Estudio comparativo de lossistemas de climatización cony sin zonificación para elsector residencialFernando Domínguez MuñozETS Ingenieros Industriales

José Manuel Cejudo LópezETS Ingenieros Industriales

Los sistemas de climatización con zonificación en el circuito de consumo permitencontrolar por separado las condiciones interiores en cada zona climatizada,mejorando el confort y reduciendo el consumo de energía en los equipos. De entrelos posibles sistemas de zonificación para viviendas y pequeñas oficinas es adecuadoutilizar el sistema de falso caudal variable, que es el más sencillo y económico. Eneste artículo se comparan, a igualdad de condiciones de operación, las prestacionesdel sistema de zonas con las de un sistema no zonificado para una vivienda tipo ybajo hipótesis que pueden considerarse conservadoras. El sistema de zonas reduceel consumo eléctrico entre un 20% y un 30%y mejora notablemente el confort entodas las estancias de la vivienda. Además, lo consigue con una máquina de menortamaño que la del sistema unizona, al ser capaz de aprovechar la falta desimultaneidad en la demanda de las zonas.

INTRODUCCiÓN concepto viene suponiendo para el sistema eléc-trico español, sugieren una evaluación cuidado-sa de las opciones disponibles en el mercado.Para aplicaciones como viviendas o pequeñasoficinas es frecuente instalar sistemas de clima-tización aire-aire, con una red de conductos que

La generalización del uso de los sistemas declimatización en un sector residencial cada vezmás exigente en cuanto a sus necesidades deconfort, junto con la cuantiosa carga que este

en la actualidad suele venir preinstalada. Eneste contexto, son habituales las siguientes im-plementaciones:

a) Sistema no zonificado.

b) Sistema zonificado con unidad de trata-miento de aire de caudal constante y com-puerta de bypass, también conocido comosistema de falso caudal variable.

Pese a lo común de estos sistemas, no se hanencontrado estudios que comparen sus presta-ciones, ni en publicaciones nacionales ni interna-cionales. Por este motivo, la empresa de climati-zación Airzone encargó esta tarea al Grupo deIngeniería Energética de la Universidad de Má-laga.

La consecución experimental de la comparati-va propuesta es costosa y complicada debido ala necesidad de comparar dos sistemas de cli-matización diferentes sometidos a las mismascondiciones de operación (meteorológicas y deuso) a lo largo de un periodo de tiempo amplio,como mínimo de un año, y en distintas localida-des. La simulación térmica de edificios brindauna alternativa económica y fiable en virtud delos numerosos trabajos de validación a que hansido sometidos los modelos más destacados.

El estudio comienza describiendo los esque-mas de principio de los sistemas no zonificado(§2) y zonificado (§3). Para su simulación esprevia la formulación de un modelo matemáticopara cada sistema, de los queen §4 se enumeran las hipótesisy características más importan-tes. La vivienda concreta simu-lada se describe en §5 junto conuna agenda de usos que se haconsiderado típica. Mediante uncálculo de cargas se plantea elpredimensionamiento (§6) delequipo climatizador y de la redde conductos, utilizando paraello condiciones meteorológicasextremas.

que facilita para cada hora del año el consumoeléctrico del equipo y la ter1J'peratura en todaslas estancias de la vivienda, así como el valor decualesquiera flujos de calor y masa implicados(ganancias solares, conducción en cerramientos,etc.). Integrando mensualmente estos resulta-dos se obtiene una imagen clara de las presta-ciones de cada sistema de climatización, tantoen demanda eléctrica (§7) como en confort tér-mico (§8). El estudio se hace para Madrid, Bar-celona, Málaga, Valencia y Sevilla. Finalmente,en §9 se extraen conclusiones.

SISTEMA DE CLIMATIZACiÓN SINZONIFICACION

Este sistema consta de una bomba de caloraire-aire con unidades interior (ventilador y ba-tería de expansión directa) y exterior (resto decomponentes) y de una red de conductos quedistribuye el aire tratado hacia las distintas ha-bitaciones (figura 1). El control de la máquina sefundamenta en una única temperatura, típica-mente la de la estancia principal de la vivienda(salón) .

A partir de la medida del sensor y de las espe-cificaciones del usuario (consigna y, modo caloro frío), el sistema de control decide en cada mo-mento si la máquina debe funcionar o no y, si setrata de un equipo con variador de frecuencia enel motor del compresor, modula el flujo de refri-gerante para cubrir la carga parcial con mássuavidad y eficiencia con que lo haría un equipotodo/nada.

CLlMATIZADOR (unidad interior)

Q

Una vez definidos los siste-mas físicos (vivienda, red deconductos, equipo) y sus condi-ciones de funcionamiento (me-teorología, usos), se procede ala resolución del problema en elsimulador modular TRNSYS,

lru1J

\

''-',-.J @1 32 ESTEOESTE

RECINTOS ACONDICIONADOS

Figura 1: Sistema unizona sirviendo a un edificio multizona. El control del equipo dependedel recinto" 1"

En la figura 2 se muestran las regiones deoperación según la temperatura controlada: unabanda de confort (entre 22°C y 24°C) dentro dela cual no se requiere la acción del equipo. unabanda en modo calor «22°C) Y otra banda enmodo frío (>24°C). Cuando el equipo funcionaen modo calor. trata de mantener la temperatu-ra de la zona controlada en 22°C y cuando fun-ciona en modo frío, en 24°C.

< CALOR )] <ZONA DE CONFOR? [~ .0 0. ...~

Ti., T,.p

FRiO

[

Figura 2: Regiones de control del equipo

Este sistema cumplirá su cometido cuando to-dos los recintos climatizados puedan agruparseen una única zona térmica. por presentar perfi-les de carga y ocupación similares (con la salve-dad de que nunca podrá dejar de climatizar re-cintos desocupados). Sin embargo. esta no es lasituación habitual. de manera que el sistemaunizona es incapaz de satisfacer simultánea-mente las diferentes necesidades de cada zona.subenfriando y/o sobrecalentando algunas deellas. Como se ilustra en la figura 1 a modo deejemplo. esta circunstancia podría estar motiva-da por la diferente orientación de los cerramien-tos exteriores (este-oeste). que en un caso ex-tremo provocará inversión térmica simultánea.es decir, necesidad de frío en el lado soleado yde calor en el opuesto. Estas dificultades pue-den aclararse con el siguiente símil: el sistemano zonificado equivale a colocar un interruptoren el salón que controle la iluminación de toda lavivienda según el nivel de luz en el salón.

El menor coste inicial total de este sistema hahecho frecuente su instalación en viviendaspese a su mayor coste de operación y peor de-sempeño (§7. §8).

SISTEMA DE CLIMATIZACiÓN DE FALSOCAUDAL VARIABLE

Para controlar por separado las condicionesen cada recinto se instalan compuertas motori-zadas terminales todo/nada en las ramas de im-pulsión. El control lo ejerce una unidad centralque recibe las consignas de los usuarios y latemperatura de las zonas y decide las actuacio-nes sobre las compuertas. si la máquina debe

funcionar o no y en qué modo debe hacerlo (ca-lor o frío). Este sistema de control no sustituyeal control interno de la máquina.

Concretado un modo de funcionamiento (ca-lor /frío) para toda la vivienda, el objetivo encada recinto es mantener su temperatura dentrode la banda de confort de la figura 2. lo que seconsigue abriendo o cerrando su compuerta deimpulsión.

--""

""""'"

/.:) ~o7Ro~ t....../ :'~ ... '., ".

0 0 02 31

RECINTOS ACONDICIONADOS

Figura 3: Sistema multizona de falso caudal variable

Este proceso hace cambiar el flujo másico totalimpulsado. por lo que sería necesario un ventiladorde velocidad variable. Alternativamente. se mantie-ne el ventilador de velocidad constante y se añadeun bypass por gravedad que recircula parte del ex-ceso de caudal en la red vertiéndolo al plénum deretorno.

Los inconvenientes de este sistema son:

. Mayor coste inicial que el sistema no zonifi-cado.

. La recirculación de aire empeora el C~P delequipo (en modo calor aumenta la tempera-tura de entrada y al contrario en modo frío).

Sus ventajas:

. Mantiene las condiciones de confort en to-dos los recintos (a excepción de casos deinversión térmica simultánea). introduciendoen ellos únicamente la energía necesaria.

. Puede dejar de climatizar recintos desocu-pados.

. Gracias a la falta de simultaneidad en la de-manda de diferentes recintos, permite instalaruna máquina de menor potencia.

. Pueden fijarse consignas diferentes para cadarecinto, según las preferencias del usuario.

HIPÓTESIS DE MODELADO

El modelo matemático de cada sistema de cli-matización se implementa en el entorno de simu-lación modular TRNSYS versión 15 [1 ] Y se orga-niza en dos elementos fundamentales: el edificioy el sistema de climatización (equipo, control yred de conductos), los cuales han de resolversesimultáneamente a fin de:

. Para el sistema no zonificado, poder determi-nar las condiciones interiores en los recintosno controlados (2 y 3 en la figura 1).

. Para el sistema no zonificado, conocer cuándoel equipo ha de detenerse por falta de deman-da en el salón.

. Para el sistema zonificado, poder determinarla temperatura en las zonas no climatizadas(desocupadas o sin necesidad de climatiza-ción) para calcular correctamente los flujos decalor intercambiados entre esas zonas y laszonas climatizadas.

La resolución de este acoplamiento es un tan-to particular, debido a las dinámicas relativa-mente rápidas del equipo y de su sistema decontrol en comparación con el edificio y, princi-palmente, debido a la escasa información de laque suele disponerse acerca del equipo. Por mo-tivos de espacio no se tratará aquí esta cues-tión. Nos limitaremos a enumerar algunas hipó-tesis importantes para la interpretación de losresultados del estudio.

. No se resuelve el problema aeráulico, es decir,de movimiento de aire en el edificio. Así, el flu-jo de aire infiltrado se supone constante (§5) ylos recintos, en buena medida, estancos.

. La red de conductos está bien aislada y esrelativamente corta, de manera que puedadespreciarse la carga en el sistema por esteconcepto.

. La red de conductos se supone perfecta-mente equilibrada en el sistema no zonifi-cado.

. Se admiten ciertos desequilibrios en lared de conductos -del sistema zonificado.Cuando se cierra una zona, el flujo mási-co a las restantes puede aumentar sensi-blemente.

. En el sistema zonificado las zonas que noestán siendo climatizadas no retornan. Noes previsible que aparezcan grandes dife-rencias de presión que induzcan lo contra-rio, al no existir la sobrepresión que origi-na el flujo de impulsión a una zona.

. Los usuarios no modifican la consigna deltermostato en el sistema unizona a fin deconseguir condiciones de confort en otraszonas que no sean la controlada (salón).Cualquier criterio para los cambios deconsigna por este motivo sería bastantearbitrario.

. En ocasiones, las diferencias de tempe-ratura entre distintas zonas de la vivien-da pueden bastar para, con el sistema nozonificado y únicamente poniendo el mar-cha el ventilador, uniformizar las condi-ciones interiores en valores de confort.Se supone que el equipo es capaz de ha-cer esto. Esta hipótesis beneficia al sis-tema unizona.

. Los equipos utilizados serán de tipo in-verter (§6). Como el catálogo del fabri-cante [2] no facilita información suficien-te para caracterizar su funcionamiento acarga parcial, se ha supuesto que el C~Pdel equipo permanece constante en suvalor de plena carga. En realidad el C~Pdebe mejorar a carga parcial (dentro dela zona de funcionamiento del inverter),al quedar sobredimensionadas las baterí-as de la máquina para el flujo de refrige-rante transitado.

CASO ESTUDIADO: VIVIENDA YCONDICIONES DE USO

Se trata de la vivienda unifamiliar cuyo pIa-no en planta se muestra en la figura 4 y quese pretende representativa de los pisos enque se instalan sistemas de climatización porconductos. Está situada en la planta inter-media de un edificio con terrazas retranque-adas, siendo las orientaciones de sus murosexteriores este-sur-oeste.

ESTE

SUR

DORMIT.Nlliios

SALÓN

OFICINA

VIVIENDAADYACENTE

PASILLO EXTERIOR

l:.Q

Figura 4: Planta de la vivienda.

Las ventanas son de tipo Pla-nilux 4-6-4 [4] Y la composiciónde los cerramientos es la si-guiente:

FORJADOS

1. Pavimento (espesor -0.05 m)

2. Bovedilla de hormigón nor-mal (espesor = 0.31 m)

3. Pavimento (espesor -0.05 m).OESTE

PUERTAS

1. Aglomerado (espesor -

0.035)

En cuanto a los usos y gananciasinternas, vienen determinados porlos perfiles recogidos en la tabla 1,con el siguiente formato para lasceldas de datos: Número de perso-nas/T elevisión/Ordenador /Elec-trodomésticos.

El control de la iluminaciónse ha hecho depender del va-

1.

MUROS EXTERIORES

2.

3.

4.

5.

Guarnecido de yeso(espesor = 0.015 m)

Tabicón de ladrillo hue- Tabla1:Perfilesdeusodelaszonas

co simple (espesor =0.09 m)

Cámara de aire

Lana de roca (espesor = 0.04 m)

1/2pie de ladrillo perforado (espesor = 0.12 m)

6. Enfoscado de mortero de cemento (espe-sor = 0.015 m)

MUROS INTERIORES

lB

1. Revoque de yeso (espesor = 0.015 m)

2. Ladrillo de hueco simple (espesor -0.07 m)Revoque de yeso (espesor = 0.015 m)3.

EIINSTALADOR n° 440 abril 2007

lor de radiación sobre superficie horizontal,implementando un controlador a tal efecto.Cuando su valor es inferior a 250W/m2 seencienden las luces en las zonas ocupadas(salvo que las personas estén dormidas).Este valor proporciona horas de encendido yapagado razonables a lo largo de todo elaño. La generación vinculada a cada concep-to (iluminación, equipos, etcJ está tomadade la norma ISO 7730.

En cuanto a los flujos másicos de infiltra-ción y de intercambio entre zonas, su cálculorequiere de la resolución del problema aeráu-lico. Una aproximación frecuente consiste ensuponer que el primero aporta una cantidadconstante de renovaciones a la hora (fijadaaquí en 0.6) y en despreciar el segundo.

Hora \ Zona SAlÓN COCINA OFICINA D. PADRES D. NIÑOS

0:00 - 7:00 O O O 2 2

7:00 - 7:45 O 2/E O 1 1

7:45 - 17:00 2 2/E O 1 O

17:00. 20:00 2fT 1 / E 1/0 1 O

20:00 - 20:30 O 4 O O O

20:30 - 23:00 3fT O O O 1/0

23:00 - 0:00 O O O 2 2

DIMENSIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS

Para seleccionar el equipo a instalar concada sistema de climatización y en cada ciu-dad debe cuantificarse la carga sensible puntaen cada zona. Como condiciones exterioresextremas se utilizarán, para cada ciudad, dosseries de datos horarios [3]: una característi-ca de años más calurosos y soleados de lonormal y otra de años fríos y nubosos.

La consigna se fijará en 22°C con 50% HRpara los meses de septiembre a abril y de24°C con 50% HR para el resto del año.

En la figura 5 se muestra la pantalla de IISI-BAT (interfaz gráfico de TRNSYS) con elmontaje para el cálculo de cargas y demandatérmica del edificio. El paso de tiempo de si-mulación se ha fijado en 15 minutos, para así

"'.

l~¡

I,~

~¡'

" .!-,f

~'E

I:r;

!t'!@'

I~/'--~ i~!~¡E~

Pisos superior e ÚJferi01"modelados (persianas cerradasy desocupados), nominación controlada por la

radiación tota! horizonto!, zonas 01100% de ocupación,ficheros meteorológicos de AlGUASOL

~OcupacionMáx

11

Consigna

TYPE33c

TYPE9a TYFE16g

I

TpasiUo

-f--- .

poder captar los cambios que experimenta elperfil de ocupación de la tabla 1.

Ejecutando la simulación se obtiene un fi-chero con las potencias sensible y latente de-mandadas por cada zona climatizada durantecada paso de tiempo y con las temperaturasdel aire en las zonas no climatizadas (pasillointerior de la vivienda y pisos adyacentes), in-formación con la que puede dimensionarse elequipo atendiendo a las particularidades delsistema de climatización.

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA SINZONIFICACIÓN

Debido a que la red de distribución no per-mite tratar por separado las necesidades decada zona, para asegurar la posibilidad de cu-brir la carga punta en todas ellas la potencianominal del equipo (PNM) debe tomarse igual

'!!'

JiTYPE2.5a-3

TYPE24 l Jira-2

ydt l

ydt

TYPE24-2

JiTYPE2.5a

Figura 5: Montaje para el cálculo de cargas de la vivienda. En el centro se tiene el edificio (TYPE56), a la derecha los componentes que proce-san las condiciones de contorno y uso del mismo y a la izquierda los componentes que procesan y escriben las salidas a ficheros de texto.

o superior a la suma de cargas punta de laszonas, aún no siendo éstas simultáneas. -

(1)

(N""", N"",..

)PNM=máx(PNMFR/O.PNMCALOR)=máx ~ máx(Q;""(t)~ ~ máx(Q:"'(t» .

donde Nzonas es el número de zonas QicaIOr(t),

la serie temporal de cargas de calefacciónpara la zona i y Q¡friO(t)la serie temporal decargas de refrigeración para la zona i.

Por lo general, la carga simultánea máximano será igual a la suma de puntas, de maneraque el equipo siempre trabajará a carga par-cial; si bien no es este el único motivo por elque se incurre en el sobredimensionamientodel mismo. Su póngase que la carga sensiblemáxima de frío para la zona controlada (k)ocurre en el instante t. Al ser constante el flu-jo másico impulsado a las zonas, la coberturade esta punta impone automáticamente el va-lor de la temperatura de impulsión requeridadel equipo

Q:"(t)TImp(t)=T_- mkcp . (2)

y, consecuentemente, la potencia a la queopera,

Qeqp(t) = Q:" (t)mlmk (3)

La potencia enviada a cualquier otra zona (j)depende de la fracción del flujo másico totalque recibe,

. ri1Qt,o(t)=Qeqp(t)~ ,

mI(4)

que generalmente no se ajustará a sus requisi-tos. Si en este instante t la zona j presentarauna carga mayor, no sería satisfecha, siendo so-brecalentada y concurriendo así en un mal usode las posibilidades del equipo primario.

Ya que la evolución del sistema viene regidapor lo que suceda en la zona controlada, po-demos pensar en colocar una máquina de me-nor capacidad que sea capaz de cubrir la de-manda real en el momento en que ocurra lacarga máxima en la zona controlada. Sin em-bargo esto no debe hacerse, pues no hay quedescartar que cuando el usuario se encuentreincómodo en una zona no controlada, modifi-que la consigna de temperatura de la zonacontrolada hasta lograr condiciones de con-fort en el lugar en que se encuentre. Por otrolado, la zona controlada podría variar, porejemplo, si el termostato, inalámbrico o si elusuario decide cambiar su ubicación.

En la tabla 2 se recogen los máximos abso-lutos de las distribuciones de carga de cadazona, los percentiles del 99% de las mismas,sus sumas y el año meteorológico que condi-Ciona esos valores (año caluroso o año frío).

Los valores de la tabla anterior representanla carga en el edificio. La carga total que com-bate el equipo es suma de la carga en el edifi-cio y de la carga por ventilación, con la que sesuple la falta de retorno desde la cocina (para

Tabla2: Puntasde carga en cada zona y suma de puntas para cada ciudad. Para Madrid la demanda de calefacción es más fuerte que lade refrigeración. Para el resto de ciudades. vence la demanda de refrigeración

CIUDAD AÑO PERC.SALON COCINA OFICINA PADRES NINOS SUMA

[kW] [kW] rkWI fkW1 fkWI fkWI

FRío100% 2.14 1.34 0.81 1.15 0.77 6.21

MADRID99% 1.85 1.42 1.18 1.15 0.92 6.52

BARCE- 100% 2.47 1.54 1.05 1.41 0.99 7.46

LONACALUR.

99% 1.85 1.11 0.75 1.13 0.75 5.59

MÁLAGA100% 2.56 1.63 1.04 1.58 0.99 7.80

CALUR.99% 1.98 1.23 0.79 1.24 0.77 6.01

100% 2.45 1.55 1.01 1.59 0.94 7.54VALENCIA CALUR.

99% 1.99 1.22 0.79 1.28 0.78 6.06

100% 2.65 1.74 1.13 1.64 1.00 8.16SEVILLA CALUR.

. 99% 2.18 1.41 0.89 1.32 0.85 6.65

evitar olores en el resto de la vivienda). Sinembargo, la carga por ventilación depende delflujo másico impulsado a la cocina. Así, el cál-culo comienza seleccionando una máquina quecubra las cargas de la tabla 2, y para esa má-quina se calcula el flujo impulsado a cadazona (tabla 3) de acuerdo con las fraccionesde carga punta:

f,=~I LQ¡

Conocido el flujo másico a la cocina, puedecalcularse la carga por ventilación como

(5)

Qvent = ym coc;na e p IT cocina - Temb I' (6)

siendo mcocinael flujo másico nominal impulsado ala cocina y un variable que vale Ocuando la coci-na está desocupada y 1 cuando está ocupada(tabla 4). Se supone que la impulsión a la cocinapuede suprimirse cuando está desocupada (cam-pana extractora apagada).

Conocida la carga total, se verifica si el equipoinicialmente seleccionado es capaz de satisfa-

cerla. En caso contrario, se escoge el inmediata-mente superior y se repiten los cálculos.

Para el fabricante de la máquina empleadacomo ejemplo en la Tabla 3, la combinación uni-dad interior más unidad exterior suministra unapotencia sensible nominal de frío de 7.1 kW y decalor de 12.8 kW, de manera que cubre la cargaen el edificio para cualquiera de las ciudades. Lamáquina inmediatamente inferior no llega a cu-brir la suma de puntas de frío (nominal de frío5.2 kW), mientras que la superior la sobrepasaampliamente (9.1 kW). Para este equipo, cuyaunidad interior vehicula 1.944 kgh-1 de aire, latabla 3 recoge el flujo másico nominal de impul-sión a cada zona.

Conocido el flujo a la cocina, con la expresión(5) se calcula la carga por ventilación, que su-mada a la carga en las zonas proporciona la car-ga en el equipo (tabla 4).

Para Sevilla, la suma de puntas (8.09 kW) esmayor que la potencia nominal de frío del equipo

(7.1 kW), de manera quehabría que instalar la uni-dad exterior usada deejemplo. Sin embargo, lacapacidad real de la má-quina varía en función delas condiciones operativas.La simulación del problemacompleto (edificio + equi-po) muestra que la máqui-na inferior puede satisfa-cer razonablemente bienlas necesidades de la vi-vienda en Sevilla.

Tabla 3; Flujo másico nominal a cada zona para una unidad exterior más unidad interior

Tabla 4: Cargas puntas (percentil 99%)en el equipo

DIMENSIONAMIENTODEL SISTEMAZONIFICADO

En este caso, la red dedistribución dispone demecanismos que permitenajustar el aporte térmico ala demanda para cadazona por separado. Con-secuentemente, el equipodebe dimensionarse parasatisfacer la máxima cargasimultánea de las zonas,

CIUDAD CONCEPTO SALÓN COCINA OFICINA PADRES NIÑOS SUMA

FRACCiÓN 0.284 0.218 0.181 0.176 0.141 1.000MADRID FLUJO

rk!:l/hl552.096 423.792 351.864 342.144 274.104 1944.000

BARCE-FRACCiÓN 0.331 0.198 0.134 0.202 0.135 1.000

LONA FLUJO643.464 384.912 260.496 392.688 262.440 1944.000[k!:l/h]

FRACCiÓN 0.329 0.205 0.131 0.206 0.129 1.000MÁLAGA FLUJO

rka/hl 639.576 398.520 254.664 400.464 250.776 1944.000

FRACCiÓN 0.328 0.201 0.130 0.211 0.130 1.000VALENCIA FLUJO

rk!:l/hl 637.632 390.744 252.720 410.184 252.720 1944.000

FRACCiÓN 0.327 0.212 0.134 0.198 0.129 1.000SEVILLA FLUJO

[k!:l/h]635.688 412.128 260.496 384.912 250.776 1944.000

SALÓN COCINA +OFICINA PADRES NIÑOS

SUMACIUDAD DEMANDA VENTILAC. PUNTAS

[kW] [Kw] [kW] [kW] [kW] [kMCALOR 1.85 3.38 1.18 1.15 0.92 8.48

MADRIDFRIO 1.95 2.14 0.74 1.12 0.75 6.70

BARCELONA FRIO 1.85 1.72 0.75 1.13 0.75 6.20

MÁLAGA FRIO 1.98 2.13 0.79 1.24 0.77 6.91

VALENCIA FRIO 1.99 2.03 0.79 1.28 0.78 6.87

SEVILLA FRIO 2.18 2.85 0.89 1.32 0.85 8.09

PNMz =máX{ máx(1;S P:"or(t)}máx(Nz~S P~(t))}-. (7)

La capacidad del sistema para distinguir el es-tado de las zonas permite no climatizar aquellasque estén desocupadas o que estando ocupadasno demanden climatización. Esto brinda la posibi-lidad de aprovechar la asincronía de la demanda,colocando una máquina de potencia nominal re-ducida igual a la potencia simultánea de las zonasocupadas

(8)

{ (Nzon..

) (N'onss

)}PNMR,Z=máx máx t;P.;..,,(t).OC,(t) ,máx t;P:"(t).OC,(t) .

donde:

{l si la zonaestáocupadaac. t =

, () O si la zonaestá desocupada

En el sistema no zonificado. el controladorde la máquina trataba de mantener las condi-

ciones de consigna en la zona controlada. Enel sistema zonificado. la máquina tratará demantener constante la temperatura de impul-sión. quedando el control de la temperaturade cada zona a cargo de su respectiva com-puerta. que actúa introduciendo la cantidadde aire necesaria.

El valor resultante de (7) no deja de ser unaaproximación. Si las zonas adyacentes a unaclimatizada no lo están en realidad, la deman-da en la zona climatizada no será igual a lacarga térmica. sino superior o inferior segúnlas circunstancias. El dimensionamiento obte-nido a partir del criterio (7) ha de verificarsesimulando explícitamente el equipo. como sehace en §7 bajo condiciones de uso reales.Anticipando acontecimientos. el equipo resul-tante proporciona resultados satisfactorios.

La tabla 5 recoge las puntas máximas de lasdistribuciones de carga de cada zona (se consi-dera que hay carga únicamente cuando la zonaestá ocupada, ecuación 7), los percentiles del

99% de esas distribuciones yla punta simultánea.

Tabla 5: Puntas de carga en cada zona y punta simultánea para cada ciudad

Tabla 6: Flujo másico nominal a cada zona para una unidad exterior más unidad interior

De nuevo. las puntas si-multáneas de la tabla ante-rior representan la carga enel edificio. a la que hay queañadir la carga por ventila-ción de la cocina (ecuación5) para calcular la carga enel equipo. La tabla 6 recogelos flujos nominales a cadazona para la combinación deuna unidad exterior + uni-dad interior y la tabla 7 re-coge la punta simultánea enel equipo, que sirve de basepara el dimensionamiento.

La máquina seleccionada.con potencia nominal de fríode 5.2kW. puede combatir lapunta simultánea en cual-quiera de las ciudades estu-diadas.

Esta reducción en el tama-ño de máquina supone unimportante ahorro en la in-versión inicial.

SALÓN COCINA OFICINA PADRES NIÑOS PUNTACIUDAD AÑO PERC. SIMULT.

[kW] [kW] [kW] [kW] [kW] [kW]100% 2.27 1.26 0.89 1.34 0.91 4.40

MADRID CALUR.99% 1.82 1.02 0.72 1.07 0.66 3.63

BARCE- 100% 2.34 1.34 1.05 1.35 0.95 4.72CALUR.LONA 99% 1.72 0.94 0.70 1.08 0.66 3.51

MÁLAGA100% 2.43 1.44 1.04 1.52 0.98 4.89

CALUR.99% 1.86 1.04 0.77 1.18 0.69 3.80

100% 2.32 1.35 1.00 1.51 0.88 4.68VALENCIA CALUR.

99% 1.87 1.03 0.79 1.21 0.69 3.82

100% 2.53 1.54 1.13 1.61 1.00 5.16SEVILLA CALUR.

99% 2.07 1.22 0.89 1.29 0.76 4.33

CIUDAD CONC. SALÓN COCINA OFICINA PADRES NIÑOS TOTAL

FRACCiÓN 0.344 0.193 0.136 0.202 0.125 1.000MADRID FLUJO

rka/hl470.592 264.024 186.048 276.336 171.000 1368.000

BARCE-FRACCiÓN 0.337 0.184 0.137 0.212 0.130 1.000

LONA FLUJO 461.016 251.712 187.416 290.016 177.840 1368.000Ikll/hl

FRACCiÓN 0.336 0.188 0.139 0.213 0.124 1.000MÁLAGA FLUJO

[kq/hl459.648 257.184 190.152 291.384 169.632 1368.000

FRACCiÓN 0.334 0.184 0.141 0.216 0.125 1.000VALENCIA FLUJO

Ikq/hl456.912 251.712 192.888 295.488 171.000 1368.000

FRACCiÓN 0.332 0.196 0.143 0.207 0.122 1.000SEVILLA FLUJO

Ika/hl 454.176 268.128 195.624 283.176 166.896 1368.000

Tabla 7: Punta simultánea de frío (percentiI99%)

RESULTADOS: CONSUMO ELÉCTRICO

Definidos el edificio y sus condicionesde uso (§5) y el equipo y la red de con-ductos (§6), se procede a simular cadasistema de climatización. La resolución si-multánea de los balances en el edificio yen el equipo permite conocer la evolucióntemporal de las condiciones interiores encada zona y el consumo real del sistemaacondicionador. A modo de ejemplo, en lafigura 6 se muestra el montaje enTRNSYS para el sistema no zonificado.La información obtenida de las simula-ciones es muy abundante y permite es-

tudiar comportamientos locales, pero paraconocer las prestaciones globales de cadasistema bastan unos pocos parámetros: de-manda térmica anual del edificio (tabla 9),consumo eléctrico anual del equipo (tabla 9),coste de operación (tabla 9) y número de ho-ras dentro y fuera la banda de confort (§8).

Observando el desglose de coste de opera-ción según sea por calefacción o por refrige-ración, se advierte un hecho importante: elahorro en modo calor (invierno) es siempremayor que en modo frío (verano), tabla 8.

Tabla 8: Desglose de ahorro =coste no zonificado - coste zonificado

11T\'PE9.

;ferxl Esto se explica en términosde la sincronía temporal entrela demanda y el set-back (des-conexión) de las zonas. La de-manda de calor es mayoritariadurante las noches de invier-no, cuando el sistema zonifica-do únicamente combate la de-manda de los dormitorios. Elahorro derivado de no acondi-cionar el resto de la viviendaes entonces grande. Por elcontrario, en verano la deman-da de frío durante la noche esnormalmente muy pequeña,de manera que el set-backnocturno es mucho menosefectivo en cuanto a ahorro.

Durante el día, son simultá-

~ neos el máximo número de zo-nas ocupadas y la máxima

Figura 6: Montaje para el sistema no zonificado. Los componentes más destacados son el demanda de refrigeración.Tip0808 (equipo y control), el Tip056 (edificio), los plenums, el distribuidor (indica el flujomásico a cada zona) y el controlador de iluminación (NiveIRadiac).

PUNTA SIMULTÁNEADECIUDAD FRío EN EL EQUIPO

[kW]

MADRID 4.19

BARCELONA 3.90

MÁLAGA 4.36

VALENCIA 4.35

SEVILLA 5.25

CIUDAD AHORRO AHORROCALOR [€] FRIO [€]

MADRID 245.43 33.7BARCELONA 137.35 33.43MALAGA 83.68 47.6VALENCIA 96.81 54.28SEVILLA 103.40 50.04

Tabla 9: Demanda térmica, consumo eléctrico y coste de operación para los sistemas no zonificado y zonificado. Precio de la electricidad = 0.11euros/kWh

Este hecho se observa claramente en las figuras7 y 8.Para valorar este resultado deben tenerse encuenta los siguientes puntos:

. El perfil de ocupación definido en la tabla 1 seaplica para todos los días del año y es bastanteconservador en cuanto a ocupación fuera dehoras de sueño.

. Como se verá en §8, el sistema zonificado estámanteniendo las consignas en las zonas ocupa-das, a diferencia del sistema unizona.

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10 20 30 40

Horas

Figura 7: Evolución de la potencia térmica cedida por el equipodurante 48 horas típicas de invierno para cada sistema. El ahorronocturno para el sistema zonificado es muy considerable. Loscambios bruscos están relacionados con el inicio de la ventilación

para la cocina (su peso anual es pequeño, del orden del 5%) y concambios en las ganancias internas.

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~8 2.~..\¡.~~ I.!!o';

10 20 30 40

Horos

Figura 8: Evolución de la potencia térmica cedida por el equipodurante 48 horas típicas de verano con cada sistema de climatización.

El set-back nocturno no supone en este caso ningún ahorro. más bienel sistema zonificado consume más debido a que cumple con lascondiciones de confort en los dormitorios. El consumo neto es siempremenor para el sistema zonificado (tabla 9).

RESULTADOS: CONFORT TÉRMICO

Definiendo en confort térmico en términos de latemperatura seca del aire, que es la variable con-trolada por el sistema, en las tablas 10 (sistema nozonificado) y 11 (sistema zonificado) se desglosanlas horas de ocupación de cada zona durante unaño en horas en confort (dentro de la banda 22°Ca 24°C, figura 2) y horas de disconfort, bien en so-

CALOR FRío COSTES

CIUDAD SISTEMATÉRMICO ELÉCTRICO

CpTÉRMICO ELÉCTRICO

cpCALOR FRío TOTAL AHORRO

(kWh) (kWh) (kWh) (kWh) (€) (€) (€) (€)

No16205.40 6912.75 2.34 8164.05 3042.23 2.68 760.40 334.64 1095.04

zonificadoMADRID 279.13

(25.49%)Zonificado 11658.50 4681.53 2.49 6824.64 2735.87 2.49 514.97 300.94 815.91

No9639.42 4223.04 2.28 7963.30 2927.83 2.72 464.53 322.06 786.59zonificado 170.78

BARCELONA(21.71%)

Zonificado 6997.65 2974.40 2.35 6484.60 2623.94 2.47 327.18 288.63 615.81

No5607.79 2465.45 2.27 10981.89 4045.36 2.71 271.20 445.00 716.20

MÁLAGAzonificado 131.28

(18.33%)Zonificado 3919.72 1704.75 2.30 9081.25 3612.78 2.51 187.52 397.40 584.92

No6621.57 2925.53 2.26 10727.4 3899.87 2.75 321.81 429.00 750.81

zonificadoVALENCIA 151.09

(20.12%)Zonificado 4709.15 2045.22 2.30 8547.00 3406.54 2.51 225.00 374.72 599.72

No7011.14 3070.98 2.28 13501.07 5019.00 2.69 337.81 552.09 889.90zonificado 153.44SEVILLA

(17.24%)Zonificado 4985.82 2131.03 2.34 11657.12 4564.07 2.55 234.41 502.05 736.46

brecalentamiento, bien en subenfriamiento.La me-jora del nivel de confort con el sistema zonifica-do es manifiesta. Para este sistema, las horasen disconfort se deben fundamentalmente altiempo de puesta en régimen de una zona antesdesocupada. Para la oficina, con pocas horas deocupación, este factor pesa más en el resultado,

motivo por el cual reporta el porcentaje más altode horas en disconfort.En el sistema no zonifica-do el salón siempre se mantiene en confort de-bido a que es objeto de control por parte delequipo y a que la vivienda siempre está ocupa-da, de manera que no se consideran descone-xiones.

Tabla 10: Condiciones interiores para el sistema no zonificado

HORAS EN HORAS EN HORAS EN HORAS ENCIUDAD ZONA CONFORT DISCONFORT SOBRECALEN- SUBEN FRIA-

(%) (%) TAMIENTO (%) MIENTO (%)

SALÓN5383.75 0.00 0.00 0.00(100 %) (0%) (O%) (O %)

COCINA2006.75 2920.75 99.50 2821.25

(40.73 %) (59.27 %) (2.02%) (57.26 %)

MADRID OFICINA 474.75 620.25 0.00 620.25(43.56 %) (56.64 %) (O%) (56.64 %)

PADRES4430.25 2139.75 1283.75 856.00(67.43 %) (32.57 %) (19.54 %) (13.03 %)

NIÑOS2814.75 1291.50 345.75 945.75

(68.55 %) (31.45 %) (8.42 %) (23.03 %)

SALÓN 5383.75 0.00 0.00 0.00(100%) (0.00%) (O.OO%) (O.OO%)

COCINA 2082.00 2845.50 145.00 2700.50(42.25 %) (57.75 %) (2.94 %) (54.80 %)

BARCELOOFICINA 410.25 684.75 121.25 563.50

NA (37.47 %) (62.53 %) (11.07%) (51.46 %)

PADRES 4225.50 2344.50 1427.25 917.25(64.32 %) (35.68 %) (21.72 %) (13.96 %)

NIÑOS 1334.25 2772.00 827.75 1944.25(32.49 %) (67.51 %) (20.16 %) (47.35 %)

MÁLAGA SALÓN 5383.25 0.50 0.50 0.00(99.99 %) (0.01 %) (0.01 %) (O.OO%)

COCINA 2678.00 2249.50 171.75 2077.75(54.35 %) (45.65 %) (3.49 %) (42.17 %)

OFICINA 510.00 585.00 193.00 392.00(46.58 %) (53.42 %) (17.63 %) (35.80 %)

PADRES4319.50 2250.50 1861.50 389.00

(65.75 %) (34.25 %) (28.33 %) (5.92 %)

NIÑOS 1578.25 2528.00 1127.75 1400.25(38.44 %) (61.56 %) (27.46 %) (34.10%)

SALÓN 5383.75 0.00 0.00 0.00(100.00 %) (O.OO%) (O.OO%) (O.OO%)

COCINA2455.00 2472.50 174.00 2298.50

(49.82 %) (50.18 %) (3.53%) (46.65 %)

VALENCIA OFICINA 432.25 662.75 201.50 461.25(39.47 %) (60.53 %) (18.40 %) (42.12 %)

PADRES 4432.75 2137.25 1730.50 406.75(67.47 %) (32.53 %) (26.34 %) (6.19 %)

NIÑOS1428.50 2677.75 1081.25 1596.50

(34.79 %) (65.21 %) (26.33 %) (38.88 %)

SALÓN 5383.75 0.00 0.00 0.00(100.00 %) (O.OO%) (O.OO%) (0.00%)

COCINA 2623.00 2304.50 179.00 2125.50(53.23 %) (46.77 %) (3.63%) (43.14%)

SEVILLA OFICINA 431.25 663.75 239.25 424.50(39.38 %) (60.62 %) (21.85 %) (38.77 %)

PADRES 4034.00 2536.00 2024.50 511.50(61.40 %) (38.60 %) (30.81 %) (7.79%)

NIÑOS 1290.00 2816.25 1310.75 1505.50(31.42 %) (68.58 %) (31.92 %) (36.66 %)

HORAS EN HORAS EN HORAS EN HORAS ENCIUDAD ZONA CONFORT DISCONFORT SOBRECALEN- SUBENFRIA-

(%) (%) TAMIENTO (%) MIENTO (%)

SALÓN5383.75 5236.00 147.75 41.50

(97.26 %) (2.74 %) (0.77 %) (1.97 %)

COCINA 4927.50 4718.50 209.00 17.00(95.76 %) (4.24 %) (0.35 %) (3.90 %)

MADRID OFICINA 1095.00 982.50 112.50 23.50(89.73 %) (10.27 %) (2.15 %) (8.13%)

PADRES 6570.00 6397.75 172.25 84.00(97.38 %) (2.62 %) (1.28 %) (1.34 %)

NIÑOS 4106.25 3979.50 126.75 33.75(96.91 %) (3.09 %) (0.82 %) (2.26 %)

SALÓN 5383.75 5243.25 140.50 44.50(97.39 %) (2.61 %) (0.83 %) (1.78 %)

COCINA 4927.50 4744.00 183.50 17.00(96.28 %) (3.72 %) (0.35 %) (3.38 %)

BARCELOOFICINA 1095.00 983.00 112.00 25.00

NA (89.77 %) (10.23 %) (2.28 %) (7.95 %)

PADRES 6570.00 6327.00 243.00 150.50(96.30 %) (3.70 %) (2.29 %) (1.41 %)

NIÑOS 4106.25 3984.50 121.75 32.25(97.40 %) (2.96 %) (0.79 %) (2.18%)

MÁLAGA SALÓN 5383.75 5247.50 136.25 62.50(97.47 %) (2.53 %) (1.16 %) (1.37 %)

COCINA 4927.50 4808.00 119.50 37.75(97.57 %) (2.43 %) (0.77 %) (1.66 %)

OFICINA 1095.00 1015.75 79.25 33.50(92.76 %) (7.24 %) (3.06 %) (4.18 %)

PADRES 6570.00 6221.00 349.00 306.75{94.69 %) (5.31 %) (4.67 %) (0.64 %)

NIÑOS 4106.25 4017.50 88.75 51.00(97.84 %) (2.16%) (1.24 %) (0.92 %)

SALÓN 5383.75 5241.50 142.25 60.50(97.36 %) (2.64 %) (1.12%) (1.52 %)

COCINA 4927.50 4781.25 146.25 39.50(97.03 %) (2.97 %) (0.80 %) (2.17%)

VALENCIA OFICINA 1095.00 1013.75 81.25 35.50(92.58 %) (7.42 %) (3.24 %) (4.18%)

PADRES 6570.00 6234.00 336.00 287.00(94.89 %) (5.11 %) (4.37 %) (0.75 %)

NIÑOS 4106.25 4007.75 98.50 57.50(97.60 %) (2.40 %) (1.40 %) (1.00%)

SALÓN 5383.75 5153.50 230.25 153.00(95.72 %) (4.28 %) (2.84 %) (1.43%)

COCINA 4927.50 4738.50 189.00 124.75(96.16 %) (3.84 %) (2.53 %) (1.30%)

SEVILLA OFICINA 1095.00 1002.25 92.75 44.00(91.53 %) (8.47 %) (4.02 %) (4.45 %)

PADRES 6570.00 6160.25 409.75 367.00(93.76 %) (6.24 %) (5.59 %) (0.65 %)

NIÑOS 4106.25 4003.25 103.00 65.50(97.49 %) (2.51 %) (1.60%) (0.91 %)

CONCLUSIONES

,~ Para comparar las prestaciones del sistema declimatización sin zonificación y del sistema dezonas se ha definido una viviénda tipo sometidaa un uso constante e intenso. Para tal situación,se ha dimensionado el equipo y la red de con-ductos requerida por cada sistema de climatiza-ción y se ha procedido a la resolución simultá-nea de los balances en el edificio y en el climati-zador siguiendo un procedimiento computacio-nal novedoso e implementado en el entorno mo-dular TRNSYS.

Los resultados de las simulaciones indican un

I ahorro en el coste de operación (consumo eléc-trico) en el margen del 18% al 26% a favor del

I sistema zonificado, así como una importantemejora en el confort térmico en todas las zonasde la vivienda. Si se aprovecha la previsible faltade simultaneidad en la demanda de las zonas, elequipo primario en el sistema zonificado puedeser de menor tamaño, reduciendo también elcoste inicial y la potencia eléctrica instalada.

A falta del estudio de otras situaciones, estosresultados únicamente son válidos para el casoestudiado. En este sentido hay que hacer cons-tar que las condiciones de uso reales de un sis-tema no zonificado son muy difíciles de predecir,pues los usuarios de las zonas no controladastenderán a modificar la consigna en la zona con-trolada para mejorar las condiciones de confortallá donde se encuentren. También,el perfil deocupación de zonas es intenso durante el día yla tarde. Cualquier reducción en el uso de laszonas beneficiará al sistema zonificado, pueséstas quedarán sin climatizar..

SiBLlIOGRÁF"íA"-[1] Klein S.A., Duffie J.A., Beckman W.A. y otros.

2000. "TRNSYS, a transient system simulation pro-gramo User's Manual (version 15)". Solar Energy La-boratory. University of Wisconsin-Madison.

[2] Daikin, "Datos técnicos - Splir Sky Air" EEDS04-1/2, volumen 1

[3] Aiguasol engynneria, base de datos TRNSCLlMA

[4] Centro de información técnica de aplicaciones delvidrio, "Manual del vidrio"

11

'Ppnencia 'presentada en la I Jornada Ibérica Acústica en17stalaciones de Aire (Ainair).

PUBLlNFO N.Q185 ~