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Revista Ingeniería de Construcción RIC Vol 35 Nº2 2020 www.ricuc.cl

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Revista Ingeniería de Construcción Vol 35 Nº2 Agosto de 2020 www.ricuc.cl

General review of air-conditioning in green and smart buildings Revisión general sobre sistemas de acondicionamiento de aire en edificios ecológicos e inteligentes

D. Bravo 1 *, A. Bennia 1 **, ***, H. Naji ****, H. Fellouah *****, A. Báez ******

* Universidad San Francisco de Quito – Quito, ECUADOR ** Mohamed El Bachir El Ibrahimi University – El Anceur, ARGELIA *** University Hassiba Benbouali of Chlef – Ouled Fares, ARGELIA **** University of Artois, University of Lille – Béthune, FRANCE ***** University of Sherbrooke – Quebec, CANADA ****** Universidad Central del Ecuador – Quito, ECUADOR

Fecha de Recepción: 23/03/2020 Fecha de Aceptación: 29/06/2020

PAG 192-202 Abstract The aim of this paper is to present a general bibliographic review about recent scientific papers focused on the design and operation of air conditioning systems in green and smart buildings.The suggested review is developed using tools offered by the Scopus academic research directory, with a defined search criteria. Furthermore, the VOSviewer science bibliometric analysis software has been used. This paper has several reviews of cooling and heating systems existing or under development available for residential buildings (green and smart buildings) and some initiatives and research projects from recent years. The present paper is an academic research guide for engineers, architects, and students interested in designing, constructing and efficiently managing the cooling processes of green and smart buildings. Economic powers characterized by large megacities of countries such as the United States of America, China, Italy, Malaysia, Germany and Australia; Nowadays, increasing energy efficiency and decreasing carbon footprint of current and future buildings, both green and smart is considered more important. The most frequent fields of research in scientific contributions related to the cooling of green buildings are: sustainable development, energy efficiency and the construction industry; while in smart buildings they are: energy efficiency, smart grids, energy management. Keywords: Ecological buildings; intelligent building; cooling system; energy efficiency; bibliometric analysis; text mining Resumen El objetivo de este artículo es presentar una revisión bibliográfica general sobre artículos científicos recientes, centrados en el diseño y operación de sistemas de aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes. La revisión sugerida se desarrolla utilizando las herramientas ofrecidas por el directorio de investigación académica Scopus, con un criterio de búsqueda definida. Además, se ha utilizado el software de análisis bibliométrico de ciencia VOSviewer. Este documento tiene varias revisiones de los sistemas de refrigeración y calefacción existentes o en desarrollo, disponibles para edificios residenciales (edificios verdes e inteligentes) y algunas iniciativas y proyectos de investigación de los últimos años. El presente documento es una guía de investigación académica para ingenieros, arquitectos y estudiantes interesados en diseñar, construir y administrar eficientemente los procesos de enfriamiento de edificios ecológicos e inteligentes. Poderes económicos caracterizados por grandes megaciudades de países como los Estados Unidos de América, China, Italia, Malasia, Alemania y Australia; Hoy en día, se considera más importante aumentar la eficiencia energética y disminuir la huella de carbono de los edificios actuales y futuros, tanto ecológicos como inteligentes. Los campos de investigación más frecuentes en contribuciones científicas relacionadas con la refrigeración de edificios ecológicos son: desarrollo sostenible, eficiencia energética y la industria de la construcción; mientras que en edificios inteligentes son: eficiencia energética, redes inteligentes y gestión energética. Palabras clave: Edificios ecológicos; edificios inteligentes; sistemas de refrigeración; eficiencia energética; análisis bibliométrico; minería de datos

1. Introducción

Enfrentarse al cambio climático y sus consecuencias para el medio ambiente ha sido uno de los mayores desafíos de la vida moderna. En realidad, la intención de reducir la huella de carbono está asociada con la mayoría de las estrategias sustentables actuales (Elghamry y Hassan, 2020). El entorno construido es el sector dominantemente responsable de la huella de carbono de la civilización contemporánea (Hidalgo y Perez, 2017). Lo anterior se debe fundamentalmente al hecho de que el entorno construido representa la intersección de tres procesos contaminantes a gran escala: energía, transporte y edificios (Hidalgo y Perez, 2017); (Hidalgo y Guerra, 2016). Mientras que los edificios comerciales y residenciales liberan alrededor del 40% del total de gases de efecto invernadero relacionados con la electricidad (GEI), en las naciones desarrolladas (Zhang et al., 2020); (Tian et al., 2019) las emisiones adicionales provienen del uso extensivo de materias primas, procesos industriales para fabricar productos de construcción y el transporte posterior de estos productos (Bixler et al., 2019).

1 Autor de correspondencia: Universidad San Francisco de Quito – Quito, ECUADOR

E-mail: [email protected] [email protected]


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El número de edificios ha crecido dramáticamente en las últimas décadas, aumentando así la demanda de aire acondicionado; Esta realidad hace que los ingenieros y arquitectos se centren en la optimización energética y operativa de los diseños e instalaciones de las máquinas encargadas de mantener las condiciones de confort térmico dentro de los edificios (Png et al., 2019). El consumo de energía de los sistemas de aire acondicionado en los edificios representa del 40 al 60% del consumo total de energía de los edificios de tipo no industrial en los países tropicales (Venkateswara y Datta, 2020); (Liu et al., 2020). En este escenario, los edificios verdes e inteligentes se muestran como alternativas viables para optimizar la energía en el proceso de aire acondicionado de los espacios interiores (Pezzutto et al., 2017). Un edificio verde es una construcción sustentable que utiliza materiales naturales, elimina sustancias tóxicas en la fabricación de materiales de construcción, minimiza los impactos negativos del hábitat humano en el medio ambiente y reduce el consumo de energía (Sua et al., 2020). Un edificio verde se adapta a su entorno natural y a los habitantes. Los edificios ecológicos respetan el medio ambiente y respetan el siguiente proceso práctico: diseño, construcción, mantenimiento, rehabilitación, demolición y reciclaje (Tan et al., 2020). Por otro lado, un edificio verde es una combinación de técnicas y materiales que, juntos, contribuyen a mejorar el desempeño ambiental del espacio construido.

Deben tenerse en cuenta varios criterios en el diseño y construcción de un edificio verde. De hecho, los ingenieros y arquitectos deben considerar el proyecto a nivel mundial, haciendo hincapié en instalaciones con luz natural y buen aislamiento térmico del edificio, el uso de materiales con una huella de baja energía en su tratamiento y transporte. Además, utilizando energía renovable y seleccionando equipos como sistemas de iluminación y aire acondicionado con alta eficiencia (Li et al., 2020); (Chen y Luo, 2019); (Zhang et al., 2019).

Por otro lado, se sabe que un edificio inteligente es aquel que ha incorporado equipos con alta eficiencia energética, y un impulso energético interactivo entre el medio ambiente y los usuarios o habitantes del edificio (Van Cutsem et al., 2020); (Ahmad, et al., 2020). El término se aplica especialmente a: edificios de oficinas, edificios corporativos, hoteles y similares. Un entorno construido se considera un edificio inteligente si incorpora sistemas de información en toda su estructura, ofreciendo una técnica avanzada de control y servicios de telecomunicaciones (Chen et al., 2020); (Vázquez-Canteli et al., 2019). Control automatizado, monitoreo, gestión y mantenimiento de los diferentes subsistemas o servicios del edificio, de forma óptima e integrada, local y remota. Diseñar todo el sistema con suficiente flexibilidad para que la implementación de tecnologías futuras sea simple y económicamente rentable (Safari et al., 2019); (Ostadijafari et al., 2019). Bajo este nuevo concepto, se define la automatización integral de edificios con alta tecnología. La centralización de los datos del edificio permite monitorear y controlar los estados operativos de los sistemas de alto consumo de energía, como las máquinas térmicas en las computadoras cargadas, para determinar las condiciones de confort térmico y la calidad del aire interior. El edificio inteligente integra hogares automatizados dentro de una estructura de red (Michalec et al., 2019); (Jimenez-Castillo et al., 2019).

El objetivo de esta contribución científica, es proporcionar una revisión bibliográfica general de artículos científicos centrados en el diseño y operación de sistemas de aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes. La sección de resultados de este manuscrito contiene las siguientes subsecciones: Análisis bibliométrico del aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes. Escenario global actual de gestión energética en el aire acondicionado y calefacción de edificios. Aire acondicionado en edificios verdes e inteligentes, tendencias actuales e investigaciones más recientes.

2. Materiales y métodos

Esta contribución científica está basada en una revisión bibliográfica crítica de publicaciones científicas centradas en el diseño y operación de sistemas de aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes. Para desarrollar la idea propuesta, se han utilizado herramientas de búsqueda y análisis de documentación científica ofrecidas por el directorio Scopus. La base de datos seleccionados inlcuye las principales revistas científicas que tienen gran visibilidad y legibilidad, y socializa los resultados de la investigación, los avances científicos y las partes tecnológicas abordadas en este documento (Falagas et a., 2008). Del mismo modo, se utiliza el análisis de herramientas y el mapeo bibliométrico de la actividad científica VOSviewer. Este software se utiliza para realizar minería de datos en las contribuciones científicas seleccionadas. Este proceso permite crear mapas basados en datos de red; así como visualizar y explorar mapas evolutivos de actividad científica en esta área de investigación (Van Eck y Waltman, 2010).

Los datos extraídos del directorio académico de Scopus se exportaron como archivos (.csv) para ser procesados en la herramienta de análisis bibliométrica mencionada. El análisis de exploración funciona desde 2000 hasta el 6 de noviembre de 2018.


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Los métodos y criterios de búsqueda de información en Scopus se desarrollaron en cuatro etapas diferentes, que se describen a continuación:

a) Dentro del cronograma (2000 al 6 de noviembre de 2018) y bajo los criterios de búsqueda

"construcción ecológica", solo en el título de las contribuciones científicas tipo artículo, se detectaron 2.665 documentos y 198.186 patentes registradas.

b) Cronología previamente declarada y bajo los criterios de búsqueda "edificio inteligente" solo en el título de las contribuciones científicas tipo artículo, se obtuvieron 1.738 documentos y 174.689 patentes registradas.

c) En el período de tiempo definido y bajo los criterios de búsqueda "edificio verde" en el título, las palabras clave y el resumen. En contribuciones científicas como el artículo, revisión y documento de la conferencia, se lograron 2 779 documentos.

d) En dicho período de tiempo y bajo los criterios de búsqueda “edificio inteligente” en el título, las palabras clave y el resumen, en contribuciones científicas como artículo, revisión y documento de conferencia, se detectaron 2.288 documentos.

Se prepararon las (Figura 1) y (Figura 2) con la información de las etapas a) y b). Con la información de las

etapas c) y d), se detectaron los datos que se procesaron en el software VOSviewer, lo que permitió la creación de términos en las (Figura 3) y (Figura 4); La minería de textos realizada sobre el título, resumen y palabras clave de las contribuciones detectadas.

Por otro lado, los artículos científicos citados con mayor frecuencia dentro del directorio académico de Scopus, detectados en todas las etapas de las búsquedas se muestran en la (Tabla 1).

3. Resultados 3.1 Análisis bibliométrico del aire acondicionado en edificios verdes e inteligentes.

Antes del año 2000 la comunidad científica internacional tenía muy pocas contribuciones científicas relacionadas con el aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes, pero a partir de este año, el número de contribuciones científicas comienza a aumentar gradualmente. El año 2010 es a partir del cual se muestra un aumento acelerado en investigación relacionada con este campo. Esto se debe principalmente a que después de la crisis inmobiliaria de 2008, los ingenieros y arquitectos se centraron en optimizar el diseño, la construcción y la operación de los entornos construidos tanto como sea posible. La (Figura 1) muestra la evolución de las actividades de investigación científica en esta área temática entre 2000 y 2018. Además, muestra la evolución de las patentes registradas relacionadas con esta práctica, lo que muestra un aumento significativo. Debe entenderse que la patente es una de las expresiones de aplicabilidad de los resultados científicos.

Figura 1. Evolución científica y desarrollo de patentes relacionadas con el tema del aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes.


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Poderes económicos globales actuales observaron el área de investigación, de aire acondicionado en edificios verdes e inteligentes, como una forma objetiva y efectiva de lidiar con la escasez actual de energía y las duras regulaciones ambientales en el sector inmobiliario. Estas razones explican las características de la (Figura 2), donde se puede mostrar cómo la investigación científica sobre este tema ha evolucionado en varias naciones. El mapa de términos que se muestra en la (Figura 3), representa el resultado del análisis de minería de datos realizado con el software VOSviewer, sobre la información extraída del directorio Scopus, en las condiciones explicadas anteriormente en la etapa c) de la sección dos. Cabe señalar que el término "edificios verdes" es el término con la mayor intensidad de ocurrencia, ya que este es un criterio para identificar este tipo de edificios. Los siguientes términos con mayor incidencia son "desarrollo sostenible", "industria de la construcción", "eficiencia energética" y "utilización de energía", respectivamente. Considerando la incidencia de estos términos (la circunferencia del diámetro), así como los colores que identifican las tendencias de investigación relacionadas. Las relaciones entre los términos que se muestran en la Figura 3, muestran que las investigaciones en aire acondicionado en edificios ecológicos tienen como objetivo principal la sustentatibilidad ambiental y la eficiencia energética de las máquinas térmicas encargadas de mantener las condiciones de confort térmico y calidad del aire.

Figura 3. Mapa de términos usados en el título, palabras clave y resumen de las contribuciones científicas en el tema de aire acondicionado en edificios verdes.

Figura 2. Contribuciones científicas en la evolución cuantitativa del aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes, por país.


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El mapa de términos que se ve en la (Figura 4), representa el resultado del análisis de minería de datos realizada con el software VOSviewer sobre la información extraída del directorio Scopus, en las condiciones explicadas anteriormente en el paso d) de la sección dos. Se puede observar que el término "edificios inteligentes" es el término con la mayor intensidad de ocurrencia. Los términos caracterizados por la mayor incidencia son "eficiencia energética", "industria de la construcción" y "red inteligente", respectivamente. Teniendo en cuenta la incidencia de estos términos (diámetro de circunferencia), así como los colores que identifican las tendencias de investigación relacionadas. Las relaciones entre los términos que se muestran en la (Figura 4) muestran que las investigaciones en aire acondicionado en edificios inteligentes tienen como objetivo principal la eficiencia energética y las redes inteligentes de los sistemas eléctricos y térmicos de las máquinas de refrigeración, responsables de mantener las condiciones de confort térmico y calidad del aire interior. 3.2 Escenario global actual de gestión energética en el aire acondicionado y calefacción de edificios. A finales del año 2016, la refrigeración y la calefacción representaban el 51% del uso final de energía, el transporte el 32% y la demanda final la electricidad. Como se muestra en la (Figura 5), excluir los propósitos de calefacción, refrigeración o transporte es de alrededor del 17%. El calor renovable moderno proporcionó alrededor del 10% de la demanda de refrigeración y calefacción y no creció significativamente. Si bien la demanda de electricidad renovable aumentó en un 25% entre 2013 y 2017, la demanda moderna de calor renovable aumentó en aproximadamente un 5% durante este período (casi la misma tasa que la demanda mundial de energía). En el sector del transporte, el consumo de biocombustibles, principalmente etanol y biodiésel aumentó en aproximadamente un 18% entre 2013 y 2017, aunque desde una base pequeña (Raturi, 2016).

Figura 4. Mapa de términos usados en el título, palabras clave y resumen de las contribuciones científicas en el tema de aire acondicionado en edificios inteligentes o inteligentes.


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La demanda mundial de energía térmica, incluidos los usos finales para calefacción y refrigeración, representan aproximadamente la mitad del consumo final de energía. La demanda de calor constituye la gran mayoría, aunque la demanda de energía para enfriamiento está creciendo rápidamente. El consumo de energía para calefacción y refrigeración sigue dependiendo, en gran medida, de los combustibles fósiles y contribuye con casi el 40% de la energía global relacionada con las emisiones de CO2.

La energía renovable suministra alrededor de una cuarta parte de la demanda global de calefacción y refrigeración. Sin embargo, solo alrededor del 40% de esta se atribuye a la energía renovable moderna, mientras que el resto es suministrado por biomasa tradicional. Las fuentes modernas de energía renovable incluyen la energía renovable directa, como la bioenergía moderna, el calor geotérmico y el calor solar, así como la electricidad renovable que se utiliza para calefacción y refrigeración, por ejemplo, a través de bombas de calor con una fuente de aire. En contraste, el uso tradicional de biomasa, predominantemente en fuegos abiertos o en estufas interiores altamente ineficientes, genera problemas de salud importantes y a menudo está relacionado con niveles insostenibles de recolección de leña (Raturi, 2016). 3.3 Tendencias actuales y las más recientes investigaciones del aire acondicionado en edificios verdes e inteligentes.

Los trabajos científicos que se analizan a continuación son las contribuciones más representativas dentro de la comunidad científica internacional sobre este tema. Porque, estas investigaciones son las más leídas y citadas según el directorio Scopus, estos trabajos han marcado tendencias investigativas basadas en las realidades científicas de cada investigación.

En la investigación científica desarrollada por (Jim, 2014), el experimento de campo en los techos de dos edificios residenciales de Hong Kong subtropical, fue diseñado para medir el consumo de electricidad del aire acondicionado en relación con tres factores:

a) aislamiento térmico del edificio (BTI): omitido en el Bloque 1 e instalado en el Bloque 2; b) tipo techo verde: cada bloque tenía dos parcelas extensas de techo verde y un control descubierto,

vegetación herbácea de maní compleja y sedum simple; y c) se consideran tres escenarios climáticos de verano: soleado, nublado y lluvioso.

El consumo de electricidad para el aire acondicionado fue monitoreado por colectores de energía de

precisión para seis apartamentos vacantes en sitios experimentales. El control sin blindaje fuerza una alta carga de enfriamiento en el bloque 1, pero BTI en el bloque 2 corta la entrada de calor, esto en todas las condiciones climáticas. Sedum reduce el consumo de energía y, en menor grado, controla ambos bloques (con el Bloque 2 mejor que el Bloque 1). El clima soleado produce el mejor efecto, seguido por el clima nublado y lluvioso. El techo tipo Sedum con BTI mejora el beneficio térmico. El techo verde simple no puede sustituir la función BTI porque sin BTI, el techo tipo Sedum consume más energía. En tres escenarios climáticos, Peanut usa menos electricidad en el

Figura 5. Distribución de energia renovable consumida, por el sector en el año 2016.


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Bloque 1 que en el Bloque 2, lo que indica la operación del efecto conjunto del disipador de calor (BHE) del edificio en el bloque 2 y el efecto del disipador de calor del techo verde (GHE). El GHE generado por el sustrato más grueso con mayor capacidad para retener la humedad. La creación de BHE se ha realizado mediante la adición de material de BTI, con una baja resistencia térmica debido a la alta temperatura y la penetración de humedad. Su efecto conjunto ha aumentado la capacidad de masa térmica. Se ha formado un gradiente térmico abrupto para inducir la ruptura del aislamiento térmico y empujar el calor al interior. En el bloque 1, el techo tipo maní puede compensar en parte la omisión de BTI. Sin embargo, en el bloque 2, el maní junto con BTI puede aumentar sinérgicamente la carga de enfriamiento. Los hallazgos pueden ayudar al diseño de techo verde y BTI asociada en regiones con verano caluroso y políticas acorde.

La contribución dada en (Yang y Hwang, 2007) expresa que debido al rendimiento superior del sistema de aire acondicionado de expansión directa (DX) de frecuencia variable (VFD) de unidades múltiples, instalando este tipo de sistema en viviendas, escuelas y edificios comerciales de alquiler se está volviendo más popular en Taiwán. Incluso si las características del sistema VFD DX de múltiples unidades y las características son diferentes del sistema central, todavía se evalúa mediante el método tradicional utilizado para evaluar la eficiencia de todos los sistemas de aire acondicionado que están diseñados principalmente para sistemas centralizados. En este artículo se explican los problemas que se producen al aplicar el método de evaluación actual a un sistema de múltiples unidades VFD DX.

La contribución dada por los autores en (Chen at al., 2016) explica que, como parte clave de los sistemas de ventilación de edificios inteligentes, los aires acondicionados tienen un gran impacto en el consumo general de energía de los edificios inteligentes y también en la experiencia de sus ocupantes. Por lo tanto, cómo diseñar y evaluar estrategias de planificación factibles para sistemas de aire acondicionado se convierte en un desafío importante en el diseño de edificios inteligentes. Especialmente si se trata de los muchos factores de incertidumbre causados por el entorno físico, la complejidad de evaluación de la estrategia aumenta drásticamente. Aunque los enfoques existentes permiten la evaluación de edificios inteligentes desde la perspectiva del consumo de energía y el rendimiento, pocos de ellos consideran la evaluación de las estrategias de programación en sí. Sobre la base de autómatas cronometrados con precio, este documento propone un marco efectivo que permite estrategias precisas de evaluación y programación de modelos para sistemas de aire acondicionado de edificios inteligentes con un entorno incierto. Este marco utiliza el verificador de modelo estadístico UPPAAL-SMC como motor para analizar cuantitativamente las consultas de rendimiento especificadas por el usuario en forma de propiedades. El marco puede informar automáticamente los resultados de un análisis cuantitativo del consumo de energía y la satisfacción del usuario en un entorno incierto; Esto es de acuerdo a las simulaciones aleatorias subyacentes monitoreadas por UPPAAL-SMC. Los resultados experimentales demostraron que el enfoque propuesto puede ayudar efectivamente a los diseñadores de edificios inteligentes a tomar sus decisiones en la selección y optimización de las estrategias de programación.

El trabajo científico desarrollado por los autores en (Wang y Tang, 2017) argumenta que responder a la demanda de energía (DR) de los edificios se considera una de las soluciones más prometedoras para los problemas de desequilibrio energético y confiabilidad en las redes inteligentes, mientras controla la respuesta a la demanda de aire acondicionado. Los sistemas son los medios más efectivos. Una estrategia de control de respuesta a la demanda rápida, control directo de la carga al apagar parte de los enfriadores operativos, ha recibido mucha atención en investigaciones y aplicaciones recientes de DR. Sin embargo, este método conduciría a un aumento desigual de la temperatura del aire interior entre espacios individuales con aire acondicionado, debido a la falla de la distribución adecuada del suministro de refrigeración limitada por la estrategia de control de retroalimentación basada en la demanda comúnmente utilizada en la actualidad. Por lo tanto, se propone una nueva estrategia de control de retroalimentación, basada en el suministro para resolver eficazmente los problemas causados por la respuesta rápida a la demanda y la estrategia de control de limitación de potencia. La estrategia propuesta utiliza distribuidores de enfriamiento globales y locales basados en función de servicio adaptativo a los puntos de ajuste del flujo de aire para cada zona y espacio de línea, y restablece el agua enfriada. Los métodos de identificación en línea y fuera de línea simplificados, respectivamente para los dos parámetros, aseguran la solidez y la conveniencia de la función de utilidad adaptativa en las aplicaciones. Los casos de estudio se realizan en un sistema de aire acondicionado simulado para validar y probar la estrategia de control propuesta. Los resultados muestran que la estrategia de control propuesta no solo es capaz de mantener aumentos uniformes en la temperatura del aire interior, sino que también previene problemas operativos durante los eventos de DR. Además, la humedad relativa interior bastante alta obviamente disminuye. El fenómeno de rebote de potencia también se alivia y el control de confort original de los espacios se puede reanudar rápidamente.


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La (Tabla 1), en opinión de los autores de esta contribución, muestra un grupo de artículos científicos de gran interés para el desarrollo de futuras investigaciones. Estos artículos fueron seleccionados por tener las siguientes características:

a) Documentos seminales, han comenzado las teorías o métodos que tienen la mayor influencia en el

tema bajo investigación (Alonso et al., 2017). b) Algunos artículos que las direcciones de investigación han propuestas para el tema en cuestión

(Alonso et al., 2017).

Tabla 1. Contribuciones científicas citadas en Scopus sobre el aire acondicionado de edificios verdes e inteligentes.

Titulo Abstracto

1

Estudio comparativo de sistemas de aire acondicionado con

enfriadores de compression a vapor

utilizando el concepto de edificio ecológico

Pereira et al, presentan un estudio comparativo de dos sistemas de enfriamiento que usan enfriadores de compresión de vapor para ambientes de aire acondicionado. Se sugiere comparar diferentes procesos en acciones combinadas y procesos aislados. Estos procesos se evalúan en los conceptos de edificios verdes. Las ecuaciones modelo fueron resueltas por el programa Engineering Equation Solver (EES). El modelo evalúa los principales parámetros de funcionamiento de HVAC del sistema de agua enfriada cuando funciona bajo tres configuraciones. Los resultados muestran que el sistema con enfriadores de tornillo en el rango 0-300 RT tiene un COP igual al del sistema con compresión diferenciada, y en un sombrero COP es en promedio 9% más alto en el rango 400-800 RTs (Pereira et al., 2015).

2

Diseño y rendimiento de un Sistema de aire acondicionado con energia solar en un

edificio verde

Los sistemas de aire acondicionado de absorción solar fueron diseñados e instalados en el edificio verde del Instituto de Investigación de Ciencias de la Construcción de Shanghai. Este sistema contiene dos enfriadores de adsorción con una capacidad de refrigeración nominal de 8,5 kW y colectores solares de 150 m2. El modo de funcionamiento del sistema de aire acondicionado solar se ha mejorado, manteniendo una diferencia de fase de 540 segundos entre los enfriadores de adsorción. Posteriormente, el sistema logró un funcionamiento estable mediante la salida de refrigeración y el equilibrio del consumo de calor. El sistema de aire acondicionado con energía solar funcionó continuamente 8 horas al día, de junio a agosto del 2005. Durante las 8 horas de funcionamiento, la producción máxima de refrigeración superó los 20 kW y la producción promedio de refrigeración fue de 15,3 kW. La fracción solar en verano para este sistema fue del 71,7%, que correspondió a 15 kW de la carga de enfriamiento de diseño. En comparación con la temperatura ambiente, se concluyó que el rendimiento del sistema de aire acondicionado con energía solar está claramente influenciado por la intensidad de la radiación solar (Zhai, 2008).

3

Funcionamiento flexible de la red de distribución activo usando edificios

inteligentes integrados con sistemas de

calefacción, ventilación y aire acondicionado

Para los edificios inteligentes integrados con la red de distribución activa, Jiang sugirió un método de programación óptimo y un modelo combinado; Esta propuesta es utilizar la flexibilidad de los edificios inteligentes. Basado en las características del almacenamiento de calor en los edificios, Jiang desarrolló un modelo de predicción del consumo de energía de los edificios teniendo en cuenta las diferentes áreas de calefacción con diferentes orientaciones, utilizando el modelo de red térmica Resistor-Capacitor. También desarrolló diferentes métodos óptimos de control para el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado del edificio. La gestión del consumo de energía en el sistema de ventilación, calefacción y aire acondicionado se logra ajustando la temperatura ambiente dentro del rango de confort de temperatura apropiada. Los resultados óptimos de planificación para los edificios inteligentes en diferentes métodos de control de la calefacción en invierno se analizan por igual. Por lo tanto, se evalúa aún más el impacto de la planificación óptima de la suma de los edificios inteligentes en la seguridad y el funcionamiento económico. A través de estudios numéricos, el método de planificación óptimo propuesto puede contribuir a reducir los costos operativos de los edificios inteligentes, y también aprovechar al máximo los potenciales de respuesta a la demanda de los edificios inteligentes. Finalmente, la optimización de las redes de distribución activas con el factor de carga de la suma de edificios puede aumentar el tamaño mínimo de voltaje de las redes de distribución activas y también reducir la pérdida de energía utilizando la flexibilidad de los edificios inteligentes (Jiang, 2018).

4

Una estrategia de control de carga

directa de sistemas de aire acondicionado centralizado para

generar una respuesta rápida a la demanda

de solicitudes urgentes de redes inteligentes

Para resolver los problemas de HVAC, Tang presentó un nuevo enfoque basado en tres esquemas. A una solicitud de DR recibida, el umbral de limitación de energía y la demanda de enfriamiento del edificio, en respuesta predice mediante un esquema de optimización de la demanda de energía. El número de funcionamiento de las enfriadoras o bombas a conservar, se determina mediante un esquema de restablecimiento del control de secuencia del sistema. Un esquema en línea de control y regulación asegura que la potencia del sistema siga el perfil esperado al regular el flujo total de agua enfriada entregada al edificio y, por lo tanto, la carga del enfriador. Los distribuidores de refrigeración también se utilizan para distribuir agua fría a áreas individuales para diferentes sacrificios o sensibilidades a aumentos de temperatura. Se llevan a cabo estudios sobre un sistema de aire acondicionado dinámico simulado en edificios. La estrategia propuesta por (Tang, 2018) podría lograr la reducción de potencia esperada (alrededor del 23%), así como mantener la temperatura del área aceptable a pesar de las incertidumbres sobre el proceso de predicción.

5

Sistemas eficientes de calefacción y

refrigeración para viviendas de bajo

consumo

Los edificios representan una gran cantidad de agua y consumo de energía, uso de la tierra y contaminación atmosférica. Las estadísticas del 2006 muestran que en los Estados Unidos, por ejemplo, utilizó el 40% del consumo total de energía nacional (56% por viviendas residenciales), presentó el 12,2% de la cantidad total de agua y produjó el 38% de las emisiones totales de dióxido de carbono. Para lograr los objetivos de ahorro de energía y protección del clima en los sectores residencial y comercial / institucional, es necesario reducir el consumo de energía de los edificios. (Minea, 2012), revisó una serie de sistemas de refrigeración y calefacción, existentes o en desarrollo, disponibles para edificios e identificó brevemente algunas iniciativas y proyectos de investigación, así como algunos logros técnicos recientes en países desarrollados en general y en Canadá en particular.

6

Energía de ventilación inteligente y

rendimiento de la calidad del aire

interior en edificios residenciales: una

revisión

Para una mejor calidad del aire interior, y para resolver problemas de energía, la ventilación debe ser más inteligente. El uso de controles de ventilación es uno de los conceptos clave de la ventilación inteligente, ya que proporciona calidad de aire interior (IAQ) o una ventaja energética (o ambas), y menos cuando proporciona una desventaja. Como resultado de incorporar algunas estrategias de ventilación inteligente en estándares y códigos en muchos países, los sistemas de ventilación controlados por demanda (DCV) son fáciles y están ampliamente disponibles en el mercado. Más de 20 sistemas de DCV aprobados y disponibles en muchos países como: Francia, Bélgica y los Países Bajos. (Guyot et al., 2018), publicó una revisión de la literatura sobre ventilación inteligente utilizada en edificios residenciales, basada en la calidad del aire interior y el rendimiento energético. Un meta-análisis realizado por (Guyot et al., 2018), incluye 38 estudios de sistemas de ventilación inteligentes con control basado en varios criterios, incluidos humedad, dióxido de carbono, dióxido de co-carbono, compuestos orgánicos volátiles totales (TVOC) y temperatura exterior. Este meta-análisis implicaba que se podía lograr un ahorro de energía de ventilación del 60% sin comprometer el IAQ y, a veces, mejorarlo. Sin embargo, algunos resultados menos que favorables, dan con el 26% de consumo excesivo de energía en algunos casos (Guyot et al., 2018).


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4. Discusión

Los documentos de revisión son una herramienta que permite a la comunidad científica en todos los niveles observar el pasado, el presente y el futuro de las investigaciones y prácticas en un área temática determinada, mientras esta revisión se lleve a cabo de manera objetiva, profunda y crítica (Bravo y León, 2018).

Esta contribución científica, de tipo revisión, muestra una parte menos común de la investigación científica en esta área del conocimiento. La mayor parte de la investigación en las tecnologías y prácticas de la concepción, desarrollo y operación de edificios verdes e inteligentes se enfoca en el caso de los edificios verdes, en el manejo ecológico de los recursos de construcción, el uso de la disponibilidad solar y la máxima sincronía del edificio con el medio ambiente. Mientras que los edificios inteligentes se centran más en optimizar los recursos energéticos a través de la automatización y el control. Estas claras diferencias entre edificios verdes e inteligentes, los definen. Pero hay varios puntos de coincidencia, y uno de ellos es la gran responsabilidad energética que presentan las máquinas térmicas que proporcionan y mantienen las condiciones de calidad del aire y confort térmico dentro de los edificios. Este último puente es donde reside la fuerza y la originalidad de la investigación presentada.

La operación de los sistemas de aire acondicionado, representa la mayoría de los gastos operativos de edificios de tipo no industrial, edificios de oficinas, edificios residenciales; edificios verdes o inteligentes. El análisis bibliométrico muestra un gran interés por parte de la comunidad científica para reducir el consumo de energía, al mismo tiempo que se utilizan fuentes de energía renovables; porque estos dos procesos participan juntos para optimizar los costos operativos, los costos de energía y la huella ecológica. Para realizar estos puntos, debe proponerse el estudio de optimización del consumo de energía en máquinas térmicas, que proporcionan condiciones de confort térmico dentro de los edificios.

El proceso de optimización energética de máquinas enfriadoras o de aire acondicionado, se estudia desde diferentes perspectivas de análisis:

a) Usando estrategias para la acumulación pasiva o activa de energía térmica en el edificio (Chen et

al., 2014). b) A través de estrategias de manejo basadas en la gestión de los ocupantes del edificio, y sus hábitos;

utilizando para esto la ciencia de los datos (Shaikh et al., 2014). c) A partir de estrategias de combinar diferentes capacidades de máquinas térmicas para ajustarse

mejor a las características de la carga térmica del edificio (Bravo et al., 2018). d) Combinar sistemas pasivos de aire acondicionado y ventilación, tales como techos verdes y

procesos térmicos de convección natural, con la operación de máquinas enfriadoras (Bravo-Hidalgo, 2018).

e) A través de sistemas informáticos con la capacidad de influir en el funcionamiento de la enfriadora, de acuerdo con un análisis predictivo de las variables meteorológicas y los niveles de ocupación del edificio (Chou y Bui, 2014).

f) Combinando enfriadores alimentados con energía no renovable, enfriadores renovables y diferentes niveles y métodos de almacenamiento de energía térmica (Balta et al., 2010).

g) Integrar el concepto de Flexibilidad del Sistema de Potencia en la gestión del proceso de enfriamiento del edificio (Vuarnoz et al., 2019).

El presente documento se considera una guía de investigación académica para ingenieros, arquitectos y

estudiantes interesados en diseñar, construir y administrar eficientemente los procesos de enfriamiento de edificios inteligentes y ecológicos. 4.1 Limitaciones del Estudio:

a) La investigación se limita a contribuciones científicas en el directorio Scopus. b) Solo se consideran las publicaciones en inglés. c) Solo se consideran los artículos, la revisión y los documentos en papel de la conferencia. d) El estudio se limita a la información generada a partir del año 2000. e) El análisis de minería de texto se realizó en título, palabras clave y resumen de los artículos

detectados por cada criterio de búsqueda.


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5. Conclusiones

El objetivo de esta contribución científica es dar, o mostrar, una revisión bibliográfica general de publicaciones científicas recientes, enfocada en el diseño y operación de sistemas de aire acondicionado en edificios ecológicos e inteligentes. Los puntos principales considerados en este estudio se dan a continuación:

a) La investigación en este dominio se ha incrementado considerablemente en la última década. b) Poderes económicos caracterizados por grandes megaciudades como los Estados Unidos de

América, China, Italia, Malasia, Alemania y Australia; La investigación en esta área temática se considera una forma viable de aumentar la eficiencia energética y disminuir la huella de carbono de los edificios actuales y futuros, tanto ecológicos como inteligentes.

c) Los campos de investigación más frecuentes en contribuciones científicas relacionadas con el enfriamiento de edificios verdes son: desarrollo sostenible, eficiencia energética y la industria de la construcción.

d) Los campos de investigación más comunes en contribuciones científicas relacionadas con el enfriamiento de edificios inteligentes son: eficiencia energética, redes inteligentes, gestión de la energía.

e) Actualmente se está estudiando la optimización del consumo de energía de los sistemas de aire acondicionado desde diferentes perspectivas de análisis: acumulación de energía térmica, gestión de la ocupación del edificio, análisis predictivo de la carga térmica, combinación de fuentes renovables y no renovables.

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SPANISH VERSION.....................................................................................................................................................................................................................................................

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