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NORMAS BASICAS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA
ELECTRICA EN EDIFICIOS
Ing. Nestor Quadri
Es necesario tomar conciencia que uno de
los aspectos de la eficiencia de la economía de cualquier
empresa consiste en utilizar adecuadamente la energía
eléctrica que se requiere para la operación en su planta o
edificio, la que normalmente constituye uno de los costos más
significativos en un mercado competitivo y globalizado. Para
ello, es necesario realizar un diagnóstico energético a fin
de determinar las acciones a realizar, las que deben
sustentarse en un sistema de control adecuado del consumo
eléctrico.
Generalidades
Es muy importante que las empresas obtengan
logros de ahorros importantes a través de un uso adecuado de
la energía eléctrica en sus plantas o edificios, los que
proyectados a escala país además de permitir un desarrollo
más sostenible y competitivo, tiendan a conservar los
recursos naturales y proteger el medio ambiente.
Para esbozar los lineamientos básicos a
adoptar se debe conocer el problema en su real dimensión,
como ser la cantidad y características de los consumos y los
ahorros que se pueden obtener. Para ello, hay que medir con
datos objetivos y significativos los procesos energéticos que
se producen, para determinar dónde es posible y conveniente
su aplicación y establecer un diagnóstico energético con las soluciones a aplicar, para determinar con precisión
el grado de eficiencia que se requiere.
De esa manera, es necesario la identificación
del consumo energético, que puede definirse como la
respuesta a la pregunta de cómo, dónde y cuanta energía es
empleada o desperdiciada y para ello, además del análisis
del consumo eléctrico se requieren los perfiles energéticos,
para establecer las áreas potenciales de ahorro de energía.
Para el análisis del ahorro a producir, es
conveniente poner en práctica ciertas premisas básicas
recordando que el objetivo no es dejar de emplear los
equipos eléctricos sino utilizarlos eficientemente y el
primer aspecto a considerar es la determinación de la
energía se consume en el edificio, dónde y cómo se utiliza
y cual es el costo que representa.
Sobre la base de dicho análisis, se debe
decidir si es necesario efectuar una auditoría energética para conocer en detalle y con certeza cuales son las
mejoras y eventuales inversiones a realizar y estos resultados
permiten determinar con exactitud en cuanto pueden reducirse
los costos y el tiempo de retorno de los montos a invertir.
Para realizar todo estudio energético deben analizarse varios
elementos básicos que importan en los consumos que son:
Edificio Iluminación Aire acondicionado Instalación
eléctrica Elementos de control
Edificio
Para que un edificio esté bien ejecutado,
debe contar con un adecuado aislamiento térmico, una buena
orientación y protección de ventanas y estar dotado de una
eficiente iluminación, porque ello requiere un sistema de
climatización de verano más pequeño, dado que normalmente
es el que consume mas energía eléctrica.
El proyecto de un edificio que tienda al
ahorro de energía en climatización en verano, debe cumplir
los siguientes objetivos:
Reducir al mínimo las ganancias de calor
por transmisión a través de los cerramientos.
Proteger eficazmente la ganancia de calor
por radiación solar directa a través de las ventanas
Intensificar la ventilación e iluminación
natural de los locales
Minimizar los consumos eléctricos de las
instalaciones de iluminación artificial y artefactos que
disipen calor en los ambientes aumentando su eficiencia.
En la ejecución de los edificios deben
emplearse aislantes térmicos que están constituidos
por materiales de baja conductividad del calor y representan
un elemento importante para evitar recalentamientos de muros y
techos expuestos a la acción directa del sol, por lo que se
infiere que el uso de aislamientos adecuados es una de las
mejores formas de reducir los consumos energéticos en la
climatización.
Las ventanas son los medios de
comunicación visual con el exterior y de iluminación hacia
el interior y además deben proveer una adecuada ventilación
natural, debiendo ser adecuadamente dimensionadas. Debe
tenerse en cuenta sin embargo, que los vidrios actúan como
una trampa de calor dado que dejan pasar la luz solar y
calientan los elementos del ambiente, pero a su vez la
radiación calórica invisible que estos emiten, no pasa a
través del vidrio, por lo cual el calor almacenado no puede
escapar denominándose a ello, efecto invernadero y
como este calor debe extraerse con aire acondicionado, es
necesario dotar de una buena protección solar a las ventanas
utilizando persianas, postigones de protección o parasoles.
Iluminación
La iluminación diurna más conveniente es
la natural ya que toda luz encendida en horas del día es un
derroche de energía y los colores de los revestimientos
interiores de paredes o techos tienen gran influencia en su
difusión ya que si son claros la reflejan y provocan su
homogénea distribución. El techo de tipo diente de sierra
brinda excelente iluminación en locales industriales.
La iluminación artificial disipa calor que
constituye un factor muy importante en el aumento de la
capacidad de los equipos de refrigeración en verano y ese
calor tampoco puede ser aprovechado en invierno para reducir
la carga de calefacción, porque como es calor eléctrico
es muy costoso.
Uno de los factores que afectan al consumo
de energía en iluminación es que las luces suelen permanecer
encendidas inútilmente durante largos períodos por lo que se
hace necesario el uso de temporizadores para activar las luces
en horarios prefijados y además deben colocarse controles que
detecten niveles de iluminación sobre ventanas,
verificándola entrada de la luz solar para disminuir la
iluminación artificial. El consumo de una lámpara de
filamento incandescente tienen una baja eficiencia,
perdiéndose la mayor parte de la energía consumida en forma
de calor.
Los tubos fluorescentes tienen una
eficiencia mayor, lo que en términos de iluminación
significa que se obtiene con igual consumo un nivel de
iluminación varias veces mayor que las incandescentes, pero
los balastos tradicionales disipan mucho calor. Por ello, es
indispensable reemplazar los tubos fluorescentes
convencionales por los que utilizan balastos electrónicos,
porque permiten ahorrar energía hasta un 10% y corregir el
factor de potencia, así como incrementar la vida útil de los
mismos.
Es muy conveniente el empleo de lámparas
de alta eficiencia por su alto poder lumínico, menor
consumo y mayor vida útil. Las lámparas fluorescentes
compactas electrónicas, además de aportar una calidad de luz
ambiental, son fundamentales por su bajo consumo en aquellos
lugares donde se necesite un alumbrado con largos períodos de
encendido y pueden utilizarse casi de forma general
consumiendo cinco veces menos que las incandescentes, con una
vida útil diez veces mayor, y poseen el mismo casquillo que
las bombillas tradicionales lo que las hace muy simple de
aplicar.
La distribución de las fuentes de luz es
de gran significación dado que su buena ubicación y
sectorización facilitan su control por área, para iluminar
adecuadamente solo los lugares que se necesitan. Es importante
también, la adecuada ubicación de los interruptores dado que
si se emplazan frente a una puerta sin señales que los
distinga, obliga generalmente al encendido de todas las
luminarias al no poder precisar la zona a la cual pertenece
cada uno.
Debe tenerse en cuenta en la operación lo
siguientes:
Limpiar periódicamente las luminarias,
porque la suciedad disminuye el nivel de iluminación de las
mismas.
Apagar las luces que no se necesitan, como
por ejemplo cuando el personal está en refrigerio.
Evaluar la posibilidad de utilizar luz
natural, utilizando pinturas de color claro e instalando
elementos transparentes o similares, para aprovechar este
recurso, siempre que brinde un nivel adecuado de iluminación.
Instalar superficies reflectoras para
direccionar e incrementar la iluminación y posibilitar la
reducción de lámparas.
Utilizar lámparas de vapor de sodio de
alta presión en la iluminación de exteriores.
Seleccionar adecuadamente lámparas para
que suministren los niveles de iluminación requeridos en las
normas de acuerdo al tipo de actividad que desarrollen.
Utilizar luminarias apropiadas como las
pantallas difusoras con rejillas. No se deben emplear
difusores o pantallas opacas porque generan pérdidas de luz
que requieren utilizar más luminarias.
Aire acondicionado
Debe tenerse en cuenta que el consumo de
energía causado por el funcionamiento de estas instalaciones
está condicionado por un gran número de factores que afectan
la demanda energética, tales como la calidad térmica de la
envolvente, la distribución de los espacios interiores en
función de su utilización, las cargas térmicas interiores,
los criterios de diseño de los subsistemas que componen la
instalación, tanto en lo relativo a la producción de los
fluidos portadores como a la zonificación de los espacios, la
flexibilidad de funcionamiento y el adecuado control.
La eficiencia con que esa demanda de
energía depende, a su vez, de otra serie de factores, entre
los que cabe citar el rendimiento de todos y cada uno de los
equipos que componen la instalación, la utilización de
energías residuales, el aprovechamiento de energías
procedentes de fuentes gratuitas, el empleo de plantas de
cogeneración con equipos de refrigeración por absorción, el
uso de sistemas de enfriamiento evaporativo o de recuperación
de calor y de acumulación térmica y en general, la
aplicación de todos aquellos sistemas, aparatos y
dispositivos que permitan la reducción del consumo de
energía procedente de fuentes convencionales, que redunde en
un uso más racional de la energía eléctrica.
Por ejemplo, el equipo crítico en cuanto a
consumo energético en plantas de refrigeración es el
compresor, sin embargo, aun cuando consume un gran porcentaje
de energía eléctrica, su funcionamiento está ligado al
resto del sistema de aire acondicionado, dado que un cambio en
las condiciones de operación impacta en forma directa o
indirecta en el consumo de energía del mismo.
Por lo tanto, el proyecto de mejoras
energéticas consiste en actuar sobre cada problema concreto
pudiéndose mencionar entre otras, las siguientes acciones
para mejorar el rendimiento energético:
Aumento de las temperaturas de
evaporación.
Reducción de las temperaturas de
condensación.
Parcializar las cargas de los compresores
para que funcionen a plena carga a máximo rendimiento
Mejoramiento del enfriamiento de los
condensadores, limpieza y adecuación.
Mejoras o ajustes en la circulación de los
caudales de agua o aire
Renovación y limpieza de filtros con
sistema de control de suciedad
Verificar pérdidas de aire en conductos y
ajuste de capacidades y consumos de ventiladores.
Utilización en lo posible de ventiladores
y bombas con regulación de velocidad variable que consumen
menos energía eléctrica que los de velocidad constante.
Mejoramiento del aislamiento de tuberías y
equipamientos.
Cierre de zonas refrigeradas cuando no se
usan.
Adecuación de la posición de los sensores
ambientales de comando y operación
Aumento de las temperaturas de operación o
set-point compatible con las necesidades de confort.
Mejoramiento en la automatización y
sistemas de control del sistema de aire.
Capacitación del personal del área de
mantenimiento y operación y analizar las posibles mejoras y
sistematización de las mismas.
En muchas ocasiones se trata de problemas
por mal diseño o una mala ejecución de la instalación y
otras veces se impone la sustitución tecnológica ya sea por
que el equipo es obsoleto en cuanto a su tecnología o por que
el equipo no cumple ya con su función y consume demasiada
energía y que requieren para su solución la ejecución de
trabajos y de nuevas inversiones.
Se pueden resumir las estrategias de ahorro
energético en aire acondicionado del siguiente modo:
Disminución de las necesidades de
energía, como el mejoramiento térmico de la envolvente del
edificio y protección de aventanamientos así como la
disminución del calor de iluminación
Incremento de la eficiencia energética,
del equipamiento propio del aire acondicionado, utilización
de recuperadores del calor del aire contaminado de los locales
al exterior para transferirlo al aire nuevo que ingresa,
empleo de sistemas de acumulación de agua fría o hielo, etc.
Utilización de energías gratuitas, por
ejemplo empleando el aire exterior cuando está fresco en
verano (free-cooling) o el enfriamiento evaporativo.
Aprovechamiento de la energía residual
mediante la cogeneración con equipos de absorción
Correcta regulación del sistema
Los locales que no estén normalmente
habitados, tales como garajes, huecos de escaleras, rellanos
de ascensores, cuartos de servicio, medidores, limpieza, salas
de máquinas y locales similares pueden requerir ventilación
forzada pero no deben climatizarse. Cualquiera que sea la
altura de los locales, se debe contemplar la posibilidad de
emplear sistemas con los cuales se acondicione solamente la
zona ocupada por las personas y debe aprovecharse la ventilación
natural todo lo posible para mantener un ambiente
cómodamente fresco la mayor parte del tiempo, especialmente
en épocas climáticas intermedias.
En los sistemas de bombeo ya sea de la
instalación de aire acondicionado como los de provisión de
agua del edificio, deben revisarse los filtros, limpiándolos
con frecuencia para evitar que las obstrucciones ocasionen
sobrecargas que aumentan innecesariamente su consumo de
energía. A la vez, debe revisarse toda la instalación de la
tubería y empaquetaduras para verificar que no existan fugas,
en especial en las uniones de los tramos de tubería y
reemplazar los empalmes viejos y gastados y ajustar las
uniones flojas que pueden ocasionar fugas, las cuales dan como
resultado un mayor consumo eléctrico.
La potencia nominal suministrada por el
motor, debe ser igual a la que requiere la bomba para trabajar
a su máxima eficiencia, dado que si es superior esta gastando
innecesariamente la energía, debiendo el motor estar
perfectamente alineado con la bomba y montado sobre una
superficie que reduzca las vibraciones. Es importante instalar
controles automáticos para arrancar el motor y para el motor
de la bomba, evitando así que siga consumiendo energía
eléctrica cuando la bomba haya dejado de funcionar.
Instalaciones eléctricas
Debe revisarse la temperatura de operación
de los conductores, dado que aquellos que están sobrecargados
presentan temperaturas superiores a las normales y se producen
pérdidas por calentamiento y riesgo de cortocircuitos o
incendio, además de mayor consumo energético. El
calentamiento puede ser causado, entre otras cosas por la
sección inadecuada de los conductores o por empalmes y
conexiones mal efectuados.
La recomendación anterior se hace
extensiva a los tableros de distribución, por tanto
debe evitarse sobrecargarse los circuitos derivados del mismo.
Las conexiones flojas aumentan las pérdidas de energía, por
lo que debe efectuarse un periódico ajuste de conexiones y
limpieza de contactos, borneras, barras, etc.
Es necesario ajustar la caída de tensión
en los alimentadores de los motores eléctricos, dado
que una tensión reducida en los terminales del motor, genera
un incremento de la corriente, sobrecalentamiento y
disminución de su eficiencia, por lo que es necesario
utilizar conductores de distribución correctamente
dimensionados. Además, debe balancearse la tensión de
alimentación en los motores trifásicos de corriente alterna,
porque si el desequilibrio entre las fases se hace excesiva,
los motores operan con menor eficiencia.
Se hace indispensable utilizar arrancadores
a tensión reducida en aquellos motores de cierta potencia
que realizan un número elevado de arranques, evitando
sobrecargas en el arranque con un calentamiento excesivo en
los conductores y se logra disminuir las pérdidas durante la
aceleración. Deben sustituirse en los motores de rotor
devanado, los reguladores con resistencia para el control de
la velocidad, por reguladores electrónicos más eficientes,
porque las resistencias llegan a consumir un porcentaje
elevado de la potencia que el motor toma de la red.
Es conveniente instalar equipos de control
de la temperatura del aceite de lubricación de cojinetes de
motores de gran capacidad a fin de minimizar las pérdidas por
fricción y elevar la eficiencia, no siendo recomendable
rebobinar motores, porque puede variar las características de
diseño del motor, lo cual incrementa las pérdidas de
energía.
En cuanto a los transformadores, debe
determinarse con precisión la carga asociada al mismo para no
sobrecargarlo y así reducir las pérdidas en el cobre y a la
vez evitar operar transformadores a muy baja carga, analizando
si es posible su redistribución. Es necesario revisar el
nivel y rigidez dieléctrica del aceite periódicamente, con
el fin de controlar la capacidad aislante y refrigerante del
mismo y realizar una limpieza periódica del transformador, es
decir, superficie del tanque, aletas disipadoras de calor,
bornes, etc., midiendo con frecuencia la temperatura
superficial dado que ella no debe ser superior a 55ºC
y de ser así, debe revisar el aceite dieléctrico.
Los transformadores y motores consumen energía
reactiva, la cual puede compensarse mediante la
instalación de bancos de condensadores o generadores
sincrónicos para mejorar el factor de potencia. La
compensación de energía reactiva tiene los beneficios de
eliminar la facturación adicional por consumo de energía
reactiva, reducir las caídas de tensión y las pérdidas
por efecto Joule además de proteger la vida útil de las
instalaciones.
Un aspecto muy importante a considerar es
el recorte de los picos de demanda. En efecto, debe
tenerse en cuenta que cuando el consumo supera la potencia
convenida en punta o en fuera de punta por un período mayor a
15 minutos, las empresas de energía facturan sobre la base de
ese valor máximo registrado durante un cierto período,
generalmente 6 meses, de manera de penalizar los excesos de
consumos de potencia, de acuerdo a lo indicado en la figura.
Por ello, si se producen desvíos, es
necesario el recorte de los picos de demanda denominado peak-save,
para evitar dichas penalidades, por lo que es necesario contar
con un dispositivo automático que separe el consumo de la red
y arranque los grupos electrógenos.
Otro elemento a considerar, es las cargas
no lineales son generadoras de corrientes armónicas de
elevada frecuencia que provoca un aumento de la impedancia,
provocando un calentamiento suplementario en los cables,
transformadores y demás elementos de la instalación, y
además pueden originar penalidades por las compañías
proveedoras. Por ello, puede ser necesario la instalación de compensadores
activos de armónicos, debiéndose realizar un estudio de
la instalación, analizando en diferentes puntos donde se
concentra un determinado nivel de los mismos, para poder
determinar el lugar más adecuado a instalarlos.
Sistemas de control
Es fundamental para lograr la optimización
de los costos energéticos disponer de los medios de ajustes
necesarios para adaptar los parámetros de funcionamiento de
los equipos de modo de lograr una mejora en tiempo y forma en
cuanto a sus condiciones de funcionamiento.
La optimización del suministro requiere
conocer en las instalaciones eléctricas de cierta envergadura
como están repartidos los consumos a lo largo del tiempo,
cuales son las solicitaciones de cada carga, los factores de
potencia más desfavorable y las causas que pueden provocar un
bajo rendimiento de la instalación. Todo ello, requiere la
instrumentación adecuada para la medida, registro y
tratamiento de datos, empleándose generalmente los
denominados adquisidores de datos, que consiste en un
equipo multifunción de técnica digital, específicamente
diseñado para medir simultáneamente varias magnitudes de una
determinada instalación eléctrica.
Sin embargo, en grandes edificios no cabe
la menor duda que es indispensable adoptar un sistema de
gestión integral del tipo inteligente que
posibilite la operación y regulación, con un programa
orientado hacia la reducción del consumo energético, así
como una disminución de los costos de mantenimiento, siendo
dichos datos útiles para definir las reales necesidades del
servicio, correcciones y posibles mejoras al funcionamiento.
De esa manera, puede disponerse de un
control directo de cada uno de los parámetros, proporcionando
en tiempo real la información de lo que está pasando en el
edificio, para tomar decisiones de ahorro energético, tales
como selección de las condiciones interiores de confort en
aire acondicionado, el control de la iluminación, bombas de
agua, grupos electrógenos, etc.
Un sistema de control inteligente tiene por
objeto además de lograr el confort y seguridad de
funcionamiento, la economía de operación y la forma de
lograr estos objetivos es censar y comandar la totalidad de
las instalaciones desde un centro de gestión,
debiéndose prever que ante la posibilidad de fallas en las
comunicaciones de datos de un sector del edificio, éste
funcione inteligentemente en forma autónoma, por lo que a
esos sistemas se los define como inteligencia distribuida.
El sistema de control y monitoreo se
utiliza para controlar y administrar el edificio y permite
realizar una gestión coordinada con la totalidad de las
instalaciones, siendo capaz de integrar múltiples funciones
incluyendo control y supervisión de los equipos, registro de
alarmas y almacenaje de datos históricos, así como el
control y almacenamiento de datos de los consumos eléctricos,
calculando las sumas totales en forma diaria, semanal o
mensual.
El sistema permite verificar los estados de
cargas eléctricas y su distribución en forma racional,
eliminando consumos innecesarios, efectuando el ciclado y
rotación de cargas y el secuenciamiento de equipos. Por otra
parte puede atenuar o eliminar los niveles de iluminación
según sea el aporte de iluminación natural externa en áreas
con ingreso de luz natural, manteniendo niveles de
iluminación constantes a bajo costo.
Pueden ajustar automáticamente el uso
operativo del edificio a las estaciones anuales y el sistema
con los datos de los consumos de electricidad, puede
establecer una conducta de operación propia del edificio y de
esta forma, permite optimizar aún mas los consumos
energéticos. Además, puede registrar con intervalos de
tiempo determinados la tendencia del consumo del edificio y
verificar cuando se generó el pico máximo de consumo, para
evitar que no se pase de un límite máximo y producir el
recorte y además controlar el factor de potencia en forma
permanente.
En la optimización de energía eléctrica
puede basarse en producir entre otros, los siguientes
controles:
Desfasajes en los arranques de motores
programados.
Transferencias de cargas eléctricas de
acuerdo a la situación de consumo, día o noche, días
feriados o laborables, estación del año, etc.
Optimización de arranques y paradas de
motores.
Control de variadores de velocidad de
ventiladores.
Control de temperatura de agua o aire de
climatización.
Secuencias de funcionamiento de los equipos
de climatización.
Control de unidades de tratamiento de aire.
Control de temperaturas de condensadores o
de torres de enfriamiento.
Optimización de consumos por contraste de
curvas de consumos eléctricos anteriores registrados.
Por todo lo indicado, para realizar un
ajuste tendiente a la disminución en las necesidades de
consumo energético, además de los aspectos puntuales a
adoptar en cada caso, es indispensable contar con un elemento
de control adecuado que permita verificar y ajustar la
operación, para lograr que dicho ahorro sea lo mas eficiente
posible.
Bibliografía
Ing. Nestor Quadri- Instalaciones
eléctricas en edificios- Editorial Cesarini.
Ing. Nestor Quadri- Sistemas de Aire
Acondicionado.Calidad del aire interior. Editorial libronauta
Página de las instalaciones de edificios.
www.acondicionamiento.com.ar
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