estudio uma reducido informe modelo zonificacion airzone comparado con sistema inverter

2011

INFORME SOBREEL MODELO DE ZONIFICACINDE AIRZONE Y SU COMPARACINCON UN SISTEMA INVERTER NO ZONIFICADO

Informe sobre el modelo de zonificacin de Airzone y su

comparacin con un sistema no zonificado.

Mlaga, Febrero de 2011

INFORME SOBRE EL MODELO DE ZONIFICACIN DE AIRZONE Y SU COMPARACIN CON UN SISTEMA INVERTER NO ZONIFICADO.

1.INTRODUCCIN. 3

1.1. ANTECEDENTES Y OBJETIVOS. 3

1.2. METODOLOGA Y SISTEMAS ESTUDIADOS. 3

2. RESULTADOS 10

3. CONCLUSIONES 12


1. Introduccin.

1.1. Antecedentes y objetivos.

Para los pases desarrollados se calcula que el 40% del consumo final de energa se produce en los edificios, y que aproximadamente el 50% es atribuible a los sistemas de refrigeracin y calefaccin. Prueba del creciente inters en la reduccin del consumo energtico en la edificacin es la publicacin en algunas Comunidades Autnomas Espaolas, como la de Andaluca, de rdenes que establecen las bases reguladoras de un programa de incentivos para el desarrollo energtico sostenible. En Andaluca, esta orden se publica el 4 de Febrero de 2009, y se adapta a lo preceptuado en el Decreto 23/2009, de 27 de enero, por el que se establece el marco regulador de las ayudas a favor del medio ambiente y el desarrollo energtico sostenible de Andaluca. En concreto, la citada Orden tiene el objetivo de contribuir a la mejora de la proteccin ambiental mediante el fomento del ahorro de energa, tanto en las nuevas instalaciones que se proyectan, incidiendo en la mejora de la eficiencia en el uso de la energa, en los centros principales de consumo, as como en sectores concretos en los que, progresivamente, est aumentando el uso de la energa.

Siguiendo estas iniciativas, la Corporacin Altra, a travs de su divisin Airzone, fabricante de sistemas de zonificacin por aire sin bypass e integrados con el equipo inverter, propone evaluar la conveniencia de un sistema de este tipo, desde el punto de vista del confort de los ocupantes, potencia trmica aportada y consumo elctrico anual, con respecto a un sistema inverter no zonificado.

Actualmente no existe una herramienta que calcule el ahorro, que un sistema inverter con zonificacin por aire sin bypass puede conseguir con respecto a uno inverter sin zonificacin. As, el trabajo propuesto avanza al considerarse un sistema multizona, con una formulacin detallada de los mecanismos de transferencia de calor en edificios, al que se le acopla un sistema inverter de climatizacin, para simular sus condiciones reales de funcionamiento. La diferencia con otros programas de clculo de carga horaria, radica en el hecho de que mediante este acoplamiento, somos capaces de discretizar qu zonas estn o no en demanda, y as plantear un balance trmico de evolucin libre de temperatura en aquellas zonas que estn inactivas. Este efecto es de gran importancia ya que hace que varen las condiciones de contorno de las zonas que si permanecen activas, y por tanto la carga trmica de los mismos se ver alterada con respecto al clculo bsico en el que todos los espacios estn climatizados.

1.2. Metodologa y sistemas estudiados.

Los sistemas de zonificacin con integracin desarrollados por la Corporacin Altra, a travs de su divisin Airzone, varan desde el punto de vista del control. As, la comparacin se realizar teniendo en cuenta algunos de ellos. Eso nos ayudar a determinar la diferencia que existe entre ellos y a conocer qu estrategias de control repercuten en un mayor ahorro de consumo elctrico anual.

Autor PginaJos Luis Gonzlez EspnJos Manuel Cejudo Lpez

Fernando Domnguez Muoz2


El rango de temperaturas de confort de todos los sistemas estudiados en el presente estudio, se establecer entre 23 y 24C. A pesar de ello, como veremos ms adelante, este rango de confort se puede ver alterado en los sistemas con zonificacin integrada que poseen un sistema de gestin energtica, con el objetivo de reducir el consumo elctrico de los sistemas de climatizacin. As, si la temperatura en evolucin libre de cualquiera de las zonas se mantiene dentro de este margen de confort, el sistema de climatizacin permanece desconectado. Por otro lado, si la temperatura es superior o inferior a los mrgenes establecidos, el sistema trabajar en modo fro o calor respectivamente. De esta forma, cuando el equipo funciona en modo calor, trata de mantener la temperatura de la zona controlada en 23C y cuando lo hace en modo fro, en 24C.

Grifco 1: Definicin de los rangos de trabajo del equipo en funcin de las temperaturas de trabajo.

Los sistemas implementados varan desde el punto de vista del control de la red de distribucin de conductos y sus elementos terminales, pero el equipo de produccin de energa simulado es siempre el mismo. En concreto, la tecnologa seleccionada son los equipos inverter de expansin directa, que presentan tres regmenes de funcionamiento. En uno de estos estadios de trabajo, que se conoce como trabajo a carga parcial, el coeficiente de eficiencia del equipo (COP) mejora proporcionalmente a la reduccin de carga combatida por el equipo. Es decir, cuanto menor sea esta carga combatida, mayor ser el COP de trabajo del equipo. En el grfico 2, se muestra la curva de comportamiento a carga parcial, que a travs de la herramienta Calener-BD, se define para el modelo RXYSQ4PV de la generacin Mini VRV-III de Daikin.

Factor Mejora COP en funcin PLR

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

PLR

COPM

odFa

cPLR

Grfico 2: Curva de comportamiento a carga parcial de un equipo de climatizacin inverter.




Los sistemas implementados son los que se enumeran a continuacin.

1) Sistema inverter no zonificado.

En el sector residencial y de servicios de pequea y mediana potencia se utilizan con frecuencia sistemas todo-aire con mquinas inverter de expansin directa y una red de conducto de caudal constante. Este tipo de sistema se basa en el control de la temperatura de una nica zona, de tal forma que esta temperatura se mantendr dentro del intervalo de confort. En cuanto al resto de zonas, an estando bien diseada la red de conductos y elegida la potencia mxima del equipo, si no presentan un perfil de carga parecido al de la zona de control, sus temperaturas pueden situarse fuera del rango del confort. En el grfico 3 se muestra un esquema del sistema modelado.

Grfico 3: Esquema de un sistema no zonificado.

2) Sistema inverter con zonificacin integrada.

La principal ventaja que presenta este sistema es la presencia de una pasarela de comunicacin entre la placa de control del sistema de zonificacin y el termostato del equipo de climatizacin. De esta forma, se pueden controlar capaces las siguientes variables:

1. Modo de funcionamiento del equipo: el modo de trabajo del equipo (refrigeracin, calefaccin o ventilacin) ser el que la mayora de las zonas demanden. Aquellas zonas que se encuentren en inversin trmica, es decir, el sistema trabaje en el modo contrario al que ella demanda, se mantendrn cerradas.

2. Temperatura de consigna del equipo de climatizacin; se tomar la temperatura mnima o mxima de las temperaturas definidas por el usuario en las zonas activas, segn el modo de funcionamiento sea de refrigeracin o calefaccin respectivamente.




3. Velocidad de trabajo del ventilador: puesto que los equipos de climatizacin normalmente disponen de dos velocidades de trabajo del ventilador, se fijar una u otra en funcin del nmero de zonas activas en cada momento. El criterio definido se hace depender del porcentaje de zonas activas con respecto al total, teniendo en cuenta que la zona maestra, la que normalmente presenta una mayor demanda trmica, tiene un peso doble. Es decir, en esta evaluacin del nmero de zonas en demanda, todas las zonas tienen un valor igual a la unidad, mientras que la zona maestra vale dos.

En el grfico 4 se define un esquema grfico del intercambio de informacin establecido entre el termostato del equipo y la pasarela de comunicaciones del sistema de zonificacin.

Grfico 4: Sistema de control con pasarela de comunicaciones.

La introduccin de varios pasos de velocidad en el ventilador de la unidad interior, ha posibilitado la eliminacin de la compuerta de bypass, y convertir el sistema inverter con zonificacin integrada y bypass, en un sistema de caudal variable. En este sentido, se ha evaluado este cambio desde un punto de vista energtico, obteniendo que la eliminacin del bypass supone una reduccin del consumo elctrico anual entre el 1.7 y 4.5%.

3) Sistema inverter con zonificacin integrada y con un sistema de gestin de la energa consumida.

El pasado 27 de noviembre de 2009, se public en el Boletn Oficial del Estado (BOE) el Real Decreto 1826/2009 que modifica el Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios (RITE). Este Real Decreto, establece limitaciones en lo referente a la temperatura interior a mantener dentro de los locales habitables tanto en invierno como en verano. Concretamente, fija una temperatura mnima en verano de 26C, mientras que en invierno ser de 21C.




En este sentido, con el objetivo de seguir la tendencia marcada por el citado Real Decreto, la Corporacin Altra, a travs de su divisin Airzone, se plantea la idea de gestionar energticamente los equipos inverter de expansin directa siguiendo dos posibilidades de control. Las hiptesis seguidas por cada una de ellas, se definen a continuacin:

A . BlueFace: este sistema de gestin energtica, independientemente del comportamiento del sistema, restringe las temperaturas de consigna de cada zona a las definidas en el RITE, o en su caso a temperaturas ms favorables, es decir, temperaturas mayores de 26C en modo fro o menores de 21C en modo calor. Este sistema de gestin es muy til en instalaciones de edificios pblicos, donde el Real Decreto que regula las temperaturas de consigna es de obligado cumplimiento. Este no es el caso de las viviendas, ya que convencer al usuario de mantener siempre las mismas temperaturas de consigna fijas, puede resultar algo complicado. En este sentido, se ha trabajado en otro sistema de gestin, en el cual partimos de las temperaturas de consigna definidas por el usuario, y nicamente las modificaremos en aquellas situaciones en las que el equipo trabaja a plena carga. Este sistema de gestin, conocido como Enerface, se define a continuacin.

B. Enerface: a diferencia del sistema de gestin anterior, se trata de un sistema menos restrictivo desde el punto de vista del confort. El objetivo del mismo ser el de evaluar las condiciones de operacin del equipo, y conociendo el comportamiento del mismo en diferentes puntos de trabajo, configurar el sistema de climatizacin para que ste trabaje siempre en el punto de mayor eficiencia.

El algoritmo estar integrado en la pasarela de comunicaciones, que se coloca entre la placa de control del sistema de zonificacin y el equipo inverter de climatizacin. As, dispondr de informacin sobre la actuacin requerida por el usuario y la respuesta que la misma provoca en el equipo.

De esta forma, la evaluacin de la respuesta del equipo, ser la que permita determinar los casos en los cuales el algoritmo tomar el control sobre la actuacin del equipo. Las actuaciones del algoritmo irn encaminadas a evitar que la mquina trabaje fuera del rgimen inverter, es decir, a plena carga o en ciclos de encendido y apagado, donde el coeficiente de eficiencia del equipo se reduce.

1. Cuando todas las zonas activas entran en un estado de no demanda, la placa de control del sistema apaga el equipo. Puesto que la histresis de control de las zonas es menor que la del equipo, puede darse el caso que apaguemos el equipo por cierre de todas las zonas, sin que ste haya alcanzado su rgimen mnimo de funcionamiento. En estos casos, se aumenta el grado de histresis de la zona, para que el equipo siga reduciendo su rgimen de trabajo, en vez de imponerle un ciclo de apagado.

2. Para evitar el segundo de los casos, es decir, un rgimen de trabajo a plena carga del equipo, se debe de actuar para conseguir reducir la demanda trmica que debe de combatir el equipo. Segn las variables que se controlan a travs de la pasarela de comunicaciones, se conseguir modificando las temperaturas de consigna del equipo. As, se parte de las temperaturas de consigna marcadas




por el usuario, y en el caso de detectar un rgimen de trabajo a plena carga, se modificar hasta conseguir un estado de trabajo a carga parcial, pero sin llegar a sobrepasar las temperaturas de confort establecidas por IDAE. Estos cambios de consigna se invertirn, y por tanto se conducir gradualmente a la marcada por el usuario, cuando la demanda trmica se reduzca y se detecte la consecuente reduccin de consumo.

As, a diferencia del control propuesto en el RITE, el algoritmo de ahorro energtico nicamente modificar las condiciones de operacin requeridas por el usuario en determinadas situaciones, y las mantendr en el resto. Esta idea se traducir en una reduccin del consumo elctrico del equipo a la misma vez que se mantiene, durante el mayor tiempo posible, las condiciones de confort establecidas por el usuario.

Segn ASHRAE, el grfico 5 muestra las zonas de confort donde el 80% de las personas, con una actividad sedentaria y un nivel de vestimenta adecuado a verano e invierno respectivamente, se encuentran en una situacin trmica aceptable.

Grfico 5: Rangos de confort de las temperaturas operativas con niveles de vestimenta adecuados a verano e invierno para una actividad sedentaria.

Los niveles de actividad y vestimenta, para los cuales se han definido los intervalos de confort del grfico 3, son adecuados para viviendas. De esta forma, la temperatura de confort del aire que garantiza el sistema de gestin energtica Enerface, que no es menor de 21C en invierno, ni superior a 26C en verano, estar dentro de los intervalos de confort definidos por ASHRAE.

El presente estudio se ha resuelto haciendo uso de unos de los programas de simulacin ms avanzados del mercado, TRNSYS. Sobre esta plataforma de clculo, se ha definido la vivienda tipo representada en el grfico 6, y sobre la misma se han integrado los modelos matemticos de los sistemas de climatizacin definidos




anteriormente, los cuales se han obtenido a travs de los ensayos experimentales de un equipo de expansin directa en una doble cmara climtica. La misma est compuesta por dos cmaras adosadas pero independientes en cuanto a su actuacin, puesto que pueden ser programadas para garantizar distintas condiciones de temperatura y humedad. De esta forma, cuantificaremos la variacin de las propiedades nominales del equipo, carga mxima y COP, en funcin de las temperaturas y contenido de humedad del aire de retorno a ambas bateras, adems del caudal de impulsin de la unidad interior. La idea es la de determinar el comportamiento del equipo dentro del rango de condiciones trabajo a las que se va a ver sometido en una instalacin real. As, conseguiremos un buen acoplamiento entre edificio y sistema.

Grfico 6: Planta de la vivienda.

Como se puede comprobar, la vivienda presenta cinco zonas climatizadas (Saln, cocina, oficina, dormitorio padres y dormitorio nios), y el resto se considerara una nica zona no acondicionada. La superficie de la zona climatizada es de 121 m2, los cuales se encuentran distribuidos segn se define en la tabla 1.

SUPERFICIE (m2)

Saln Cocina Dormitorio PadresDormitorio

Nios Oficina

38.7 21.1 18.6 18.6 24

Tabla 1: Superficie de cada una de las estancias de la vivienda estudiada.

En cuanto al dimensionado de los equipos de climatizacin a utilizar con las dos tecnologas descritas, inverter con zonificacin integrada e inverter no zonificado, se han utilizado las temperaturas de consigna definidas al inicio de este apartado, 23 y 24C en modo calor y fro respectivamente. De esta forma, para la vivienda seleccionada y en todas las localidades estudiadas, se ha obtenido que la eleccin de un sistema inverter con zonificacin integrada implica una reduccin de potencia del equipo seleccionado. Si por el contrario eligiramos un modelo superior, el equipo quedara sobredimensionado, y no aprovecharamos al mximo el rgimen inverter del mismo. Como es conocido, el flujo msico de refrigerante no puede hacerse arbitrariamente pequeo, existe una velocidad mnima para la cual el equipo deja de




funcionar como un sistema inverter para convertirse en un todo-nada, y la reduccin de potencia del equipo pretende evitar este tipo de situaciones. En la tabla 2 se resumen los modelos de equipos inverter seleccionados para cada localidad.

Localidad ModeloZonificado No ZonificadoMadrid PUHZ-RP100 PUHZ-RP125

Barcelona PUHZ-RP100 PUHZ-RP125Valencia PUHZ-RP100 PUHZ-RP125Bilbao PUHZ-RP 71 PUHZ-RP100

Tabla 2: Modelos de los equipos inverter seleccionados para cada sistema.

2. Resultados

Segn se defini en la introduccin, el objetivo del presente estudio es el de comparar la conveniencia de un sistema inverter con zonificacin integrada con las distintas configuraciones de control propuestas por la Corporacin Altra, a travs de su divisin Airzone, con un sistema inverter no zonificado. Los criterios de comparacin que se utilizan son el consumo elctrico anual y el grado de confort aportado por cada uno de ellos. As, el presente apartado se dividir en dos partes, por un lado se comprobarn los niveles de confort aportados, y por otro lado se estudiar el consumo elctrico anual asociado a los mismos.

En la tabla 2 se muestran los porcentajes de confort conseguidos por cada sistema en las localidades estudiadas, Madrid, Valencia, Barcelona y Bilbao. Esta comparacin se ha establecido entre el sistema inverter no zonificado y el sistema inverter con zonificacin integrada, sin tener en cuenta los sistemas de gestin energtica Blueface y Enerface, que modifican las temperaturas de consigna con el objetivo de reducir el consumo elctrico.

As, se han diferenciado los pasos de tiempo que el sistema trabaja en modo fro y calor, y en estos casos, se ha considerado que la zona est en confort si la temperatura de la misma se encuentra dentro de un intervalo de un grado centrado en la consigna, 23 y 24 C en invierno y verano respectivamente. De esta forma, las horas en las que el sistema se encuentra desconectado o no existe demanda en alguna de las zonas, no se consideran en el estudio de confort.




CIUDAD ZONA

HORAS EN CONFORT (%)SISTEMA ZONIFICADO SISTEMA NO ZONIFICADOModo Frio Modo Calor Modo Frio Modo Calor

MADRID

Saln 97.9 % 93.6 % 84.0 % 88.6 %Cocina 99.9 % 96.0 % 0.5 % 42.4 %

D. Padres 98.8 % 98.6 % 49.8 % 8.8 %D. Nios 97.8 % 98.0 % 80.5 % 25.9 %Oficina 92.6 % 89.0 % 21.7 % 51.1 %

BARCELONA

Saln 98.1 % 96.4 % 99.7 % 91.2 %Cocina 99.8 % 97.5 % 1.9 % 53.4 %

D. Padres 98.9 % 98.6 % 48.4 % 17.0 %D. Nios 98 % 98.0 % 83.12 % 43.7 %Oficina 93.0 % 91.9 % 38.0 % 68.5 %

VALENCIA

Saln 98.1 % 96.3 % 98.8 % 90.3 %Cocina 99.8 % 97.5 % 1.1 % 58.5 %

D. Padres 98.9 % 98.6 % 42.8 % 16.7 %D. Nios 98.1 % 97.9 % 77.7 % 41.4 %Oficina 92.9 % 92.3 % 35.6 % 68.0 %

BILBAO

Saln 99.5% 94.8% 99.9% 88.0%Cocina 100% 94.4% 4.39% 29.0%

D. Padres 98.7% 98.6% 30.0% 7.97%D. Nios 98.3% 98.0% 65.6% 25.0%Oficina 93.9% 88.0% 13.8 37.7%

Tabla 3: Porcentajes de horas de confort para ambos sistemas.

Segn los resultados obtenidos, se comprueba que el sistema no zonificado es nicamente capaz de asegurar un porcentaje elevado de confort en la zona controlada, en este caso el saln. Por otro lado, el sistema inverter con zonificacin integrada es capaz de asegurarlo en todas las zonas de forma independiente.

En el grfico 7 se expresan los resultados de ahorro elctrico anual de los sistemas zonificados con integracin, con y sin sistemas de gestin energtica, frente a un sistema inverter no zonificado.




Porcentajes de ahorro de los sistemas Inverter Zonificados con Integracin frente a un SISTEMA INVERTER NO

ZONIFICADO

17%

31%33%

20%

33%38%

42%

33%

41%

51%53%

44%

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

MADRID BARCELONA VALENCIA BILBAO

Inverter Zonificado conIntegracinInverter Zonificado conPasarela EnerfaceInverter Zonificado conPasarela Blueface

Grfico 7: Comparacin de los ahorros energticos anuales de los sistemas zonificados con integracin, con y sin sistema de gestin energtica, frente al sistema inverter no zonificado.

3. Conclusiones

Las conclusiones finales del estudio se definen a continuacin:

1. La prescripcin de un sistema inverter con zonificacin integrada frente a un inverter no zonificado, implica una reduccin de la energa trmica que se combate, y por tanto la posibilidad de seleccionar un equipo de menor potencia trmica. Esta reduccin de potencia es aconsejable para evitar que el equipo quede sobredimensionado, y por tanto aumente el nmero de horas en las que el mismo trabaja como un sistema todo-nada. De esta forma, un sistema inverter con zonificacin integrada consigue reducir el coste inicial de la inversin del equipo de climatizacin.

2. El sistema inverter zonificado con integracin y sin bypass presenta un ahorro en consumo elctrico anual entre el 1.7% y 4.5%, frente al mismo sistema con bypass.

3. El sistema inverter con zonificacin integrada y sin bypass presenta un ahorro de consumo elctrico anual entre el 17% y el 32% frente a un sistema inverter no zonificado. Esta disminucin del consumo elctrico anual se debe a la reduccin de la energa aportada por el equipo, y al aumento del nmero de horas en las que el sistema trabaja dentro del rgimen inverter. Para comprobar este ltimo efecto, se ha calculado el nmero de horas que ambos sistemas trabajan en los distintos regmenes de consumo de un equipo inverter.




Los resultados de las ciudades de Madrid y Barcelona, en modo fro y calor respectivamente, se muestran a continuacin.

SISTEMAMADRID (MODO FRIO)

PLR>1 0.25


muestran los coeficientes de eficiencia medios anuales, obtenidos en modo fro en las distintas localidades estudiadas.

Coeficiente de eficiciencia medio anual en modo fro

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

MADRID BARCELONA VALENCIA BILBAO

Inverter Zonificado con PasarelaEnerfaceInverter Zonificado conIntegracin

Grfico 8: Coeficientes de eficiencia en modo fro del sistema inverter zonificado con integracin y el zonificado con pasarela Enerface

7. El ahorro de consumo elctrico anual que aporta la pasarela Blueface es mayor que el de la pasarela Enerface. A pesar de ello, lo consigue a costa del confort del usuario ya que mantiene las temperaturas de consigna fijas en 21 y 26C en invierno y verano respectivamente.



2011

1. Introduccin.1.1. Antecedentes y objetivos.1.2. Metodologa y sistemas estudiados.

2. Resultados3. Conclusionesportada.pdfMlaga, Febrero de 2011

estudio uma reducido informe modelo zonificacion airzone comparado con sistema inverter

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