INFLUENCIA DEL CONTROL DE ILUMINACIÓN Y DE LA PROTECCIÓN

SOLAR EN EL CONSUMO ENERGÉTICO DE UN EDIFICIO DE OFICINAS

Autores: AJ INGENIERÍA (José Luis Hernández, Ing. Ind.) en colaboración con el CREVER (Grupo Investigación de Ingeniería Térmica Aplicada) de la URV (Universitat Rovira i Virgili de Tarragona)

El objeto del Estudio es el de determinar la incidencia que tiene en el consumo energético de un edificio de oficinas, la implantación de un sistema de control de iluminación y de protección solar de fachadas.

Al simularse un edificio real que tiene un sistema de control de la iluminación de LUXMATE, se dispone de un registro de consumos eléctricos asociados a la iluminación de un año entero con la instalación funcionando (Mayo 2010 hasta Mayo 2011), el cual se podrá comparar con los datos extraídos de la simulación

Imágenes del edificio. A la izquierda, el edificio en su estado original. A la derecha, el edificio después de la reforma.

HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS UTILIZADAS

Para cumplir con el objetivo establecido se ha llevado a cabo un proceso de análisis basado en simulaciones energéticas dinámicas, con el programa DesignBuilder, que tiene integrado el motor de cálculo de EnergyPlus, con sus herramientas auxiliares Slab y Weather Tool.

El programa ofrece una simulación integrada que permite calcular la energía necesaria para enfriar o calentar un edificio. Las zonas del edificio, el sistema de manejo del aire y el equipamiento de climatización, son resueltas simultáneamente con retroalimentación.

MODELOS DE SIMULACIÓN

Escenario Edificio Lamas Control ilum. Comentarios

01 Original -- --

02 Actual -- -- Evalua cambios cerramientos y vidrios

03 Actual L -- Evalua lamas móviles de forma independiente

04 Actual -- C Evalua control iluminación de forma independiente

05 Actual L C Evalua conjunto lamas y control iluminación

En cada uno de los escenarios se analizarán los consumos energéticos asociados a iluminación y climatización. No se consideran en este análisis los consumos de equipos (miscellaneous) y aparatos elevadores dado que no son objeto del presente Estudio.

En cuanto a los sistemas de iluminación simulados, en todos los escenarios se ha supuesto una carga de iluminación (W/m

2) que corresponde a la instalación realmente implantada en el edificio, incluso en el

escenario 01 (antes de la reforma).

El sistema de climatización de cada uno de los escenarios es el mismo, de manera que no se tiene en cuenta la mejora de la eficiencia de la instalación por el mayor rendimiento energético de los equipos del sistema HVAC implantado, por lo que se puede comprobar exactamente la influencia que tiene cada medida de mejora (control iluminación y/o lamas móviles) sobre un sistema de climatización de referencia, igual en todos los casos.

DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO

La edificación es existente y se situa en Barcelona, constando de P. baja, altillo y 4 plantas tipo, con una superficie aproximada de 6.800 m

2 dedicados a oficinas públicas y privadas. No hay aumento de volumen;

tan sólo redistribución y remodelación.

Fachada posterior

Tabique 1/4, cámara de aire con relleno de 3 cm de aislamiento poliestireno expandido, y acabado exterior de ladrillo perforado una cara. La carpintería está colocada por el exterior. No se modifica.

Fachada principal

Este, Sur y Sureste (chaflán); compuesta de tabique 1/4, cámara de aire con relleno interior 3 cm de aislamiento poliestireno expandido, pared de ladrillo hueco de 14 cm de espesor y aplacado exterior en piedra arenisca. Se sustituye totalmente por panel modular (antepecho entre ventanas) compuesto por: Placa exterior de composite Alucobond Smoke Silver Metálic; Panel hidrófugo de fibras; Relleno aislante de lana de roca (100 kg/m3 -100 mm) y Placa interior cortafuegos de fibrosilicatos Promatect.

Protección solar

En fachada principal mediante una segunda piel de lamas de aluminio, orientables a motor, motorizadas. Su movimiento está controlado por el sistema de control de LUXMATE, con el fin de proteger la fachada de la radiación solar así como evitar deslumbramientos no deseados.

Carpintería exterior

De aluminio, sin rotura de puente térmico con vidrios Climalit 6-6-5 incoloros. La fachada interior no se modifica pero las fachadas E, S y SE, se rehacen totalmente con los siguientes elementos: Carpintería de aluminio con rotura de puente térmico REYNAERS, modelo CS68 con vidrios P. Altillo y P. 1ª a 4ª del tipo Float 6 mm transparente / cámara 15 mm / laminar 4+4 butiral Silence transparente. Baja emisividad. Vidrios Planta Baja, sobre muro cortina: Laminar exterior 6+6 incoloro / cámara 16 mm / laminar interior 6+6 incoloro con butiral acústico. Baja emisividad.

Iluminación

En despachos y zonas diáfanas: totalmente nueva con pantallas de 60x60 cm empotradas para 3 fluorescentes T16 de 24 w y con reflector doble parabólico aluminio satinado y reactancia digital regulable. En aseos, downlights de 2x26W y/o 2x18W, con reactancia digital regulable.

CONTROL DE ILUMINACIÓN

Se trata de un sistema de control LUXMATE, basado en bus de campo con libertad de topología que permitirá, en un futuro, realizar, de una forma sencilla y económica, cualquier modificación o ampliación en la instalación.

No será necesario la utilización de complejas consolas de programación, ordenadores personales ni software específicos para realizar el direccionamiento.

Control de luminarias

Las luminarias fluorescentes se controlan a través del sistema DALI. A través de esta señal digital se regulan las luminarias, individualmente, con un margen mínimo 1%-3% al 100%.

Todos los módulos para el control de luminarias disponen de un servicio de vigilancia de sus salidas, de manera que serán capaces de enviar códigos de error al sistema, en el caso de mal funcionamiento.

Control de posición de las lamas

Cada canal será capaz de controlar, tanto la posición vertical como la orientación de las lamas, con una única salida. La regulación de las lamas se podrá realizar a través del sistema, o bien a través de pulsadores conectados directamente al módulo.

Pulsadores de Radiofrecuencia

Pulsadores de receptores de radiofrecuencia LM-RFR para la conexión inalámbrica de pulsadores EnOcean (tecnología de pulsador RFR sin batería). Se consigue la máxima flexibilidad en su planificación y se reducen los tiempos de instalación.

Sensor de luminosidad exterior

El sistema dispone de un sensor general para toda la instalación situado en la parte más elevada del edificio, el cual recoge los datos de iluminación tanto directa como difusa, en dirección vertical y horizontal, sobre cada uno de los puntos cardinales, así como el estado general del cielo.

Regulación en función de la luz natural

En aquellas zonas en las que el aporte de luz natural sea suficiente, se realiza una regulación de las luminarias en función de la luz natural disponible que repercutirá en el confort del usuario así como en un importante ahorro energético.

Automatización de lamas

Se realiza un control automático de las lamas, ya sea por recinto o por grupos, de manera que cuando el sol incida directamente sobre la ventana se irán ajustando el ángulo de las lamas en función de la posición instantánea del sol, evitando de esta manera la entrada directa de luz, pero permitiendo el paso de la luz difusa.

El sistema tiene en cuenta la geometría del edificio, así como otros edificios o elementos colindantes que pudieran proyectar sombra sobre las lamas a controlar.

El sistema permite programar tiempos de cierre prestablecidos en función de horarios, así como días festivos o períodos vacacionales y es posible definir, si durante estos tiempos de cierre, el usuario puede realizar acciones manuales sobre la instalación.

Gestión de consumos

Esta aplicación permite, a los técnicos de mantenimiento, tener una información fiable del envejecimiento de los elementos de la instalación y datos puntuales de consumos en cada zona de la misma.

Superficie gráfica

El sistema de control cuenta con un software de visualización de la instalación en el que se puede comprobar el estado de la totalidad de salidas de la misma.

El sistema de visualización cuenta con un histórico de errores ocurridos en la instalación. En este histórico, dependiendo de los derechos del usuario, se podrán marcar las alarmas como ya reconocidas por el operario de mantenimiento así como imprimirlas.

Zonas objeto de control

- Oficinas, despachos y salas de reunión: Encendido, apagado y regulación mediante pulsadores de radiofrecuencia montados en pared y control general de encendidos y apagados en función de los horarios establecidos.

En zonas con influencia de luz natural existe una regulación continua en una franja de unos 5m. El sistema calcula el valor de regulación de las luminarias para cada posición de las lamas, manteniendo de esta forma el nivel de iluminación asignado al recinto.

- Pasillos y Zonas Comunes: Control general de encendidos y apagados en función de los horarios establecidos para el edificio.

Fuera de los horarios normales de funcionamiento del edificio permanecerán encendidas, por lo menos, un tercio de las luminarias de la zona para labores de seguridad y vigilancia.

- Recepción: Se instala un panel táctil con el que se realiza un control total de la zona. Se visualiza una representación sinóptica de los elementos a controlar, con su distribución en el recinto. La regulación es similar a la zona de oficinas.

- Aseos y Vestuarios: Cada recinto se conecta mediante detectores de presencia.

- Sala de prensa: Mando de control en pared con el que se pueden activar, desactivar y regular salidas, así como guardar la configuración actual en cinco escenas distintas y llamarlas posteriormente.

Control manual de las lamas y pantalla de proyección, en función de la escena seleccionada mediante el mando de pared o el panel táctil. También se controla el manejo de las instalaciones de audiovisuales.

INSTALACIÓN DE CLIMATIZACIÓN

La producción de agua fría es mediante una enfriadora condensada por aire situada en cubierta y la producción de agua caliente es mediante calderas a gas natural. Las unidades terminales son fancoils a 4 tubos, con batería de frío y de calor.

La aportación de aire exterior se realiza con climatizadores que tratan y filtran el aire en origen para introducirlos a los fancoils a una temperatura próxima a la temperatura de confort interior.

Datos climáticos

Se ha empleado un archivo de datos climáticos, correspondiente a Barcelona, cuya fuente es el International Weather for Energy Calculations (IWEC) de ASHRAE

Con el objeto de verificar la confiabilidad del archivo de datos climáticos, se han comparado los valores medios de radiación solar y temperaturas, a partir de datos climáticos medidos en una estación meteorológica cercana a la ubicación del edificio (fuente: METEOCAT) y se ha apreciado que hay una adecuada correspondencia entre los datos medidos y los datos del archivo, sobre todo en lo que respecta a la radiación solar.

Configuración geométrica y zonificación

El modelo de simulación se ha desarrollado tratando de respetar al máximo la configuración geométrica del edificio real, si bien se han efectuado algunos ajustes con el objeto de optimizar los procesos de análisis, tales como zonificación interna simplificada, configuración con todas las zonas convexas (condición necesaria para poder emplear la opción de distribución solar completa interior y exterior de DesignBuilder), bloques adicionales que representan a los edificios vecinos, con el objeto de considerar las sombras.

Las Figuras 5 y 8 muestran imágenes correspondientes a los modelos 3D empleados en las simulaciones.

Figura 5. Modelo 3D, edificio completo. Figura 8. Modelo 3D, plantas primera a la cuarta.

RESULTADOS

En el presente apartado se muestra una síntesis de los resultados obtenidos mediante las simulaciones. Para cada uno de los escenarios planteados se ha realizado una simulación anual.

Consumos energéticos globales

Figura 23. Gráfica comparativa de consumos energéticos asociados a la climatización e iluminación del edificio (kWh/m2).

El consumo energético total del Escenario 02 (edificio actual, sin lamas y sin control) es un 1,7% mas elevado que el del Escenario 01 (edificio original antes de la reforma), debido a que se han substituido los cerramientos de la fachada principal por unos con mayor aislamiento (menor coeficiente de transmisión) aunque con menor masa térmica.

Tomando como referencia el Escenario 02 (actual, sin lamas, sin control), puede verse la mejora que producen los sistemas de lamas y control de luz.

Balances térmicos del edificio

Se ha realizado un balance térmico del edificio, teniendo en cuenta las ganancias por cerramientos (que agrupan las pérdidas y ganancias por muros, suelos y cubiertas), por fuentes internas (personas y aparatos), por infiltración, por acristalamiento (que agrupan las ganancias solares y por conducción a través de las ventanas), por iluminación, por calefacción y por refrigeración, con las siguientes consideraciones:

1. Los valores representan la sumatoria de las ganancias y pérdidas de calor durante el año. Algunos valores implican solo ganancias, como en el caso de la iluminación, y otros solo pérdidas, como en el caso de la refrigeración. En el caso de los cerramientos, sin embargo, están implicadas tanto pérdidas como ganancias. Esto significa que si bien considerando todo el año el resultado es de pérdidas de calor a través de los cerramientos, hay periodos en los que éstos representen ganancias.

2. Las ganancias por refrigeración y calefacción representan la energía que el sistema de climatización extrae y aporta al espacio respectivamente, para mantener las condiciones de confort. Las principales diferencias respecto a los consumos energéticos correspondientes radican en que en este caso no entra en juego la eficiencia de los equipos ni se consideran las cargas asociadas al tratamiento del aire exterior de ventilación.

3. En un balance térmico perfecto, los valores totales de la columna a la derecha deberían tender a cero. Sin embargo, dado que se trata de cálculos dinámicos y que se encuentran involucrados aspectos como la inercia térmica, en este caso siempre hay valores residuales.

Figura 26. Gráfica comparativa de balances térmicos globales del edificio (kWh/m2).

En la Figura 28 se han aislado, de los datos anteriores, los correspondientes a las pérdidas y ganancias de calor por refrigeración, calefacción e iluminación. Esto nos permite establecer una relación más clara entre los balances térmicos y los consumos energéticos asociados, sobre todo en términos de porcentajes de mejora.

Nota: Para calcular los valores totales, se han invertido los valores negativos (pérdidas de calor) asociados

a la refrigeración.

Figura 28. Gráfica comparativa de balances térmicos parciales del edificio (kWh/m2).

Análisis de resultados Escenario 03:

En los resultados del Escenario 03 (edificio reformado con lamas sin control iluminación) se puede apreciar que el consumo de refrigeración baja considerablemente respecto el del Escenario 02, pasando de 81,5 a 71,6 kWh/m

2 respectivamente debido a la implantación de lamas móviles de protección solar. Sin embargo,

el consumo de calefacción aumenta sensiblemente pasando de 1,3 a 1,5 kWh/m2 debido a que si bien las

lamas móviles permiten la entrada de radiación solar difusa, impiden la entrada de radiación solar directa (para evitar deslumbramientos) y por tanto existen menos ganancias de calor gratuitas en invierno, lo que

hace que suba sensiblemente la demanda de calefacción respecto el Escenario 02. Puede notarse también que el consumo de iluminación permanece constante tanto en el Escenario 01, como en el Escenario 02 y en el Escenario 03 debido a que el sistema de iluminación simulado no dispone de control de iluminación, estando las luminarias encendidas durante todo el horario de ocupación y uso del edificio, independientemente de la luz natural que está entrando dentro del edificio.

La mejora del consumo energético del edificio es de un 3,5% respecto el edificio original, y de un 7,5% respecto al edificio reformado, sin contar con lamas ni sistema de control de iluminación.

Análisis de resultados Escenario 04:

En cuanto a las resultados obtenidos en la simulación del Escenario 04 (edificio reformado sin lamas pero con control de iluminación), y comparándolos con el del Escenario 02 (edificio reformado sin lamas ni control de iluminación) se puede observar que la mejora en los consumos energéticos globales del edificio son notables, debido sobretodo a la disminución del consumo por iluminación, pasando de 46,7 a 27,4 kWh/m

2.

También el consumo por refrigeración disminuye sensiblemente pasando de 81,5 kWh/m2 a 68 kWh/m

2, de

lo que se extrae que la reducción en el consumo de iluminación influye sustancialmente de forma positiva sobre el consumo de refrigeración. No obstante, la reducción en el consumo de iluminación tiene efectos negativos en el consumo del edificio en calefacción, pasando de 1,3 a 1,9 kWh/m

2 aunque dadas las

diferencias de los valores de consumos energéticos entre refrigeración/iluminación y calefacción, hace que esta penalización no influya de manera significativa en el cómputo global de consumo energético del edificio.

La mejora del consumo energético del edificio es de un 21,6% respecto el edificio original, y de un 24,8% respecto al edificio reformado sin lamas ni sistema de control de iluminación.

Análisis de resultados Escenario 05:

Comparando los resultados obtenidos en la simulación del Escenario 05 (edificio reformado con lamas y con control de iluminación), que contiene todas las actuaciones que se han implementado en la reforma integral del edificio, con el Escenario 04 (edificio reformado sin lamas y con control de iluminación), se observa que el consumo por refrigeración se reduce de 68 a 57,5 kWh/m

2 debido a la acción de protección solar de las

lamas móviles en fachada, si bien el consumo por iluminación y el de calefacción aumenta sensiblemente debido a que las lamas móviles, si bien permiten la entrada de radiación solar difusa, impiden la entrada de radiación solar directa (para evitar deslumbramientos) y por tanto existen menos ganancias de calor gratuitas en invierno, lo que hace que suba sensiblemente la demanda de calefacción, no siendo muy significativas estas diferencias en el cómputo global del consumo energético del edificio, obteniéndose una mejora del 29,6% respecto al edificio antes de la reforma, y de un 32,50% respecto al edificio reformado sin lamas ni control de iluminación.

De los resultados obtenidos se pueden extraer conclusiones acerca de las mejoras energéticas debidas a la implantación del sistema de protección solar así como de control de iluminación, tanto de forma separada como conjunta.

Consideraciones relativas al edificio:

Los resultados obtenidos y comentados anteriormente, hacen referencia a nivel de EDIFICIO (todo el edificio al completo), incluyendo todas sus fachadas, plantas y espacios interiores. Cabe decir que el sistema de protección solar sólo está instalado en las fachadas Este y Sur Este (chaflán), no existiendo este sistema de protección solar en la fachada posterior trasera con orientación Oeste. Tampoco existe sistema de lamas de protección solar en toda la planta baja y planta altillo del edificio, de manera que los resultados obtenidos en la mejora de consumos energéticos sería aún mayor si se hubieran instalado lamas en la fachada posterior Oeste, así como el la planta baja y altillo del edificio.

Con el fin de poder cuantificar el efecto del sistema de lamas y de control solar, se ha realizado una simulación a nivel de ZONA, de una zona representativa que dispone del sistema de lamas y control de luz.

Balances térmicos de una ZONA representativa con sistema de lamas móviles

El sistema de lamas móviles no ha sido instalado en todas las ventanas del edificio, sino sólo en las ventanas de las plantas primera a la cuarta, en las fachadas este, sureste y sur (en esta última solo se consideran las ventanas adyacentes a la fachada sureste). De esa manera, sólo el 42.2% de la superficie ocupada total del edificio cuenta con dicho sistema. Esto, aunado al hecho de que la planta baja presenta una exposición a la radiación solar muy distinta al resto de las plantas debido a su configuración geométrica,

dificulta medir el verdadero impacto del sistema de lamas móviles cuando se muestran los datos a nivel edificio.

Para tener una mejor aproximación a este aspecto del desempeño del edificio, en el presente apartado se muestran los balances térmicos calculados en una zona representativa en la que se ha empleado el sistema de lamas móviles. En este caso se trata de la Zona frontal 02 de la planta segunda (ver Figura 29).

Nota: Para estos datos aplican todas las consideraciones hechas en el apartado anterior.

Figura 29. Identificación de la zona analizada en el presente apartado.

Figura 31. Gráfica comparativa de balances térmicos globales de la Zona frontal 02 (kWh/m2).

Figura 33. Gráfica comparativa de balances térmicos parciales de la Zona frontal 02 (kWh/m2).

Puede observarse que los resultados de mejora en los consumos energéticos a nivel de ZONA aumentan considerablemente respecto los consumos energéticos a nivel EDIFICIO, consiguiéndose unas mejoras del 42,8% respecto al edificio original antes de la reforma, y de un 46,7% respecto al edificio reformado sin lamas ni control de iluminación.

Comparación de consumos energéticos medidos y simulados por iluminación

Dado que se dispone de datos reales medidos de los consumos energéticos por iluminación, correspondientes a un año completo en el edificio actual (Escenario 05), se ha hecho una comparación entre éstos y los datos obtenidos en las simulaciones.

Figura 46. Gráfica comparativa de consumos energéticos por iluminación medidos y simulados en el Escenario 05 (kWh/m2).

El resultado es que existe un buen nivel de correspondencia entre los datos medidos y los datos obtenidos de las simulaciones, de tal modo que, si se consideran los consumos anuales, la diferencia es sólo de un 3.5%.

Así pues esta comparación nos ofrece un buen nivel de fiabilidad en los modelos de simulación desarrollados, sobre todo en lo que respecta al funcionamiento de las lamas móviles y el sistema de control de la iluminación.

Las diferencias, aunque pequeñas, entre los consumos reales extraídos de la instalación y los obtenidos de la simulación pueden ser debidas a los siguientes factores:

1.- El horario de uso del edificio implementado en la simulación puede diferir en cierta medida del horario real de la instalación.

2.- Los datos del archivo climático utilizado en la simulación corresponde a una base de datos de IWEC (Ashrae), que difieren ligeramente de los datos climáticos reales de la temporada desde Junio 2010 a Mayo 2011, que es la temporada de la cual se disponen datos reales de consumo en iluminación.

3.- En la simulación no se considera la luz que pasa a través de las particiones interiores que separan las zonas de fachada con las zonas interiores, lo que induce a diferencias entre los consumos reales de iluminación extraídos de la instalación y los obtenidos mediante la simulación.

CONCLUSIONES FINALES

Las mejoras de ahorro energético global son sustancialmente mayores en el caso de la simulación a nivel de ZONA, puesto que como se ha comentado anteriormente no influyen las zonas del edificio donde no hay instalado sistema de lamas móviles en fachada.

En el caso concreto del sistema de refrigeración, debe tenerse en cuenta que a nivel de ZONA se ha simulado un espacio con fachada orientada a Este. Si se realizara la simulación a nivel de ZONA para un espacio con fachada orientada a Oeste protegida con lamas móviles, el ahorro energético del sistema de refrigeración sería aún mayor puesto que la radiación solar incidente en verano, en un emplazamiento tal como Barcelona, es mayor en orientaciones Oeste (sol de tarde) que en orientaciones Este (sol de mañana). No obstante, el edificio objeto del presente Estudio no dispone de lamas de protección solar en la fachada Oeste.

De estos resultados y comparativos efectuados anteriormente, se extrae que en un clima como el de Barcelona y en un edificio con uso administrativo, que cuenta con altas cargas internas tanto por equipos, iluminación y ocupación, las cargas casi siempre son positivas, por lo que el sistema de refrigeración tiene que combatirlas durante todo el año y por tanto el sistema de calefacción tiene poco peso en lo que se refiere al consumo energético global del edificio.

Por tanto, un sistema de lamas móviles de protección solar de las superficies acristaladas en fachada, es totalmente aconsejable en edificios en ubicaciones con climatologías similares a Barcelona y con usos similares al del edificio simulado, dado que se obtienen importantes ahorros energéticos en el sistema de refrigeración como se ha mostrado anteriormente.

Dichos ahorros son (Escenario 03) del 18,20% respecto al consumo total del edificio referidos a una ZONA y del 7,49% respecto a todo el EDIFICIO.

En cuanto a la iluminación, si nos referimos a una ZONA Este, el ahorro tan sólo por el control es del 56,49% del consumo de la misma y a nivel de nuestro EDIFICIO es del 41,33%.

Ese control sería el responsable, él sólo, de un ahorro del 29,80% del consumo (clima+iluminación) a nivel de ZONA y del 24,86% del consumo (clima+iluminación) del EDIFICIO y de ahí, la importancia del control de iluminación.

Si ahora vemos la combinación de lamas móviles y control de luz, resulta que el control de luz, por sí sólo, ahorra un 53,77% del consumo de luz en la ZONA y 40,69% en el EDIFICIO. Y la mejora del consumo (clima+iluminación), incluyendo lamas móviles y control de luz resulta del 43,73% en la ZONA y del 32,51% en el eidificio, por lo que la asociación de lamas y control de luz es altamente beneficiosa de cara al ahorro energético del edificio.

Por último, remarcar que se han comparado los consumos por iluminación simulados con los extraídos de la instalación en funcionamiento, obteniendo valores muy próximos

La proximidad entre los resultados de consumo energético por iluminación simulados y reales confieren un alto grado de fiabilidad al presente Estudio.