La automatización es importante nuestra vida, se da por hecho que los dispositivos que usamos siempre han funcionado de la misma manera. Imagine usted que entra a su oficina, se prenden las luces de manera automática, la tarjeta de identificación permite el acceso al elevador y la temperatura del cubículo está bajando para comodidad de todos los ocupantes. El aire acondicionado lleva un proceso de automatización laborioso, ya que se tienen que tomar en cuenta varios factores: temperatura, humedad relativa, posición del edificio, etc. Para poder hacer que un sistema adecúe las condiciones ideales. Si no tuviéramos todo esto, habría varias personas operando sin descanso todos los equipos de aire acondicionado, los costos de: operación, mantenimiento y consumo eléctrico serán elevados.
Esto no es nuevo en el Aire Acondicionado, se enseña lo mismo pero con otro nombre, lo innovador es la capacidad de hacer control con la menor cantidad de energía eléctrica posible. Este artículo está dirigido a cualquiera que no ha tenido la oportunidad de ver la parte de la automatización, y no la entiende. Quien haya trabajado en el área de mecánica podrá comprender.
¿Por qué es importante la automatización del Aire Acondicionado?
- Permite una fácil operación de los equipos de cualquier inmueble
- Gestiona tiempos de operación de los mismos
- Reduce costos de personal de mantenimiento
- Alcanza y mantiene la temperatura de confort
- Opera varios sistemas al mismo tiempo
- Monitorea el consumo de energía eléctrica
- Toma decisiones para reducir el consumo de energía
- Permite la programación de manera ordenada los mantenimientos preventivos desplazando los correctivos
Antes de entrar de lleno en el control, se debe de pensar en qué elementos lo componen
Prefiero verlo en 3 capas para explicarlo de un modo más fácil:
Primera Capa: Productos Conectados. Todos los equipos de sistema HVAC
Segunda Capa: Control Local. Todos los equipos conectados a un controlador.
Tercera Capa: El BMS. Equipos gobernados por un cerebro, generando análisis en la operación de los mismos teniendo todo de manera centralizado.
Primera Capa
Elementos de Control
- Factores Controlados:
- Parámetros medidos controlables: Temperatura del Agua y Aire que salen del serpentín.
- Variables de Entrada (Sensores):
- Miden las Variables Controladas y mandan una señal al controlador de campo: Termistor para Agua Aire, Sensor Diferencial del Presión para Agua, etc.
- Equipos Controlados:
- Componente comandado por una señal de Salida: Válvulas, Compuertas, Variadores, etc.
- Elemento Controlado:
- Elemento controlado por el Dispositivo Controlado: Agua Helada, Agua Caliente, Aire Helado, etc.
- Controlador:
- Gobernador del Sistema: Se encarga de hacer la comparativa del punto de ajuste contra las condiciones actuales.
Una vez entendido, podemos movernos a los tipos de lazo para reconocerlos, sus combinaciones para de esta manera entender cómo ir trabajando a la par mecánica junto con el control.
Control a Lazo Abierto: Figura 1
Dígase de una relación fija entre una variable externa (no controlable), y una variable controlada (una válvula de 2 vías)
El termómetro manda una señal al controlador, el cual por medio de parámetros hechos por contratistas de Control y HVAC, modula la válvula de 2 vías para restringir el volumen de agua que corre a través del serpentín.
Este lazo no toma en cuenta variables que lo hacen preciso: flujo del aire, temperatura del agua, aire, etc.
Control a Lazo Cerrado: Figura 2
A diferencia del caso anterior, hay una retroalimentación en el sistema, podemos controlar la válvula de 2 vías en base a la temperatura dentro de un cuarto habitado, se puede llegar a un punto de ajuste deseado para llegar al confort.
Control Híbrido: Figura 3
Haciendo una combinación de ambos lazos para crear una buena estrategia de ahorro de energía, y tener mejor control mezclando ambos lazos. Esta puede servirnos en lugares donde hay temperaturas bajas, ya que la temperatura exterior puede ayudarnos a usar menos agua helada a la que estamos acostumbrados.
Hasta ahora se ha podido explicar de manera muy básica cómo ejercer una estrategia sencilla para controlar el clima en un espacio, a continuación, mostraré otro punto que ayuda a los especificadores, así como compañías de automatización definir qué controladores se tienen que utilizar
Puntos de Control
Es importante entender cómo funcionan, la gente que tiene experiencia solo en mecánica le cuesta trabajo entenderlo, así como la gente que viene del lado de control desconoce el principio de funcionamiento de varios sensores en base a ecuaciones aplicadas.
- Entradas Binarias
Nos proporcionan un estado muy sencillo de varios dispositivos: Válvulas de 2 vías, sensor de filtro sucio, donas de estado de corriente. - Salidas Binarias
Dan la indicación para que un actuador haga su función: Apertura o cierre de una compuerta, arranque de un motor. - Entradas Análogas
Nos dan un estado muy preciso de una variable que está cambiando, o del estado de apertura de una válvula: Temperatura de un termómetro, presión diferencial, flujo de aire. - Salidas Análogas
Dan un valor más exacto para modular variables: Porcentaje de apertura de una válvula o compuerta, velocidad de un motor. 
Para poder tener una mejor perspectiva, la Figura 4 puede explicar de qué manera operan cada uno con sensores y actuadores en una Unidad Manejadora de Aire sencilla.
Una entendido esto, hay que pensar de qué manera el contratista de control trabajará para operar todo el sistema.
Ante de pasar a dichas estrategias hay que saber qué tipos de control existen en los proyectos, desde lo más simple, hasta lo más complejo.
Segunda Capa
Tipos de Control
Existen varias formas de control de HVAC, desde un minisplit, hasta una chiller, para cumplir con la condición de obtener la temperatura adecuada, estos son algunos de las estrategias más comunes:
- Control de dos estados Figura 5
Es el control más común, por ejemplo, cualquier mini-split casero. El termostato dará retroalimentación de las condiciones de la zona que está enfriando.
Hay un inconveniente: siempre que entra en operación, entra a toda su capacidad para alcanzar el punto de ajuste, lo cual eventualmente va a elevar el costo en el consumo eléctrico.
- Control Flotante Figura 6
Está presente en las cajas de volumen variable que, realizan de manera paulatina la apertura o cierre de la compuerta que lleva por dentro dependiendo de la demanda de aire que llegue a haber en cada zona, una vez satisfecha la demanda, la compuerta modulará con un cierre parcial, se puede ordenar su cierre completo.
- Control PID Figura 7
Sin meternos en cálculo diferencial e integral, permite establecer un punto de ajuste para: mantener una temperatura, encender, apagar o modular un cualquier motor. El equipo se mantiene trabajando de manera constante variando el consumo eléctrico dependiendo de la carga que se tenga que batir.
Hay que definir una estrategia de control para poder tener un sistema Acondicionado eficiente, y que logre un ahorro de energía, es importante mencionar que omitir componentes hará el proyecto más barato, pero cuando se necesita un ahorro significativo no será posible, lo cual obligará al usuario a invertir más de lo que tenía pensado.
En la Figura 8 está el Lazo de Control por Temperatura de Descarga que vimos en el Lazo cerrado, el cual nos dará una retroalimentación hacia el controlador para saber si estamos logrando batir la carga, y se cumple el requisito de la modulación de la válvula de 2 vías.
En la Figura 9 el lazo de control de ventilación nos ayuda a suministrar aire exterior procurando que el aire dentro de una zona no se esté viciando constantemente causando malos olores, así como ir quitando el CO2 del ambiente.
Finalmente, en la Figura 10 tenemos el Lazo de Control por Presión Estática, muy común que se utilice en sistemas donde hay cajas VAV, el motivo es tener presente que los usuarios soliciten a mantenimiento que se cierren todas las compuertas o las cajas VAV porque sienten frío, puede ocurrir que la presión del ducto vaya a inflarse causando eventualmente que se dañe.
Para realizar alguna estrategia, hay que cargar el programa de control a los controladores locales, a nivel software es posible programar todos y cada uno de los controladores individualmente. Es posible lograrlo independientemente de qué equipo se trate: ventiladores, UMAS, ULAS, Chillers, etc.
Para hacer más eficiente el control algunos equipos es necesario realizar la optimización del sistema. ¿A qué se refiere uno con esto? Vamos a dar un ejemplo muy sencillo.
En un piso donde haya cajas VAV Figura 11, se tienen todas abiertas y la manejadora suministra aire, hay un sensor de diferencial de presión que enviará una señal de baja presión estática, si se cierran varias cajas VAV, la presión aumentará paulatinamente, se apreciará que la velocidad del ventilador va a disminuir, al no tener una VAV abierta, el ventilador trabajará a una velocidad tal que el suministro de aire será insignificante.
Ocurre lo mismo del lado del agua helada en base a la demanda por cada equipo, con la diferencia de que el sensor que medirá el diferencial de presión estará ubicado en la línea principal de inyección y retorno de agua helada. Figura 12
Es importante que antes de realizar todas estas pruebas de control de HVAC en un proyecto, el contratista entregue un reporte detallando que se hicieron todas las pruebas pertinentes a carga parcial y total para certificar que el sistema trabaje, sin provocar un daño a todo el sistema, dicho reporte debe tener pruebas con instrumentos de medición certificados por un laboratorio.
Ahora que los equipos de HVAC están instrumentados, y sus controladores conectados, podemos ir a la última capa, el BMS.
Tercera Capa
El BMS
Como se mencionó, todos los equipos de Aire Acondicionado tienen un controlador que gobierna sus funciones, pero eso no garantiza que podamos monitorear, o manipular cualquiera de los equipos, hay que conectarlos todos a un solo sistema intercambiando datos por un protocolo de comunicación.
Los protocolos más comunes son: Bacnet, y Modbus. Existen otros que no están enlistados, pero también son usados (ZigBee, EnOcean, KNX, etc.)
Hay controladores centrales que pueden hablar varios protocolos de manera nativa, y debe ser así, también hay que mencionar que hay equipos que requieren de un “Gateway” que convierte de un protocolo a otro.
Se pueden conectar varios controladores Bacnet o Modbus (dependiendo el caso) entre sí a modo “Daisy Chain” ó “Cadena Margarita”, para que se comuniquen entre ellos mismos, pero no tenemos un destino o algo que le diga a cada uno en qué forma se tienen que conectar. Figura 13
Se deben de conectar a un nodo de red, para la conexión de uno o más dispositivos, así se tendrá todo el sistema enlazado, así todo el sistema estará comunicándose en general vía IP.
Los equipos no se gobiernan a sí mismos, hay que tener una computadora que esté comandando todo dispositivo HVAC, esta es el servidor de todo el sistema, y será identificada como la “Workstation” ó estación de trabajo. Figura 14
La estación de trabajo va a permitir visualizar en su interfaz de usuario todos los componentes del sistema, se puede configurar para verlos a través de planos por piso.
El BMS es capaz de integrar otros sistemas, teniendo un control absoluto del inmueble como son: el control de iluminación, protección contra incendios, accesos, centros de monitoreo de datos y monitoreo de energía.
El monitoreo de energía es vital en un BMS, con ello el dueño del edificio podrá tener mejor control de sus procesos, hará sus mantenimientos de manera más eficaz y predictiva. Inclusive si es necesario, tener un reporte mensual o quincenal del consumo con la tarifa de consumo para estar al tanto del estado de todos los equipos en un edificio.
Conclusiones
El BMS es un sistema completo con el cual se pueden implementar varias estrategias de control para poder brindar a los usuarios confort en un inmueble, brindando las mejores condiciones posibles.
El sistema de BMS no es solo el control del Aire Acondicionado, es un sistema que puede controlar todas las instalaciones de cualquier inmueble permitiendo administrar de manera correcta el uso de las mismas.
En resumen hay que apostar por el cambio tecnológico que permita administrar más allá de un inmueble, sino una ciudad entera.
Oliver David Castellanos:
Ingeniero Mecatrónico egresado de la Universidad Marista de la Ciudad de México. Miembro asociado de ASHRAE Capítulo Ciudad de México. Ha trabajado en la supervisión de varios proyectos de Aire Acondicionado.
Actualmente está laborando para Schneider Electric como Especificador de Building Management System, Control de acceso y KNX apoyando a la prescripción de productos en varios proyectos.
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