpa la impulsión del aire acondicionado. En la figura 1 se muestra un esquema de un sistema zonificado.
Además de la zonificación térmica, el sistema de control de Airzone basa su funcionamiento en la pasarela de comunicación que permite una comunicación bidireccional entre la central de control y el equipo la cual posibilita definir algoritmos de control inteligentes que optimicen el consumo de energía. Estos algoritmos son los siguientes:
- Control de la velocidad del ventilador de la unidad interior de la máquina, mediante el algoritmo Q-Adapt.
- Limitación de la temperatura de consigna de la zona y control de la temperatura de consigna de la máquina, mediante el algoritmo Eco-Adapt. El Modo A fija el rango de temperatura máxima en invierno es de 22 °C y en verano de 24 °C, el Modo A+ en 21.5 °C y 25 °C y el Modo A++ en 21 °C y 26 °C.
Métodos de certificación energética de edificios
Se describen algunos de los métodos de certificación energética de edificios que más importancia tienen en el sector de la edificación: BREEAM, LEED y VERDE. Cada uno de ellos certifica el edificio evaluando impactos en diferentes categorías relativas a la sostenibilidad, eficiencia, etc. En la figura 2 se muestra la comparativa de los 3 métodos mostrando las diferentes categorías que se evalúa y el sistema de puntuación.
Suzer (Suzer, 2019) realiza un estudio comparativo de las certificaciones LEED y BREEAM bajo las mismas condiciones y obtiene como conclusión principal que, aunque se muestra una correlación positiva entre los resultados de puntuaciones obtenidos en ambos métodos, en algunos se obtienen diferencias estadísticas significativas que implican que el método de LEED obtenga puntuaciones más elevadas que BREEAM.
VERDE® es un certificado equivalente a BREEAM o LEED, desarrollado por el GBCe (Green Building Council España), pero adaptado a la normativa y de España, el CTE (Código Técnico de la Edificación) y las Directivas Europeas.
Más adelante, se mostrará un caso de estudio que refleja como el sistema de zonificación térmica mejora la puntuación obtenida en la certificación BREEAM en las categorías: salud y bienestar, energía, contaminación, gestión e innovación.
Por otro lado, es interesante destacar la plataforma eu.bac (European Building Automation Controls Association) que establece una certificación europea que sirve como referencia para determinar la exactitud de los controles de calefacción y refrigeración conforme a las directivas europeas y las normas EN. Esta exactitud puede ser implementada en los motores de cálculo de certificación energética de los Estados Miembros de la Unión Europea, siendo posible así tener en cuenta en el cálculo el aporte de eficiencia energética de los sistemas BAC.
Esta certificación garantiza a los usuarios que los productos y sistemas se ajustan a las directivas europeas (EPBD) y las normas EN 15232‑1:2017 y EN 15500‑1:2017, con el fin de lograr el equilibrio óptimo de los controles y sistemas de automatización de edificios nuevos y edificios existentes.
El potencial de ahorro de energía y los aspectos del ciclo de vida que se pueden lograr a través de la automatización de edificios no son considerados de forma suficientemente exhaustiva en las certificaciones de sostenibilidad de edificios actuales como LEED, BREEAM, etc. El método propuesto en la certificación eu.bac solventa esta carencia al cuantificar el nivel de precisión de un control especifico. En concreto el sistema de zonificación Airzone alcanza una precisión en el control de 0.3 K.
Certificado BREEAM con Airzone – Caso de estudio
El objetivo es demostrar mediante los resultados de las simulaciones como al incluir la tecnología Airzone en un proyecto de edificación puede mejorar la puntuación obtenida en la certificación BREEAM en las categorías: salud y bienestar, energía, contaminación, gestión e innovación.
Descripción del modelo de control, edificio y los sistemas
Debido a la particularidad del sistema de control zonificado y los algoritmos que incorpora, se ha modelado con el programa TRNSYS17, que permite programar soluciones singulares y una integración flexible con el edificio y el resto de los sistemas.
El modelo requiere como parámetros la información específica tanto del equipo de expansión directa (capacidades, consumos, velocidades del ventilador, etc.), como información necesaria para el sistema de control de Airzone (número de zonas, definición del Q-Adapt, del Eco-Adapt, etc.). Las entradas más relevantes tienen que ver con las necesidades térmicas de cada una de las zonas del edificio que estarán relacionadas con la demanda térmica, así como las necesidades de confort: temperatura de consigna, las condiciones de temperatura y humedad en cada zona, el estado de cada compuerta (abierta o cerrada), las condiciones exteriores, etc. Como salidas se obtienen los resultados relativos a las condiciones resultantes de la zona, así como el comportamiento de la máquina en términos de consumo eléctrico y capacidad térmica aportada.
La vivienda del caso de estudio presenta cinco zonas climatizadas (salón, cocina, oficina, dormitorio padres y dormitorio niños), con una superficie de 121 m2, mientras que el resto se considerará una única zona no acondicionada. La simulación se realiza considerando diferentes condiciones climáticas de las localidades de Madrid, Valencia y Barcelona.
El sistema de climatización es un equipo inverter de expansión directa, cuyo modelado se realiza teniendo en cuenta que el modo de funcionamiento, el rendimiento del equipo y el consumo eléctrico requerido es diferente en función de las condiciones de operación. Con este objetivo, se ha experimentado una unidad de este tipo y se han obtenido las diferentes curvas de comportamiento características con los coeficientes característicos correspondientes.
Un equipo Inverter es capaz de regular su régimen de trabajo para ajustar la producción de energía térmica a la demanda. Se define el factor de carga parcial (PLR) como la relación entre la carga sensible demandada y la máxima que el equipo es capaz de proporcionar en las mismas condiciones de trabajo:
PLR=Qdem/Qsens,max (1)
La figura 3 representa los 3 regímenes de trabajo de un equipo inverter con la evolución del rendimiento del equipo en función del factor de carga parcial. La regulación del equipo a la demanda térmica, así como el control de la velocidad del ventilador y la temperatura de consigna de la máquina, permite llevar al equipo a condiciones de carga parcial donde se maximiza el rendimiento y se reduce el consumo de energía.
Resultados
A continuación, se muestran los siguientes resultados de las simulaciones, en las que se realiza la comparación del modelo zonificado de Airzone y un modelo sin zonificar:
Energía – Eficiencia energética y emisiones de carbono
En la categoría Energía el requisito “Eficiencia energética y emisiones de carbono” dispone de hasta 15 puntos para reconocer aquellos edificios diseñados para minimizar el consumo de energía operativa. Sin entrar en profundidad en los puntos que se pueden conseguir, gracias la zonificación térmica, la limitación de la temperatura de consigna mediante el algoritmo Eco-Adapt y a la gestión de la instalación de climatización que realiza el sistema, se consigue un ahorro en el consumo energético y por tanto una reducción de emisiones de carbono. A modo de ejemplo, para el caso de estudio, se evalúa el potencial de ahorro de energía con respecto a un sistema no zonificado, para las tres ciudades de análisis (figura 4).
Con la aplicación del algoritmo Eco-Adapt se consigue una disminución del consumo de energía según si se aumenta la temperatura de consigna en modo refrigeración o se disminuye en modo calefacción. Los ahorros son del 56-64 % en calefacción y del 24-37 % en refrigeración, en las diferentes ciudades analizadas.
Salud y Bienestar – Confort térmico
En la categoría Salud y Bienestar hay disponibles hasta 3 puntos en el requisito de “Confort térmico”. Fundamentalmente se basan en el cálculo de los parámetros de confort PPD y PMV y que se cumpla la categoría B de confort, según la EN ISO 7730:2005. Para ello, en unas condiciones estándar de confort asociadas al factor de ropa, la tasa metabólica y la velocidad relativa del aire, se realiza una comparación de los parámetros PPD y PMV de un sistema zonificado y un sistema no zonificado.
En la figura 5 se muestra la comparación del parámetro PPD y el PMV, destacando la categoría de confort obtenida.
En un sistema zonificado se cumplen las exigencias de confort que exigen una categoría mínima de B con un PPD en torno al 6 % y un PMV por debajo de 0.5, en cada una de las zonas de la vivienda para las tres ciudades analizadas, mientras que el sistema sin zonificar es capaz de obtener buenos resultados en la zona del Salón, pero el resto de zonas se produce un importante subenfriamiento de las zonas en modo refrigeración y sobrecalentamiento en modo calefacción.
Contaminación – Impacto de los refrigerantes
En la categoría de Contaminación, en el requisito “PCG de los refrigerantes – instalaciones del edificio” hay disponible 1 punto. Se va a demostrar cómo la zonificación térmica permite reducir la carga térmica del edificio lo que implica poder utilizar una máquina de menor potencia, lo que da lugar a menor uso de refrigerante.
La zonificación permite la selección de equipos de climatización en el sistema zonificado que se ajustan a la carga térmica simultánea y la potencia requerida, lo que permite usar equipos de menor potencia térmica. Se pasa de una máquina de PUHZ-RP125 de Mitsubishi, con una carga sensible nominal de frío de 8610 W y de 13900 W a una PUHZ-RP100GA de Mitsubishi, con una carga sensible nominal de frío de 6720 W y de 10300 W de calor, lo que implica una reducción en la cantidad de refrigerante utilizado de 0.5 kg, ya que se pasa de una carga de 3.8 a 3.3 (kg), con una longitud máxima de tubería de 50 m y diferencia de altura de 30 m.
Conclusiones
El presente estudio demuestra las ventajas del sistema de control de climatización zonificado de Airzone en términos de consumo de energía, confort térmico y ahorro en refrigerante con respecto a un sistema no zonificado, en un edificio de viviendas y sometido a diferentes condiciones climáticas. Se ha realizado una modelización térmica del edificio, sistema de climatización y sistema de control mediante el software Trnsys17. El modelo del sistema de control se adapta de forma flexible a poder introducirse en otros softwares de simulación energética de edificios para, de esta manera, adaptarse a normativas europeas que exigen evaluar el efecto de los sistemas de control en el comportamiento térmico de los edificios.
Los resultados del estudio demuestran las ventajas de un sistema zonificado para la posibilidad de obtener una certificación BREEAM del edificio, aportando hasta 33 puntos en total, en áreas clave como Energía, Salud y Bienestar, Contaminación, Gestión e Innovación, con respecto a un sistema de climatización no zonificado. En primer lugar, la zonificación térmica permite reducir la potencia del equipo de climatización, por lo que se reduce la cantidad de refrigerante en 0.5 kg. La regulación de la temperatura de consigna de la máquina y la limitación de las consignas de temperatura de las zonas a través del algoritmo Eco-Adapt permite obtener ahorros del 56-64 % en calefacción y del 24-37 % en refrigeración, en las diferentes ciudades analizadas. Finalmente, en un sistema zonificado se cumplen las exigencias de confort que exigen una categoría mínima de B con un PPD en torno al 6 % y un PMV por debajo de 0.5, en cada una de las zonas de la vivienda para las tres ciudades analizadas.
Referencias
- Afroz Z., Shafiullah GM, Urnee T., Higgins G. Modeling techniques used in building HVAC control systems: A review. Renewable and Sustainable Reviews 83 (2018): 64:84.
- Ponterosso P., Gaterell M., Williams J. Post occupancy evaluation and internal environment monitoring of the new BREEAM “Excellent” Land Rover/Ben Ainslie Racing Team headquarters offices. Building and Environment 146 (2018): 133-142.
- Shi J., Yu N., Yao W. Energy efficient building HVAC control algorithm with real-time occupancy prediction. Energy Procedia 111 (2017): 267-276.
- Smith M., Ardehali T.F. Literature review to identify existing case studies of controls-related energy-efficiency in buildings. Department of Mechanical Engineering, The University of Iowa, Iowa. Technical Report ME-TFS-01-007 (2001).
- Suzer O. Analyzing the compliance and correlation of LEED and BREEAM by conducting a criteria-based comparative analysis and evaluating dual-certified projects. Building and Environment 147 (2019): 158-170.
- Google Sketchup. (último acceso 15.02.19).
- TRNSYS 17. (último acceso 15.01.19).
- EN ISO 7730:2005 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.
- EN 15232-1:2017 Eficiencia energética de los edificios. Impacto de la automatización, el control y la gestión de los edificios.
- EN 15500-1:2017 Regulación para aplicaciones de calefacción, ventilación y climatización. Equipo electrónico individual de regulación de zona.