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Descripción del Sistema de Climatización Solar por Absorción y de laRed de Monitorización y Control de Edificio del CARTIF
Marta Poncela Blanco, José Ignacio Díaz García, Luis Angel Bujedo Nieto yPedro Caballero Lozano
CARTIF, Parque Tecnológico de BoecilloParcela 205. BoecilloValladolid, España
{marpon, josdia, luibuj, pedcab}@cartif.es
RESUMEN
Se describe la solución empleada para el diseño y puesta en marcha del sistema de
refrigeración solar por absorción del Edificio del CARTIF, así como la solución para la
realización del control y supervisión del sistema.
El empleo de control distribuido permite una
mejor adecuación a cada tipo de variable a
controlar, dotando al sistema de mayor
simplicidad y modularidad.
Palabras Clave: Sistema de refrigeración por
absorción, Control Distribuido, Redes
LonWorks.
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
Los sistemas de generación energética basados en fuentes renovables requieren, para su
funcionamiento óptimo, de un sistema de control y monitorización que actúa sobre ellos.
Dado el elevado coste de las instalaciones de generación con energías renovables, éstas se
s u e l e n d i m e n s i o n a r p a r a
satisfacer las necesidades de consumo de la manera más ajustada posible, con lo que un buen
control y supervisión de los procesos involucrados es imprescindible para hacer viable y
fiable una instalación de este tipo.
Lo que se pretende mostrar en este trabajo es un año de puesta en marcha y funcionamiento
del sistema de refrigeración solar por absorción puesto en el edificio del Cartif.
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
2.1 Emplazamiento.
Las condiciones climatológicas de Boecillo (Valladolid) son similares a las de la mayoría de
la meseta, que corresponden con inviernos duros y veranos calurosos (la mínima es de –8ºC y
la máxima ronda los 38ºC, datos recogidos de la estación meteorológica de CARTIF).
Es importante resaltar que el parque tecnológico es un espacio abierto alejado de zonas
urbanas, por lo que la climatología en invierno es, si cabe, más adversa. Además cada día
existe un importante salto térmico entre la noche y el día.
Esta climatología supone la necesidad de cubrir grandes cargas de calefacción durante un
periodo bastante largo. Pero la refrigeración en CARTIF es también una carga energética
bastante importante ya que se requiere de más de cuatro meses de refrigeración debido no sólo
a las altas temperaturas sino también a las cargas internas que se desprenden de los equipos
informáticos y eléctricos, y las cargas producidas por la ocupación en los laboratorios.
2.2 Máquina de absorción.
La máquina instalada es un grupo de refrigeración YAZAKI WFC10, de simple efecto,
alimentada por agua. Su potencia frigorífica es de 34,9 kW, que ofrece unas condiciones
nominales de 8º C de agua refrigerada para una temperatura de entrada de 88ºC, y un COP de
0.7
2.2.1 Especificaciones técnicas del equipo
Evaporador
Potencia frigorífica (kW) 34.9
Temperatura de salida (ºC) 9
Temperatura de entrada (ºC) 14
Temperatura mínima de salida
(ºC)
8
Caudal nominal (litros/seg.) 1.67
Pérdidas de carga 38.4
Presión máxima de trabajo
(kPa)
588
Generador
C.O.P 0.7
Potencia absorbida (kW) 49.84
Temperatura de entrada (ºC) 75-100
Temperatura de entrada
nominal(ºC)
88
Salto de temperatura (ºC) 5
Caudal nominal (litros/seg.) 2.38
Pérdidas de carga (kPa) 39.4
Presión máxima de trabajo
(kPa)
588
Condensador
Potencia disipada (kW) 84.8
Temperatura de trabajo (ºC) 26-31
Temperatura de entrada
NOMINAL (ºC)
29.5
Temperatura de salida (ºC) 34.5
Caudal nominal (litros/seg.) 4.05
Pérdidas de carga 68.9
Presión máxima de trabajo (kPa) 588
2.2.2 Tratamiento del agua
Los materiales y las condiciones de presión y temperatura del grupo de absorción restringen
muy significativamente la composición química del fluido circulante por el equipo.
En nuestro caso el agua de red estaba bastante alejada de los límites recomendados para la
conductibilidad y alcalinidad. Es por ello por lo que se optó por instalar una pequeña planta
de tratamiento, FE 1000 Dúo de DAFA, con el fin de llevar estos parámetros dentro de los
valores aconsejados.
2.3 Sistema de captación
Se dispone de sistema de captación formado
por dos campos de colectores diferentes uno de
colectores planos y otro de colectores de vacío
este último montado sobre una estructura
giratoria sobre eje vertical. Ambos campos de colectores están ubicados en la azotea del
edificio.
El campo de colectores planos está formado por 15 colectores Viessmann del modelo Vitosol
100. Están dispuestos en tres filas de 5 colectores, con una orientación sur.
Área del colector: 2,5 m2
Tipo de cubierta: Vidrio de bajo contenido en hierro
Rendimiento óptico: 82,6 %
Factor de pérdidas: 3,68 W/m2 K
Inclinación del colector: 40 º
El campo de colectores de vacío lo forman 20
colectores Viessmann, modelo Vitosol 200
dispuestos en cinco filas de cuatro colectores.
Área del colector: 3 m2
Tipo de cubierta: Vidrio de borosilicato
Rendimiento óptico: 78,2 %
Factor de pérdidas: 1,64 W/m2 K
Inclinación del colector: Cada colector está inclinado 15º, y cada placa absorbente dentro del
tubo de vacío está inclinada 25º con respecto al plano del colector, con lo que cada absorbente
está inclinado 40º con respecto a la horizontal.
2.3.1. Sistema de seguimiento
El campo de colectores de vacío está colocado
sobre una estructura giratoria que permite
realizar un seguimiento acimutal del sol. El
motivo de este seguimiento es conseguir el
máximo aprovechamiento posible de la energía solar térmica captada por el campo de
paneles.
Se eligió este sistema de seguimiento de eje vertical frente a los de eje horizontal por ser el
más sencillo a la hora de plantear el conexionado hidráulico de la instalación. Gracias a esto
la única parte móvil del circuito hidráulico es una rotounión que permite el giro de las tuberías
de entrada y salida del campo de paneles.
La plataforma giratoria está formada por una viga curvada que forma una circunferencia de
tres metros de radio y que descansa sobre cuatro puntos de apoyos equidistantes.
Los cuatro apoyos están formados por rodamientos, dos de los cuales están adosados a un
engranaje. Cada engranaje es atacado por un freno motor a través de un bloque reductor. De
este modo el movimiento del motor es transmitido a una caja reductora cuya salida engrana
con los rodamientos motores generando el giro de estos que a su vez, por rozamiento,
transmiten el movimiento a la plataforma.
El sistema dispone de dos conjuntos monobloque motor-freno, aunque dado el equilibrado del
sistema y el par que provoca el bloque motor, el sistema está diseñado para su correcto
funcionamiento con tan solo uno de sus motores.
Las tuberías de circulación han de soportar el giro de la plataforma, por lo que se ha instalado
una rotounión por la que pasan los conductos que vienen del intercambiador.
Se ha planteado un seguimiento discreto, o lo que es lo mismo, la plataforma se posiciona y
posteriormente se detiene durante un intervalo de tiempo determinado hasta que se determina
que su posición debe ser recalculada. La elección de este tipo de seguimiento frente a uno
continuo se ha hecho con el fin de plantear un mecanismo de seguimiento sencillo. Con
posteriores cálculos hemos determinado que la energía captada por sistemas de seguimiento
continuos no es muy diferente (un 2% a lo sumo) de la que se puede obtener con sistemas de
seguimiento discreto de entre 10 y 15 reposicionamientos diarios.
2.4 Sistema de acumulación.
La energía producida por los campos de colectores se emplea, en el invierno, para alimentar
los sistemas de ACS, suelo radiante y bombas de calor agua/aire cuyas temperaturas de
funcionamiento nominales son 45º, 35º y 28ºC respectivamente. En verano, como ya se ha
indicado, se alimenta la máquina de absorción. El agua caliente producida se almacena en
cuatro depósito de 2000 litros (dos depósitos por campo de paneles).
En verano el agua caliente es utilizada para alimentar el generador de la máquina de
absorción. Este sistema de refrigeración también dispone de una acumulación de agua fría de
1000 litros. Esto nos permite, por un lado acumular más energía (aunque en este caso en
forma de frío), evitar conexiones/desconexiones intermitentes de la máquina, y disminuir las
pérdidas de calor debidas a la acumulación.
2.5 Funcionamiento
A la salida de los tanques acumuladores existe
un juego de válvulas de dos y tres vías que
permiten que los secundarios de colectores
puedan funcionar tanto en serie como en
paralelo.
Además el sistema está diseñado para que los
colectores precalienten el agua de alimentación a caldera con diversas opciones de
funcionamiento según que válvulas estén abiertas o cerradas.
3. SISTEMA DE MONITORIZA-CIÓN Y CONTROL
En CARTIF se ha dispuesto una red de monitorización y control, de propósito general, que de
forma distribuida cubre multitud de aplicaciones. Se ha optado por una red LonWorks, que
ofrece todas las ventajas de un sistema distribuido en cuanto a robustez y fiabilidad a un bajo
coste en comparación con otros sistemas industriales.
La red de control abarca las instalaciones térmicas (campos de paneles, suelo radiante y
caldera, sistema de refrigeración convencional, máquina de absorción) y fotovoltaicas (aislada
y conectada a red) y el control de la iluminación y accesos del edificio.
Una red Lonworks está compuesta por un conjunto de elementos inteligentes denominados
nodos, que se comunican entre sí mediante el protocolo Lontalk, basado en el modelo OSI, a
través de diversos medios físicos. Existen también elementos específicos para
encaminamiento por la red, routers, y se dispone de múltiples interfaces y medios de
transmisión.
Los subsistemas básicos de que consta una red Lonworks son:
− Controladores Neuron Chip y firmware asociado (que incluye soporte para protocolo
LonTalk).
− Transceivers que permiten la conexión a los distintos medios físicos de transmisión.
− Módulos de control Lonworks que incluyen el Neuron Chip, transceivers y memoria
externa.
− Routers que sirven de encaminadores entre diferentes subredes y/o medios de transmisión.
− Interfaces de red mediante los cuales se pueden interconectar otros elementos no basados
en el protocolo Lontalk como pueden ser ordenadores personales, PLC, etc.
− Herramientas de instalación, configuración y diagnóstico tanto de los nodos como de la
red de control.
− Herramientas de desarrollo de aplicaciones, compilador Neuron C, enlazador,
depuradores, etc.
El carácter abierto de esta tecnología permite el desarrollo de nodos, siempre basados en el
Neuron Chip, con hardware específico para la aplicación concreta de control, junto con otros
comerciales, para aplicaciones más genéricas.
3.1 Monitorización
Es habitual, en los sistemas controlados de manera automática, disponer de una
monitorización de los diferentes elementos de la instalación. En nuestras instalaciones están
monitorizados cada uno de los elementos que la forman. En cada una de las pantallas se
puede ver tanto las medidas tomadas de cada uno de los componentes así como el estado de
los diferentes subsistemas. Las aplicaciones desarrolladas para la presentación por medio de
la web y los correos electrónico nos ha permitido ampliar las, ya de por si, ventajas de
cualquier monitorización pudiendo hacer el seguimiento de la instalación desde cualquier
punto de la red, sin necesidad de acercarse al equipo encargado de la misma.
Se miden más de 50 temperaturas repartidas por las instalaciones a través de sondas digitales
de bajo coste, 10 caudales de precisión (principalmente en la instalación solar térmica), y 10
medidores de presión, tanto absoluta como diferencial. Se actúa sobre válvulas de dos y tres
vías, bombas de impulsión, y arranque y paro de todos los equipos.
3.2 Control de la planta giratoria.
El automatismo de la plataforma se realiza a través de tres nodos de control LonWorks.
Dichos nodos se denominan Nodo Supervisor, Variador y de Seguimiento respectivamente.
Este último lleva en memoria el algoritmo que determina la posición del sol en cada instante,
y con ello determina la posición exacta de la plataforma. Para ello se dispone de sensores
magnéticos que determinan la posición gracias a unas placas metálicas dispuestas
equidistantes a lo largo de la viga circular de la plataforma. Además se han dispuesto dos
fines de carrera en las posiciones ±130º que aseguran que la plataforma no gira más allá de
dichas posiciones. Actúan como interruptores que cortan la tensión a los motores,
deshabilitando el arranque en ese sentido y habitándolo en sentido contrario de giro
Con los datos de radiación global y difusa se mejora el control del giro de la plataforma. La
orden dada por el algoritmo de control que determina la posición queda cancelada si la
tendencia de la radiación es a permanecer difusa, ya que en estos casos el seguimiento carece
de eficacia.
El sistema también dispone de control manual,
que permite el giro en ambos sentidos.
Además, debido al volumen de la plataforma,
existen diversos dispositivos de emergencia.
3.2 Control de bombas
Las bombas dispuestas a lo largo del circuito (primario y secundario de ambos campos de
paneles, bombas de los circuitos del generador, evaporador y condensador del grupo de
absorción) disponen de variadores de frecuencia controlados a través de la red LonWorks que
nos permiten ajustar las características de altura y caudal de las mismas en función de las
temperaturas necesarias, radiación, etc. Además los nodos de control nos permiten tener
monitorizadas tanto las alarmas como el estado de funcionamiento de las mismas.
4. EXPERIENCIAS TRAS UN AÑO DE FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de la máquina de absorción ha sido satisfactorio, no constatándose ningún
problema. El siguiente paso que quiere realizarse es ensayar su comportamiento fuera de los
rangos nominales de funcionamiento.
La plataforma giratoria soporta los colectores de vacío, cuya eficiencia es mayor que la de los
colectores planos, aunque también es mayor su fragilidad. Se observó que debido a los
arranques y paradas en seco que realizaban los motores, algunos tubos de vacío se rompían en
la unión cobre-vidrio. Por este motivo se tuvo que incorporar variadores de velocidad a los
motores que mueven el sistema para suavizar con ellos el arranque y parada bajo
funcionamiento normal.
Se incorporaron dos variadores Altivar 28 de Schneider a los que se ha dotado de las
siguientes funciones:
- Se han programado las aceleraciones y deceleraciones en dos rampas, es decir, se
realiza un primer arranque muy lento para vencer el rozamiento estático, y vencido
este se continúa con una segunda rampa menos suave hacia la velocidad nominal.
- Se han ocultado ciertas frecuencias eléctricas de alimentación que se han relacionado
con las frecuencias mecánicas de vibración más significativas.
Se ha puesto en marcha una red LonWorks de control distribuido de lo que se pueden sacar
las siguientes conclusiones:
- Se están corroborando las características más destacadas de la red LonWorks, al
utilizar diferentes medios de transmisión (red eléctrica, radio frecuencia y par
trenzado), topologías libres de red (mezcla de anillos y buses) y minimizar el tiempo
de instalación y ampliación, cuando ha sido necesario.
- El control distribuido ha permitido la independencia de cada uno de los subsistemas
formados, pudiendo reprogramarse cada módulo por separado, sin interferir ni para el
resto de módulos.
- Los módulos desarrollados se encargan principalmente de la medida y control de las
distintas temperaturas analizadas, para lo cual implementan un protocolo de
comunicación 1-Wire para la comunicación con las distintas sondas digitales de
temperatura.
- Se ha desarrollado el software para programar los controladores, los cuales están
basados en el microcontrolador “neuron TMPN350B1F”. Este software implementa el
algoritmo de control óptimo sobre las variables a controlar.
Las primeras estimaciones fijan el ahorro energético conseguido con el control distribuido y
la supervisión en torno a un 30% debido fundamentalmente al control integrado de todos los
equipos y a la detección de fallos inmediata
AGRADECIMIENTOS
Este Trabajo está siendo financiado gracias a la Unión Europea y la CICYT a través del
proyecto FEDER “Desarrollo, control y supervisión de un sistema integrado de energía solar
y eólica en un edificio energéticamente autónomo” (ref: 1FD97-0863-C02-01) cuyo I.P. es
Luis Javier de Miguel González.
REFERENCIAS
[1] Creus, A. “Instrumentación industrial” Marcombo, 1997.
[2] Duffie, J.A. y Beckman, W.A. “Solar Engineering of Thermal Processes” Wiley
Interscience, 1991
[3] Iqbal, M. “An Introduction to Solar Radiation”, Academic Press, Toronto (1983)
[4] “Active Solar Systems” MIT Press (1993)
[5] Rabl, A. “Active Solar Collector and their Aplications” Oxford University Press
(1985)
[6] “Equipos de Refrigeración por Absorción” Instituto Nacional de Técnica
Aeroespacial.
[7] “Grupos Refrigerantes por Absorción de Agua Caliente” ESESA (1996)
[8] Vela, B. J. “Sistema de Control de una Planta de Refrigeración por Absorción”
[9] Van Hattem, D. y Actis, P. “Description and Performance of an Active Solar Cooling
System, Using a LiBr-H2O Absorption Machine” Energy and Buildings, 3 (1981) 169-196