EFICIENCIA Y CONTROL INTEGRADO DE SISTEMAS DE ILUMINACIÓN Y HVAC

Por: Ing. Jorge Cruz

La palabra eficiencia significa: capacidad de disponer de algo o alguien para conseguir un efecto determinado aplicado a la eficiencia energética, el resultado que buscamos es una reducción en el consumo de energía. Para conseguir este resultado, debemos tener la capacidad de disponer de manera continua de los sistemas que consumen energía en un edificio. Cabe señalar que en campos de la ciencia se utiliza la palabra eficiencia para describir la razón de la potencia de salida a la potencia de entrada de un sistema. La primera definición es la que nos aplica dentro del contexto de este escrito. Aquí nos concentraremos en alternativas para optimizar los sistemas en edificios existentes.

En un edificio típico en Puerto Rico, los dos sistemas que consumen más energía son los sistemas de ventilación y aire acondicionado (HVAC por sus siglas en inglés) seguido por los sistemas de iluminación. Los sistemas de iluminación incluyen la iluminación interior y exterior. Los sistemas de HVAC incluyen sistemas de abanicos, sistemas de bombas, “chillers” y torres de enfriamiento (en algunos casos). En los casos en los que hay una planta central de enfriamiento, se utiliza el agua como el fluido para enfriar el aire. Algunos edificios utilizan sistemas descentralizados en los que no hay una planta de enfriamiento central. En esos casos, cada sistema de abanicos tiene un sistema de compresor o compresores conectado y se utiliza un gas como fluido para enfriar el aire. A este tipo de sistemas se les llama sistemas de expansión directa. En términos de complejidad para implementar proyectos de eficiencia energética, podríamos hacer el siguiente listado comenzando con el menos complejo:

Sistemas de iluminación.
Sistemas de abanicos.
Sistemas de bombeo, “chillers” y torres de enfriamiento.

Ahora vamos a mencionar varias estrategias que se pueden implementar por sistemas. También haremos referencia al estándar ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1 (2007) que se adoptó como parte del nuevo código de construcción de Puerto Rico y el estándar ANSI/ ASHRAE/USGBC/IES 189.1 (2009) para edificios de alto rendimiento. Nos referiremos a ellos como 90.1 y 189.1.

Sistemas de iluminación:

Control de horas de operación – Esta estrategia contempla utilizar la iluminación solamente cuando se necesita. En áreas en donde no hay personas, se apagan las luces. El estándar 90.1 especifica que en edificios de 5,000 pies cuadrados o más se debe implementar el control automático para apagar las luces. Este control se puede hacer utilizando sensores de ocupación o un itinerario programable. Para la iluminación exterior, el estándar especifica apagar las luces cuando hay suficiente luz solar, utilizando una fotocelda o un reloj astronómico.
Aprovechamiento de la iluminación natural – Esta estrategia se conoce en inglés como “daylight harvesting” y consiste en atenuar o apagar las luces en lugares en donde hay suficiente iluminación natural, por lo general, en perímetros con cristales. Pero la iluminación natural también se puede llevar al interior de un edificio a través de conductos especiales y domos. El estándar 189.1 especifica utilizar controles automáticos para este fin en lugares donde la zona combinada de “daylight” por espacio adjunto sea mayor de 250 ft2.
Ajuste de intensidad – Muchos edificios tienen más iluminación interior que la que necesitan para las tareas que se efectúan. Esta estrategia conlleva el minimizar la iluminación hasta conseguir la que es necesaria. Una alternativa es reducir la cantidad de lámparas o tubos (en el caso de lámparas fluorescentes) o utilizar transformadores con capacidad de atenuación. En pasillos, se pueden atenuar las luces o apagar un 50% de éstas mientras no haya personas.
Nuevas tecnologías de iluminación – Entre éstas están la tecnología LED (light emmiting diode) y la tecnología de iluminación por inducción. La tecnología LED aplicada a la iluminación general ha tenido mucho avance en años recientes y se presenta como la mejor alternativa para remplazar las tecnologías existentes (ver http:// www1.eere.energy.gov/buildings/ ssl/).

Sistemas de abanicos:

Control de velocidad – Esta estrategia es una de las que más ahorros brinda debido a la dinámica de los abanicos centrífugos. En sistemas de impulsión de fluidos por bombas y abanicos centrífugos, aplica la siguiente ecuación:

Control de horas de operación – Al igual que la iluminación, podemos apagar los sistemas de abanicos durante las horas en que el espacio esté vacío o aumentar la temperatura de “setpoint”.
Aumentar la temperatura de “set-point” - Por cada grado que se aumenta la temperatura de un termostato, podemos obtener un 6% de ahorro en consumo de energía (EPA Energy Star). De igual forma, por cada grado que se baja, aumentamos el consumo en un 6%.
Minimizar el suplido de aire fresco - En esta estrategia, se pretende controlar de manera automática el suplido de aire fresco (aire del exterior), midiendo la cantidad de CO2 que hay en el área. De esta manera, se reduce la carga térmica del sistema. Esta estrategia se conoce como “Demand Control Ventilation”.

Sistemas de bombeo, “chillers” y torres de enfriamiento:

Todo variable – Aunque hay varias alternativas de control para cada uno de los sistemas de bombeo (ej. diferencial de presión), “chillers” (ej. reajuste de “set-point”) y torres de enfriamiento (ej. temperatura de bulbo húmedo) como entidades separadas, prefiero explicar un método integrado de control. Este método considera que todos los componentes en una planta de enfriamiento son de velocidad variable. Los sistemas de sensores (ej. temperatura) y actuadores (ej. válvulas) en las zonas indican la demanda que requiere el edificio. Esta demanda se calcula en uno o varios controladores, utilizando algoritmos sofisticados, y se transmite a la planta de enfriamiento, la cual, a su vez, produce las toneladas de refrigeración necesarias ajustando todos sus componentes para obtener el coeficiente de desempeño más alto posible. De esta manera, se saca ventaja de los sistemas integrados de control. Hoy en día es mucho más fácil aplicar este método gracias a las tecnologías inalámbricas, las cuales permiten instalar más artefactos a un precio menor en edificios existentes.

Por último, quiero mencionar una tendencia en la optimización de edificios en el área de la automatización: la integración de sistemas. Ésta contempla ver los sistemas, no por separado, sino en conjunto, para lograr una eficiencia mayor. Por ejemplo, mencionamos el control de horas de operación como alternativa para ahorrar energía, tanto en los sistemas de iluminación como en los sistemas de abanicos. Entonces, ¿por qué no compartir el sensor de ocupación y un solo itinerario? De esta manera reducimos costos y facilitamos la operación.

En este escrito hemos visto que podemos hacer un edificio existente eficiente en cuanto a energía. Recordemos que el resultado que queremos es una reducción en el consumo energético y, por ende, un ahorro en los gastos de operación. Para ejemplificar el beneficio financiero, pensemos en una empresa que vende $2, 000,000 al año con un margen de ganancia de 5%. Si esta empresa obtiene un ahorro de $1,000 en costos de consumo energético, sería equivalente a incrementar sus ventas por $20,000. Recordemos que, para implementar las estrategias que presentamos aquí, tenemos que tener la capacidad de disponer de los sistemas de manera continua y automática.

en la cual P es la potencia y N es la velocidad. Si reducimos la velocidad del abanico en un 10%, obtenemos un 27% de ahorro en potencia. Los sistemas de control de velocidad se utilizan en sistemas de volumen de aire variable (VAV por sus siglas en inglés). Pero muchos sistemas instalados en edificios son del tipo de volumen de aire constante (CAV por sus siglas en inglés). Muchos de estos sistemas se pueden convertir fácilmente en uno VAV por zonas, utilizando tecnologías de difusores de geometría variable en lo que se conoce como un sistema VAV dependiente de presión. Este método nos permite hacer zonas que se pueden controlar a diferentes temperaturas y variar sus “setpoints” según su ocupación. El estándar 189.1 especifica la utilización de sistemas de control de velocidad en sistemas de abanicos que utilizan agua helada, equipados con motores de 5 caballos de fuerza (HP) o más. En unidades de expansión directa de 110,000 BTU/hr o más que sirvan una sola zona, deben tener un control de velocidad en el abanico que lo regule a 2/3 partes de su velocidad mayor cuando la demanda de enfriamiento es menor o igual a 50%.