Descripción del Sistema de Climatización Solar por Absorción y de laRed de Monitorización y Control de Edificio del CARTIF

Marta Poncela Blanco, José Ignacio Díaz García, Luis Angel Bujedo Nieto yPedro Caballero Lozano

CARTIF, Parque Tecnológico de BoecilloParcela 205. BoecilloValladolid, España

{marpon, josdia, luibuj, pedcab}@cartif.es

RESUMEN

Se describe la solución empleada para el diseño y puesta en marcha del sistema de

refrigeración solar por absorción del Edificio del CARTIF, así como la solución para la

realización del control y supervisión del sistema.

El empleo de control distribuido permite una

mejor adecuación a cada tipo de variable a

controlar, dotando al sistema de mayor

simplicidad y modularidad.

Palabras Clave: Sistema de refrigeración por

absorción, Control Distribuido, Redes

LonWorks.

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Los sistemas de generación energética basados en fuentes renovables requieren, para su

funcionamiento óptimo, de un sistema de control y monitorización que actúa sobre ellos.

Dado el elevado coste de las instalaciones de generación con energías renovables, éstas se

s u e l e n d i m e n s i o n a r p a r a

satisfacer las necesidades de consumo de la manera más ajustada posible, con lo que un buen

control y supervisión de los procesos involucrados es imprescindible para hacer viable y

fiable una instalación de este tipo.

Lo que se pretende mostrar en este trabajo es un año de puesta en marcha y funcionamiento

del sistema de refrigeración solar por absorción puesto en el edificio del Cartif.

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

2.1 Emplazamiento.

Las condiciones climatológicas de Boecillo (Valladolid) son similares a las de la mayoría de

la meseta, que corresponden con inviernos duros y veranos calurosos (la mínima es de –8ºC y

la máxima ronda los 38ºC, datos recogidos de la estación meteorológica de CARTIF).

Es importante resaltar que el parque tecnológico es un espacio abierto alejado de zonas

urbanas, por lo que la climatología en invierno es, si cabe, más adversa. Además cada día

existe un importante salto térmico entre la noche y el día.

Esta climatología supone la necesidad de cubrir grandes cargas de calefacción durante un

periodo bastante largo. Pero la refrigeración en CARTIF es también una carga energética

bastante importante ya que se requiere de más de cuatro meses de refrigeración debido no sólo

a las altas temperaturas sino también a las cargas internas que se desprenden de los equipos

informáticos y eléctricos, y las cargas producidas por la ocupación en los laboratorios.

2.2 Máquina de absorción.

La máquina instalada es un grupo de refrigeración YAZAKI WFC10, de simple efecto,

alimentada por agua. Su potencia frigorífica es de 34,9 kW, que ofrece unas condiciones

nominales de 8º C de agua refrigerada para una temperatura de entrada de 88ºC, y un COP de

0.7

2.2.1 Especificaciones técnicas del equipo

Evaporador

Potencia frigorífica (kW) 34.9

Temperatura de salida (ºC) 9

Temperatura de entrada (ºC) 14

Temperatura mínima de salida

(ºC)

8

Caudal nominal (litros/seg.) 1.67

Pérdidas de carga 38.4

Presión máxima de trabajo

(kPa)

588

Generador

C.O.P 0.7

Potencia absorbida (kW) 49.84

Temperatura de entrada (ºC) 75-100

Temperatura de entrada

nominal(ºC)

88

Salto de temperatura (ºC) 5

Caudal nominal (litros/seg.) 2.38

Pérdidas de carga (kPa) 39.4

Presión máxima de trabajo

(kPa)

588

Condensador

Potencia disipada (kW) 84.8

Temperatura de trabajo (ºC) 26-31

Temperatura de entrada

NOMINAL (ºC)

29.5

Temperatura de salida (ºC) 34.5

Caudal nominal (litros/seg.) 4.05

Pérdidas de carga 68.9

Presión máxima de trabajo (kPa) 588

2.2.2 Tratamiento del agua

Los materiales y las condiciones de presión y temperatura del grupo de absorción restringen

muy significativamente la composición química del fluido circulante por el equipo.

En nuestro caso el agua de red estaba bastante alejada de los límites recomendados para la

conductibilidad y alcalinidad. Es por ello por lo que se optó por instalar una pequeña planta

de tratamiento, FE 1000 Dúo de DAFA, con el fin de llevar estos parámetros dentro de los

valores aconsejados.

2.3 Sistema de captación

Se dispone de sistema de captación formado

por dos campos de colectores diferentes uno de

colectores planos y otro de colectores de vacío

este último montado sobre una estructura

giratoria sobre eje vertical. Ambos campos de colectores están ubicados en la azotea del

edificio.

El campo de colectores planos está formado por 15 colectores Viessmann del modelo Vitosol

100. Están dispuestos en tres filas de 5 colectores, con una orientación sur.

Área del colector: 2,5 m2

Tipo de cubierta: Vidrio de bajo contenido en hierro

Rendimiento óptico: 82,6 %

Factor de pérdidas: 3,68 W/m2 K

Inclinación del colector: 40 º

El campo de colectores de vacío lo forman 20

colectores Viessmann, modelo Vitosol 200

dispuestos en cinco filas de cuatro colectores.

Área del colector: 3 m2

Tipo de cubierta: Vidrio de borosilicato

Rendimiento óptico: 78,2 %

Factor de pérdidas: 1,64 W/m2 K

Inclinación del colector: Cada colector está inclinado 15º, y cada placa absorbente dentro del

tubo de vacío está inclinada 25º con respecto al plano del colector, con lo que cada absorbente

está inclinado 40º con respecto a la horizontal.

2.3.1. Sistema de seguimiento

El campo de colectores de vacío está colocado

sobre una estructura giratoria que permite

realizar un seguimiento acimutal del sol. El

motivo de este seguimiento es conseguir el

máximo aprovechamiento posible de la energía solar térmica captada por el campo de

paneles.

Se eligió este sistema de seguimiento de eje vertical frente a los de eje horizontal por ser el

más sencillo a la hora de plantear el conexionado hidráulico de la instalación. Gracias a esto

la única parte móvil del circuito hidráulico es una rotounión que permite el giro de las tuberías

de entrada y salida del campo de paneles.

La plataforma giratoria está formada por una viga curvada que forma una circunferencia de

tres metros de radio y que descansa sobre cuatro puntos de apoyos equidistantes.

Los cuatro apoyos están formados por rodamientos, dos de los cuales están adosados a un

engranaje. Cada engranaje es atacado por un freno motor a través de un bloque reductor. De

este modo el movimiento del motor es transmitido a una caja reductora cuya salida engrana

con los rodamientos motores generando el giro de estos que a su vez, por rozamiento,

transmiten el movimiento a la plataforma.

El sistema dispone de dos conjuntos monobloque motor-freno, aunque dado el equilibrado del

sistema y el par que provoca el bloque motor, el sistema está diseñado para su correcto

funcionamiento con tan solo uno de sus motores.

Las tuberías de circulación han de soportar el giro de la plataforma, por lo que se ha instalado

una rotounión por la que pasan los conductos que vienen del intercambiador.

Se ha planteado un seguimiento discreto, o lo que es lo mismo, la plataforma se posiciona y

posteriormente se detiene durante un intervalo de tiempo determinado hasta que se determina

que su posición debe ser recalculada. La elección de este tipo de seguimiento frente a uno

continuo se ha hecho con el fin de plantear un mecanismo de seguimiento sencillo. Con

posteriores cálculos hemos determinado que la energía captada por sistemas de seguimiento

continuos no es muy diferente (un 2% a lo sumo) de la que se puede obtener con sistemas de

seguimiento discreto de entre 10 y 15 reposicionamientos diarios.

2.4 Sistema de acumulación.

La energía producida por los campos de colectores se emplea, en el invierno, para alimentar

los sistemas de ACS, suelo radiante y bombas de calor agua/aire cuyas temperaturas de

funcionamiento nominales son 45º, 35º y 28ºC respectivamente. En verano, como ya se ha

indicado, se alimenta la máquina de absorción. El agua caliente producida se almacena en

cuatro depósito de 2000 litros (dos depósitos por campo de paneles).

En verano el agua caliente es utilizada para alimentar el generador de la máquina de

absorción. Este sistema de refrigeración también dispone de una acumulación de agua fría de

1000 litros. Esto nos permite, por un lado acumular más energía (aunque en este caso en

forma de frío), evitar conexiones/desconexiones intermitentes de la máquina, y disminuir las

pérdidas de calor debidas a la acumulación.

2.5 Funcionamiento

A la salida de los tanques acumuladores existe

un juego de válvulas de dos y tres vías que

permiten que los secundarios de colectores

puedan funcionar tanto en serie como en

paralelo.

Además el sistema está diseñado para que los

colectores precalienten el agua de alimentación a caldera con diversas opciones de

funcionamiento según que válvulas estén abiertas o cerradas.

3. SISTEMA DE MONITORIZA-CIÓN Y CONTROL

En CARTIF se ha dispuesto una red de monitorización y control, de propósito general, que de

forma distribuida cubre multitud de aplicaciones. Se ha optado por una red LonWorks, que

ofrece todas las ventajas de un sistema distribuido en cuanto a robustez y fiabilidad a un bajo

coste en comparación con otros sistemas industriales.

La red de control abarca las instalaciones térmicas (campos de paneles, suelo radiante y

caldera, sistema de refrigeración convencional, máquina de absorción) y fotovoltaicas (aislada

y conectada a red) y el control de la iluminación y accesos del edificio.

Una red Lonworks está compuesta por un conjunto de elementos inteligentes denominados

nodos, que se comunican entre sí mediante el protocolo Lontalk, basado en el modelo OSI, a

través de diversos medios físicos. Existen también elementos específicos para

encaminamiento por la red, routers, y se dispone de múltiples interfaces y medios de

transmisión.

Los subsistemas básicos de que consta una red Lonworks son:

− Controladores Neuron Chip y firmware asociado (que incluye soporte para protocolo

LonTalk).

− Transceivers que permiten la conexión a los distintos medios físicos de transmisión.

− Módulos de control Lonworks que incluyen el Neuron Chip, transceivers y memoria

externa.

− Routers que sirven de encaminadores entre diferentes subredes y/o medios de transmisión.

− Interfaces de red mediante los cuales se pueden interconectar otros elementos no basados

en el protocolo Lontalk como pueden ser ordenadores personales, PLC, etc.

− Herramientas de instalación, configuración y diagnóstico tanto de los nodos como de la

red de control.

− Herramientas de desarrollo de aplicaciones, compilador Neuron C, enlazador,

depuradores, etc.

El carácter abierto de esta tecnología permite el desarrollo de nodos, siempre basados en el

Neuron Chip, con hardware específico para la aplicación concreta de control, junto con otros

comerciales, para aplicaciones más genéricas.

3.1 Monitorización

Es habitual, en los sistemas controlados de manera automática, disponer de una

monitorización de los diferentes elementos de la instalación. En nuestras instalaciones están

monitorizados cada uno de los elementos que la forman. En cada una de las pantallas se

puede ver tanto las medidas tomadas de cada uno de los componentes así como el estado de

los diferentes subsistemas. Las aplicaciones desarrolladas para la presentación por medio de

la web y los correos electrónico nos ha permitido ampliar las, ya de por si, ventajas de

cualquier monitorización pudiendo hacer el seguimiento de la instalación desde cualquier

punto de la red, sin necesidad de acercarse al equipo encargado de la misma.

Se miden más de 50 temperaturas repartidas por las instalaciones a través de sondas digitales

de bajo coste, 10 caudales de precisión (principalmente en la instalación solar térmica), y 10

medidores de presión, tanto absoluta como diferencial. Se actúa sobre válvulas de dos y tres

vías, bombas de impulsión, y arranque y paro de todos los equipos.

3.2 Control de la planta giratoria.

El automatismo de la plataforma se realiza a través de tres nodos de control LonWorks.

Dichos nodos se denominan Nodo Supervisor, Variador y de Seguimiento respectivamente.

Este último lleva en memoria el algoritmo que determina la posición del sol en cada instante,

y con ello determina la posición exacta de la plataforma. Para ello se dispone de sensores

magnéticos que determinan la posición gracias a unas placas metálicas dispuestas

equidistantes a lo largo de la viga circular de la plataforma. Además se han dispuesto dos

fines de carrera en las posiciones ±130º que aseguran que la plataforma no gira más allá de

dichas posiciones. Actúan como interruptores que cortan la tensión a los motores,

deshabilitando el arranque en ese sentido y habitándolo en sentido contrario de giro

Con los datos de radiación global y difusa se mejora el control del giro de la plataforma. La

orden dada por el algoritmo de control que determina la posición queda cancelada si la

tendencia de la radiación es a permanecer difusa, ya que en estos casos el seguimiento carece

de eficacia.

El sistema también dispone de control manual,

que permite el giro en ambos sentidos.

Además, debido al volumen de la plataforma,

existen diversos dispositivos de emergencia.

3.2 Control de bombas

Las bombas dispuestas a lo largo del circuito (primario y secundario de ambos campos de

paneles, bombas de los circuitos del generador, evaporador y condensador del grupo de

absorción) disponen de variadores de frecuencia controlados a través de la red LonWorks que

nos permiten ajustar las características de altura y caudal de las mismas en función de las

temperaturas necesarias, radiación, etc. Además los nodos de control nos permiten tener

monitorizadas tanto las alarmas como el estado de funcionamiento de las mismas.

4. EXPERIENCIAS TRAS UN AÑO DE FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de la máquina de absorción ha sido satisfactorio, no constatándose ningún

problema. El siguiente paso que quiere realizarse es ensayar su comportamiento fuera de los

rangos nominales de funcionamiento.

La plataforma giratoria soporta los colectores de vacío, cuya eficiencia es mayor que la de los

colectores planos, aunque también es mayor su fragilidad. Se observó que debido a los

arranques y paradas en seco que realizaban los motores, algunos tubos de vacío se rompían en

la unión cobre-vidrio. Por este motivo se tuvo que incorporar variadores de velocidad a los

motores que mueven el sistema para suavizar con ellos el arranque y parada bajo

funcionamiento normal.

Se incorporaron dos variadores Altivar 28 de Schneider a los que se ha dotado de las

siguientes funciones:

- Se han programado las aceleraciones y deceleraciones en dos rampas, es decir, se

realiza un primer arranque muy lento para vencer el rozamiento estático, y vencido

este se continúa con una segunda rampa menos suave hacia la velocidad nominal.

- Se han ocultado ciertas frecuencias eléctricas de alimentación que se han relacionado

con las frecuencias mecánicas de vibración más significativas.

Se ha puesto en marcha una red LonWorks de control distribuido de lo que se pueden sacar

las siguientes conclusiones:

- Se están corroborando las características más destacadas de la red LonWorks, al

utilizar diferentes medios de transmisión (red eléctrica, radio frecuencia y par

trenzado), topologías libres de red (mezcla de anillos y buses) y minimizar el tiempo

de instalación y ampliación, cuando ha sido necesario.

- El control distribuido ha permitido la independencia de cada uno de los subsistemas

formados, pudiendo reprogramarse cada módulo por separado, sin interferir ni para el

resto de módulos.

- Los módulos desarrollados se encargan principalmente de la medida y control de las

distintas temperaturas analizadas, para lo cual implementan un protocolo de

comunicación 1-Wire para la comunicación con las distintas sondas digitales de

temperatura.

- Se ha desarrollado el software para programar los controladores, los cuales están

basados en el microcontrolador “neuron TMPN350B1F”. Este software implementa el

algoritmo de control óptimo sobre las variables a controlar.

Las primeras estimaciones fijan el ahorro energético conseguido con el control distribuido y

la supervisión en torno a un 30% debido fundamentalmente al control integrado de todos los

equipos y a la detección de fallos inmediata

AGRADECIMIENTOS

Este Trabajo está siendo financiado gracias a la Unión Europea y la CICYT a través del

proyecto FEDER “Desarrollo, control y supervisión de un sistema integrado de energía solar

y eólica en un edificio energéticamente autónomo” (ref: 1FD97-0863-C02-01) cuyo I.P. es

Luis Javier de Miguel González.

REFERENCIAS

[1] Creus, A. “Instrumentación industrial” Marcombo, 1997.

[2] Duffie, J.A. y Beckman, W.A. “Solar Engineering of Thermal Processes” Wiley

Interscience, 1991

[3] Iqbal, M. “An Introduction to Solar Radiation”, Academic Press, Toronto (1983)

[4] “Active Solar Systems” MIT Press (1993)

[5] Rabl, A. “Active Solar Collector and their Aplications” Oxford University Press

(1985)

[6] “Equipos de Refrigeración por Absorción” Instituto Nacional de Técnica

Aeroespacial.

[7] “Grupos Refrigerantes por Absorción de Agua Caliente” ESESA (1996)

[8] Vela, B. J. “Sistema de Control de una Planta de Refrigeración por Absorción”

[9] Van Hattem, D. y Actis, P. “Description and Performance of an Active Solar Cooling

System, Using a LiBr-H2O Absorption Machine” Energy and Buildings, 3 (1981) 169-196