tendencias
Eficiencia energética
BAS
mediante
Por Ing. Jairo Alberto Andrade
Encontrar un equilibrio entre los distintos subsistemas y las múltiples variables de operación redunda en mejor desempeño energético y en un menor impacto ambiental. Para lograrlo, además de diseñar un Building Automation System (BAS) a la medida de cada proyecto, se necesita garantizar complementariedad e interoperabilidad entre los sistemas.
Intervención manual centralizada
HVAC
Automatización y control Control de acceso
Confort Economía Eficiencia Seguridad
Alarmas de prevención
...
Alarmas de intrusión
Monitoreo Detección de fallas
Visualización Gráficos: cortesía Ing. Jairo Alberto Andrade
Registros de tendencia
ón raci
Iluminación
Ope
Asignación de costo
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Estrategias globales
M
Para lo anterior, múltiples posibilidades tecnológicas se abren paso cada vez con más fuerza. La correcta elección, integración y administración de la solución implica una exigente y detallada tarea de ingeniería que debe ser compilada finalmente dentro de un Building Automation System (BAS) o sistema de automatización del edificio (ver Gráfico 1).
gráfico 1. Aspectos funcionales de un BAS
Ad m in ist ra ció n
B
uscar la eficiencia en el consumo de energía y agua y reducir la contaminación del aire son objetivos casi obligatorios y permanentes para la ingeniería actual. Alcanzarlos significa encontrar el equilibrio de múltiples variables y subsistemas que interactúan dentro de la edificación. Garantizar y mantener dicho equilibrio en el tiempo no es una tarea fácil, pero combinando herramientas como el diseño sostenible, la automatización, la vigilancia energética y el mejoramiento continuo, los resultados no se hacen esperar.
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El punto de partida: conocer la edificación Cubiertas, fachadas, iluminación, cargas normales y reguladas, sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air conditioning) y de agua caliente, lavandería, refrigeración, escaleras eléctricas, bandas transportadoras, piscinas y saunas, entre otros, son algunos de los sistemas típicos que usan energía dentro de los edificios comerciales de hoy. Sin embargo, como no existen dos edificaciones iguales, no hay un “recetario” de acciones único o absoluto para conseguir un desempeño energético óptimo; y, además, grandes inversiones en tecnología tampoco garantizan la eficiencia si con ellas no se atacan los problemas correctos. Es por estas razones que los modelos energéticos completos –apoyados por herramientas de software en la etapa de diseño y/o un correcto análisis del uso final de la energía para edificaciones ya construidas (ver Gráfico 2)– brindan un importante punto de partida en el planteamiento de las metas de eficiencia energética, de acuerdo con la ASHRAE. Las posibilidades de acceso a la información y de tomar acciones preventivas y correctivas sobre los distintos sistemas dependerán de las virtudes del BAS propuesto para el edificio.
Estándares en la automatización de edificios Con el objetivo de mejorar el control y la administración de los subsistemas mecánicos y eléctricos, muchos estándares –abiertos y
gráfico 2. Ejemplo de distribución del uso de la energía eléctrica 6% 10 %
Cargas conectables 52 603 kWh Bombas 90 775 kWh
24 %
Ventilación 207 820 kWh
28 %
Refrigeración mecánica 238 000 kWh
32 %
Iluminación 274 558 kWh
cerrados– fueron creados e implementados en los últimos años. Todos y cada uno con una razón de ser y funcionalidad y, en la mayoría de los casos, complementarios dentro de la visión global del edificio. Las diferencias, ventajas y desventajas entre sí, radican en la penetración de cada uno dentro de los tres niveles de un BAS (ver Gráfico 3). 1. Nivel de campo: en este se recogen los datos (medición, cálculo, conteo, etc.) y se controla el proceso ("switcheo", ajustes, posicionamiento, etc.). 2. Nivel de automatización: abarca varios aspectos del control automático, como la ejecución de lazos y estrategias. 3. Nivel de administración: entre sus funciones se cuentan la configuración global y las tareas de gestión (por ejemplo, la visualización).
gráfico 3. Estándares de automatización de edificios
Nivel de administración
BACnet
Nivel de automatización
Nivel de campo
ModBus KNX
LonMark
(EIB, E HS, BatiBUS)
(LonWorks)
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Enocean
DMX
MP-Bus
DALI
0-10 V
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Complementariedad e interoperabilidad Un estándar como Enocean, caracterizado por suministrar multiplicidad de sensores y actuadores inalámbricos, autoalimentados y sin baterías, de acuerdo con la IES –con diminutos convertidores de energía que suministran la potencia necesaria para alimentar la electrónica interna de cada dispositivo–, es una opción distinguida en el nivel de campo y tiene sus aplicaciones en el proceso de automatización, pero no fue concebido como un estándar en el ámbito de la administración. Por tanto, un sistema con Enocean en el nivel de campo aprovechará su gran potencial si se complementa con otros estándares como KNX, LonWorks o BACnet, pues estos trabajan muy bien como columna vertebral de un BAS. De esta manera, al lograr la complementariedad entre estándares, el sistema completo contará con alcance en todos los niveles. Por otra parte, la interoperabilidad entre subsistemas y entre componentes de un mismo sistema se convierte en un aspecto importante incorporado por los estándares abiertos. Asimismo, permitir la compatibilidad entre dispositivos de muchos fabricantes es un aspecto positivo desde el punto de vista económico, de funcionalidad y disponibilidad.
Topologías, arquitecturas y plataformas de hardware No hay dos edificios iguales, por tanto la selección de una plataforma tecnológica para un BAS estará motivada por su versatilidad (ver Gráfico 4) y otros criterios, como: • Escalabilidad. • Interoperabilidad. • Interdisciplinariedad (que una misma plataforma sirva para muchos subsistemas del edificio). • Protocolos de comunicación abiertos. • Hardware modular. • Posibilidad de centralizar, descentralizar y compartir.
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gráfico 4. Arquitectura de control abierta Nivel de administración Computador Maestro
FMS
ERP
PC embebidos y terminales I/O
Nivel de automatización
BACnet/IP, real time Ethernet, ADS, OPC-UA, ModBus TCP, Profinet
PID Control DALI, KNX, LON Control Grabación Energía
Panel PC
Software y Librerías de control
Nivel de campo
HVAC
Iluminación
Fachadas
Ventilación
Control Dimming
Control fachada
Calidad del aire
Ocupación
Quiebrasoles
Temperatura
DALI
Acceso
Bombas
Switch
Switch ventana
Indicadores de desempeño Es de destacar que el nivel de campo es donde las posibilidades y alternativas tecnológicas abundan. Por ejemplo, ejecutar un control de luz día puede llevarse a cabo tanto con distintas fuentes de luz –trabajo con balastos, drivers o transformadores con control análogo o digital–, como con distintos tipos de sensores –digitales, análogos, inalámbricos o multitecnología–. Sin embargo, la sintonía y el desempeño del sistema deberán ser independientes de la tecnología usada, y estarán guiados de acuerdo con las metas de eficiencia y confort propuestas. Pero, ¿cómo definir esas metas? El establecimiento de indicadores de desempeño es un buen comienzo. Tener en cuenta benchmarks energéticos como el EUI (Energy Utilization Index) y el consumo de energía anual por unidad de área, brindará la posibilidad de compararse con bases de datos, como Energy Star, o con distintos códigos energéticos, como es el caso de sistemas de certificación DGNB, LEED, BREEAM, HQE o Green Building, entre otros.
Ventajas de la interoperabilidad Para ilustrar las ventajas de la interoperabilidad vale formularse preguntas como: • ¿Por qué invertir en sensores de ocupación independientes para los sistemas de iluminación, HVAC, CCTV y accesos si puede compartirse la información de un solo sensor para activar las distintas subrutinas? • Si se cuenta con la posibilidad tecnológica de correlacionar la radiación solar incidente con los desempeños energéticos del sistema HVAC y de iluminación, ¿se podría diagnosticar tendencias en el consumo energético? • En caso de que un proveedor de algún componente crítico (por ejemplo, el sensor de temperatura de un centro de cómputo) descontinúe el producto o sus tiempos de entrega sean muy extensos, ¿se podría solucionar el problema con otro proveedor?
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casO 1: rEMODELación EDificiO DaviviEnDa-cOnfinanciEra
caracTErísTicas DE DisEÑO
caracTErísTicas DEL Bas
• Fachada de doble acristalamiento con vidrios LowE. • Enfriamiento evaporativo y renovación de aire. • Aire acondicionado de flujo de agua variable centralizado (únicamente en salas de alta concentración de personas). • Iluminación LED de alta eficiencia y bajo consumo. • Aprovechamiento de luz natural.
• Plataforma de automatización Beckhoff. • Sensores de luz día, temperatura, humedad relativa, CO2 y ocupación. • Sensores de tecnología análoga con concentrador de señales por piso. • Control de luz día con dimming en la periferia. • Control PID para regulación de enfriamiento evaporativo y ventilación. • Control del AA por ocupación. • Setpoint variable por programación horaria. • Programación de iluminación predecible e impredecible. • Medición de energía. • Grabación centralizada de todas las variables (higrotérmicas y lumínicas externas e internas, energía diferenciada y parámetros eléctricos). • Monitoreo local y remoto en tiempo real de todas las variables.
ficha Técnica Área intervenida: 1124 m2 Índice de utilización de energía anual EUI (Iluminación + HVAC): 28 kWh/m2 Diseño y ejecución: ACS Ltda. - John A. González H., Jairo A. Andrade H. y César Forero Arquitecto Davivienda: Elsa Margarita Peña Ubicación: Bogotá Año: 2012
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casO 2: rEMODELación caLL cEnTEr EDificiO DaviviEnDa-Bavaria
caracTErísTicas DEL Bas
caracTErísTicas DE DisEÑO
• Plataforma de automatización Beckhoff. • Sensores de luz día, temperatura, humedad relativa, CO2 y ocupación. • Sensores de tecnología inalámbrica Enocean y análogos con concentrador de señales por piso. • Control DALI de luz día con dimming en la periferia. • Control PID para regulación de la renovación de aire. • Control del AA por ocupación. • Setpoint variable por programación horaria. • Programación de iluminación predecible e impredecible. • Medición de energía. • Grabación centralizada de todas las variables (higrotérmicas y lumínicas, energía diferenciada y parámetros eléctricos). • Monitoreo local y remoto en tiempo real de todas las variables.
• Fachada con ventilación natural y vidrios LowE. • Ventilación natural, renovación de aire y aire acondicionado de flujo de agua variable centralizado. • Iluminación fluorescente y LED, de alta eficiencia y bajo consumo. • Aprovechamiento de luz natural.
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ficha Técnica Área intervenida: 1913 m2 Capacidad de personal: 476 personas Índice de utilización de energía anual EUI (Iluminación + HVAC): 25 kWh/m2 Diseño y ejecución: ACS Ltda. - John A. González H., Jairo A. Andrade H. y César Forero Arquitecto Davivienda: Elsa Margarita Peña Ubicación: Bogotá Año: 2013 - 2014
FUENTES 1. W. Kastner, Communication Systems for Building Automation and Control, Proceedings of the IEEE, Vol. 93, No.6 (2005). 2. ASHRAE, Procedures for Commercial Building Energy Audits, 2nd Edition (2011). 3. F. Ferreira, Building Automation Interoperability – A review, IWSSIP, (2010). 4. IES, Lighting Control Protocols (2011). 5. W. Granzer, Gateway-free Integration of BACnet and KNX using Multi-Protocol Devices, The IEEE International Conference on Industrial Informatics INDIN (2008).
Ing. Jairo Alberto Andrade Ingeniero electrónico, magíster en Automatización Industrial y docente en la Especialización en Iluminación Pública y Privada de la Universidad Nacional de Colombia. Ingeniero de proyectos y soporte técnico en Automatic Control Solutions Ltda. (www.acsingenieria.com.co).
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