En esta sección se presenta lo existente en el área de ahorro de energía dando una revisión breve a la bibliografía referente a edificios inteligentes y cómo se controlan los sistemas de acondicionamiento de ambiente y los sistemas de iluminación, tanto de manera pasiva como activa. Se indica cómo definen algunas organizaciones internacionales a los edificios inteligentes; se dan algunos conceptos importantes para el cálculo de iluminación y acondicionamiento de un local; se tratan algunas de las recomendaciones pasivas y activas para ahorro energético y, finalmente, se mencionan las tarifas y servicios de la CFE a industrias y usuarios domésticos.
2.1 Edificios Inteligentes
En [Huidobro2004] se explica brevemente y de manera clara la historia de la domótica. Además, establece las diferencias entre automatizar una construcción nueva y una existente; la primera diferencia es el momento en el que se decide automatizar, y la segunda diferencia es el costo de hacerlo, pues los costos de automatizar una construcción nueva solamente se elevan entre el 1 y 2%, lo cual resulta mínimo si se compara con los beneficios que se obtendrán en relación de la misma construcción sin automatizar.
El IMEI [IMEI1991] establece que un edificio inteligente debe cumplir con los siguientes 5 puntos de igual importancia:
1. Máxima Economía. Refiriéndose a la eficiencia en el uso de los energéticos.
2. Máxima Flexibilidad. Adaptabilidad a bajo costo a los cambios tecnológicos.
3. Máxima Seguridad. Capacidad de proveer un entorno ecológico habitable, sustentable y seguro.
4. Máxima Automatización. Comunicación eficaz entre la operación y el mantenimiento, eficiencia el trabajo manteniendo niveles óptimos de confort.
5. Máxima Prevención y Predicción. Operación y mantenimiento óptimo.
El Instituto de Edificios Inteligentes (IBI) en Estados Unidos, por su parte, define al edificio inteligente como “una construcción que provee un ambiente productivo y efectivo a través de 4 elementos: estructura, sistemas, servicios y mantenimiento, y la interrelación entre ellos”.
Para el Grupo Europeo de Edificios Inteligentes un edificio inteligente es “uno que crea un ambiente que maximiza la efectividad de sus ocupantes mientras que habilita un manejo eficiente de los recursos con un mínimo costo en el tiempo de vida de la infraestructura existente”.
De las diferentes definiciones asiáticas se puede definir que “un edificio inteligente está diseñado y construido sobre una selección apropiada de módulos ambientales de calidad para satisfacer los requerimientos de los usuarios, al mapearlos a los medios apropiados del edificio para alcanzar un valor de largo término en la construcción” [So-Chan1999]. Los módulos ambientales de calidad a los que se refiere esta última definición son 8 y se numeran a continuación:
1. Ambiente agradable - conservación de salud y energía,
2. Utilización y flexibilidad del espacio,
3. Ciclo de vida - operación y mantenimiento,
4. Confort humano,
5. Eficiencia en el trabajo,
6. Seguridad,
7. Cultura,
En general la definición de un edificio inteligente contempla dos aspectos, los requerimientos del usuario para una estancia confortable y la tecnología que permite prolongar la vida del propio edificio.
Existen varios libros que tratan sobre edificios inteligentes y explican lo que se está haciendo para lograr una mejora en el confort humano, eficiencia en el trabajo y manejo de energía. Algunos de ellos se describen brevemente a continuación.
El libro Intelligent Building Systems [So-Chan1999] da una revisión de la terminología, estructura y principios de operación de la mayoría de los sistemas de construcción de la época; explica qué hay y qué se está desarrollando por los investigadores en el campo del confort humano, la eficiencia en el trabajo y el desempeño energético de las construcciones. Da una introducción a las tecnologías electrónicas, principios matemáticos y técnicas de inteligencia artificial y procesamiento de señales. Presenta algunos de los trabajos realizados por varios investigadores en el campo de los edificios inteligentes. La meta principal del libro es proporcionar una visión clara de los conceptos y tecnologías involucradas en los sistemas de los edificios inteligentes. El libro está dividido en tres partes: la primera presenta una breve introducción a los sistemas estándar de construcción donde se discuten los principios básicos de operación y estructura; la segunda parte, muestra el conocimiento necesario para entender los diferentes aspectos de la inteligencia artificial; la tercera, es una revisión general a la aplicación de las técnicas de inteligencia artificial en diferentes sistemas de construcción para mejorar su desempeño.
El libro Domótica e Inmótica, viviendas y edificios inteligentes [Romero2005] trata la visión europea de los edificios inteligentes y sigue los estándares de Grupo
Europeo de Edificios Inteligentes para definir: qué es un edificio inteligente desde
diversos puntos de vista, cuáles son los diferentes tipos de edificios y sus características, los sistemas que lo conforman, los servicios a controlar, etc. Además, explica cuáles son los estándares propietarios y cuáles son los estándares abiertos de los sistemas comerciales analizando cada uno de ellos. Al final, menciona ejemplos de edificios inteligentes tanto en varios lugares del mundo. Los estándares abiertos se refieren a los sistemas que manejan características de varios fabricantes de equipo; es decir, los equipos de diferentes fabricantes pueden colocarse en la misma construcción y trabajar juntos. Por otro lado, los sistemas propietarios solamente pueden tener equipos hechos por el fabricante dueño del estándar.
El libro Domótica, edificios inteligentes [Huidobro2004] explica cómo introducir las soluciones domóticas a edificios existentes o a edificios nuevos, describe también algunos de los dispositivos importantes para lograr la automatización de una construcción; hace una breve introducción a los sistemas
de comunicación entre estos dispositivos y describe los estándares, tecnologías y protocolos utilizados; menciona además algunos de los beneficios de la domótica y la situación del mercado en España.
La tesis Análisis de Edificios Inteligentes [Ramirez2003] es una investigación bibliográfica de lo referente a los edificios inteligentes, desde el momento de su surgimiento y el camino que ha seguido la idea de estos. Menciona también a los organismos internacionales encargados de desarrollar el concepto. Comenta los conceptos de “coeficiente intelectual” y "Edificio enfermo” y menciona algunas recomendaciones de diseño en las instalaciones de edificios inteligentes.
La tesis Control Inteligente de Edificios [Rodriguez1998] presenta un estudio hecho en el edificio del Centro Estudiantil del ITESM campus Monterrey cuyo principal objetivo es presentar una propuesta para el control automático inteligente de los sistemas de operación de edificios y casas habitación. Estos sistemas son los energéticos y de seguridad, los primeros se refieren a los de iluminación y los de aire acondicionado; y los segundos a los de protección contra incendio y contra robo. Usa un control inteligente que basa su comportamiento en reglas de confort estadístico y en la presencia de los usuarios para optimizar el uso de energía en iluminación y aire acondicionado. Las variables de entrada son: temperatura, presión, humo, presencia, fecha y hora. Para probar el sistema, se modeló el comportamiento térmico del edificio aplicando una prueba escalón para estimar los tiempos y el comportamiento del sistema. Además, se hace un análisis de los equipos existentes en el mercado tanto para adecuar y remodelar edificios construidos como para edificios nuevos.
Otra tesis, Control Difuso para el Confort y Ahorro de Energía en Diferentes Espacios Físicos [Espejo1997] explora el uso de la lógica difusa para controlar los sistemas de iluminación y ahorro de energía respetando el confort de los usuarios en espacios cerrados. Utiliza lógica difusa porque es la forma más natural de dotar de inteligencia a un edificio, además de que no necesita plantear un modelo matemático que represente el comportamiento dinámico de un espacio físico. Aunque el sistema no pudo ser implementado y probado, las pruebas en simulación demostraron que el controlador se comporta como se planeó. También hace la advertencia de que, si los actuadores encargados de realizar las acciones necesarias para mantener al espacio en condiciones de confort no existen, las reglas de inferencia no podrán realizar las acciones de control. Además, las reglas de inferencia del sistema de iluminación para una zona particular podrían no funcionar para otra, ya que los diferentes cuartos de una casa u oficina no tienen las mismas dimensiones, el mismo color en las paredes, o no se realiza la misma actividad en ellos, incluso los deseos de un usuario particular suelen ser distintos a los de otro.
En general, un edificio inteligente tiene la capacidad de optimizar el desempeño de los usuarios brindándoles seguridad y confort, tiene la flexibilidad para adaptarse a los cambios tecnológicos que van apareciendo y mantiene sus requerimientos energéticos al mínimo al estar en balance con su entorno. Parte de esta definición se refiere a mantener los niveles de confort visual y térmico utilizando el mínimo de energía.
Con esta revisión bibliográfica se encontraron algunos de los textos que explican el funcionamiento, las ventajas e implicaciones que tiene el automatizar una construcción. En esta tesis, se consideran los conceptos de los autores de los libros, artículos y otras tesis para saber las técnicas de reducción del consumo eléctrico en los aspectos de acondicionamiento de ambiente e iluminación en una construcción.
2.2 Sistemas de Iluminación
Los sistemas de iluminación son altos consumidores de energía eléctrica1 y los controles para estos son variados en complejidad y precio, van desde un interruptor hasta el control remoto, pasando por timers, sensores de presencia y computadoras [Hassen2003]; con los sensores de presencia se puede lograr hasta un 75% de ahorro [Llamas2006].
2.2.1 Conceptos Fundamentales
Para realizar estudios de iluminación se debe conocer la terminología y unidades utilizadas en el campo [Helms1991]; a continuación se presentan algunos de los conceptos importantes al respecto. Hay que hacer notar que la luz visible abarca solamente la parte comprendida entre los 380 nm y los 760 nm de las radiaciones electromagnéticas.
Existen tres tipos de iluminación: la iluminación general, la iluminación local y la combinación de ambas. La primera se refiere a la que se usa en habitaciones, salas, oficinas y donde se requiere luz uniforme en un plano de trabajo. La iluminación local se utiliza en escritorios o mesas de dibujo, donde se necesita luz de alta intensidad. Además hay seis tipos de sistemas luminosos: la iluminación directa, la indirecta, semi-directa, semi-indirecta, directa-indirecta y
general difusa. La iluminación directa envía el 90% de la luz hacia abajo y el 10% hacia arriba; la indirecta lo hace al revés y las otras cuatro están entre estos extremos [So-Chan1999].
La iluminación en una habitación no solo depende de sus luminarias, sino también de la reflectancia de las paredes, techos, pisos y muebles en general. Por ello es recomendable utilizar colores claros cuidando de no llegar a niveles tan altos como para deslumbrar. La IESNA propone las reflectancias mostradas en la Tabla 2.1.
TIPO DE SUPERFICIE REFLECTANCIA
Techos 80 a 90%
Paredes 40 a 60%
Mobiliario 25 a 45%
Pisos 20 a 40%
Tabla 2.1. Reflectancias recomendadas por la IESNA.
La RCR es un indicador del nivel de desaprovechamiento de la luz en un espacio dado, se calcula con la ecuación 2.1 y allí puede verse que una habitación con techo bajo aprovecha mejor la luz que una con techo alto, y entre más largas y anchas sean la habitaciones aprovechan mejor la luz.
RCR= 0.76 H P
A (2.1)
Donde:
H es la distancia entre el plano de trabajo y el techo. P es el perímetro del cuarto.
A es el área del piso.
La temperatura del color es psicológicamente importante porque una luz fría que invita al trabajo y que es idónea para el buen aprovechamiento laboral; en cambio, una luz cálida (tonos rojizos) favorece el relajamiento y hace acogedor el hogar [Construir2001]. La temperatura del color es la temperatura a la que debería calentarse un cuerpo negro para producir una luz del mismo tono; entonces, es el parámetro que caracteriza la tonalidad de la luz. Si el cuerpo negro, teóricamente, se calienta a menos de 3300°K, se habla de una luz cálida; si se calienta entre 3300 y 5000°K, es una luz interme dia; y si se calienta a más de 5000°K es una luz fría [Helms1991].
El IRC es la capacidad de reproducir el color de los objetos iluminados con la fuente de luz. En general, cuando el IRC es mayor o igual a 85, la luz es buena; debajo de 70 es mediocre y en el intermedio es normal.
La luminaria, que se refiere a la unidad luminosa funcional, todo lo necesario para producir luz; es decir, bulbo, filamento, terminales eléctricas, base, etcétera; un foco completo o una lámpara incluyendo su balastro y su reflector.
La eficacia de una luminaria es la razón entre el flujo luminoso total y la potencia total de entrada a la fuente; se expresa en lúmenes por Watt [lm/W].
El punto de ruptura es el límite mínimo de la eficacia de una luminaria; es decir, es el punto donde la luminaria consume muchos Watts y entrega pocos lúmenes. Este valor depende del tipo de luminaria.
La Ley Fundamental de la Iluminación dice que la iluminación E en punto a una distancia d de una fuente luminosa con intensidad I es directamente proporcional a la intensidad e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d.
E∝ I
d2 (2.2)
Donde:
E es la iluminación en un punto.
I es la intensidad luminosa de la fuente. d es la distancia entre la fuente y el punto.
La intensidad luminosa es la densidad del flujo luminoso en una dirección dada e indica la capacidad de una fuente luminosa para iluminar una dirección dada. Se mide en candelas [cd].
El flujo luminoso es la razón de cambio en el tiempo del flujo de la energía luminosa. Se expresa en lúmenes [lm], donde un lumen es el flujo emitido por una candela de intensidad dentro de un ángulo sólido de un sterradián.
La energía luminosa es la energía radiante visualmente evaluada que viaja como ondas electromagnéticas; su unidad es el lumen-segundo [lm-s].
El ángulo sólido es la relación entre el área de una esfera y el cuadrado de su radio. Su unidad es el sterradián
ω
. La esfera unitaria (radio de un pie) con una fuente luminosa de una candela en el centro sirve para relacionar candelas, lúmenes, sterradianes y footcandles. Dado que una candela produce un lumen en un sterradián, entonces la iluminación producida será de un footcandle; es decir, un footcandle es la iluminación producida por una candela a un pie de distancia. Esto se muestra en la figura 2.1 allí se muestra una fuente luminosa de una candela [cd], un sterradián [sr], un flujo de un lumen [lm], un footcandle [fc] y un lux.Figura 2.1. Relación entre las variables.
La exitancia es la densidad de flujo luminoso total que emite un punto luminoso en todas direcciones. Sus unidades son los lúmenes/pie cuadrado [lm/ft2] o en lúmenes/metro cuadrado [lm/m2].
El brillo es la densidad de flujo luminoso total que emite un punto luminoso en una dirección dada por unidad de ángulo sólido. También se le llama
luminancia, y se mide en candelas/pulgada cuadrada o footLamberts [cd/in2], o
en candelas/metro cuadrado o nits [cd/m2].
La iluminancia es el flujo luminoso incidente en una pequeña superficie por unidad de superficie. Se mide en footcandles; si la superficie está dada en metros cuadrados y no en pies cuadrados, la iluminancia se mide en Luxes. De manera
que un lux es un lumen por metro cuadrado [lm/m2] y un footcandle es un lumen por pie cuadrado [lm/ft2].
La transmitancia es el porcentaje de luz que pasa a través de un material transparente.
La tabla 2.2 muestra la relación entre las variables y sus unidades asociadas. VARIABLE UNIDAD Eficacia lm/W Intensidad luminosa cd Flujo luminoso lm Energía luminosa lm−s Ángulo sólido ϖ Exitancia lm/ft2 o lm/m2 Brillo cd/in2 o cd/m2 Iluminancia fc o lux Tabla 2.2. Relación entre las variables y sus unidades.
La CFE presenta la tabla 2.3 con los niveles recomendables de luminancia en luxes medidos a 75 cm del suelo [Ramirez2003].
TIPO DE ÁREA LUMINANCIA [LUXES]
Áreas de trabajo, salas de reuniones, etc. 500 Zonas de circulación y pasillos. 100
Escaleras 150
Roperos, lavabos 150
Almacenes 150
Estacionamiento 50
Alumbrado de emergencia 10
Tabla 2.3 Niveles recomendados por la CFE [Ramirez2003].
Todos estos conceptos son utilizados en el capítulo 4 de esta tesis para diseñar el sistema de iluminación.
2.3 Aire Acondicionado
El objetivo principal de un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado es mantener un ambiente agradable dentro del edificio para sus ocupantes; sin embargo, muchos de estos sistemas no son diseñados pensando en la eficiencia energética2. De acuerdo con [Llamas2006], existen cuatro factores a controlar por un sistema de calentamiento, ventilación y aire acondicionado (HVAC): la temperatura, la humedad, la distribución y la calidad del aire; y sus funciones principales son: mantener las condiciones de confort enfriando o calentando, mientras que los factores externos varían, usar la menor cantidad de energía y proveer de seguridad para los ocupantes y el equipo.
El acondicionador de aire es parte de uno de los subsistemas importantes de un edificio inteligente. Por un lado, debe satisfacer la demanda de los habitantes del edificio al controlar la temperatura, humedad, la pureza y velocidad del aire en el interior de la construcción; pero por otro, es el subsistema que más consume energía eléctrica3, por lo que es necesario buscar un uso eficiente del mismo.
El uso eficiente de acondicionadores de aire en edificios promete reducir el consumo de energía eléctrica. Esto trae como consecuencia una disminución en la contaminación ambiental. La CFE presenta algunos datos de consumo de energía en la tabla de su página web [CFE2006]. Los equipos de refrigeración y acondicionamiento de aire están catalogados como de alto consumo; un aire acondicionado de ventana de 2 toneladas antiguo consume 960 KWh; el consumo es definitivamente alto; comparado con algo más cotidiano, se necesitarían 9600 focos de 100 W encendidos durante una hora o mantener encendido 1 foco de 100
W durante un año, un mes, cuatro días y dieciocho horas sin apagarlo.
El control de temperatura en una habitación puede ser lento e ineficiente, ya que las fuentes de calor son variadas y no son constantes; por mencionar algunas de ellas están: el calor de las paredes, techos, y ventanas, el calor de los aparatos eléctricos, el calor de los habitantes, entre otras. Observando esta situación, se han presentado varios trabajos, teorías y tecnologías para lograr un consumo más eficiente de la energía eléctrica [Rodriguez1998].
El control de los sistemas de acondicionamiento de ambiente debe considerar la comodidad de los usuarios y los que la impactan desde este ángulo son: la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del aire; además del polvo
2
[Llamas2006]
y el olor. Cada uno de estos factores puede controlarse por separado o en conjunto.
En [Rodriguez1998] se mencionan los rangos de cada uno de estos factores para mantener confortables a los usuarios haciendo notar que se refiere a confort estadístico, por lo que a algunos usuarios puede no parecerles tan confortable. Se recomienda una temperatura entre 20 y 24°C en invierno y entre 23 y 27ºC en verano; una humedad relativa entre 40 y 60% y la velocidad del viento entre 13.7 y 30.5 m/min. Al controlarse dos de estas tres variables se puede lograr el estado de confort.
Por otro lado, los otros dos factores para producir confort en un lugar, polvo y olores, pueden controlarse al ventilar el lugar intercambiando un porcentaje del aire con el exterior. Esto se debe a que el aire del exterior generalmente no tiene la misma temperatura efectiva que el del interior, por lo que hay que enfriarlo o calentarlo nuevamente. La cantidad y frecuencia con la que se intercambia el aire depende de muchos factores, aunque los más importantes son el número de