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© 2016 Instituto Tecnológico de la Energía 28 de noviembre de 2016

Protocolos de gestión para el mantenimiento predictivo de los Activos Energéticos en la ciudad

CIUDAD ENERGÉTICAMENTE INTELIGENTE (CEI)

Entregable E6.2.

CIUDAD ENERGÉTICAMENTE INTELIGENTE (CEI) 3 / 53

Resumen Este entregable se enmarca dentro del paquete de trabajo PT6”Diseño y Desarrollo de herramienta avanzada de mantenimiento”, que tiene por objeto optimizar el funcionamiento de los servicios de una Smart City durante su tiempo de vida útil. Por dicho motivo se plantea el diseño y desarrollo de herramientas para mejorar la operatividad y simplificar el mantenimiento en las ciudades.


Índice de contenido

1. Introducción 6

1.1 Descripción del proyecto .................................................................................. 6

1.2 Objetivos del documento .................................................................................. 7

1.3 Estructura del documento................................................................................. 7

2. Mantenimiento de recursos energéticos 7

2.1 Glosario .......................................................................................................... 7

2.2 Introducción .................................................................................................... 8

2.3 Definición indicadores de climatización ............................................................ 10

2.3.1 Climatización eléctrica - Con bomba de calor reversible 10 2.3.2 Climatización térmica - Calefacción con suministro de combustible fósil 23 2.3.3 Climatización mixta - con caldera y enfriadora 34

2.4 Definición indicadores de fotovoltaica .............................................................. 37

2.5 Definición indicadores de almacenamiento ....................................................... 41

2.6 Conclusión .................................................................................................... 49

2.7 Aplicación ..................................................................................................... 50

3. Bibliografía 53


Índice de figuras Figura 1: Instalación de aire acondicionado con una unidad interior que distribuye por conductos y

una unidad exterior. Fuente: [3]. ............................................................................................................... 11 Figura 2: Instalación de aire acondicionado con una unidad interior que distribuye por conductos y

una unidad exterior. Fuente: [3]. ............................................................................................................... 11 Figura 3: Instalación de aire acondicionado con una unidad exterior que distribuye el gas refrigerante

a varias unidades interiores. Fuente: [4]. ................................................................................................. 12 Figura 4: Esquema del ciclo de calor reversible. Fuente: ITE. ......................................................................... 13 Figura 5: Circuito climatización centralizada con bomba de calor reversible. Fuente: [5]. ...................... 16 Figura 6: Instalación central de calefacción con elementos terminales. Fuente: [5]. ................................ 23 Figura 7: Principio de circuito de climatización centralizada con calderas. Fuente: [5]. ........................... 27 Figura 8: Funcionamiento de la instalación en modo calor. Fuente: [5]. ..................................................... 35 Figura 9: Funcionamiento de la instalación en modo frío. Fuente: [5]. ........................................................ 36 Figura 10: Selección del tipo de instalación. Fuente: ITE. ............................................................................... 50 Figura 11: Pantalla de inicio de selección de la instalación por el usuario. Fuente: ITE. ........................... 51 Figura 12: Pantalla de selección de la instalación por el usuario. Fuente: ITE. ........................................... 51 Figura 13: Visualización KPIs: instalación mixta y centralizada. Fuente: ITE. .............................................. 52

Índice de tablas Tabla 1: Definición de requisitos. Fuente: ITE. .................................................................................................. 14 Tabla 2: Definición de requisitos. Fuente: ITE. .................................................................................................. 18 Tabla 3: Rendimientos para bombas de rotor húmedo. Fuente: [6]. ........................................................... 19 Tabla 4: Rendimientos para bombas de rotor seco. Fuente: [6].................................................................... 20 Tabla 5: Definición de requisitos. Fuente: ITE. .................................................................................................. 22 Tabla 6: Rendimientos mínimos de las calderas. Fuente: RITE, [8]. .............................................................. 24 Tabla 7: Definición de requisitos. Fuente: Minetur. ......................................................................................... 26 Tabla 8: Rendimientos mínimos de las calderas. Fuente: RITE, [8]. .............................................................. 29 Tabla 9: Rendimientos para bombas de rotor húmedo. Fuente: [6]. ........................................................... 30 Tabla 10: Rendimientos para bombas de rotor seco. Fuente: [6]. ................................................................ 31 Tabla 11: Definición de requisitos KPI_5.3. Fuente: ITE. ................................................................................. 33 Tabla 12: Definición de requisitos KPI_6. Fuente: ITE. ..................................................................................... 39 Tabla 13: Definición de requisitos KPI_X. Fuente: ITE. .................................................................................... 41 Tabla 14: Definición de requisitos KPI_8. Fuente: ITE. ..................................................................................... 42 Tabla 15: Definición de requisitos KPI_9. Fuente: ITE. ..................................................................................... 44


1. Introducción

1.1 Descripción del proyecto

El proyecto CEI propone mejorar el estado energético y ambiental de áreas habitadas de las ciudades a través de la correcta gestión de las infraestructuras y recursos que disponen las mismas.

Esta mejora se propone desde el desarrollo de sistemas tecnológicos que permitan controlar los estados energéticos y ambientales de áreas que tiendan a ser optimizadas energéticamente. Habitualmente, y más con la irrupción de las Redes Inteligentes, estas áreas dispondrán de:

1. Nodos de consumo.

2. Nodos de generación y almacenamiento.

3. Nodos de consumo que disponen de recursos de generación y almacenamiento integrados. Nodos Activos.

4. Nodos observables y controlables de la red de distribución de energía.

5. Servicios tecnológicos asociados.

Por tanto el proyecto propone el diseño y desarrollo de un sistema global de gestión inteligente de este tipo de áreas. Los niveles de gestión de los que se compone el sistema CEI propuesto (“Ciudad Energéticamente Inteligente”) son los siguientes:

- Nivel de centro de control energético – ambiental.

- Nivel de aplicaciones distribuidas orientadas a usuarios.

- Nivel de medida y actuación energética – ambiental.

- Nivel de controladores automatizados de campo para mejora energética - ambiental.

El proyecto, además, para lograr un entorno energético y ambiental mejorado, propone, aparte de gestionarlo adecuadamente en cuanto a sus usos energéticos, el diseño y desarrollo de una herramienta integral de mantenimiento avanzado que trabaje en colaboración con los otros sistemas de gestión energética.

Esta herramienta de mantenimiento permitirá:

1. Adelantarse a posibles situaciones anómalas de funcionamiento que hayan podido ser detectadas predictivamente mediante el análisis inteligente de las variables energéticas que rigen su funcionamiento.

2. Asignar adecuadamente los recursos de mantenimiento para las infraestructuras de consumo y recursos implicados en las áreas de gestión.


1.2 Objetivos del documento

El objetivo del presente documento es definir el módulo de mantenimiento a implementar, el cual formará parte del Sistema de Gestión Energética.

Aprovechando la infraestructura necesaria para la implementación de los sistemas de trabajo descritos en los paquetes de trabajo anteriores se propone desarrollar un sistema de gestión para el mantenimiento predictivo de los Activos Energéticos disponibles en las ciudades inteligentes.

1.3 Estructura del documento

El presente entregable se estructura en cuatro partes claramente diferenciadas:

- Introducción del Mantenimiento en las Smart Cities y justificación de las entidades donde se aplicará el Mantenimiento

- Definición detallada de indicadores, dentro de las tres entidades seleccionadas: Climatización, Fotovoltaica y Almacenamiento

- Conclusión referente a los indicadores definidos

- Apariencia visual del módulo de Mantenimiento

2. Mantenimiento de recursos energéticos

2.1 Glosario

Se describen en primer lugar algunas de las abreviaturas y conceptos empleados durante el documento.

Abreviatura Descripción

SOC State Of Charge. 0-100%. Indica el nivel de carga de la batería.

SOH State Of Health. 0-100%. Indica la capacidad actual de la batería frente a la original. Conforme la batería pierde capacidad, el SOH se reduce.

Batería Conjunto de celdas conectadas entre sí en serie y/o paralelo y BMS de gestión. Suele tener un interfaz de potencia al que se conectan las celdas, y un interfaz de comunicaciones conectado al BMS.

Celda Unidad indivisible de almacenamiento que compone una batería. Por ejemplo una celda de Li-Po de 3.7/1000mAh.

BMS Battery Management System. Sistema electronic que monitoriza las celdas de una batería, pudiendo actuar de manera activa o pasiva para realizar el equilibrado de las celdas, y que permite conocer el estado de la batería desde otro sistema mediante un puerto de comunicaciones.


2.2 Introducción

La conservación y mantenimiento de los servicios de una Smart City constituye un aspecto fundamental de la misma, por ejemplo para lograr una alta eficiencia en el funcionamiento de los servicios y facilitar la habitabilidad y el confort de la ciudad, ganando la confianza de los ciudadanos y mejorando su calidad de vida.

El mantenimiento, su criticidad y responsabilidad ha evolucionado de manera generalizada. Nos son únicamente las grandes ciudades las que se preocupan por una adecuada conservación en términos de comportamiento, disponibilidad, seguridad de las instalaciones: edificios emblemáticos, sanidad, infraestructuras, servicios, etc. Hay una cultura asimilada por la sociedad que no concibe un cuidado inadecuado de los activos y las inversiones públicas y privadas [1]. Normas como las PAS 55 [2] que persiguen una gestión estratégica de los activos en todo su ciclo de vida suponen no sólo un salto ‘normativo’ importante sino el reconocimiento de importantes necesidades que una buena gestión debe contener y por ende la tecnología a aplicar en detección, análisis y resolución de problemas.

Por ello, además de la puesta a punto de tecnologías, sistemas y servicios, hay que optimizar su funcionamiento durante su tiempo de vida de útil, para lo que es imprescindible establecer planes de supervisión y mantenimiento.

En esta parte del proyecto, se plantea el diseño y desarrollo de herramientas para optimizar el funcionamiento y simplificar la realización del mantenimiento en las ciudades.

Según la norma UNE-EN 15341-2008 el “Rendimiento del Mantenimiento es el resultado de la utilización activa de recursos para conservar un bien, o para restaurarlo hasta un estado que pueda seguir realizando la función que del mismo se requiere. Esto se puede expresar como un resultado alcanzado o esperado. (…) El Rendimiento del Mantenimiento es el resultado de actividades complejas que se pueden evaluar por medio de indicadores apropiados, para medir tanto resultados reales como los esperados.”

Los indicadores o KPIs se utilizan para medir aspectos cuantitativos o características obligatorias y para efectuar comparaciones homogéneas.

Los KPIs son útiles en la cuantificación de determinados parámetros, además permiten el seguimiento de estos parámetros y la definición de valores objetivos.

También permiten detectar errores o desviaciones en el funcionamiento con cierta rapidez, lo que proporciona información para la mejora y reparación del sistema que está dando el error.

Si se detecta un error o una desviación de los valores de referencia u objetivo, posibilita la definición de estrategias para la mejora desde varios puntos de vista como el económico, técnico y organizativo.

En este sentido, se definen a continuación una serie de indicadores en los que el usuario se basará para tomar decisiones sobre la evolución del mantenimiento.

Los indicadores aquí definidos están centrados en la entidad consumo (ver entregable E3.1.), en concreto en la entidad consumo climatización, en la entidad recurso generación, en


particular en el recuso de generación fotovoltaica y en la entidad recurso almacenamiento, concretamente en las baterías.

El porqué de escoger estas tres entidades es, de modo general, disponer de una muestra de las entidades más representativas de un edificio (consumo, generación y almacenamiento) y, de modo particular:

- Recurso consumo climatización

Las instalaciones de climatización son las que tienen un consumo mayoritario en el edificio (según datos estadísticos de consumo energético de una vivienda, IDAE 2007, el 46% es debido a calefacción, el 21% a agua caliente y el 33% a otros tales como iluminación) y es por ello que esta entidad ha sido seleccionada a la hora de definir los indicadores de mantenimiento.

- Recurso generación Fotovoltaica

Según el Documento Básico HE Ahorro de Energía del Código Técnico de la Edificación, la energía fotovoltaica está considerada como una exigencia básica (HE 5 Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica):

En los edificios que así se establezca en el CTE se incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica por procedimientos fotovoltaicos para uso propio o suministro a la red.

Por tanto, será una entidad a considerar para la definición de indicadores relativos al mantenimiento del edificio.

- Recurso almacenamiento baterías

Puesto que el sistema de almacenamiento está íntimamente ligado al consumo y la generación del edificio, en términos de balance energético, se considera importante disponer de un indicador de mantenimiento referido a esta entidad.

El sistema de almacenamiento, gracias al BMS que lo gestiona, puede proporcionar información acerca de la energía que almacenada y entrega, así como información interna sobre el estado de las baterías (SOC, SOH, temperatura, tensión por celda, corriente…). Esta información permitiría obtener una serie de indicadores que muestren el estado del sistema de almacenamiento.

El sistema de almacenamiento también dispone de un convertidor bidireccional que permite gestionar el proceso de carga de la batería desde la red para almacenar energía, así como su descarga (de la batería a la red) cuando aporta energía a la red eléctrica. Este convertidor debe estar comunicado con el BMS para gestionar los parámetros eléctricos del proceso de carga (tensión máxima a alcanzar, corriente óptima de carga…) y del proceso de descarga (energía disponible, corriente máxima extraíble…).

Estos tres indicadores serán empleados, en primera instancia, a nivel de edificio (mantenimiento del mismo) y en una fase posterior serán aplicados a nivel de distrito o ciudad.


2.3 Definición indicadores de climatización

La climatización por bomba de calor puede encontrarse en los edificios, bien como sistema individual, en el que el condensador y evaporador intercambian con el aire ambiente a calentar/enfriar, o bien como sistema centralizado en el que el intercambio se realiza con agua y ésta se distribuye a otros elementos como climatizadoras o fan-coils. A su vez, estas instalaciones pueden estar alimentadas de diversas formas: electricidad, combustibles o una combinación de ambos.

Por tanto, se han definido nueve KPIs, agrupados en función del combustible empleado en la instalación (climatización eléctrica, térmica o mixta) y dependiendo del número de sistemas de la misma (individual y centralizada).

Así la clasificación quedará del siguiente modo:

Climatización eléctrica

- Individual: KPI1

- Centralizada: KPI2.1, KPI2.2, KPI2.3

Climatización térmica

- Individual: KPI3, KPI4

- Centralizada: KPI4, KPI5.1, KPI5.2, KPI5.3

Climatización mixta

- Individual: KPI3, KPI4

- Centralizada: KPI2.1, KPI2.2, KPI2.3, KPI5.1, KPI5.2, KPI5.3

2.3.1 Climatización eléctrica - Con bomba de calor reversible

2.3.1.1 Instalación individual La instalación de climatización individual compuesta por una bomba de calor reversible se compone solamente de este equipo. Este tipo de equipos suelen instalarse como equipos partidos con una o varias unidades interiores instaladas (Split, cassette o unidad interior) en la estancia a climatizar y una unidad exterior, ubicada en la azotea del edificio. A continuación se muestran algunos esquemas de instalaciones individuales:


Figura 1: Instalación de aire acondicionado con una unidad interior que distribuye por conductos y una unidad

exterior. Fuente: [3].

Figura 2: Instalación de aire acondicionado con una unidad interior que distribuye por conductos y una unidad

exterior. Fuente: [3].


Figura 3: Instalación de aire acondicionado con una unidad exterior que distribuye el gas refrigerante a varias

unidades interiores. Fuente: [4].

KPI_1: COP/EER

• Definición del KPI a monitorizar COP o EER: es el coeficiente de eficiencia de la instalación en modo calor o modo frío respectivamente. En los siguientes apartados se explicarán los pasos para realizar su cálculo.

• Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador

o Variables monitorizadas: las variables a monitorizar en la instalación de climatización con ciclo de frío reversible son las que se muestran en el siguiente esquema:


Compresor

Refrigerante

Condensador

Evaporador

Ciclo de frío-calor reversible

2

3

1

4

Tec Tsc

Tse Tee

Tevaporación; Pevaporación

Tcondensación; Pcondensación

M_cond

M_ev

P_elect_ abs

Aire/agua

Aire/agua

Aire/agua

Aire/agua

Figura 4: Esquema del ciclo de calor reversible. Fuente: ITE.

Donde se requiere medir: Temperaturas: de entrada y salida del aire (agua) del condensador y

evaporador. Caudal: de recirculación por el condensador y evaporador del aire

(agua). Se necesitará un anemómetro para el aire y un caudalímetro para el agua.

Temperaturas del gas refrigerante en el condensador y el evaporador. Presiones del gas refrigerante a la entrada y salida del evaporador y

condensador. Potencia eléctrica demandada por el compresor.

o Datos o cálculos a realizar

Los cálculos a realizar, una vez monitorizados los parámetros se definen con las siguientes fórmulas:

𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑃𝑎𝑏𝑠

, coeficiente de eficiencia de la bomba de calor en modo calor.

𝐸𝐸𝑅 = 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑃𝑎𝑏𝑠

, coeficiente de eficiencia de la bomba de calor en modo frío.


La potencia absorbida se obtendrá de las mediciones eléctricas que se realicen con los equipos de medida presentes en la instalación (analizador, contador inteligente, etc.). El calor del condensador (𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑) y el calor del evaporador (𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝) se obtendrán de las mediciones térmicas que se realicen. Al tratarse de una instalación individual, el equipo intercambia con el aire:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW)

𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ (𝑇𝑆𝐸−𝑇𝐸𝐸) (kW) Siendo: �̇�, caudal másico de aire en kg/s.

𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1,01 𝑘𝐽𝑘𝑔 º𝐶

𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida del condensador (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada del condensador (ºC). 𝑇𝑆𝐸, temperatura de salida del evaporador (ºC). 𝑇𝐸𝐸, temperatura de entrada en el evaporador (ºC)

• Información que proporciona el KPI

COP o EER: Mediante este valor se puede conocer la eficiencia energética del equipo de climatización en todo momento.

• Requisito Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se establecen los siguientes criterios:

o Si COP/EER>= 80% COP/EER nominal, el funcionamiento de la máquina es correcto.

o Si 50% COP/EER nominal <=COP/EER< 80% COP/EER nominal, el funcionamiento de la máquina no es el correcto, es recomendable revisión.

o Si COP/EER< 50% COP/EER nominal, funcionamiento inadecuado, revisión urgente.

COP/EER nominal

>=80% COP/EER nominal 50% <=COP/EER< 80% <50% COP/EER nominal Correcto Funcionamiento no correcto Funcionamiento inadecuado

Tabla 1: Definición de requisitos. Fuente: ITE.

Además de este requisito es interesante conocer que el RITE (IT 4.2.2) marca un EER mínimo en los generadores de frío de 2.


• Concepto temporal

El indicador se calculará con una periodicidad mensual.

• Grado de importancia (1= Mayor importancia; 2= Importancia intermedia; 3= Menor importancia) Este indicador se define con un grado de importancia 1.

• Responsable El responsable visualizará el resultado de los KPIs calculados en la aplicación desarrollada. Va dirigido al responsable o gestor de mantenimiento del edificio.


2.3.1.2 Instalación centralizada La instalación centralizada con bomba de calor reversible, utiliza ésta como medio de producción de agua fría/caliente que se enviará mediante bombas de agua a otros elementos terminales, encargados de enfriar/calefactar el ambiente, como pueden ser las climatizadoras, fan-coils, radiadores, etc. En la figura siguiente se muestra un ejemplo de esquema de principio de una instalación centralizada, y los elementos que la conforman:

Figura 5: Circuito climatización centralizada con bomba de calor reversible. Fuente: [5].


Rendimientos de la instalación Puesto que las instalaciones centralizadas están formadas por varios equipos, para monitorizar el comportamiento de una instalación centralizada de climatización deberán tenerse en consideración varios KPIs. A continuación se explican los KPIs a calcular para una instalación centralizada de climatización: KPI_2.1: COP/EER






o Variables monitorizadas Caudal de recirculación del agua que pasa por el condensador

/evaporador. Temperaturas de entrada y salida del agua al

condensador/evaporador. Consumos eléctricos de la bomba de calor reversible.


Los cálculos a realizar, una vez monitorizados los parámetros se definen con las siguientes fórmulas:





La potencia absorbida se obtendrá de las mediciones eléctricas que se realicen con el analizador. El calor del condensador (𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑) y el calor del evaporador (𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝) se obtendrán de las mediciones térmicas que se realicen.

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW)

𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ (𝑇𝑆𝐸−𝑇𝐸𝐸) (kW) Siendo: �̇�, caudal másico de agua en kg/s.

𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4,18 𝑘𝐽𝑘𝑔 º𝐶


𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida del condensador (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada del condensador (ºC). 𝑇𝑆𝐸, temperatura de salida del evaporador (ºC). 𝑇𝐸𝐸, temperatura de entrada en el evaporador (ºC)

• Información que proporciona el KPI COP o EER: Mediante este valor se puede conocer la eficiencia energética del equipo de climatización en todo momento.

• Requisito Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se establecen a continuación los criterios a tener en cuenta:

o Si COP/EER>= 80% COP/EER nominal, el funcionamiento de la máquina es correcto.

o Si 50% COP/EER nominal <=COP/EER< 80% COP/EER nominal, el

funcionamiento de la máquina no es el correcto, es recomendable revisión.

o Si COP/EER< 50% COP/EER nominal, funcionamiento inadecuado, revisión urgente.

COP/EER nominal

>=80% COP/EER nominal 50% <=COP/EER< 80% <50% COP/EER nominal Correcto Funcionamiento no correcto Funcionamiento inadecuado


Además de este requisito es interesante conocer que el RITE (IT 4.2.2) marca un EER mínimo en los generadores de frío de 2. • Concepto temporal





Nota: Aunque el nombre del KPI_1 y KPI_2.1 es el mismo (COP/EER) el modo de calcularlo difiere, por tanto se han identificado dos indicadores (uno para instalación individual y uno para instalación centralizada) en vez de uno.

KPI_2.2: Rendimiento de las bombas de circulación del agua caliente/fría • Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador

o Variables monitorizadas Caudal de recirculación del agua que impulsa la bomba. Consumos eléctricos de las bombas de recirculación.

o Datos o cálculos a realizar:

Rendimiento de la bomba.

𝜂𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎=𝑔 · 𝑄 · 𝐻

𝜂𝑒𝑙 · 𝑃𝑒𝑙

El cálculo del rendimiento de las bombas de recirculación implica la medida del caudal, la altura y la potencia absorbida por la máquina eléctrica asociada según la anterior ecuación. Donde: g: aceleración de la gravedad (m/s2) Q: Caudal que trasiega la bomba (m3/s) H: Carga total de agua en una sección dada (m) ηel: Rendimiento eléctrico del motor Pel: Potencia eléctrica que absorbe el motor (kW)

• Información que proporciona el KPI Estado de funcionamiento de la bomba, si se encuentra funcionando a pleno rendimiento o si, por el contrario, está teniendo algún tipo de pérdidas en su funcionamiento.

• Requisito

Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se tendrán en cuenta los rendimientos mínimos indicados que indica el fabricante WILO [6]: .

Rendimiento de bombas estándar con rotor húmedo (valores orientativos)

Valor η_el · P_el η_bomba Hasta 100 W 5%-25% 100-500 W 20%-40%

500-2500 W 30%-50% Tabla 3: Rendimientos para bombas de rotor húmedo. Fuente: [6].


Rendimiento de bombas estándar con rotor seco (valores orientativos)

Valor η_el · P_el η_bomba Hasta 1,5 kW 30%-65%

1,5-7,5 kW 35%-75% 7,5-45,0 kW 40%-80%

Tabla 4: Rendimientos para bombas de rotor seco. Fuente: [6].

• Concepto temporal El indicador se calculará con una periodicidad mensual.



KPI_2.3: Rendimiento de la climatizadora/fan-coil/radiador Finalmente el agua fría/caliente llega al elemento terminal para climatizar el ambiente. En el caso de la climatizadora y fan-coil, éstos equipos suelen tener ventilador por lo que tienen consumo eléctrico y, por tanto, habrá que evaluar su rendimiento. Se define, por tanto, el siguiente rendimiento de la climatizadora:

𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =𝑄ú𝑡𝑖𝑙

𝑃𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

Siendo el Qútil el calor/frío que climatiza el ambiente y la Peléctrica la potencia eléctrica que necesita el climatizador/fan-coil. En el caso de que el elemento terminal sea un radiador, se considerará que el rendimiento de este equipo es cercano a la unidad puesto que no tienen ningún consumo energético adicional.

• Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador o Variables monitorizadas.

Las variables a monitorizar para conseguir este indicador son las siguientes:


Caudal de aire: velocidad del aire de salida en las unidades terminales. Temperatura de salida del aire de las unidades terminales. Temperatura de retorno del aire de las unidades terminales. Consumo eléctrico de los ventiladores del climatizador y/o unidades

terminales.

o Datos o cálculos a realizar Con las variables monitorizadas se realizarán los siguientes cálculos: Rendimiento del elemento terminal.



Siendo, Qútil el calor/frío que climatiza el ambiente

𝑄ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW) �̇�, caudal másico de aire en kg/s.


𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida del climatizador (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada del climatizador (ºC). Peléctrica la potencia eléctrica que necesita el climatizador/fan-coil.

• Información que proporciona el KPI El KPI del terminal da la relación entre el calor útil que está entregando al ambiente la unidad terminal y la electricidad que está empleando para conseguirlo. Es un ratio con un valor mucho mayor que 1. Variaciones de este valor respecto del teórico o de referencia pueden suponer deficiencias en el funcionamiento del equipo de ventilación o problemas en el intercambio de calor.


o Si 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙>= 80% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙nominal, el funcionamiento de la máquina es correcto.

o Si 50% ηterminal_nominal <=ηterminal< 80% ηterminal_nominal, el funcionamiento

de la máquina no es el correcto, es recomendable revisión.


o Si 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙< 50% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙, funcionamiento inadecuado, revisión urgente.

𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

>=80% 50% <=𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙< 80% <50% Correcto Funcionamiento no correcto Funcionamiento inadecuado







2.3.2 Climatización térmica - Calefacción con suministro de combustible fósil

2.3.2.1 Instalación individual La instalación individual con suministro de combustible fósil, se entiende como una instalación con caldera, que abastece a un número de radiadores repartidos por la vivienda. Para este tipo de instalaciones se considerarán únicamente los KPIs relativos al rendimiento de la caldera y al de la combustión, puesto que los rendimientos de la bomba y los radiadores pueden considerarse despreciables respecto a la potencia de la caldera. A continuación se muestra un ejemplo de una instalación con caldera que distribuye a varios radiadores.

Figura 6: Instalación central de calefacción con elementos terminales. Fuente: [5].

Por tanto, en el caso de tratarse de una instalación de éstas características los KPIs a calcular serán los siguientes: KPI_3 y KPI_4. KPI_3: Rendimiento de la caldera

• Definición del KPI a monitorizar

El rendimiento de la caldera es el valor que se obtiene del cociente entre el calor proporcionado al agua de salida de caldera (Qútil) y el calor de entrada del combustible (Qcomb). Es decir,


𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =𝑄ú𝑡𝑖𝑙

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏


o Variables monitorizadas Las variables a monitorizar para conseguir este indicador son las siguientes: Caudal de agua que pasa por la caldera. Temperaturas de entrada y salida del agua en la caldera. Caudal de combustible de entrada a la caldera.

o Datos o cálculos a realizar [7]

A partir de las variables monitorizadas los cálculos a realizar para calcular el rendimiento de la caldera son los siguientes:

𝑄ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW)

Siendo: �̇�, caudal másico de agua en kg/s.


𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida de la caldera (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada de la caldera (ºC).

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑃𝐶𝐼 ∙ �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏

Siendo: 𝑃𝐶𝐼, poder calorífico inferior del gas natural. �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏, caudal de gas natural que entra en la caldera.

• Información que proporciona el KPI El KPI proporciona información sobre el rendimiento de la caldera que está generando el agua caliente para la calefacción.

• Requisito Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se tendrán en cuenta que el rendimiento mínimo que marca el RITE (IT 4.2.1) [8] para las calderas es del 80%:

𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 >=80% <80%

Correcto Funcionamiento inadecuado Tabla 6: Rendimientos mínimos de las calderas. Fuente: RITE, [8].





KPI_4: Rendimiento de la combustión

El calor que puede obtenerse en una combustión es el correspondiente al Poder Calorífico del combustible (PCI o PCS). • Definición del KPI a monitorizar

El rendimiento de la combustión es aquel que define la eficiencia que se ha llevado a cabo en la combustión del gas natural al convertirse en gases calientes encargados de calentar el agua de la caldera. Este rendimiento solamente tiene en cuenta las pérdidas que se efectúan en la combustión del gas y la transformación de este a gases de escape. La relación entre la cantidad de kJ efectivamente desprendidos por la combustión y la cantidad de kJ correspondientes al poder calorífico inferior de la cantidad de combustible empleado se denomina rendimiento de la combustión.

• Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador o Variables monitorizadas

Para obtener el rendimiento de la combustión será necesario colocar un analizador de gases de combustión fijo en la salida de la chimenea. Este equipo facilita varios datos interesantes del proceso de combustión, entre ellos el rendimiento de la combustión que se realiza en el hogar de la caldera.

o Datos o cálculos a realizar Puesto que el equipo ya proporciona el dato, no es necesario realizar ningún cálculo.

• Información que proporciona el KPI Información sobre cómo se está realizando la combustión en el interior de la caldera.


• Requisito Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación, en base al rendimiento de la combustión, se establece el siguiente criterio: Se considerará que la combustión es adecuada cuando el rendimiento sea mayor o igual al 85%. Dicho valor, establecido a partir del método simplificado CE3X, es válido para calderas estándar, calderas de baja temperatura y calderas de condensación, alimentadas con combustibles líquidos o gaseosos (fuelóleo, gasóleo C, gas natural, propano). Cabe aquí citar que método CE3X se trata de un programa informática de iniciativa pública, aprobado por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo.

𝜂𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛

>=85% <85% Correcto Funcionamiento inadecuado

Tabla 7: Definición de requisitos. Fuente: Minetur.


• Grado de importancia. (1= Mayor importancia; 2= Importancia intermedia; 3= Menor importancia) Este indicador se define con un grado de importancia 2.



2.3.2.2 Instalación centralizada La instalación centralizada utiliza la caldera para realizar la producción de calor y distribuye el agua caliente producida mediante bombas a los diferentes elementos terminales de cada zona o estancia. A continuación se muestra un esquema de principio de una instalación de calefacción centralizada:

Figura 7: Principio de circuito de climatización centralizada con calderas. Fuente: [5].


Rendimientos de la instalación Puesto que las instalaciones centralizadas están formadas por varios equipos, para monitorizar el comportamiento de una instalación centralizada de climatización habrá que considerar varios KPIs.. Además del KPI_4, que también se podrá calcular en una instalación centralizada, se explican otros KPIs en una instalación de estas características: KPI_5.1: Rendimiento de la caldera. (Equivalente al KPI_3)


El rendimiento de la caldera es el valor que se obtiene del cociente entre el calor proporcionado al agua de salida de caldera (Qútil) y el calor de entrada del combustible (Qcomb). Es decir,

𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =𝑄ú𝑡𝑖𝑙

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏


o Variables monitorizadas Las variables a monitorizar para conseguir este indicador son las siguientes: Caudal de agua que pasa por la caldera. Temperaturas de entrada y salida del agua en la caldera. Caudal de combustible de entrada a la caldera.

o Datos o cálculos a realizar [7]

A partir de las variables monitorizadas los cálculos a realizar para calcular el rendimiento de la caldera son los siguientes: 𝑄ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW) Siendo: �̇�, caudal másico de agua en kg/s.


𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida de la caldera (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada de la caldera (ºC).

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑃𝐶𝐼 ∙ �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 Siendo:


𝑃𝐶𝐼, poder calorífico inferior del gas natural. �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏, caudal de gas natural que entra en la caldera.

• Información que proporciona el KPI El KPI proporciona información sobre el rendimiento de la caldera que está generando el agua caliente para la calefacción.

• Requisito Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se tendrán en cuenta que el rendimiento mínimo que marca el RITE [5] para las calderas es del 80%:

𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 >=80% <80% Correcto Funcionamiento inadecuado

Tabla 8: Rendimientos mínimos de las calderas. Fuente: RITE, [8].





KPI_5.2: Rendimiento de las bombas de circulación del agua caliente


Caudal de recirculación del agua que pasa por el condensador /evaporador.

Consumos eléctricos de las bombas de recirculación.

o Datos o cálculos a realizar: Rendimiento de la bomba

𝜂𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎=𝑔 · 𝑄 · 𝐻

𝜂𝑒𝑙 · 𝑃𝑒𝑙

El cálculo del rendimiento de las bombas de recirculación Implica la medida del caudal, la altura y la potencia absorbida por la máquina eléctrica asociada según la anterior ecuación. Dónde: g: aceleración de la gravedad (m/s2) Q: Caudal que trasiega la bomba (m3/s) H: Carga total de agua en una sección dada (m) ηel: Rendimiento eléctrico del motor Pel: Potencia eléctrica que absorbe el motor (kW)

• Información que proporciona el KPI Estado de funcionamiento de la bomba, si se encuentra funcionando a pleno rendimiento o si, por el contrario, está teniendo algún tipo de pérdidas en su funcionamiento.

• Requisito

Para comprobar el buen funcionamiento de la instalación se tendrán en cuenta los rendimientos mínimos indicados que indica el fabricante WILO [6]:

Rendimiento de bombas estándar con rotor húmedo (valores orientativos)

Valor η_el · P_el η_bomba Hasta 100 W 5%-25% 100-500 W 20%-40%

500-2500 W 30%-50% Tabla 9: Rendimientos para bombas de rotor húmedo. Fuente: [6].


Rendimiento de bombas estándar con rotor seco (valores orientativos)

Valor η_el · P_el η_bomba Hasta 1,5 kW 30%-65%

1,5-7,5 kW 35%-75% 7,5-45,0 kW 40%-80%

Tabla 10: Rendimientos para bombas de rotor seco. Fuente: [6].



• Responsable El responsable visualizará el resultado de los KPIs calculados en la aplicación desarrollada. Va dirigido al responsable o gestor de mantenimiento del edificio. Nota: Este indicador es equivalente al KPI_2.2 para las instalaciones centralizadas de climatización eléctrica.

KPI_5.3: Rendimiento de la climatizadora/fan-coil Finalmente el agua fría/caliente llega al elemento terminal con objeto de climatizar el ambiente. Estos equipos (climatizadora, fan-coil) suelen tener ventilador por lo que tienen consumo eléctrico y, por tanto, habrá que evaluar su rendimiento. Se define, por tanto, el siguiente rendimiento de la climatizadora:



Siendo el Qútil el calor/frío que climatiza el ambiente y la Peléctrica la potencia eléctrica que necesita el climatizador/fan-coil. En el caso de que el elemento terminal sea un radiador, se considerará que el rendimiento de este equipo es cercano a la unidad puesto que no tienen ningún consumo energético adicional.

• Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador o Variables monitorizadas.

Las variables a monitorizar para conseguir este indicador son las siguientes:


Caudal de aire: velocidad del aire de salida en las unidades terminales. Temperatura de salida del aire de las unidades terminales. Temperatura de retorno del aire de las unidades terminales. Consumo eléctrico de los ventiladores del climatizador y/o unidades

terminales.

o Datos o cálculos a realizar Con las variables monitorizadas se realizarán los cálculos de cada uno de los indicadores que componen el indicador global: Rendimiento del elemento terminal



Siendo, Qútil el calor/frío que climatiza el ambiente

𝑄ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚 ∙̇ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ (𝑇𝑆𝐶−𝑇𝐸𝐶) (kW) �̇�, caudal másico de aire en kg/s.


𝑇𝑆𝐶, temperatura de salida del climatizador (ºC). 𝑇𝐸𝐶, temperatura de entrada del climatizador (ºC). Peléctrica la potencia eléctrica que necesita el climatizador/fan-coil.

• Información que proporciona el KPI El KPI del terminal da la relación entre el calor útil que está dando al ambiente la unidad terminal y la electricidad que está utilizando para conseguirlo. Es un ratio con un valor mucho mayor que 1. Variaciones de este valor respecto del teórico o de referencia pueden suponer deficiencias en el funcionamiento del equipo de ventilación o problemas en el intercambio de calor.


o Si 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙>= 80% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙nominal, el funcionamiento de la máquina es correcto.

o Si 50% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 <=𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙< 80% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙, el

funcionamiento de la máquina no es el correcto, es recomendable revisión.


o Si 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙< 50% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙, funcionamiento inadecuado, revisión urgente.

𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

>=80% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 50% <=𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙< 80% <50% 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 Correcto Funcionamiento no correcto Funcionamiento inadecuado

Tabla 11: Definición de requisitos KPI_5.3. Fuente: ITE.



• Responsable El responsable visualizará el resultado de los KPIs calculados en la aplicación desarrollada. Va dirigido al responsable o gestor de mantenimiento del edificio. Nota: Este indicador es equivalente al KPI_2.3 para las instalaciones centralizadas de climatización eléctrica.


2.3.3 Climatización mixta - con caldera y enfriadora

2.3.3.1 Instalaciones individuales

Algunas instalaciones individuales combinan la tecnología de producción de frío mediante máquinas de aire acondicionado y la producción de calor con caldera de combustible fósil, por este motivo, cuando la instalación sea de tipo mixto, se utilizarán los siguientes KPIs: Modo frío: instalación de aire acondicionado para producción de frío.

o KPI_1: COP/EER. Modo calor: instalación de caldera de combustible fósil para producción de calor.

o KPI_3: Rendimiento de la caldera. o KPI_4: Rendimiento de la combustión.

2.3.3.2 Instalaciones centralizadas.

Algunos edificios terciario grandes poseen una combinación de enfriadoras y caldera como elementos de producción de frío y calor respectivamente para climatizar los edificios. Por tanto, este tipo de instalación contará con todas las instalaciones explicadas anteriormente. La única diferencia reside en que los equipos utilizados para producir frío no suelen ser reversibles. Los KPIs que se pueden utilizar en este tipo de instalaciones son, por tanto, los siguientes: Modo frío: al tratarse de instalaciones de producción de frío centralizadas y con los mismos elementos que la instalación de climatización centralizada con bomba de calor, se utilizarán los mismos KPIs que se han definido para una instalación de este tipo. Esto es:

o KPI_2.1: COP/EER. o KPI_2.2: Rendimiento de las bombas de circulación del agua caliente/fría. o KPI_2.3: Rendimiento de la climatizadora/fan-coil/radiador.

Modo calor: Para la producción de calor, del mismo modo que para la producción de frío, pueden utilizarse el mismo KPI que se ha indicado en el apartado de instalaciones de calefacción con combustible fósil. Esto es:


o KPI_5.1: Rendimiento de la caldera. (Equivalente al KPI_3) o KPI_5.2: Rendimiento de las bombas de circulación del agua caliente. o KPI_5.3: Rendimiento de la climatizadora/fan-coil.

A continuación se muestran dos esquemas de principio de una instalación que opera en modo calor con las calderas y en modo frío con enfriadoras:

Figura 8: Funcionamiento de la instalación en modo calor. Fuente: [5].


Figura 9: Funcionamiento de la instalación en modo frío. Fuente: [5].

Este tipo de instalaciones pueden trabajar o bien todo modo frío/todo modo calor, si la instalación es a dos tubos o bien utilizando tanto calderas como enfriadoras cuando la instalación es a cuatro tubo. En caso de tratarse de una instalación a cuatro tubos y los dos sistemas se encontraran funcionando a la vez, se podrían calcular ambos KPIs a la vez.


2.4 Definición indicadores de fotovoltaica

KPI_6: Ratio global de pérdidas. • Definición del KPI a monitorizar

El ratio global de pérdidas vendrá dado por el producto de todos los ratios de pérdidas de la instalación. Las principales pérdidas que se pueden encontrar en una instalación solar fotovoltaica son las siguientes [9]:

o PPOL: Pérdidas por polución ambiental, producidas por la suciedad que se acumula en la superficie del panel. Se considera un 1%, por tanto el valor de PPOL será constante y de 0,99.

o PCC: Pérdidas en conductores de continua, la pérdida de conexionado entre los paneles fotovoltaicos y los componentes en continua será la que se tendrá por la caída de tensión, que será inferior al 1,5%. Por tanto, se toma este valor que será constante 0,985.

o PCA: Pérdidas en conductores de alterna, se tomarán las pérdidas por caída de tensión, como en el caso de las pérdidas por continua. El valor será un valor fijo del 2%, 0,98.

o PD: Pérdidas por dispersión de parámetros en módulos, pérdidas por las diferencias de fabricación entre los módulos. Se toma un valor constante del 3%, el coeficiente a utilizar será, por tanto, 0,97.

o PINV: Pérdidas del inversor, vienen dadas por el rendimiento del inversor, se tomará un valor del 0,96, según indicaciones de los fabricantes de inversores.

o PT: Pérdidas por temperatura en módulos, las pérdidas por temperatura en módulos vienen dadas por las siguientes ecuaciones, obtenida del Pliego de condiciones técnicas del IDAE:

𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 (º𝐶) = 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (º𝐶) + 𝐺(𝑊 𝑚2� ) ∙ (𝑇𝑂𝑁𝐶 (º𝐶) − 20º𝐶

800)

Siendo, 𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 , Temperatura del módulo (ºC) 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 , Temperatura ambiente (ºC) 𝑇𝑂𝑁𝐶 , Temperatura de operación normal de la célula (ºC) 𝐺, Irradiancia en W/m2 Las pérdidas por temperatura vendrán dadas por la siguiente expresión:

𝑃𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 = 1 − 𝑔 ∙ (𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 − 25)


Donde, 𝑃𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, Pérdida por temperatura (%) 𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎, Temperatura del módulo (ºC) 𝑔, Coeficiente de temperatura de la potencia, en 1/ºC. Tiene un valor de 0,0035 para silicio cristalino [6]

o PDF: Pérdidas por degradación fotónica, se tomara un valor constante del 1% de pérdidas. Por tanto, el valor del coeficiente es de 0,99.

El ratio global de pérdidas quedará, por tanto: 𝐾𝑃𝐼6 = 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙_𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑃𝑂𝐿 ∙ 𝑃𝐶𝐶 ∙ 𝑃𝐶𝐴 ∙ 𝑃𝐷 ∙ 𝑃𝐼𝑁𝑉 ∙ 𝑃𝑇 ∙ 𝑃𝐷𝐹

Si sustituimos por los valores indicados, nos queda:

𝐾𝑃𝐼6 = 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙_𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 0,88 ∙ (1 − 0,0035 ∙ (𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 − 25)) 𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎, Temperatura del módulo (ºC) 𝑇𝑀𝑃𝑃, Coeficiente de temperatura de la potencia.


o Variables monitorizadas Las principales variables a monitorizar para el cálculo del indicador serán las temperaturas, principalmente: Temperatura ambiente (ºC) Temperatura superficial del panel (ºC)


Tal como se ha indicado en el apartado anterior, los cálculos a realizar se basan en las ecuaciones de las pérdidas por temperatura, por tanto, el cálculo necesario para la obtención del indicador global de pérdidas viene determinado por las siguientes ecuaciones:

𝐾𝑃𝐼6 = 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙_𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 0,88 ∙ (1 − 0,0035 ∙ (𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 − 25)) Siendo la temperatura de la célula, la definida arriba:

𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 (º𝐶) = 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (º𝐶) + 𝐺(𝑊 𝑚2� ) ∙ (𝑇𝑂𝑁𝐶 (º𝐶) − 20º𝐶

800)

Donde, 𝑇𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 , Temperatura del módulo (ºC)


𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 , Temperatura ambiente (ºC) 𝑇𝑂𝑁𝐶 , Temperatura de operación normal de la célula (ºC) 𝐺, Irradiancia en W/m2

• Información que proporciona el KPI El KPI aporta información sobre el ratio de pérdidas que tiene el panel. Al monitorizar el valor, se puede observar si cada panel está funcionando en buenas condiciones o está experimentando más pérdidas de las esperadas.

• Requisito Considerando como óptimo aquel en el que el valor de pérdidas por temperatura es 1 y, por tanto, el valor del 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙_𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 es 0,88, para comprobar el buen funcionamiento del panel se seguirá el siguiente criterio.

𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙_𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠

0,78 < >=0,78 Funcionamiento no correcto Correcto

Tabla 12: Definición de requisitos KPI_6. Fuente: ITE.

Siendo 0,725 el valor que se obtiene con una temperatura de la célula de 57,75ºC (se ha considerado una temperatura un 5% mayor al valor de 55ºC, temperatura máxima de trabajo de células fotovoltaicas ensayadas en ITE).




KPI_7: Fill Factor (FF) [11] • Definición del KPI a monitorizar

El indicador FF se define como el cociente entre la Pmax (Potencia máxima) y el producto entre Voc (tensión de circuito abierto) y Isc (corriente de cortocircuito). El FF de referencia se calculará en condiciones STC (1000 W/m2) de irradiancia, 25ºC de temperatura del módulo.



Las variables a monitorizar para la evaluación y análisis de los paneles son las siguientes: Irradiancia (W/m2) Temperatura ambiente (ºC) Temperatura superior del panel (ºC) Temperatura inferior panel (ºC) Pmax (Potencia máxima) Voc (tensión de circuito abierto) Isc (corriente de cortocircuito)


A continuación se muestra la fórmula de cálculo del KPI:

𝐹𝐹 =𝑃𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑜𝑐 ∙ 𝐼𝑆𝐶

Dónde: 𝑃𝑚𝑎𝑥 : Potencia máxima generada por el panel 𝑉𝑜𝑐 : Tensión de circuito abierto. 𝐼𝑆𝐶 : Corriente de cortocircuito


El indicador FF, además de depender de los parámetros que se muestran en la fórmula, también depende de otros factores como la temperatura y la resistencia en serie del panel (Rs). Dependencia de la temperatura: los módulos fotovoltaicos pueden tener pérdidas de hasta un 7% de potencia cuando operan a temperaturas de 40ºC [12]. El mayor efecto que provoca un aumento de la temperatura es una disminución de la potencia debida a la disminución en la tensión. Por tanto, un aumento de la temperatura provocará disminuciones en la Voc y en la Pmax Las variaciones de estos dos parámetros provocarán variaciones en el valor del FF, que presenta alta dependencia a la temperatura (0,15%/ºC) [11]. Dependencia de la Rs y la Rsh: El indicador FF puede verse afectado y disminuir su valor a lo largo del tiempo aun manteniendo las condiciones STC de referencia (o condiciones normalizadas para el ensayo de paneles). Esto se debe a un aumento de la resistencia en serie del panel o a la existencia de módulos o celdas con bajo Rsh. Por tanto, el cálculo del indicador FF nos dará información sobre el rendimiento y el estado del panel, puesto que depende de factores directamente relacionados con ello.



o Si 𝐹𝐹>= 80%𝐹𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, el funcionamiento de la máquina es correcto.

o Si 50% 𝐹𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 <=𝐹𝐹< 80% 𝐹𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, el funcionamiento de la máquina

no es el correcto, es recomendable revisión.

o Si 𝐹𝐹 < 50% 𝐹𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, funcionamiento inadecuado, revisión urgente.

𝐹𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 >=80% 50% <=80% 𝐹𝐹 <50%

Correcto Funcionamiento no correcto Funcionamiento inadecuado Tabla 13: Definición de requisitos KPI_X. Fuente: ITE.




2.5 Definición indicadores de almacenamiento

KPI_8: State of Charge (SOC) • Definición del KPI a monitorizar

El indicador SOC indica el nivel o estado de carga actual de la batería. El valor se muestra en porcentaje de 0-100%.


Las variables a monitorizar para el cálculo del SOC son: Cr (Capacidad remanente) Ct (Capacidad típica) SOH (State of Health, estado de salud)

o Datos o cálculos a realizar.


Este KPI se calcula como el cociente entre la capacidad remanente (Cr, medida en Ah) y la capacidad típica que es capaz de almacenar la batería (Ct medida en Ah) compensada con el parámetro del SOH (medido en porcentaje). La fórmula es la siguiente:

𝑆𝑂𝐶 =𝐶𝑟

(𝐶𝑡 ∙ 𝑆𝑂𝐻)

Por ejemplo una batería cuya capacidad típica sea de 100Ah, con un SOH del 90%, y cuya capacidad remanente sea de 60Ah tendrá un SOC de un 66.67%.


El indicador SOC informa sobre el porcentaje de la capacidad total que hay disponible (almacenado) en la batería. Depende de la capacidad remanente, de la capacidad típica y el SOH.

• Requisito Para poder obtener el valor del SOC es necesario conocer el valor actualizado la capacidad remanente y el SOH, así como el parámetro de la capacidad típica de la batería que se define de origen por el fabricante en función de las celdas que componen la batería:

o Si SOC = 100%. Batería totalmente cargada

o Si 20% < SOC < 100% Batería en rango de funcionamiento útil.

o Si SOC < 20% Batería con nivel de SOC inferior al recomendable.

SOC

= 100% 20% - 100% <20% Totalmente Cargada Funcionamiento correcto Funcionamiento inadecuado


• Concepto temporal El indicador se calculará con una periodicidad recomendable entre 1 y 5 minutos.




KPI_9: State of Charge (SOH) • Definición del KPI a monitorizar

El indicador SOH indica el estado de salud actual de la batería. El valor se muestra en porcentaje de 0-100%.


Las variables a monitorizar para el cálculo del SOH son: Cmu (Capacidad máxima utilizable) Ct (Capacidad típica)


Este KPI se calcula como el cociente entre la capacidad máxima utilizable (Cmu medida en Ah) y la capacidad típica que es capaz de almacenar la batería (Ct medida en Ah):

𝑆𝑂𝐻 =𝐶𝑚𝑢𝐶𝑡

Por ejemplo una batería cuya capacidad típica sea de 100Ah y cuya capacidad máxima utilizable sea de 85Ah tendrá un SOH del 85%.


El indicador SOH informa sobre el estado de salud de la batería. Las baterías cuando se degradan por tiempo o uso presentan una reducción de la capacidad máxima utilizable. Esta reducción al compararla con la capacidad típica proporcionada en origen por el fabricante, indica el porcentaje de capacidad que todavía tiene la batería o también la capacidad que ha perdido respecto a la que tenía originalmente. Este parámetro varía de forma diferente en función de la tecnología de la batería, ya que hay baterías que sufren una degradación más alta debido a las condiciones de uso que otras, por ejemplo las de Ni-Cd suelen tener mayor degradación que las de Li-Ion debido por ejemplo al efecto memoria que presentan las primeras, lo cual repercute en una disminución de la capacidad máxima utilizable y por lo tanto del SOH.

• Requisito Para poder obtener el valor del SOH es necesario conocer el valor actualizado la capacidad máxima utilizable y la capacidad típica que define el fabricante de la batería.

o Si SOH > 80%. Batería en buen estado.

o Si SOH < 80% Batería fuera de rango de uso recomendado, aunque no siempre

implica sustitución.


SOC

> 80% < 80% Batería en buen estado Batería fuera de rango recomendado


• Concepto temporal El indicador se calculará con una periodicidad de 1 hora.



KPI_10: Capacidad remanente (Cr)


El indicador Cr indica la capacidad remanente (energía acumulada) de la batería. El valor se muestra en Ah (amperios hora).


Las variables a monitorizar para el cálculo del Cr son: Ibat (Corriente que recibe en carga o aporta en descarga la batería) Vcel/Vbat (Tensión de la celda o de batería dependiendo de la

configuración interna de la batería) Tª (Temperatura de funcionamiento) Ri (Resistencia interna) SOH


Este KPI se calcula utilizando algoritmos basados en modelos matemáticos de la batería utilizada que tienen en cuenta las variables anteriormente comentadas. Para ello se mide la corriente que recibe o aporta la batería, así como la tensión de la celda o batería. Con estos datos se obtiene principalmente el valor de capacidad remanente y para un ajuste fino de los mismos se pueden tener en cuenta también otras variables como la temperatura de funcionamiento, la resistencia interna que presenta la batería en carga o


descarga y su SOH. Con todos estos datos y mediante un algoritmo obtenido tras realizar un modelado matemático de la batería seleccionada, se puede determinar cuál es la capacidad remamente actualizada de la batería.


El indicador Cr indica cuánta energía hay disponible en la batería.

• Requisito Para poder obtener el valor del Cr es necesario conocer el valor actualizado de las variables descritas anteriormente. El valor calculado indicará los Ah disponibles en la batería.


El indicador se calculará con una periodicidad recomendable entre 1 y 5 minutos.



KPI_11: Tensión de celda (Vcel)


En una batería compuesta por varias celdas individuales el indicador Vcel indica la tensión actual de dicha celda. El valor se muestra en V (voltios).

• Definición de parámetros necesarios para el cálculo del indicador o Variable monitorizada

Vcel (Tensión de la celda) o Datos o cálculos a realizar

Este dato se obtiene mediante la medida de la tensión de la celda.

• Información que proporciona el KPI El indicador Vcel indica la tensión a la que actualmente se encuentra la celda. Según la tecnología empleada se establecerán los valores máximos y mínimos que definirán los márgenes de uso seguro de la celda para evitar que se llegue a un estado de sobretensión (por carga) o una tensión inferior (por descarga) a la recomendada por el fabricante, lo cual podría dañar la celda de manera irreversible y bien afectar al SOH o directamente inutilizar la batería.


• Requisito

Se necesita un sensor de tensión para medir la tensión de la celda. • Concepto temporal

El indicador se calculará con una periodicidad recomendable entre 1 y 5 minutos.



KPI_12: Tensión de batería (Vbat)


En una batería compuesta por varias celdas individuales el indicador Vbat indica la tensión actual de la batería que debe ser la resultante de la suma de valores de todas las celdas conectadas en serie. El valor se muestra en V (voltios).


Vbat (Tensión de la batería) o Datos o cálculos a realizar

Este dato se obtiene mediante la suma de las tensiones de la celdas en serie o bien mediante una medida individual de toda la batería.


El indicador Vbat indica la tensión de la batería. Según la tecnología empleada se establecerán los valores máximos y mínimos que definirán los márgenes de uso seguro de la batería para evitar que se llegue a un estado de sobretensión (por carga) o una tensión inferior (por descarga) a la recomendada por el fabricante, lo cual podría dañar la batería de manera irreversible y bien afectar al SOH o directamente inutilizar la batería.

• Requisito Se necesita un sensor de tensión para medir la tensión de la batería, o se puede obtener mediante la suma de las tensiones individuales de las celdas conectadas en serie que componen la batería.


• Concepto temporal El indicador se calculará con una periodicidad recomendable entre 1 y 5 minutos.



KPI_13: Corriente de batería (Ibat)


La Corriente de batería indica la corriente que está aportando en descarga (valor negativo) o que está recibiendo en carga (valor positivo) la batería durante su uso.


Ibat(Tensión de la batería) o Datos o cálculos a realizar

Este dato se obtiene mediante un sensor que monitoriza la corriente aportada o recibida por la batería.


El indicador Ibat indica la corriente que actualmente aporta o recibe la batería. Según la tecnología empleada y el modelo de celda/batería se establecerán los valores máximos tanto en carga como en descarga que definirán los márgenes de uso seguro de la batería para evitar dañar la batería y bien afectar al SOH o directamente inutilizar la batería.

• Requisito Se necesita un sensor de corriente para medir la corriente que aporta o recibe.


El indicador se calculará con una periodicidad de 1 minuto.




KPI_14: Temperatura de batería (Tªbat)


La Temperatura de batería indica la temperatura de uso de la batería. Puede ser un valor medio o varios valores si la batería es lo suficientemente grande como para requerir medidas en diferentes puntos.


Tªbat(Temperatura de la batería) o Datos o cálculos a realizar

Este dato se obtiene mediante un sensor que monitoriza la temperatura de trabajo de la batería.


El indicador Ibat indica la temperatura que actualmente presenta la batería. Según la tecnología empleada y el modelo de celda/batería se establecerán los valores mínimos y máximos tanto en carga como en descarga que definirán los márgenes de uso seguro de la batería para evitar dañar la batería y bien afectar al SOH o directamente inutilizar la batería.

• Requisito Se necesita uno o varios sensores de temperatura.


El indicador se calculará con una periodicidad de 5 minutos.




2.6 Conclusión

Como conclusión, la aplicación de mantenimiento se centrará en tres entidades específicas presentes en la mayoría de edificios y, por tanto, presentes en las ciudades inteligentes: entidad consumo climatización, entidad generación fotovoltaica, entidad almacenamiento.

De cada una de estas entidades han sido definidos varios indicadores clave de rendimiento con el objetivo de disponer de un indicativo que facilite el trabajo de mantenimiento y ayude al técnico encargado en los trabajos de diagnóstico y detección de fallos en algún punto de estas instalaciones.

Concretamente, en los indicadores de climatización se ha incidido en los parámetros que aportan información sobre el funcionamiento y el estado energético del equipo. De este modo, estos parámetros servirán al técnico de mantenimiento tanto para conocer el estado del equipo como para realizar las inspecciones periódicas de eficiencia energética establecidas por el RITE.

Respecto a los indicadores elegidos en fotovoltaica, el ratio global de pérdidas da información sobre el estado general de la instalación fotovoltaica con un modo de cálculo sencillo. Además, para conocer el estado del panel fotovoltaico, se dispone del término de pérdidas por temperatura, descrito en el Ratio global de pérdidas y el FF. Con estos dos parámetros puede conocerse de un modo sencillo tanto el estado de los paneles como el de la instalación global de fotovoltaica.

Respecto a los indicadores del sistema de almacenamiento, el SOH indicará el estado de salud de la batería de forma que cuando esta haya perdido un tanto por cien (normalmente un 20%) de su capacidad inicial, estará indicando que es conveniente su sustitución bien por un deterioro generalizado de todas las celdas o por un deterioro puntual de una o varias celdas que limiten la capacidad máxima de la batería. Esta información, proporcionada por el BMS, junto con otros muchos datos relativos a la batería, está disponible a través de un puerto de comunicaciones. Por otro lado, para conocer el estado instantáneo en un momento determinado del sistema de almacenamiento, se podrá obtener información incluso a nivel de celda para el SOC, tensión, corriente, temperatura, etc. de forma que se pueda hacer un seguimiento preciso del funcionamiento de las baterías.

Para la definición de todos los indicadores se ha seguido la misma estructura:

- Definición de parámetros: Variables a monitorizar y cálculos a realizar

- Información que aporta el indicador

- Requisitos

- Concepto temporal

- Grado de importancia

- Responsable


2.7 Aplicación

En las pestaña de mantenimiento de la aplicación a desarrollar se mostrarán los valores de los KPIs calculados (referidos a climatización, iluminación y mantenimiento) para el tipo de instalación que el usuario elija.

Figura 10: Selección del tipo de instalación. Fuente: ITE.

En los ejemplos que se muestran a continuación se muestra la selección de visualización de KPIs de la instalación de climatización. En función del tipo de instalación de climatización que se esté monitorizando, aparecerán unos cuadros de KPIs u otros. En primer lugar el usuario deberá indicar el tipo de instalación (dependiendo del combustible empleado: eléctrica, térmica o mixta) sobre la que se desea calcular los indicadores. En segundo lugar deberá escoger entre instalación individual o centralizada, en función del número de componentes de su instalación.


Figura 11: Pantalla de inicio de selección de la instalación por el usuario. Fuente: ITE.

La figura anterior muestra la pantalla de inicio de selección de la instalación por el usuario, en la figura siguiente se muestra la pantalla, una vez seleccionada la opción.

Figura 12: Pantalla de selección de la instalación por el usuario. Fuente: ITE.

En la figura anterior se muestra la pantalla de selección del tipo de instalación. Una vez seleccionado el tipo de instalación en los dos desplegables de la pantalla, se cargará la imagen de la tipología de instalación seleccionada tal como se muestra en la figura y se activará el botón de KPIs.


Figura 13: Visualización KPIs: instalación mixta y centralizada. Fuente: ITE.


3. Bibliografía

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[2] [En línea]. Available: www.pas55.net.

[3] «www.ireformas.com/servicios/aire-acondicionado-instalacion-de-aire-en-madrid.html,» [En línea].

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[5] «https://juanfrancisco207.wordpress.com/tag/daikin-atherma/,» [En línea].

[6] WILO, «Principios fundamentales de la tecnología de bombas centrífugas.,» 2005.

[7] IDAE, «Procedimiento de inspección periódica de eficiencia energética para calderas,» 2007.

[8] S. D. E. D. ENERGÍA, Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), 2013.

[9] R. C. Villarroel, «Diseño de una instalación fotovoltaica de venta a red con monitorización de energía.,» 2013.

[10] IDAE, «Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red,» IDAE, Madrid, 2011.

[11] E. v. D. E. M. A.R. Gxashekaa, «Evaluation of performance parameters of PV,» Elsevier-Science Direct, 2004.

[12] S. B. M. E. L. A. van Dyk EE, «Temperature dependence of performance of crystalline silicon modules.,» 2000.

[13] [En línea]. Available: http://www.energiasolar365.com.

[14] C. C. –. Gómez., «Sistemas de calefacción centralizados. Trabajo práctico ‘Instalaciones térmicas’.».

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