nov 22, 2013

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Calefacción Eficiente en Centros Educativos (II)

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Ahorros

En la entrada anterior aIES Delicias-panoramicanalizábamos un patrón de funcionamiento frecuente de la calefacción en los Centros Educativos que conllevaba graves problemas de confort para los usuarios e ineficiencias energéticas. A continuación planteamos unas propuestas de mejora que redunden en beneficios para el bienestar de los usuarios y la eficiencia energética.

Mejoras en las instalaciones de calefacción en Centros Educativos

En cuanto a las mejoras en las instalaciones mis competencias profesionales no se centran en los equipos de generación, ni en el diseño térmico e hidráulico de las mismas sino más en el óptimo funcionamiento desde un punto de vista tanto meramente funcional como energético. Así que me centro en algunos aspectos relativos al control que es el que determina el funcionamiento.

  • Caldera de biomasa o caldera de condensación de gas natural modulante con regulación del punto de trabajo en potencia o temperatura. Esto es muy importante. Muchas veces los equipos generadores se seleccionan en función de la relación calidad(prestaciones)/precio y las instalaciones se diseñan para funcionar en el punto de máxima eficiencia del generador. La realidad nos indica que raramente se consiguen en la práctica las condiciones de diseño afectando al Rendimiento Estacional de los Generadores hasta en un 10%. Poder regular el punto de trabajo es sumamente importante.
  • Sistema de regulación y control con telegestión. Es la tendencia habitual aunque a veces se sigue escatimando en esta partida. Yo de forma irónica lo comparo con esos individuos que invierten mucho tiempo en el gimnasio pero poco en su cerebro. Y no olvidemos que el controlador es a la instalación lo que el cerebro es al sistema nervioso. Todas las marcas del mercado de sistemas de regulación y control poseen equipos de última generación (son muy parecidos) y la partida destinada no suele ser ni el 5% del montante global de la reforma de la sala. Pero en nuestro sector suele haber mucha ‘marquitis’ y se eligen los sistemas en un función de criterios tales como fiabilidad del fabricante, es con la marca que solemos trabajar, me lo regalan si compro las calderas y las bombas,… Mi consejo es seleccionar el sistema de regulación y control no en función del equipo sino del integrador que es al final quien va a dar el servicio a lo largo del tiempo de vida de la instalación y en muchos casos este suele ser superior a veinte años y del fabricante que respalde al integrador y de soluciones en caso de que este desaparezca.

La potencia sin control no sirve de nada.

  • Zonificación: Todos los lugares de trabajo al menos deberían tener un sistema de control de la temperatura ambiente. Podemos optar por varias opciones:
    • Si los circuitos están ramificados por estancias, válvula de corte o recirculación de la rama que da servicio a la estancia  y termostato ambiente de pared con consigna tarada por defecto (sin rueda de ajuste). No olvidar la pantalla metálica de protección antivandálica para el termostato.
    • Si los circuitos están ramificados verticalmente radiadores con válvulas de corte con actuadores termostáticos. Los hay de diferentes calidades y precios y unos funcionan mejor que otros. No olvidar nunca seleccionar unos con protección antivandálica.
    • Otra opción son los actuadores termoeléctricos con un termostato de corte. Tienen la ventaja que permiten un mejor ajuste de la temeperatura ambiente que los actuadores termostáticos y la desventaja que consumen electricidad y necesitan instalación eléctrica.
    • La opción más completa y más también cara es un sistema inmótico estándar (KNX, Lonworks o Bacnet). Siempre que haya presupuesto, que no es lo frecuente, suele aportar un valor añadido muy grande: permite detectar malfuncionamientos o malos usos, permite registrar temperaturas para realizar una análisis más detallado, permite establecer consignas en función de la ocupación de la estancia (modo reducido, confort, ahorro), permite realizar regulación constante de la luminosidad si se cambian los sistemas de iluminación,…
  • Siempre y cuando se plantee zonificación, son necesarios equipos de bombeo de caudal variable de alta eficiencia energética con variador de frecuencia incorporado para que el caudal impulsado se adapte de forma dinámica a medida que entran y salen circuitos. Una análisis de las opciones que hay en el mercado será el que ocupe la siguiente entrada en este blog.
  • Implementación de la curva de calefacción en la caldera si solamente hay un circuito o en las electroválvulas mezcladoras de los circuitos de distribución.

Funcionamiento deseable

Para que el funcionamiento de la calefacción sea el óptimo hay que considerar una serie de aspectos importantes:

  • La programación horaria y por fecha de la calefacción del centro educativo.
  • La determinación del inicio y el fin de la temporada del servicio de calefacción del centro.
  • La determinación de la referencia o consigna de temperatura ambiente interior.
  • La determinación de la temperatura de impulsión mediante la curva de calefacción y la consecución de la misma mediante el control de la electroválvula de tres vías mezcladora.
  • La optimización de los tiempos de arranque y parada para conseguir que la temperatura ambiente del centro se adecue lo más posible a la temperatura de referencia establecida en el periodo de funcionamiento normal del centro.
  • El control de la temperatura ambiente de cada una de las estancias.

Programación horaria de la calefacción

La planificación tiene una doble vertiente:

Por una parte se hará una planificación horaria de funcionamiento semanal, que incluya el horario de funcionamiento del centro para todos los días laborables de la semana.

Programación semanal de la calefacción

Programación semanal de la calefacción

Por otra parte se hará una planificación por fecha para los períodos especiales en los que el centro no tenga un funcionamiento normal, períodos vacacionales y festivos.

La planificación habilitará el funcionamiento de la calefacción de cada circuito de distribución general en los horarios y períodos estipulados. No obstante, podría haber una programación particularizada para cada estancia si el cronotermostato  de la sala o sistema de control inmótico lo permite, pero no suele ser habitual. Aunque es necesario decir que si lo que queremos hacer es un uso lo más eficiente posible de la energía debemos ir de lo general a lo particular adaptando la calefacción de cada estancia a su utilización. Un aula que no se usa es un consumo desperdiciado.

Determinación del inicio y el fin de la temporada de calefacción

Como hemos indicado en la anterior entrada, esa es una decisión que no debería depender de factores tan infundados y aleatorios como son una fecha determinada del calendario, la sensación térmica del conserje o del director del centro o de los profesores o las apreturas económicas del centro. Esto es especialmente acusado en períodos estacionales transitorios en primavera y otoño donde la variabilidad térmica es grande alternando días calurosos con otros en los que se pasa frío.

No hay mayor desperdicio energético y económico que encender la calefacción cuando es innecesario

Para determinar el servicio de calefacción proponemos que se realice en función de la evolución de la temperatura exterior durante la última hora y durante la última semana. Hay dos límites diferentes para la temperatura exterior que se aplican para determinar si encender la calefacción. Si la temperatura media exterior de la última semana (Tª exterior media) es mayor que un límite o la temperatura media exterior de la última hora (Tª exterior amortiguada) excede otro límite definido, el período de calefacción se desactiva. Cuando las dos medias caen por debajo de sus límites es indicativo que hace frío en el corto y medio plazo y se activa un nuevo período de calefacción.

  • Límite para la temperatura exterior media (últimos 60 minutos) = 18 ºC
  • Límite para la temperatura exterior media (última semana) = 16 ºC
Temporada Calefaccion

Determinación del período de calefacción en función de la Tª exterior.

Consigna de temperatura ambiente interior

El 27 de noviembre de 2010 se publicó en el Boletín Oficial del Estado (BOE) el Real Decreto 1826/2009 que modifica el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE). Este Real Decreto establece limitaciones en lo referente a la temperatura interior a mantener dentro de los locales habitables de pública concurrencia tanto en invierno como en verano. Aunque no se especifica claramente que un colegio sea un Local de Pública Concurrencia, lo cual lleva a algunas discusiones. en este Real Decreto se fija una temperatura máxima de invierno en 21ºC para dichos edificios. Recomiendo encarecidamente la lectura del artículo técnico del Boletín 49 del IDAE.

Curva de Calefacción

La temperatura del agua de cada circuito debe ser variable con la temperatura exterior, siguiendo una curva de calefacción. La curva de calefacción se define mediante el gradiente y curvatura:

  • El gradiente denota la relación entre la temperatura exterior y la de suministro.
  • La curva define la curvatura de la característica para tener en cuenta la salida térmica no lineal de las superficies de calefacción.

El valor de referencia de suministro se calcula como función de la temperatura exterior según la siguiente curva característica:

Curva de Calefaccion

Curva de Calefaccion

Los valores típicos para el gradiente de la curva de calefacción son:

Gradiente Curvatura
Radiadores 1,6 1,33
Suelo Radiante 0,8 1,1

Optimización de los tiempos de arranque y parada

La optimización de los tiempos de arranque y parada tiene como objetivo calefactar única y exclusivamente para obtener la temperatura ambiente deseada (21ºC) durante el periodo de ocupación diario del centro, de modo que no haya ausencia del confort al inicio de la mañana y que se desperdicie calor al final de la tarde.

Optimizacion de los Tiempos de Arranque-Parada

Optimizacion de los Tiempos de Arranque-Parada

La optimización del tiempo de arranque va a lograr la temperatura requerida al inicio del período de servicio arrancando la calefacción a tiempo. La optimización del tiempo de parada apagará la calefacción antes del fin del servicio. En este caso, la temperatura ambiente requerida no debería caer por debajo de un valor límite definido.

Dedicaré una descripción técnica más detallada a este punto pero en términos generales, se basa en que dependiendo de la temperatura exterior (más frío o menos), la inercia del edificio y los grados de diferencia entre la consigna ambiente interior y la temperatura real es necesario un algoritmo que adapte el tiempo de arranque de forma variable. Lo mismo para el tiempo de parada. Además hay que tener en cuenta desviaciones de fines de semana y vacaciones que necesitan un tiempo de anticipación mayor. Si se hace de forma fija  (la calefacción se enciende a las 6:00 siempre, por ejemplo) se producen ineficiencias energéticas y los usuarios pasarán frío a primera hora de la mañana.

Para poder realizar esta optimización es necesario disponer del mayor número de puntos de temperatura ambiente interior posibles para poder realizar una media lo más fiable posible.

Control de la temperatura ambiente interior

Este es el fin último del sistema de calefacción. Como vimos en la entrada anterior en muchos centros no existe este control, o mejor dicho el control es uniforme para todo el edificio, lo cual es tremendamente ineficiente y disfuncional y se permite porque se trata de edificios antiguos para los cuales no aplica el RITE. Para poder realizar un control de la temperatura ambiente efectivo es necesario un control individualizado de cada una de las estancias. Una vez dicho esto, los sistema de control de zonas pueden ser tan sencillos o complejos como se deseen pero es preceptivo, y así lo indica el RITE, al menos un control termostático sobre los elementos terminales (radiadores típicamente) mediante actuadores termostáticos que funcionan de forma autónoma o válvulas de corte comandadas por un termostato de temperatura ambiente.

Actuador termostático

Actuador termostático

Un control más avanzado mediante un sistema inmótico permite importantes ahorros mediante termostatos programables que permitan establecer desde un Sistema de Gestión Central modos de funcionamiento en función de la ocupación (modo nocturno, modo reducido, modo confort) con referencias de temperatura distintas.

Control del caudal de bombeo

Una vez que tenemos un control de zonificación se hace necesario un control del caudal impulsado desde la central de generación. Esto es debido a que a medida que las estancias alcanzan la temperatura deseada las válvulas de corte cierran el paso por el correspondiente tramo de tubería. Si el caudal se mantiene constante la presión aumentaría con lo que se hace necesario que las bombas adapten el caudal impulsado para mantener una presión diferencial constante. Esta medida produce importantes ahorros.

Para realizar esto se pueden mantener las bombas actuales de caudal constante y añadir variadores de frecuencia externos, que adaptan la velocidad del motor de la bomba variando la frecuencia de la red eléctrica y un sensor de presión diferencial, o sustituir las bombas de caudal constante por bombas de última generación que llevan el variador de frecuencia y el sensor de presión integrados y que funcionan maravillosamente, obteniendo importante ahorros térmicos y eléctricos. Un análisis de este tipo de bombas será el objeto de la siguiente entrada.

Grundfos Magna

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