3.8.- Sistemas de control

El control de las instalaciones es fundamental para conseguir una mayor eficiencia energética. Toda instalación de calefacción ha de incluir un sistema de regulación automática de temperaturao caudal que, de una forma más o menos eficaz, sirva para evitar el derroche de energía que tiene lugar cuando no hay control sobre la temperatura y la pérdida de carga y, en consecuencia, la emisión de calor no se ajusta con las necesidades reales de energía calorífica. En una instalación individual es obligatorio disponer de un termostato en un lugar representativo de la vivienda que controle el encendido de la caldera. Es el sistema más simple de control. Si añadimos, por ejemplo, una regulación proporcional del caudal de agua para garantizar una determinada temperatura o una determiunada cantidad de calor, estamos ante un sistema regulado, como el que vemos en el siguiente circuito.

Sin embargo, en un bloque de viviendas, o en un edificio industrial o de oficinas, el control es más complejo, y debe hacerse mediante una centralita. Las pérdidas de calor de un edificio están generadas tanto por las pérdidas de transmisión como las pérdidas de ventilación, que es lo mismo que decir que dependen:

De la construcción del edificio
Del volumen de aire de infiltración
La temperatura exterior
De la temperatura ambiente deseada, que según reglamento estará comprendida entre 20 ºC – 23 ºC

Si el proceso de cálculo ha sido correcto se obtendrá una temperatura ambiente de 20 ºC, en las condiciones de proyecto, es decir para una temperatura mínima definida por el percentil, tal como vimos en el cálculo de cargas térmicas. En ese momento la instalación estará funcionando impulsando el agua a la temperatura máxima prevista en el proyecto y con el salto térmico previsto. Pero esas condiciones de proyecto no se cumplen la mayor parte del tiempo, ya que normalmente la temperatura exterior es más elevada que la más desfavorable.

Las centralitas de regulación son capaces de captar las variaciones de la temperatura exterior y regular la temperatura de impulsión de agua en función de ella. Los elementos fundamentales que componen un sistema regulado por una centralita de regulación son:

Centralita de regulación.
Sonda de ida (temperatura de impulsión).
Sonda exterior (temperatura ambiente exterior).
Válvula mezcladora.
Termostato ambiente (temperatura interior deseada).

La centralita de regulación recibe continuamente, por medio de la sonda exterior, los datos referidos a la evolución de la temperatura exterior y, por medio de la sonda de ida, los que corresponden a la temperatura del agua de impulsión a los emisores. Cuando empieza a bajar la temperatura exterior pierde más calor el edificio y hace falta que los radiadores emitan más calor y entonces hay que aumentar la temperatura de impulsión (o el caudal, o ambos). Para ello la centralita abre más la vía que comunica con los radiadores y cierra la vía que comunica con el retorno de la caldera. Y cuando empieza a aumentar la temperatura exterior, ocurre al revés.

Si se representa en un eje de coordenadas la temperatura exterior y la temperatura de impulsión hacia los radiadores, la relación entre ambas es una recta inclinada. Se llama pendiente de la recta de regulación a la relación entre incremento de la temperatura de ida y la diferencia entre temperatura ambiente y la temperatura exterior.

La colocación de la sonda también es muy importante, cuando solamente exista una regulación para todo el edificio, ésta debe satisfacer las zonas más frías; por tanto, la sonda debe situarse sobre la fachada más fría del edificio, norte o nordeste, no viéndose afectada por el calor de la chimenea, ventanas o cualquier efecto ajeno a la climatología. Para que la regulación sea más eficaz, se puede fraccionar la instalación en varias zonas y regular cada zona según una regulación independiente, situando en la fachada correspondiente la sonda de temperatura exterior.

En instalaciones colectivas, donde la producción de calor está centralizada, es conveniente, que en cada vivienda exista la posibilidad de regular la calefacción, es decir, que en cada vivienda se pueda decidir si se quiere o no se quiere calefacción y a que temperatura se desea tener la vivienda, independientemente de que la producción de calor esté centralizada. Para ello se utilizan las válvulas de zona de dos y tres vías que, accionadas mediante un termostato ambiente colocado en la vivienda, permite tener o no tener calefacción y pagar dependiendo del uso que se de a la misma al colocar un contador de calorías o un contador horario.

En los últimos años, además, se están imponiendo los sistemas SCADA de monitorización y control de instalaciones térmicas. Un paso más allá es el que se está produciendo en la actualidad hacia los sistemas 5G que permiten la interconectividad de máquinas y sistemas: Internet de las cosas.

Debes conocer

Sistema de calefacción centralizado

En el siguiente circuito puedes ver un sistema de calefacción centralizado, controlado mediante un programa SCADA. Una imagen sinóptica simplificada facilita la visualización y l control de la instalación. La centralita de control está ubicada en la sala de calderas y, mediante los permisos de red correspondientes, puede telecontrolarse.

Control manual y control automático

El control y la regulación de un sistema de calefacción no es muy diferente de los sistemas empleados en otros ámbitos. La particularidad es que el control se ejerce, normalmente, sobre parámetros de los dos fluidos más utilizados: el aire y el agua. Por ello, en los equipos de control, es necesario actuar sobre diversos tipos de válvulas. Los diferentes tipos de válvulas ya han ido apareciendo a lo largo del curso.

En cuanto a los sistema de control, podemos diferenciar dos grandes tipos de control: manual y automático. En el control manual, la persona observa el comportamiento de una máquina o sistema y actúa sobre distintos dispositivos de accionamiento o regulación manual, hasta que los resultados coinciden con lo deseado. En un sistema automático de control, por el contrario, la decisión de las correcciones a realizar en una máquina o instalación, las determina el sistema de control automático. Por ejemplo, un sistema manual de regulación de la temperatura cuando nos duchamos, nos obliga a abrir y cerrar sucesivamente los grifos del agua caliente y fría hasta que encontramos el caudal y temperatura adecuadas. Sin embargo, un grifo termostático, nos automatiza la operación de encontrar la temperatura deseada sin más que abrir el grifo para obtener el caudal deseado y el control mecánico (con una simple válvula termostática) se encarga de graduar la cantidad de agua caliente y fría necesaria, una vez fijado el caudal deseado. El valor de la variable de referencia, en el ejemplo anterior la temperatura, se denomina set point o consigna.

El anterior sistema es de tipo mecánico, pero en la mayoría de casos se utilizan otros sistemas de control más eficaces. Si los clasificamos en función de la energía empleada, estos pueden ser de tipo:

Hidráulico. Cuando el control se realiza mediante un fluido líquido (usualmente aceite) y los elementos de control y de actuación correspondientes.

Neumático. Cuando el control se realiza mediante aire y los elementos de control y de actuación correspondientes.

Eléctrico o electrónico. En este caso, el fluido de control es la energía eléctrica

Realmente, en muchos casos se utilizan sistemas híbridos (integrados por dos o más de los anteriores tipos). Por ejemplo, si lo que se desea es un control y regulación de alta automatización y registro de datos, la única alternativa será recurrir a circuitos electrónicos y eléctricos de control. Pero si, además de lo anterior, se necesita una elevada presión de actuación (por ejemplo en una prensa), la etapa final del sistema, conocida como actuador, será de tipo hidráulico.

Si nos centramos en los sistemas automáticos, estos pueden ser de diferentes tipos, aunque no vamos a extendernos en su clasificación y sí indicar que pueden ser todo-nada o con regulación, diferenciando, en esencia, tres partes:

Sensores: Son los elementos que van a detectar la variable termodinámica (presión, temperatura, caudal,...), tanto a la entrada del sistema como a la salida. Cada sensor o sonda, traduce estas variables en una señal eléctrica que es proporcional al valor de la variables.

Controladores: Las señales que se reciben, procedentes de un sensor, de un interruptor o de cualquier dispositivo de entrada, se introducen en un circuito de control que se encargará de compararlas con el valor predeterminada o programado, realizando las correcciones necesarias para que las salidas, que van a los actuadores, ajusten los valores necesarios. Actualmente, los nuevos sistemas permiten el registro y monitorización de datos, el empleo de conexiones wifi o la programación mediante dispositivos móviles.

Actuadores: En sistemas de fluidos, los actuadores suelen ser las válvulas motorizadas, los contactores, cilindros neumáticos,.... o cualesquiera otro dispositivo que abra, cierre o regule el paso de un determinado fluido.

En el circuito siguiente podemos ver un automatismo simple que controla el nivel de un depósito de agua. El sensor Low, que deja de estar en contacto con Vcc cuando el depósito está casi vacío (cualquier tipo de agua, que no sea destilada-pura, no es conductora), envía una señal al chip IC 555, el cual manda corriente al relé, que cierra el contacto abierto y hace funcionar la bomba de llenado del depósito. Esta bomba no se para hasta que no están en contacto las sondas Low, Up y Vcc. Cosa que ocurre cuando el depósito está lleno.

Válvula automática controlada por caudal

En el siguiente gráfico vemos un sistema automático de hace más de cien años, que regulaba automáticamente la velocidad de una máquina de vapor. Cuando el vapor salía con mayor velocidado presión dela caldera y se había prefijado una velocidad, el dispositivo formado por las dos esferas giratorias, debido a su inercia, hacía subir el mecanismo que, a su vez, cerraba la válvula de salida de vapor y, por tanto, disminuía la velocidad de la máquina hasta la velocidad predeterminada.

Para saber más

Si quieres saber más sobre el Internet de las cosas, puedes burcar información en cualquier buscador. la página siguiente te puede aportare una primera visión general:

Internet de la cosas — Wilgengebroed on Flickr. *Internet de las cosas* (CC BY-SA)

Recomendación

El nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), de previsible aprobación en 2020, establece un conjunto de requisitos de automatización de instalaciones que puedes ver en el siguiente borrador de texto y de próxima vigencia.

Sistemas de automatización y control de instalaciones según el RITE

1. Cuando sea técnica y económicamente viable, los edificios no residenciales con una potencia nominal útil para instalaciones de calefacción o para instalaciones combinadas de calefacción y ventilación de más de 290 kW deberán estar quipados, a más tardar en 2025, con sistemas de automatización y control de edificios. Dichos sistemas de automatización y control de edificios deberán ser capaces de:

a) monitorizar, registrar, analizar y permitir la adaptación del consumo de energía de forma continua;

b) efectuar una evaluación comparativa de la eficiencia energética del edificio, detectar las pérdidas de eficiencia de sus instalaciones técnicas e informar sobre las posibilidades de mejora de la eficiencia energética a la persona responsable de la instalación o de la gestión técnica del edificio, y

c) permitir la comunicación con instalaciones técnicas conectadas y otros aparatos que estén dentro del edificio, así como garantizar la interoperabilidad con instalaciones técnicas del edificio de distintos tipos de tecnologías patentadas, dispositivos y fabricantes Será considerado, a efectos de esta exigencia, la automatización y el control que tienen un impacto en la eficiencia energética del edificio, como los recogidos en la norma EN 15232 “Eficiencia energética de los edificios. Impacto de la automatización, el control y la gestión de los edificios”.

2. Los edificios residenciales podrán estar equipados con lo siguiente:

a) la funcionalidad de monitorización electrónica continua que mida la eficiencia de las instalaciones e informe a los propietarios o a los administradores del inmueble cuando esta disminuya significativamente y cuando sea necesario reparar la instalación, y

b) funcionalidades eficaces de control para optimizar la producción, la distribución, el almacenamiento y el consumo de energía.

3. Los sistemas de automatización y control que se instalen en los casos contemplados en los apartados 1 y 2, se adaptarán al tamaño o capacidad de la instalación, habida cuenta de las necesidades y de las características del edificio en las condiciones de uso previstas, determinando las capacidades de control óptimas en función del tipo de edificio, del uso previsto y de los posibles ahorros energéticos. Una vez instalado el sistema de automatización y control, será necesario realizar acciones de comprobación de que el sistema funciona con arreglo a sus especificaciones y acciones de ajuste, en su caso, en la instalación en condiciones de uso real.