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Control y monitoreo de sistemas HVAC

Mucho se dice con respecto al uso de sistemas inteligentes de aire acondicionado, del ahorro energético y de las estrategias que contribuyen a mejorar la interacción de dichos sistemas con el medioambiente. La supervisión de su consumo total y uso correcto son dos factores fundamentales para continuar por el sendero del gasto responsable, los cuales pueden llevarse a los mejores niveles mediante estas técnicas.

Diversas empresas usan tecnología que, con la ayuda de control y monitoreo precisos, puede supervisar el estado de los elementos que interactúan en un proceso en tiempo real.
Mucho se dice con respecto al uso de sistemas inteligentes de aire acondicionado, del ahorro energético y de las estrategias que contribuyen a mejorar la interacción de dichos sistemas con el medioambiente. La supervisión de su consumo total y uso correcto son dos factores fundamentales para continuar por el sendero del gasto responsable, los cuales pueden llevarse a los mejores niveles mediante estas técnicas.
Redacción.
El monitoreo de los equipos HVAC facilita al operador visualizar los parámetros de un proceso, ya sea residencial, comercial o industrial, así como la obtención de gráficos y tendencias de consumo para cada equipo monitoreado, con un objetivo: obtener ahorros; es decir, controlar el gasto por operación y el mantenimiento requerido.
Un sistema de aire acondicionado está compuesto por distintos dispositivos comunicados, que se enlazan a una red y se monitorean desde una computadora o una estación. Esto nos permite controlar, supervisar y mantener la comodidad de los ocupantes de un recinto, o la eficacia de un proceso si hablamos de aire acondicionado para oficinas, hoteles, centros comerciales, farmacéuticas, cuartos de hospitales o laboratorios.
A partir de eso, surge la necesidad de establecer un método de observación para la función de los sistemas. Ésta se resume en cuatro puntos: administración, operatividad, comodidad y ahorro de energía.
La administración, a grandes rasgos, analiza las condiciones actuales de consumo. Con base en ellas, ejecuta acciones para obtener la máxima eficiencia de los equipos; es decir, aprovecharlos al ciento por ciento y de la mejor manera posible. Dicho de otra forma: si se ocupa un equipo al 50 por ciento de su capacidad, el control establecerá que el equipo sólo trabaje exactamente 50 por ciento. Se ocupa lo que se requiere y se obtiene lo que se necesita.
El ahorro energético se enfoca en que los sistemas empleados consuman sólo la cantidad de electricidad necesaria para funcionar adecuadamente. Para lograrlo, se deben fabricar controles que respondan a las necesidades cada vez más precisas del mercado. El control debe garantizar a los usuarios que ahorrarán energía; de otro modo, prescindirá de usarlo. En otras palabras, el ahorro se cuantifica por metro mediante la medición y recopilación de datos de consumo en cada uno de los equipos instalados dentro de recintos específicos: consumo claro y preciso. De igual forma, la operación de los sistemas de control debe ser sencillo y no presentar dudas para el cliente, que ya ha dado el paso importante: buscar un consumo responsable.
Es aquí donde se vuelve importante la operatividad, ya que la facilidad y practicidad en el manejo de los sistemas fomentarán su difusión. Si el equipo presenta dificultades al usuario, de modo que se vuelve más un problema que una solución, no llegará a representar una opción para mejorar el funcionamiento de los sistemas HVAC. En cambio, si la claridad del manejo está al alcance de los usuarios como una característica imprescindible, tomada en cuenta desde el diseño por el fabricante, la implementación de sistemas de monitoreo será cada vez una práctica más cotidiana.
Al lograr que sea fácil y práctico, la comodidad está casi implícita. El consumo necesario, la máxima eficiencia y el uso apropiado brindan condiciones de confort a los usuarios, pues no vuelven a enfrentarse con espacios mal climatizados por sistemas que permanecen funcionando sin necesidad o dejan de hacerlo cuando son necesarios. Monitorear y establecer esquemas de trabajo para los equipos diluye la dificultad. Del mismo modo, como los equipos se encuentran trabajando del modo que el cliente requiere, las inquietudes financieras y la ascendente preocupación por dañar lo menos posible las condiciones ambientales se disuelven, brindando sosiego a los usuarios, lo que equivale a mayor comodidad.
Básicamente, todo está orientado hacia la funcionalidad de los sistemas. La operatividad, entonces, se definiría como una práctica que consiste en minimizar los tiempos muertos de cada equipo, la detección de fallas de manera oportuna, así como el programa de mantenimiento del sistema. Gracias a la implementación de sistemas de control, se pueden detectar los problemas que ocurren, desde una central, sin tener la necesidad de buscar exhaustivamente en toda la instalación para hallar el punto preciso en dónde se encuentra el desperfecto, puesto que el sistema de sensores que está monitoreando cada una de las máquinas indica el lugar exacto de la falla.
A cada uno de ellos es posible instalarle una alarma, un punto de demanda que, si se llega a superar o a operar por debajo de él, manda una señal de alerta que especifica cuál sensor está activado y dónde está ubicado. Entonces, no existe la necesidad de enviar una cuadrilla de dos personas o más para que recorran todo el sistema y encuentren el origen de la falla. Sólo es preciso enviar a uno que sabrá de antemano hacia dónde dirigirse para verificar qué ocurre y el estado del equipo. El tiempo que antes se emplearía en la detección del desperfecto, por tanto, se puede utilizar para reparar la falla, dar mantenimiento o cualquier otra labor más relevante para conservar de la mejor manera las condiciones operativas del sistema entero. Se estará haciendo más eficiente la labor del recurso humano.

Paulatinamente, los sistemas de monitoreo y control han ido ganando terreno gracias a los beneficios apenas descritos. El ingeniero Isael Juárez, de Dominion Industrial, comenta cuándo y cómo surge su uso: “Hace dos décadas empezó el monitoreo del aire acondicionado. No había conciencia de que el AA en un edificio, en un comercio –fuera la aplicación que fuera–, implicaba un gasto energético considerable: entre 40 y 50 por ciento del consumo total. Antes, muy rara era la persona que analizaba este tipo de situaciones: qué insumos tiene, cuánto gasta el edificio y ver cómo puede reducir los gastos, los cuales en muchas áreas, en la actualidad, se siguen teniendo.”

A pesar de esto, los dividendos que pueden obtenerse si se implementan estos sistemas aún no se comprenden en su totalidad, lo que deriva en clientes que eluden su uso: “Voy a establecimientos comerciales, como gimnasios, y les explico en qué consisten los sistemas de control; todos dicen que está muy bien pero que no aplica, porque ‘necesitamos algo muy sencillo’, y eso del control no lo ven costeable. El asunto es que no sólo se trata del aire acondicionado. Ahora se pueden integrar más sistemas.”

Uno de los problemas que más preocupa a los usuarios es el consumo energético del AA; sin embargo, es el que menos se atiende. Regularmente, la instalación se enfoca en cuánto espacio va a ocupar, cómo se va a ver en el sitio y cuánto va a costar. El rendimiento eléctrico debe considerarse como un punto importante cuando se piensa en el costo del equipo, pues a la larga es donde dichos sistemas se tornan más caros, además de los problemas adicionales que puede acarrear el gasto eléctrico irresponsable. “Les pregunto si tienen multas por parte de la CFE y responden que sí.

Todos tienen problemas porque no cuentan con una regulación del consumo de energía y sobrepasan los límites de consumo que establece la CFE; a eso le llamamos control de demanda máxima”, explica el ingeniero Juárez.

Se le conoce como demanda máxima al límite establecido en el contrato de servicio con CFE. Dependerá del tipo de línea que se contrate (casa habitación, edifico, comercio, industria). El contrato establece que el usuario no debe sobrepasar la demanda máxima especificada. Si se rebasa el límite, será acreedor a una multa por cada ocasión que se exceda. Cuando las multas se acumulan, la Comisión anula el contrato y establece otro con mayor capacidad de consumo.

El asunto es que la tarifa se incrementa, y los usuarios no contemplan el coste que propiciará tal modificación, el cual siempre es mucho mayor. “Una de las prioridades de estos sistemas –señala Juárez– es controlar esa parte: la demanda máxima. Se establecen estrategias que se programan en el controlador, que, auxiliado por medidores de energía, mide el consumo. En condiciones normales, cuando enciendo el sistema, todos los equipos se encienden y se origina un pico en el consumo; ese pico generará multas. Con el control, hago que los equipos se enciendan por etapas, no de un sólo golpe.”

El control y el monitoreo son más comúnmente usados en oficinas comerciales, hospitales e industrias, por el tipo de consumo generado en esos sitios y para ajustar sistemas más antiguos a las demandas actuales de las edificaciones. “Manejamos una aplicación interesante en cuanto a edificios ya existentes, cuyo sistema de aire acondicionado no ofrece las condiciones de confort necesarias, puesto que se diseñó en una época en la que no había computadoras y las cargas térmicas han variado. Aplicamos nuestra experiencia en equipos y controles de sistemas, platicamos con el cliente sobre su requerimiento y le mostramos un reemplazo para sus equipos”, señala el ingeniero Gerardo Sánchez, gerente de Sistemas de Automatización de Edificios para Trane México.

Cuando se intercambia un equipo o una serie de ellos, el monto financiero que el usuario debe aportar, la mayoría de las veces, supera su presupuesto. Aun así, el ingeniero Sánchez señala que, “en cuanto al retorno de inversión, se logran significativos ahorros de energía con la misma calidad de confort. El precio total que va a pagar es, a final de cuentas, una solución financiera.”

Los constantes cambios tecnológicos y el creciente mercado competitivo han orillado a la industria a mejorar las técnicas de control

Estrategias que generan ahorro

Al utilizar un control para horarios, los equipos trabajarán sólo cuando se requiera y se proporcionará confort. “En el aire acondicionado es común arrancar los sistemas antes de que sea ocupado un espacio para que cuando lleguen los usuarios el lugar provea comodidad. Habrá ocasiones en que el usuario quiera ajustar la temperatura a su horario de trabajo. Esto lo puede realizar desde un celular inteligente con red a internet.

”Además del control por horario, pueden emplearse otras estrategias, dependiendo del tipo de sistema de aire acondicionado, que nos permitirán disponer de la capacidad de aire que se requiera en determinado momento; ahí es donde se producirá el ahorro importante. Dado que el sistema de AA en los edificios comerciales representa en operación entre 35 y 50 por ciento del total del consumo eléctrico, este tipo de control permitirá incidir de manera más significativa en la reducción de la carga por operación”, menciona Gerardo Sánchez.

Los avances en las tecnologías de la información y accesibilidad brindan una herramienta más a los sistemas de control y monitoreo, a través de las cuales se puede supervisar constantemente y a distancia el funcionamiento de los equipos de AA. Por lo general, el fabricante de los equipos de control tiene sus propias soluciones independientes y cuenta con algunas que son compatibles con las demás, llamadas soluciones abiertas o soluciones cerradas.

En otros términos, se diría que son las estrategias generadas por el operador o el usuario las que dan origen al ahorro buscado, pues, como describe el ingeniero Isael Juárez, “El concepto en sí de lo que sería un sistema de control no existe en ninguna literatura, porque todos lo interpretan de diferentes maneras. Un técnico o un ingeniero conciben a un sistema de control de aire acondicionado desde el punto de vista operativo: los controles, los sensores y lo que controlas si hay un monitoreo; en cambio, si quien lo piensa es la parte de gerencia, se trata de un sistema de control que comprende esos elementos, pero que me llevan a un objetivo, que es obtener ahorro, controlar los gastos de operación, mejorar y disminuir la demanda de mantenimiento, etc. En otras palabras, son diferentes visiones dependiendo de quién lo ve”.

Desde su perspectiva, Juárez concibe a los sistemas de control como soluciones integrales. “No se trata de un producto, porque lo componen varios dispositivos comunicados mediante un bus de comunicación o de una red, que es lo interesante de esto. Todos los dispositivos se enlazan a una red de comunicación y los podemos monitorear desde una computadora, desde una central o desde una estación. Las plataformas son las estaciones de trabajo.”

Los horarios programados establecen la temperatura en el nivel más apropiado cuando se detecta la presencia o ausencia de ocupantes en un sitio determinado

Cada desarrollador planea y da origen a este tipo de tecnologías, las cuales están prácticamente estandarizadas para su uso en todo el planeta. Se trata de una situación similar a la que experimentan los sistemas operativos de las computadoras comunes, que utilizan, en general, las plataformas de Microsoft o Macintosh como base principal, pero después van añadiendo elementos compatibles para adaptarse a las necesidades de cada usuario específico. Del mismo modo, las plataformas para el control de AA se planean con esta visión global y facilidad de adaptación, además de que se actualizan constantemente –digamos, cada uno o dos años–, tal  y como sucede con las computadoras ordinarias. Los avances que se logren, independientemente de la empresa que los desarrolle, se implementarán en la mayoría de las plataformas para mejorar su sistema operativo y, por tanto, la eficacia de los sistemas de control y monitoreo.

En la mayoría, existe la tendencia hacia la comunicación vía web. Sobre el explorador de la red se escribe una dirección que permite ingresar en el sistema por medio de la PC, que es lo más común. Una vez ahí, se puede enlazar al sistema y configurar sus horarios. Dicha página web la ocupan las personas encargadas de la ingeniería. Para la gente de la planta o del edificio, se establece una aplicación más o menos similar, que cuenta con mayor número de gráficos en lo que sería, propiamente, una página de internet. En ella se encontrarán los diferentes dispositivos. La función de programación le permite al usuario establecer los horarios de trabajo, de manera que puede asignar horarios corridos e incluso intermedios.

Otra de las razones por la que se ha establecido una plataforma vía internet es prescindir de una pantalla en casa o en el lugar donde se instalan los sistemas de AA que muestren el monitoreo constante. “Entre todos los fabricantes –apunta Gerardo Sánchez–, existe una tendencia destacable a que en todas las interfaces no se tenga una pantalla, una computadora a un lado donde está el tablero o el sistema, exclusiva para monitorear ese sistema, sino que, ahora, se envía todo por web. Desde cualquier computadora, puedo ingresar en el sistema y realizar cambios, ya sea en horarios, o ya sea que fuerce a algún equipo a activarse y que quede fuera de lo que serían las estrategias que le impuse.”

Este tipo de plataformas requiere que el usuario cuente con una contraseña de acceso para poder monitorear él mismo el consumo registrado de cada uno de sus equipos; el instalador se encargará de brindar tales claves para mantener al usuario informado del trabajo de sus sistemas.

Si bien es cierto que la tendencia hacia el control del AA se ha ido extendiendo y ha evolucionado, pues su principal objetivo es ahorrar energía, el porcentaje de ahorro no va a ser siempre el mismo para todas las empresas; los porcentajes no pueden generalizarse. Cada zona geográfica, cada edificación, cada sistema arrojará diferentes resultados, pues sus características son distintas.

La mayor importancia del control y monitoreo radica en la cuestión económica, principalmente, y en la parte de la comodidad. “En una oficina, garantizo el confort de los usuarios en términos de AA y de iluminación; con estos elementos, la productividad de la gente se va a incrementar. Por otro lado, la eficiencia de estos sistemas está creciendo y convergiendo igual que otras ramas de la automatización hacia las tecnologías IP, hacia las ciencias de las comunicaciones entre diversos tipos de cómputo”, ejemplifica el ingeniero Jorge Hagg, gerente de Desarrollo de Negocios de Buildings para Schneider Electric y presidente del Instituto Mexicano del Edificio Inteligente (IMEI).

La administración remota se ha venido posicionando con importancia innegable, pues hace posible el control total de las instalaciones, permitiendo evaluar, configurar y almacenar continuamente información de temperatura, humedad, tiempo, presión y voltaje. Con una base de datos de este calibre, el usuario o el operador están posibilitados para modificar los parámetros de los controladores con total seguridad y precisión. Incluso, les permite obtener gráficos e informes detallados, enviar mensajes de alerta a direcciones electrónicas o teléfonos celulares, en caso de que los parámetros se encuentren en desacuerdo con los límites estipulados por el usuario, entre otras acciones.

Jorge Hagg explica de manera simple el tipo de proceso para monitorear y controlar sistemas: “Hay varias formas de hacerlo. Imaginemos un ciclo cerrado. La primera parte del ciclo es donde se produce el AA, ya sea calefacción en época de invierno o aire frío. Ese aire lo genera una máquina desde una azotea o una ventana, y lo distribuye por el edificio. El AA debe llevar cierta presión, nivel de temperatura y de humedad, los cuales, dependiendo de las condiciones y la ubicación geográfica, van a variar. Si estoy en un lugar donde se manejan equipos electrónicos o papel, los niveles tienen que ser los más bajos posibles. Si es una zona comercial, quizás conviene un ambiente poco húmedo para garantizar el confort de los usuarios y que no sea un aire tan seco.

”Ahora, ese aire se va a mezclar en un cuarto o en varios cuartos con un aire existente. En algunas ocasiones, puedo medir el nivel de concentración de CO2 o simplemente las diferencias de temperatura en los extremos del cuarto para saber si necesito inyectar más o menos cantidad de aire para que la temperatura de ese cuarto sea más homogénea. Entonces, requiero de un par de termostatos o, dependiendo del números de cuartos, un mayor número de termostatos que estén censando la temperatura de esa habitación.”

Debido a la gran cantidad de variaciones que se están gestando en la actualidad, a lo largo y ancho del planeta, como el tan sonado cambio climático, la economía mundial está sufriendo diversas transformaciones. Por tal razón, todos tenemos que adaptarnos; lo que no excluye a los equipos computarizados. Todo va de la mano porque la sostenibilidad de un edificio, de un comercio, de una plaza no se logra cambiando un equipo o simplemente apagando las luces. Se requiere de un conjunto de elementos que se deben tomar en consideración para realmente lograr que los sistemas sean amigables con el medioambiente, sean autosuficientes, maximicen sus recursos y hagan un uso racional de los recursos energéticos.

“Porque también en ese sentido estamos en crisis; básicamente, con los combustibles. Esta parte de la sostenibilidad pretende que logremos, además de la administración de todo un edificio, que ese edificio integre tecnologías alternativas, como las energías renovables. En este rubro, lo más común es la parte de los paneles solares, calefactores solares, el uso de materiales que ayudan a potenciar la parte de la energía. Básicamente, en la época en la que estamos, debemos de eficientarlo todo: captación de agua, energías verdes. Ahora está muy sonado lo que es la huella de carbono; es decir, cuánto estoy colaborando con el medioambiente. Es una estimación que se hace para evaluar cuántas emisiones de CO2 estoy evitando que se liberen hacia la atmósfera”, enfatiza Hagg.

En tal sentido, el sistema en cuestión estará monitoreando el trabajo y la cantidad de energía consumida por cada uno de los equipos empleados en un espacio; esto le permitirá al usuario fabricar estrategias. Por el lado de las energías alternativas, éstas colaborarán a que se maximice el funcionamiento y se ocupen en menor cantidad los recursos que son más costosos; por ejemplo, si se implementa el empleo de paneles solares, la dependencia del usuario del suministro de energía de la red nacional se verá disminuido, pues estará generando parte de su energía; inclusive, el total de ella. Todos los sistemas estarán consumiendo menos y de forma más eficiente.

En cuanto al ahorro por medio del control y monitoreo, son varias estrategias, desde la demanda máxima, los sensores, los horarios de uso. Se trata de una serie de maniobras que requieren estrategias de control diseñadas específicamente y que se programan en el mismo sistema. En dado caso que se llegara a presentar una situación de demanda máxima, la programación del sistema permite tomar la acción correspondiente para contrarrestar el suceso y evitar que se exceda el límite de consumo. Asimismo, el sistema sabrá qué acción aplicar en caso de que el sistema no tenga o quede fuera del horario de operación. El objetivo es, básicamente, disminuir el consumo energético que, muchas veces por descuido, estamos desperdiciando.

Aplicación y usuarios

Así pues, mediante el control se programa un rango ligeramente por debajo del límite establecido en el contrato de energía. Cuando el consumo se esté acercando demasiado al límite, el sistema pondrá en acción una estrategia de control que el propio instalador ha establecido, desde el momento en que elaboró su plan de ingeniería de programación. Con tal plan, se evita la necesidad de apagar todos los equipos cuando se presente una situación de este tipo. El sistema permite seguir una lógica razonable que consiste en hacer en todas las áreas una discriminación o categorizarlas: cuáles son prioritarias; cuáles, las que nunca deben apagarse porque son las zonas críticas, o es la oficina del gerente, etc., y cuáles son las menos fundamentales, en las que se puede, de una u otra manera, sacrificar uno, dos o más grados de confort. “Con base en eso hago un listado y hago grupos. Cuando estoy alcanzando mi punto de demanda máxima, pongo en marcha la estrategia. En las áreas que considero menos importantes, se empieza a hacer un ciclo de encendido y apagado de los equipos. De manera continua se van ciclando, de modo que baje mi consumo de energía; pero, también, que en esas áreas no se castigue demasiado el confort. Con esta maniobra, el consumo se va a mantener o se va a reducir, y no llegaré a sobrepasar el límite de demanda”, especifica Hagg.

Por otro lado, si el sistema es incapaz de poner en acción la estrategia planeada con anterioridad, debido a cualquier falla, las señales de alarma establecidas se activarán y serán enviadas a la estación de control. En cualquiera de los dos casos, se consigue hacer más eficientes los procesos de cada equipo y lograr que el consumo total – llámese electricidad, refrigerante, agua, etc. – arroje registros menores de los que se presentarían si el sistema no estuviera monitoreado.

Para un usuario, saber que si introduce una estrategia de control de demanda, se ahorrará todas las penalizaciones de CFE, es un primer punto de gran valía. Cuando se está consciente de eso, el sistema de control y monitoreo se torna interesante. Por otro lado, si se le explica al usuario que con un equipo de operación remota se diluyen las inevitables fallas y errores humanos, además de los descuidos por olvido (lo más típico, se nos olvida apagarlo alguna vez o a la hora de la comida, por prisas, etc.), se da cuenta de lo útil que resulta tener un sistema programado. En vez de generar gastos adicionales por malos funcionamientos o por el uso de equipos no requeridos, se eliminan tales posibilidades.

Para lograr esos resultados, se recurre a dos puntos importantes. Uno, el uso de sensores de presencia que detectan cuando una persona se encuentra en determinado sitio, de modo que se active el aire acondicionado y opere de manera normal; en caso contrario, el sistema se instala en modo de energía. Otro son los horarios de operación, en los cuales la calendarización, generalmente semanal, brinda libertades para especificar una rutina normal de oficina: que de 8 a 2 de la tarde el equipo se ponga en operación; de 2 a 3, en desocupación. Es decir, que no trabaje cuando no sea necesario.

El uso de equipos para el control y monitoreo se ha difundido mediante diversas fuentes. Universidades, asociaciones (como AMERIC, IMEI, ASHRAE, NFPA) y foros especializados para contratistas e instaladores han participado en la difusión de un sistema que brinda seguridad para suprimir el problema de consumo excesivo que presentan los sistemas AA.

Un edificio que cuenta con este tipo de tecnología es la Torre Mayor, en la Ciudad de México. Todo el sistema se puede controlar apretando un solo botón; incluso, puede funcionar por sí solo. Uno más es el edificio HSBC de Paseo de la Reforma. En este caso se utilizó un sistema automatizado por Schneider Electric. Se usaron fichas con control de acceso, el control del aire acondicionado y se programó de acuerdo con cierto patrón de desempeño del edificio.

“En general –redunda Hagg–, la tendencia es utilizar protocolos de comunicación o lenguajes de comunicación más abiertos; es decir, redes internas que usen el correo electrónico o, tal vez, el teléfono dentro de la oficina. Funciona en integración con los sistemas de los componentes de los sistemas de control para poder tener sistemas de monitoreo continuo”.

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