El objetivo de esta tesis menciona que se tratarán tanto edificios nuevos como ya construidos, y ya se ha dicho que las necesidades para unos son distintas que para otros. En este capítulo se describe, de manera general, el proyecto de automatización de un edificio, comenzando por la planeación hasta la entrega del edificio nuevo. Los pasos del proyecto son muy parecidos a los que se siguen en una remodelación; sin embargo, la remodelación tiene varias desventajas que se analizan más adelante.
En esta tesis se consideran solamente las áreas de ahorro energético en iluminación y acondicionamiento de ambiente procurando un costo mínimo y en este capítulo se mencionan solamente los conceptos relacionados con la planeación y construcción que lleven a un ahorro energético en esas áreas.
3.1 Proyecto de Automatización
La automatización en edificios nuevos se hace sobre pedido y no todos los constructores ofrecen esta posibilidad. Si la decisión de toma desde el principio, el costo de la construcción se incrementa en un 1 ó 2%, este aumento en el precio resulta insignificante comparado con los beneficios que traerá la automatización, tanto en comodidad como en ahorro de energía [Huidobro2004].
La metodología propuesta en [Huidobro2004] para lograr una automatización exitosa consta de 4 fases: preestudio, definición, instalación y
entrega; cada una de ellas tiene actividades y tiempos para llevarse a cabo. A
3.1.1 Preestudio
Esta etapa tiene el objetivo principal de analizar el proyecto desde todos sus puntos de vista para decidir, basados en las necesidades del usuario, qué tecnología se utilizará y quién proveerá esa tecnología, por esto es necesario que el desarrollador conozca sus opciones en el mercado1. Existen muchos paquetes computacionales que permiten hacer una planeación y dar seguimiento a un proyecto; algunos proveedores de tecnología para automatización de edificios también proveen software que permite planear correctamente el proyecto, ayudando al desarrollador a ubicar los dispositivos, calcular costos, etc. Es conveniente, entonces, determinar en esta fase cuál es la mejor alternativa para satisfacer las necesidades del usuario.
Así, las actividades a realizar en esta etapa son:
1. Conocer las necesidades y expectativas del usuario lo más
detalladamente posible para poder satisfacerlas. Es importante determinar las necesidades actuales y proyectarlas a futuro basados en el conocimiento del tipo de usuarios del edificio para que el costo de una posible remodelación sea mínimo. Con este paso se determinarán las aplicaciones y dispositivos que deberán ser instalados2.
2. Conocer la oferta de dispositivos en el mercado. Las
características importantes de los dispositivos son: el tipo, la cantidad de aplicaciones que soporta, la facilidad de uso e interoperabilidad y el precio. También hay que verificar las características del fabricante o distribuidor, para saber si ofrece garantía y servicio postventa.
3. Establecer un conjunto de aplicaciones fáciles de usar, comunicar
y mantener, de manera segura y al menor costo posible.
4. Asegurar la modularidad y flexibilidad de los sistemas
aplicables con el fin de que el usuario pueda cubrir sus necesidades futuras.
1El capítulo 6 de esta tesis se dedica a los equipos existentes en el mercado. 2
De toda la gama de aplicaciones que se pueden instalar, en esta tesis se tocan solamente la automatización de clima e iluminación.
3.1.2 Definición
Cuando ya se conocen las tecnologías aplicables para satisfacer las posibles necesidades del usuario y los proveedores que entregarán estas tecnologías, se debe planificar lo que se va a hacer teniendo en cuenta siempre el presupuesto disponible. Esta planeación servirá como guía del proceso y podrá ser modificada en caso necesario de acuerdo a las revisiones que se hagan en etapas posteriores. Se recomienda que un experto diseñe un documento que describa detalladamente los siguientes puntos:
1. Las aplicaciones que se implementarán; por ejemplo: detección de
humo, detección de intrusos, o, como en este caso, control de la iluminación y la temperatura.
2. Los dispositivos que intervienen en la implementación; como:
sensores de presencia, termostatos, electroválvulas, motores, minisplits, etc.
3. La ubicación ideal de los dispositivos y el cableado. Siempre es
importante considerar futuras ampliaciones al sistema, hay que considerar criterios estéticos y la funcionalidad de otras instalaciones como la de gas y agua.
4. La relación del sistema domótico con el resto de las
instalaciones domésticas; es decir, cómo podría verse afectada la instalación de
las tuberías de agua si algún dispositivo del sistema domótico falla.
5. Las personas involucradas en el proyecto, su función y sus
relaciones.
6. Los tiempos en los que se realizarán las instalaciones, y cuándo
actuará cada persona en el proceso.
7. Las pruebas y ensayos para verificar el correcto funcionamiento del
sistema durante la construcción y antes de hacer la entrega.
8. La explicación de la documentación que se entregará al cliente.
Hay que recordar que el cliente no necesita demasiados datos técnicos; solo lo necesario para el uso correcto de su instalación automatizada.
3.1.3 Instalación
Esta es la etapa en la que se realiza el trabajo de compra, instalación y prueba del sistema. En esta etapa es necesario revisar el documento de la definición para asegurarse de que todo se está haciendo en tiempo y forma. Para llevar a buen término este paso, se recomienda:
1. Contar con un especialista para que supervise el trabajo.
2. Verificar periódicamente la evolución de los trabajos para corregir los errores lo antes posible.
3. Verificar la calidad del proyecto de manera continua tanto en funcionamiento como en estética.
4. Comprobar exhaustivamente el funcionamiento de cada
aplicación antes de hacer la entrega o continuar con la siguiente aplicación.
3.1.4 Entrega
Esta es la última etapa, aquí se obtendrá la aprobación final del usuario, y es importante poder explicarle claramente la manera de utilizar el sistema para evitar errores. Para llevar a buen término este paso, se recomienda:
1. Seguir una línea lógica en la explicación para no generar mayores
dudas en el usuario.
2. Entregar un documento claro, conciso, sencillo y completo con
la información necesaria para el uso del sistema; así como un teléfono de contacto para futuras consultas. También es recomendable una o varias visitas de formación; pero esto se aconseja cuando el número de casas es elevado y se puede dar una formación conjunta. En cualquier caso, el documento es indispensable.
3. Garantizar al usuario que se le entrega toda la información necesaria para que conozca el sistema, así podrá sacar el mayor provecho de su adquisición.
Por otra parte, la Guía para el uso eficiente de la energía en la vivienda de
CONAFOVI [CONAFOVI2006] ubica a la ciudad de Monterrey, junto con Mexicali,
Torreón, Chihuahua y Hermosillo entre otras, en una zona de clima cálido-seco y entrega recomendaciones importantes y concretas para lograr una reducción en el consumo eléctrico. Entre las recomendaciones se encuentran:
1. Construir casas con patio,
2. Los techos deben tener poca pendiente, y estar a 2.5 ó 2.7 metros del piso,
3. Los muros exteriores deben ser masivos y porosos, con acabados de alta reflectancia, textura lisa y en colores claros,
4. Colocar ventanas orientadas hacia el sur, con protección solar en verano, como se muestra en la figura 3.1. La protección evita que los rayos solares caigan directamente en la ventana durante el verano,
5. Colocar aleros en todas las fachadas, y más grandes en la fachada sur para evitar asoleamiento por las tardes,
6. Ubicar la sala, el comedor y las recámaras al sureste; la cocina al norte o noreste,
7. Colocar espejos de agua en patios interiores,
8. Se recomienda sembrar arbustos de hoja caduca en todas direcciones y de hoja perenne hacia el oeste.
3.1.5 Edificios Existentes
Cuando se busca la automatización de un edificio existente, se puede aplicar la misma metodología presentada para edificios nuevos; con la diferencia de que resultará más caro porque el usuario no puede aprovechar el precio de mayoreo de los dispositivos necesarios; además de que no cuenta con la experiencia en diseño e instalación de sistemas domóticos. Otro de los posibles problemas es que no logre integrar los nuevos dispositivos con los anteriores.
En la misma Guía para el uso eficiente de la energía en la vivienda de CONAFOVI se indica que la CFE y el FIDE iniciaron el proyecto de Asistencia Sistemática Integral para el Ahorro de Energía en Mexicali reportando hasta un 35% de ahorro en el consumo eléctrico, y consistió en:
1. Sustituir focos incandescentes por fluorescentes compactos.
2. Aislar techos y colocar vidrios dobles en ventanas.
3. Cambiar acondicionadores de aire ineficientes por los de alta eficiencia.
4. Cambiar de refrigeradores viejos por nuevos.
En el Capítulo 8 se analiza, como caso de estudio, los equipos y métodos de control pasivos y activos usados en una residencia del mismo tipo que las residencias que se rifan en el SorteoTec.
3.2 Edificios Bioclimáticos
Cuando se pretende reducir el consumo eléctrico en una construcción al controlar los equipos acondicionadores de aire, existe la alternativa de construcciones bioclimáticas. Un edificio ecológico pretende aprovechar los recursos del lugar, estar integrado al medio ambiente y trabajar en sinergia con él [Romero2005] y un edificio bioclimático es un tipo de edificio ecológico cuyo objetivo es lograr un interior con las condiciones de confort térmico utilizando la menor cantidad de sistemas de climatización convencionales. De acuerdo con [Huidobro2004] este tipo de edificios reduce el consumo energético hasta en un
60% respecto a las viviendas tradicionales; además, contribuyen a disminuir hasta el 30% del consumo de agua y 20% de iluminación. El costo de una construcción bioclimática puede ser amortizado en 3 ó 4 años.
Un edificio bioclimático involucra la construcción, utilización, mantenimiento, derrumbe programado del edificio y la posible reutilización de los materiales. Además, se deben tomar en cuenta las características ambientales del entorno.
Algunos de los criterios a considerar para el diseño de un edificio bioclimático se numeran a continuación.
1. La forma del edificio depende del clima de la región; aunque
depende más de la clasificación urbanística.
2. Las fachadas deben tener buen nivel de captación de luz y
ventilación natural. Las fachadas orientadas al sur reciben más luz y calor en invierno, por lo que se consideran más favorables; las fachadas orientadas al norte tienen importantes pérdidas térmicas; las orientadas al este y al oeste reciben aproximadamente la misma cantidad de luz y calor, tanto en verano como en invierno; sin embargo, el lado oeste puede sobrecalentarse al final de un día de verano. Por otro lado, la ventilación cruzada disminuye la sensación de calor, sobre todo cuando las ventanas se encuentran en fachadas opuestas de la misma construcción el viento puede entrar por una y salir por otra.
3. El color de la fachada y el tejado influyen sobre la absorción de la
radiación solar. En [Charlas] se mencionan algunos resultados obtenidos al pintar de blanco las azoteas reduciéndose así la temperatura interna de las casas, esta recomendación se hace para vivienda popular; en caso de tener mayor presupuesto, se pueden utilizar otros materiales como los mencionados en el capítulo 6.
4. Los espacios interiores deben tener en cuenta la orientación del
edificio para la óptima utilización de la iluminación y ventilación natural.
5. Los materiales de construcción deben seleccionarse de manera
que permitan el mayor ahorro efectivo, económico y energético, preferentemente de origen natural y regional. Además, deberán ser resistentes a inclemencias del tiempo y siniestros como lluvia o inundación, temblores, etc. Es recomendable que los muros contengan aislantes naturales como el barro y el adobe que son frescos en el día y cálidos en la noche. Los tejados deben tener una capa intermedia de un material aislante térmico natural que evite la formación de hongos y plagas, esto contribuye también a la salud de los habitantes.
6. Las ventanas son fundamentales en la iluminación natural y la
ventilación. Se recomienda utilizar vidrios dobles; es decir, con una capa de aire entre dos láminas de vidrio cerradas herméticamente; esto aísla la habitación térmica y acústicamente. En casos de extrema insolación, se pueden instalar toldos exteriores.
7. El uso de vegetación en las cercanías de la vivienda es altamente
recomendable, pues además de proporcionar sombra, protegen contra vientos fuertes y estabiliza la temperatura interior. También permiten purificar y humidificar el ambiente.
8. Los espacios exteriores se diseñan buscando el mínimo en gastos
de mantenimiento, jardinería, etc. El uso de fuentes de agua permite la creación de microclimas agradables. También pueden utilizarse árboles que den sombra y protejan del viento a la construcción.
9. Utilizar fuentes de energía menos contaminantes. Se puede
instalar paneles solares y sistemas de calentamiento de agua para regaderas.
Por otro lado, en Utilization of Renewable Energy in Architectural Design [Tien2007] se muestra una serie de sugerencias interesantes para la arquitectura en China; pero algunas de ellas pueden utilizarse aquí. La primera sugerencia se refiere a la utilización de energía eólica para iluminación arquitectónica, ya que el viento es muy inestable y la energía no podría utilizarse para procesos mas importantes como la refrigeración de alimentos; sin embargo, indica que se podrían colocar generadores eléctricos de pequeño tamaño acoplados a baterías fotovoltaicas en los techos de las casas para generar electricidad por viento, cuando exista, y por luz solar, cuando no haya viento.
La segunda sugerencia es recolectar datos estadísticos, como velocidad y dirección del viento, durante varios años, además de tomar en cuenta los edificios y plantas cercanos al lugar donde se pretende construir para mejorar las características térmicas, sónicas, energéticas y de iluminación de la construcción, y también homogeneiza el paisaje. Además indica cómo utilizar la ventilación natural para refrescar y ventilar los locales y ahorrar de esta forma en acondicionamiento de ambiente.
La tercera sugerencia se refiere al uso de energía solar para calentar las construcciones, por calentamiento directo o indirecto. En el calentamiento directo se permite que el calor del Sol entre directamente a las habitaciones; la mayor desventaja de esto es el posible sobrecalentamiento en verano. El calentamiento indirecto se coloca un espacio entre la parte exterior e interior de la casa y se coloca una placa de vidrio al exterior como se muestra en la figura 3.2; la capa de
vidrio no deja salir el calor del Sol y calienta la pared durante el día, y el calor de la pared es radiado hacia el interior de la casa. Las fluctuaciones en la temperatura de este modelo son mucho menores y el costo no es muy elevado; pero el hecho de colocar una placa de vidrio a la intemperie puede provocar accidentes. Por último, el autor hace una advertencia sobre el tiempo que podría tardar el método de calentamiento indirecto en elevar la temperatura de una casa.
Figura 3.2. Calentamiento indirecto.
Una cuarta sugerencia es construir un pozo y sacar agua de él; luego, hacer circular esa agua por tuberías dentro del edificio, esto se lleva el calor en el verano y calienta en el invierno.
3.3 Metodología
En esta sección se presenta finalmente la secuencia de sugerencias para construir o remodelar un local de manera que se obtenga una reducción en el consumo eléctrico.
3.3.1 Edificios Nuevos
A continuación se muestran las recomendaciones para lograr una reducción en el consumo eléctrico en una construcción nueva.
1. Los materiales de construcción deben seleccionarse de manera que permitan el mayor ahorro efectivo, económico y energético, preferentemente de origen natural y regional. Además, deberán ser resistentes a inclemencias del tiempo y siniestros como lluvia, temblores, etc.
2. Construir casas con patio.
3. Los techos deben tener poca pendiente, y estar a 2.5 ó 2.7 metros del piso.
4. Los muros exteriores deben ser masivos y porosos, con acabados de alta reflectancia, textura lisa y en colores claros. Deben tener buen nivel de captación de luz y ventilación natural. Es recomendable que los muros contengan aislantes naturales como el barro y el adobe que son frescos en el día y cálidos en la noche.
5. Las fachadas orientadas al sur reciben más luz y calor en invierno, por lo que se consideran más favorables; las fachadas orientadas al norte tienen importantes pérdidas térmicas; las orientadas al oeste puede sobrecalentarse al final de un día de verano.
6. Los espacios interiores deben tener en cuenta la orientación del edificio para la óptima utilización de la iluminación y ventilación natural, por lo que se recomienda ubicar la sala, el comedor y las recámaras al sureste; la cocina al norte o noreste.
7. La ventilación cruzada disminuye la sensación de calor, sobre todo cuando las ventanas se encuentran en fachadas opuestas de la misma construcción el viento puede entrar por una y salir por otra. Se recomienda utilizar vidrios dobles en todas las ventanas. Las ventanas orientadas hacia el sur, deberán tener protección solar para el verano.
3.3.2 Edificios ya Construidos
En esta sección se muestran las recomendaciones para lograr una reducción en el consumo eléctrico cuando ya existe una construcción y solo se modificará.
1. Se recomienda pintar las paredes exteriores de colores claros o se les apliquen aislantes térmicos que evite la formación de hongos y plagas, esto contribuye a la salud de los habitantes. Esto aplica también para azoteas.
2. Las paredes internas y muebles también deben tener colores claros para mejorar la iluminación.
3. El uso de fuentes de agua en espacios exteriores permite la creación de microclimas agradables.
4. Utilizar árboles que den sombra y protejan del viento a la construcción. El uso de vegetación en las cercanías de la vivienda es altamente recomendable, pues además de proporcionar sombra, protegen contra vientos fuertes y estabiliza la temperatura interior. También permiten purificar y humidificar el ambiente. Se recomienda sembrar arbustos de hoja caduca en todas direcciones y de hoja perenne hacia el oeste.
5. Utilizar fuentes de energía menos contaminantes. Se puede instalar paneles solares y sistemas de generación por energía eólica para calentamiento de agua para regaderas o para iluminación.
6. Sustituir focos incandescentes por fluorescentes compactos.
7. Aislar techos y colocar vidrios dobles en ventanas.
8. Cambiar acondicionadores de aire ineficientes por los de alta eficiencia.
Capítulo 4. Sistemas de Iluminación
En este documento se demuestra que el control adecuado de los sistemas de iluminación puede aportar un ahorro considerable. En este capítulo se presentan brevemente algunos artículos que proponen controles de sistemas de iluminación; se indican algunas generalidades necesarias para el entendimiento básico de estos sistemas; y finalmente se listan algunas de las recomendaciones que pueden reducir el consumo eléctrico.
4.1 Artículos
Un artículo que propone métodos de control de los sistemas de iluminación es el de Tsang y Wang [Tsang1994] llamado Development of a Distributive
Lighting Control System Using Local Operating Network. Ellos proponen un
sistema distribuido de control de iluminación a través de una red local. En este proyecto se dan de alta los sensores y actuadores de manera lógica, esto hace que el sistema sea fácil de usar y modificar, además de barato.
En Lighting Management System [Hassan2003] explican un proyecto que controla y monitorea, a través de sensores infrarrojos, el estado de las luces de una casa inteligente. La primera parte del proyecto desarrolla un panel con botones que puede hacer el control y monitoreo de las luces de la casa con un mínimo número de botones; y la segunda parte consiste en comunicar al panel con la casa como lo hace cualquier control remoto de Tv. Al final, el proyecto tuvo éxito pues logró conocer y controlar el estado de las luces de una habitación