Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Francisco Fernández Hernández, Área I+D, Dpto. Proyectos, Airzone
- José Miguel Peña Suárez, Área I+D, Dpto. Proyectos, Airzone
- Mari Carmen González Muriano, Dirección Dpto. Proyectos, Airzone
Resumen
El presente estudio propone un algoritmo de control que integra el funcionamiento de persianas en una vivienda, con la regulación de la iluminación y el sistema de control inteligente en climatización de Airzone. El estudio se realiza para una vivienda unifamiliar tipo de referencia, con 5 zonas térmicas, situada en la localidad de Málaga. El control se hace sobre dos persianas del salón, situadas en orientaciones oeste y sur. Se contemplan 4 posiciones de control de la persiana (p1: arriba, p30: bajada al 30%, p60: bajada al 60% y p4: bajada). En total existen 16 combinaciones de posición de las persianas en las dos ventanas propuestas que el algoritmo evalúa en cada paso de tiempo y da como salida las posiciones que obtengan mejor resultado de iluminancia interior y ahorro de energía. La climatización se atiende con un sistema de expansión directa combinado con un suelo radiante. El algoritmo de control se diseña en base a las simulaciones de iluminación natural realizadas con Daysim y las simulaciones térmicas realizadas con Trnsys. El objetivo del artículo es demostrar que, con un sistema de control adecuado, se consiguen ahorros de energía y el confort térmico y visual de los usuarios del edificio.
Introducción
En los edificios en general, los efectos de la luz natural en el confort, salud, bienestar y productividad son muy beneficiosos para las personas (Heschong, 2007). En los últimos años, para aprovechar estas ventajas, existe una tendencia en los nuevos edificios de aumentar el porcentaje de superficie acristalada en las fachadas. Sin embargo, en climas con un gran número de horas de sol al año y veranos cálidos, la radiación solar incidente tiene importantes implicaciones: el incremento de las cargas de refrigeración en verano y la probabilidad de deslumbramiento.
La regulación de la entrada de luz natural en el edificio se realiza mediante elementos de sombra: persianas, lamas, toldos, etc. Un usuario puede bajar una persiana si el sol le provoca disconfort térmico o deslumbramiento, pero debe tener la luz artificial encendida para alcanzar una iluminación adecuada. El equilibrio entre el confort visual y térmico, así como conseguir la máxima eficiencia energética en el edificio reduciendo el consumo en iluminación y climatización, se puede lograr a través de un sistema de control inteligente que coordine los diferentes elementos involucrados. Existe una amplia literatura relativa a este tema. El uso de elementos de sombra, como voladizos o lamas exteriores, puede disminuir la carga solar en un 80% (ASHRAE, 1997). El control coordinado de la luz natural mediante elementos de sombra con la iluminación artificial permite disminuir el consumo de electricidad debido a iluminación desde un 30 a un 70% (Yang&Nam, 2010). Por otra parte, el sistema de control por zonificación de Airzone en un sistema inverter presenta ahorros de consumo de energía entre el 17 y 32% frente a uno no zonificado (GEUMA, 2011).
El presente estudio propone un algoritmo de control que integra el funcionamiento de persianas en una vivienda, con la regulación de la iluminación, y un sistema de control inteligente en climatización de Airzone. Se presenta el algoritmo de control de persianas y las especificaciones de control del sistema de climatización. Posteriormente, se describe el caso de estudio y se exponen los resultados relacionados con el confort visual, consumo de energía y funcionamiento del sistema en días típicos de verano.
Descripción del sistema de control
El sistema de control modelado integra diferentes elementos (figura 1). El sistema de climatización consiste en una integración de suelo radiante y un sistema de expansión directa (DX). El funcionamiento de ambos sistemas está coordinado por la lógica de control de Airzone, que mediante el modo combinado de control, garantiza el confort en la zona y el óptimo consumo de energía de ambos emisores. El control se basa en una comunicación bidireccional entre el sistema de zonas y el equipo de climatización a través de la pasarela de integración. La central de control recibe del termostato de cada zona información sobre la temperatura, humedad relativa e iluminancia de la zona y se encarga de controlar los diferentes elementos: la temperatura de producción del agua fría o caliente de la bomba de calor (1), la bomba de recirculación (2), la válvula de tres vías de entrada al suelo radiante (3), la velocidad del ventilador y la temperatura de consigna de la máquina de expansión directa (4), la posición de las persianas (5) y la iluminación artificial (6).
Modelado del algoritmo de control de persianas
El algoritmo de control de persianas se diseña tomando como referencia los resultados de las simulaciones de iluminación natural del caso de estudio propuesto (apartado 4). El objetivo del algoritmo es establecer un funcionamiento de las persianas que consiga priorizar el confort visual (modo iluminación) o el confort térmico (modo climatización), en función de los requisitos del usuario.
Se presentan 16 casos en los que se reflejan todas las posibles combinaciones de: persiana subida totalmente (p1), al 30% (p30), al 60% (p60) y bajada (p4), en cada una de las ventanas. En la figura 2 se muestran los 16 casos de manera que la primera posición corresponde a la ventana sur y la segunda a la oeste. Por ejemplo, si la oeste está al 30% (p30) y la sur subida totalmente (p1), el caso sería el p1p30.
Los parámetros del modelo, entradas y salidas son los que se muestran en la figura 3. Los valores de iluminancia de los 16 casos se obtienen de las simulaciones de Daysim. Este modelo se integra en Trnsys para el estudio térmico.
Para la coordinación de las dos persianas es importante considerar la orientación de las ventanas y la posición del sol a lo largo del día. En la figura 4 se muestra el ejemplo de funcionamiento del algoritmo de control para tres instantes del día: mañana, mediodía y tarde. Por la mañana el sol incide principalmente en la fachada este (figura 4, caso 1), por lo que las persianas de las ventanas sur y oeste permanecen subidas para garantizar la entrada de luz natural sin perjudicar el clima. A medida que avanza la mañana, el sol se va desplazando hacia la fachada sur y el control mantiene la persiana de la ventana oeste totalmente subida favoreciendo la entrada de luz natural (figura 4, caso 2) mientras que regula la persiana de la ventana sur para evitar un aumento indeseado de la temperatura de la zona o iluminación excesiva. A partir de cierta hora de la tarde, la radiación solar penetra tanto por la ventana sur como por la ventana oeste (figura 4, caso 3). En esta situación se propone una simplificación que consiste en considerar que ambas persianas se muevan a la vez. Finalmente, por la tarde, llegará un instante en el que la radiación solar incide sólo en la ventana oeste (figura 4, caso 4). En este caso, se comienza a controlar la persiana de la ventana oeste para regular la entrada de la radiación solar directa, y se deja la persiana de la fachada sur totalmente subida para favorecer la entrada de la luz natural.
Las premisas de control se fundamentan en comprobar el nivel de confort visual y térmico en la zona y, en consecuencia, ordenar una acción de control sobre la persiana determinada. Son las siguientes:
- ILUM OK: La iluminancia de la zona es mayor que la consigna de iluminación determinada y menor que la máxima fijada para una iluminancia excesiva.
- OSC: La iluminancia de la zona es menor que la consigna de iluminación.
- DESL: La iluminancia de la zona es mayor que el límite máximo fijado.
- CONF: La temperatura de la zona está en los límites de confort térmicos establecidos.
- DISC: La temperatura de la zona no está en los límites de confort térmicos establecidos.
Se muestra la tabla correspondiente al periodo de mediodía (tabla I), para el modo de calefacción y refrigeración. En ella se plantea los posibles casos de operación de las persianas y, en función de las premisas de control y del modo prioritario del usuario (iluminación o climatización), se observa si, en ese caso, las persianas se quedan como están (=), suben (↑) o bajan (↓).
Caso de estudio. Resultados
Descripción del edificio y los sistemas
El edificio de estudio es una vivienda unifamiliar situada en la planta intermedia de un bloque de edificios (figura 5), situada en la localidad de Málaga, con una latitud y longitud de (36.76°,-4.39°). Desde el punto de vista lumínico, se va a estudiar solamente el salón, por ser la zona que más tiempo ocupan los habitantes a lo largo del día y cuyos resultados pueden ser extrapolables al resto de estancias.
Las dimensiones del salón son 5.5×8 m2 y 2.5 m de altura. Dos de sus paredes dan al exterior: la fachada sur y la fachada oeste, mientras que la norte y la oeste dan a la cocina y el pasillo, respectivamente. Ambas fachadas exteriores tienen ventanas de 2.40×1 m2, lo que supone una superficie acristalada de 17.5% en la fachada sur y 12% en la oeste. Ambas ventanas son de doble cristal 4-16-4 mm, con una transmitancia visual de 72% y transmisividad térmica de 78%.
Se define un plano de trabajo con una altura de 0.85 m, para el que se establece el nivel de iluminación requerido de 500 lux en la zona según la UNE-12464.1. En el plano de trabajo se define una malla de sensores separados, a una distancia de 0.8 m, lo que constituye una malla de un total de 72 sensores. Por último, el nivel de iluminación se ha supuesto constante a 5 W/m2, con un control que depende de la iluminancia en el plano de trabajo.
En relación al sistema de climatización, se han dimensionado los equipos en función a las cargas térmicas simultáneas de la vivienda, que tiene en cuenta la zonificación de las zonas. La bomba de calor para el suelo radiante es de la familia Daikin Altherma, modelo ERLQ-006-CV3 con una capacidad nominal de calefacción y refrigeración de 6 y 6.76 kW, respectivamente. El equipo de expansión directa es de Daikin, modelo FBQ35D, de capacidad nominal de calefacción y refrigeración de 4 y 3.4 kW, respectivamente. El suelo radiante se dimensiona con un paso entre tubos de 20 cm, caudal nominal de agua de 5 l/hm2, temperaturas de consigna de entrada de agua de 35 y 18°C para calefacción y refrigeración, respectivamente.
Resultados
A continuación se muestran los siguientes resultados de las simulaciones:
Día característico de verano. Iluminancia interior y modo de operación.
La figura 6 muestra la evolución de la iluminancia media del salón y las posiciones de las persianas para el día 27 de julio. Se comparan el modo de iluminación y el modo climatización para analizar el comportamiento del sistema en los dos modos.
En ambos casos, durante la primera hora se inicia el día con ambas persianas totalmente subidas y la iluminancia se mantiene en el límite de 2000 lux, hasta que llega el instante que puede superar este límite y se baja la persiana sur hasta el 30%. En las horas centrales con mayor radiación, en el modo iluminación la persiana sur se baja al 60% y en el modo climatización es necesario bajarla del todo ya que la temperatura de la zona supera la consigna de 26°C. Incluso con la persiana sur bajada del todo, la iluminancia media en la zona supera los 500 lux establecidos de consigna mínima en la zona. Al inicio de la tarde, la radiación incide en la fachada oeste y en ambos modos es necesario bajar esta persiana totalmente, manteniendo la sur subida, para evitar iluminación excesiva y disconfort térmico.
Día característico de verano. Temperatura de la zona.
La figura 7 muestra la evolución de las distintas temperaturas con el fin de evaluar que se cumple el confort térmico en la zona.
El sistema comienza con el suelo radiante encendido desde el inicio del día ya que, debido a su alta inercia, es necesario que entre en funcionamiento un número importante de horas. Como apoyo para combatir la carga, el sistema de expansión directa va impulsando en momentos del día aire a 10°C. Se observa cómo, la curva roja que representa la temperatura de la zona se mantiene en torno a la temperatura de consigna de 26°C, sin llegar a pasarla. Además, la temperatura del suelo es mayor de 22°C, lo suficientemente alto como para prevenir la posible condensación del aire en el suelo.
Consumos de energía en modo refrigeración
La tabla II muestra los consumos de energía para la época de verano (mayo-septiembre) de los diferentes elementos, sin control y con control de persianas, para el modo iluminación y climatización.
El modo de climatización consigue un ahorro de energía de un 6% en el equipo de expansión directa y de 5% en la bomba de calor, mientras que en el modo de iluminación, al priorizar el confort visual al térmico, hace que aumente el consumo de energía en el equipo de expansión directa hasta un 12%. En iluminación artificial, el consumo de las luces dimmerizadas es inferior al consumo de iluminación sin control, pasando de 337 kWh a 203 kWh, en modo iluminación. Hay que destacar que los resultados de consumos sin control de persianas incorporan los algoritmos de control de Airzone, que optimizan el funcionamiento de los sistemas consiguiendo un ahorro de energía respecto a los sistemas sin control. Estos resultados no se contemplan en este estudio.
Conclusiones
El presente artículo describe un algoritmo de control de persianas integrado con el control zonificado de climatización para un caso de estudio de una vivienda. El modelo tiene en cuenta tanto el confort visual como el térmico de los usuarios. Los resultados obtenidos se obtienen en función del modo de funcionamiento: prioridad al confort visual (modo iluminación) o al ahorro de energía (modo climatización). Se demuestra que el sistema funciona manteniendo el confort térmico y visual y, además, en modo climatización es capaz de conseguir ahorros de hasta un 6% en el sistema de expansión directa.
Referencias
- ASHRAE Handbook. Fundamentals. Atlanta: American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers; 1997.
- GEUMA (Grupo de Energética de la Universidad de Málaga). Informe sobre el modelo de zonificación de Airzone y su comparación con un sistema invertir no zonificado (2011).
- Heschong L. Daylighting and human performance. ASHRAE Journal 2002; 44:65–7.
- Yang I, Nam E. Economic analysis of the daylight-linked lighting control system in office buildings. Sol Energy 2010; 84(8):1513-25.
- DAYSIM. http://www.daysim.com (último acceso 15.01.17).
- TRNSYS 17. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/ (último acceso 15.01.17).