AHORRO DE ENERGÍA ELECTRICA EN EDIFICIOS (Ing. Nestor Quadri)

Generalidades

Es muy importante que las empresas obtengan logros de ahorros importantes a través de un uso adecuado de la energía eléctrica en sus plantas o edificios, los que proyectados a escala país además de permitir un desarrollo más sostenible y competitivo, tiendan a conservar los recursos naturales y proteger el medio ambiente.

Para esbozar los lineamientos básicos a adoptar se debe conocer el problema en su real dimensión, como ser la cantidad y características de los consumos y los ahorros que se pueden obtener. Para ello, hay que medir con datos objetivos y significativos los procesos energéticos que se producen, para determinar dónde es posible y conveniente su aplicación y establecer un diagnóstico energético con las soluciones a aplicar, para determinar con precisión el grado de eficiencia que se requiere.

De esa manera, es necesario la identificación del consumo energético , que puede definirse como la respuesta a la pregunta de cómo, dónde y cuanta energía es empleada o desperdiciada y para ello, además del análisis del consumo eléctrico se requieren los perfiles energéticos, para establecer las áreas potenciales de ahorro de energía.

Para el análisis del ahorro a producir , es conveniente poner en práctica ciertas premisas básicas recordando que el objetivo no es dejar de emplear los equipos eléctricos sino utilizarlos eficientemente y el primer aspecto a considerar es la determinación de la energía se consume en el edificio, dónde y cómo se utiliza y cual es el costo que representa.

Sobre la base de dicho análisis, se debe decidir si es necesario efectuar una auditoría energética para conocer en detalle y con certeza cuales son las mejoras y eventuales inversiones a realizar y estos resultados permiten determinar con exactitud en cuanto pueden reducirse los costos y el tiempo de retorno de los montos a invertir. Para realizar todo estudio energético deben analizarse varios elementos básicos que importan en los consumos que son:

• Edificio

• Iluminación

• Aire acondicionado

• Instalación eléctrica

• Elementos de control

Edificio

Para que un edificio esté bien ejecutado, debe contar con un adecuado aislamiento térmico, una buena orientación y protección de ventanas y estar dotado de una eficiente iluminación, porque ello requiere un sistema de climatización de verano más pequeño, dado que normalmente es el que consume mas energía eléctrica.

El proyecto de un edificio que tienda al ahorro de energía en climatización en verano, debe cumplir los siguientes objetivos:

• Reducir al mínimo las ganancias de calor por transmisión a través de los cerramientos.

• Proteger eficazmente la ganancia de calor por radiación solar directa a través de las ventanas

• Intensificar la ventilación e iluminación natural de los locales

• Minimizar los consumos eléctricos de las instalaciones de iluminación artificial y artefactos que disipen calor en los ambientes aumentando su eficiencia.

En la ejecución de los edificios deben emplearse aislantes térmicos que están constituidos por materiales de baja conductividad del calor y representan un elemento importante para evitar recalentamientos de muros y techos expuestos a la acción directa del sol, por lo que se infiere que el uso de aislamientos adecuados es una de las mejores formas de reducir los consumos energéticos en la climatización.

Las ventanas son los medios de comunicación visual con el exterior y de iluminación hacia el interior y además deben proveer una adecuada ventilación natural, debiendo ser adecuadamente dimensionadas. Debe tenerse en cuenta sin embargo, que los vidrios actúan como una trampa de calor dado que dejan pasar la luz solar y calientan los elementos del ambiente, pero a su vez la radiación calórica invisible que estos emiten, no pasa a través del vidrio, por lo cual el calor almacenado no puede escapar denominándose a ello, efecto invernadero y como este calor debe extraerse con aire acondicionado, es necesario dotar de una buena protección solar a las ventanas utilizando persianas, postigones de protección o parasoles.

Iluminación

La iluminación diurna más conveniente es la natural ya que toda luz encendida en horas del día es un derroche de energía y los colores de los revestimientos interiores de paredes o techos tienen gran influencia en su difusión ya que si son claros la reflejan y provocan su homogénea distribución. El techo de tipo diente de sierra brinda excelente iluminación en locales industriales.

La iluminación artificial disipa calor que constituye un factor muy importante en el aumento de la capacidad de los equipos de refrigeración en verano y ese calor tampoco puede ser aprovechado en invierno para reducir la carga de calefacción, porque como es calor eléctrico es muy costoso .

Uno de los factores que afectan al consumo de energía en iluminación es que las luces suelen permanecer encendidas inútilmente durante largos períodos por lo que se hace necesario el uso de temporizadores para activar las luces en horarios prefijados y además deben colocarse controles que detecten niveles de iluminación sobre ventanas, verificándola entrada de la luz solar para disminuir la iluminación artificial. El consumo de una lámpara de filamento incandescente tienen una baja eficiencia, perdiéndose la mayor parte de la energía consumida en forma de calor.

Los tubos fluorescentes tienen una eficiencia mayor, lo que en términos de iluminación significa que se obtiene con igual consumo un nivel de iluminación varias veces mayor que las incandescentes, pero los balastos tradicionales disipan mucho calor. Por ello, es indispensable reemplazar los tubos fluorescentes convencionales por los que utilizan balastos electrónicos , porque permiten ahorrar energía hasta un 10% y corregir el factor de potencia, así como incrementar la vida útil de los mismos.

Es muy conveniente el empleo de lámparas de alta eficiencia por su alto poder lumínico, menor consumo y mayor vida útil. Las lámparas fluorescentes compactas electrónicas, además de aportar una calidad de luz ambiental, son fundamentales por su bajo consumo en aquellos lugares donde se necesite un alumbrado con largos períodos de encendido y pueden utilizarse casi de forma general consumiendo cinco veces menos que las incandescentes, con una vida útil diez veces mayor, y poseen el mismo casquillo que las bombillas tradicionales lo que las hace muy simple de aplicar.

La distribución de las fuentes de luz es de gran significación dado que su buena ubicación y sectorización facilitan su control por área, para iluminar adecuadamente solo los lugares que se necesitan. Es importante también, la adecuada ubicación de los interruptores dado que si se emplazan frente a una puerta sin señales que los distinga, obliga generalmente al encendido de todas las luminarias al no poder precisar la zona a la cual pertenece cada uno.

Debe tenerse en cuenta en la operación lo siguientes:

• Limpiar periódicamente las luminarias, porque la suciedad disminuye el nivel de iluminación de las mismas.

• Apagar las luces que no se necesitan, como por ejemplo cuando el personal está en refrigerio.

• Evaluar la posibilidad de utilizar luz natural, utilizando pinturas de color claro e instalando elementos transparentes o similares, para aprovechar este recurso, siempre que brinde un nivel adecuado de iluminación.

• Instalar superficies reflectoras para direccionar e incrementar la iluminación y posibilitar la reducción de lámparas.

• Utilizar lámparas de vapor de sodio de alta presión en la iluminación de exteriores.

• Seleccionar adecuadamente lámparas para que suministren los niveles de iluminación requeridos en las normas de acuerdo al tipo de actividad que desarrollen.

• Utilizar luminarias apropiadas como las pantallas difusoras con rejillas. No se deben emplear difusores o pantallas opacas porque generan pérdidas de luz que requieren utilizar más luminarias.

Aire acondicionado

Debe tenerse en cuenta que el consumo de energía causado por el funcionamiento de estas instalaciones está condicionado por un gran número de factores que afectan la demanda energética, tales como la calidad térmica de la envolvente, la distribución de los espacios interiores en función de su utilización, las cargas térmicas interiores, los criterios de diseño de los subsistemas que componen la instalación, tanto en lo relativo a la producción de los fluidos portadores como a la zonificación de los espacios, la flexibilidad de funcionamiento y el adecuado control.

La eficiencia con que esa demanda de energía depende, a su vez, de otra serie de factores, entre los que cabe citar el rendimiento de todos y cada uno de los equipos que componen la instalación, la utilización de energías residuales, el aprovechamiento de energías procedentes de fuentes gratuitas, el empleo de plantas de cogeneración con equipos de refrigeración por absorción, el uso de sistemas de enfriamiento evaporativo o de recuperación de calor y de acumulación térmica y en general, la aplicación de todos aquellos sistemas, aparatos y dispositivos que permitan la reducción del consumo de energía procedente de fuentes convencionales, que redunde en un uso más racional de la energía eléctrica.

Por ejemplo, el equipo crítico en cuanto a consumo energético en plantas de refrigeración es el compresor, sin embargo, aun cuando consume un gran porcentaje de energía eléctrica, su funcionamiento está ligado al resto del sistema de aire acondicionado, dado que un cambio en las condiciones de operación impacta en forma directa o indirecta en el consumo de energía del mismo.

Por lo tanto, el proyecto de mejoras energéticas consiste en actuar sobre cada problema concreto pudiéndose mencionar entre otras, las siguientes acciones para mejorar el rendimiento energético:

• Aumento de las temperaturas de evaporación.

• Reducción de las temperaturas de condensación.

• Parcializar las cargas de los compresores para que funcionen a plena carga a máximo rendimiento

• Mejoramiento del enfriamiento de los condensadores, limpieza y adecuación.

• Mejoras o ajustes en la circulación de los caudales de agua o aire

• Renovación y limpieza de filtros con sistema de control de suciedad

• Verificar pérdidas de aire en conductos y ajuste de capacidades y consumos de ventiladores.

• Utilización en lo posible de ventiladores y bombas con regulación de velocidad variable que consumen menos energía eléctrica que los de velocidad constante.

• Mejoramiento del aislamiento de tuberías y equipamientos.

• Cierre de zonas refrigeradas cuando no se usan.

• Adecuación de la posición de los sensores ambientales de comando y operación

• Aumento de las temperaturas de operación o set-point compatible con las necesidades de confort.

• Mejoramiento en la automatización y sistemas de control del sistema de aire.

• Capacitación del personal del área de mantenimiento y operación y analizar las posibles mejoras y sistematización de las mismas.

En muchas ocasiones se trata de problemas por mal diseño o una mala ejecución de la instalación y otras veces se impone la sustitución tecnológica ya sea por que el equipo es obsoleto en cuanto a su tecnología o por que el equipo no cumple ya con su función y consume demasiada energía y que requieren para su solución la ejecución de trabajos y de nuevas inversiones.

Se pueden resumir las estrategias de ahorro energético en aire acondicionado del siguiente modo:

• Disminución de las necesidades de energía, como el mejoramiento térmico de la envolvente del edificio y protección de aventanamientos así como la disminución del calor de iluminación

• Incremento de la eficiencia energética, del equipamiento propio del aire acondicionado, utilización de recuperadores del calor del aire contaminado de los locales al exterior para transferirlo al aire nuevo que ingresa, empleo de sistemas de acumulación de agua fría o hielo, etc.

• Utilización de energías gratuitas, por ejemplo empleando el aire exterior cuando está fresco en verano (free-cooling) o el enfriamiento evaporativo.

• Aprovechamiento de la energía residual mediante la cogeneración con equipos de absorción

• Correcta regulación del sistema

Los locales que no estén normalmente habitados, tales como garajes, huecos de escaleras, rellanos de ascensores, cuartos de servicio, medidores, limpieza, salas de máquinas y locales similares pueden requerir ventilación forzada pero no deben climatizarse. Cualquiera que sea la altura de los locales, se debe contemplar la posibilidad de emplear sistemas con los cuales se acondicione solamente la zona ocupada por las personas y d ebe aprovecharse la ventilación natural todo lo posible para mantener un ambiente cómodamente fresco la mayor parte del tiempo, especialmente en épocas climáticas intermedias.

En los sistemas de bombeo ya sea de la instalación de aire acondicionado como los de provisión de agua del edificio, deben r evisarse los filtros, limpiándolos con frecuencia para evitar que las obstrucciones ocasionen sobrecargas que aumentan innecesariamente su consumo de energía. A la vez, debe revisarse toda la instalación de la tubería y empaquetaduras para verificar que no existan fugas, en especial en las uniones de los tramos de tubería y reemplazar los empalmes viejos y gastados y ajustar las uniones flojas que pueden ocasionar fugas, las cuales dan como resultado un mayor consumo eléctrico.

La potencia nominal suministrada por el motor, debe ser igual a la que requiere la bomba para trabajar a su máxima eficiencia, dado que si es superior esta gastando innecesariamente la energía, debiendo el motor estar perfectamente alineado con la bomba y montado sobre una superficie que reduzca las vibraciones. Es importante instalar controles automáticos para arrancar el motor y para el motor de la bomba, evitando así que siga consumiendo energía eléctrica cuando la bomba haya dejado de funcionar.

Instalaciones eléctricas

Debe revisarse la temperatura de operación de los conductores , dado que aquellos que están sobrecargados presentan temperaturas superiores a las normales y se producen pérdidas por calentamiento y riesgo de cortocircuitos o incendio, además de mayor consumo energético. El calentamiento puede ser causado, entre otras cosas por la sección inadecuada de los conductores o por empalmes y conexiones mal efectuados.

La recomendación anterior se hace extensiva a los tableros de distribución , por tanto debe evitarse sobrecargarse los circuitos derivados del mismo. Las conexiones flojas aumentan las pérdidas de energía, por lo que debe efectuarse un periódico ajuste de conexiones y limpieza de contactos, borneras, barras, etc.

Es necesario ajustar la caída de tensión en los alimentadores de los motores eléctricos , dado que una tensión reducida en los terminales del motor, genera un incremento de la corriente, sobrecalentamiento y disminución de su eficiencia, por lo que es necesario utilizar conductores de distribución correctamente dimensionados. Además, debe balancearse la tensión de alimentación en los motores trifásicos de corriente alterna, porque si el desequilibrio entre las fases se hace excesiva, los motores operan con menor eficiencia.

Se hace indispensable utilizar arrancadores a tensión reducida en aquellos motores de cierta potencia que realizan un número elevado de arranques, evitando sobrecargas en el arranque con un calentamiento excesivo en los conductores y se logra disminuir las pérdidas durante la aceleración. Deben sustituirse en los motores de rotor devanado, los reguladores con resistencia para el control de la velocidad, por reguladores electrónicos más eficientes, porque las resistencias llegan a consumir un porcentaje elevado de la potencia que el motor toma de la red. Es conveniente instalar equipos de control de la temperatura del aceite de lubricación de cojinetes de motores de gran capacidad a fin de minimizar las pérdidas por fricción y elevar la eficiencia, no siendo recomendable rebobinar motores, porque puede variar las características de diseño del motor, lo cual incrementa las pérdidas de energía.

En cuanto a los transformadores, debe determinarse con precisión la carga asociada al mismo para no sobrecargarlo y así reducir las pérdidas en el cobre y a la vez evitar operar transformadores a muy baja carga, analizando si es posible su redistribución. Es necesario r evisar el nivel y rigidez dieléctrica del aceite periódicamente, con el fin de controlar la capacidad aislante y refrigerante del mismo y realizar una limpieza periódica del transformador, es decir, superficie del tanque, aletas disipadoras de calor, bornes, etc., midiendo con frecuencia la temperatura superficial dado que ella no debe ser superior a 55 º C y de ser así, debe revisar el aceite dieléctrico. Los transformadores y motores consumen energía reactiva , la cual puede compensarse mediante la instalación de bancos de condensadores o generadores sincrónicos para mejorar el factor de potencia. La compensación de energía reactiva tiene los beneficios de eliminar la facturación adicional por consumo de energía reactiva , reducir las caídas de tensión y las pérdidas por efecto Joule además de proteger la vida útil de las instalaciones. Un aspecto muy importante a considerar es el recorte de los picos de demanda . En efecto, debe tenerse en cuenta que cuando el consumo supera la potencia convenida en punta o en fuera de punta por un período mayor a 15 minutos, las empresas de energía facturan sobre la base de ese valor máximo registrado durante un cierto período,

generalmente 6 meses, de manera de penalizar los excesos de consumos de potencia, de acuerdo a lo indicado en la figura.

Por ello, si se producen desvíos, es necesario el recorte de los picos de demanda denominado peak-save , para evitar dichas penalidades, por lo que es necesario contar con un dispositivo automático que separe el consumo de la red y arranque los grupos electrógenos.

Sistemas de control

Es fundamental para lograr la optimización de los costos energéticos disponer de los medios de ajustes necesarios para adaptar los parámetros de funcionamiento de los equipos de modo de lograr una mejora en tiempo y forma en cuanto a sus condiciones de funcionamiento.

La optimización del suministro requiere conocer en las instalaciones eléctricas de cierta envergadura como están repartidos los consumos a lo largo del tiempo, cuales son las solicitaciones de cada carga, los factores de potencia más desfavorable y las causas que pueden provocar un bajo rendimiento de la instalación. Todo ello, requiere la instrumentación adecuada para la medida, registro y tratamiento de datos, empleándose generalmente los denominados adquisidores de datos , que consiste en un equipo multifunción de técnica digital, específicamente diseñado para medir simultáneamente varias magnitudes de una determinada instalación eléctrica.

Sin embargo, en grandes edificios no cabe la menor duda que es indispensable adoptar un sistema de gestión integral del tipo inteligente que posibilite la operación y regulación, con un programa orientado hacia la reducción del consumo energético, así como una disminución de los costos de mantenimiento, siendo dichos datos útiles para definir las reales necesidades del servicio, correcciones y posibles mejoras al funcionamiento.

De esa manera, puede disponerse de un control directo de cada uno de los parámetros, proporcionando en tiempo real la información de lo que está pasando en el edificio, para tomar decisiones de ahorro energético, tales como selección de las condiciones interiores de confort en aire acondicionado, el control de la iluminación, bombas de agua, grupos electrógenos, etc.

Un sistema de control inteligente tiene por objeto además de lograr el confort y seguridad de funcionamiento, la economía de operación y la forma de lograr estos objetivos es censar y comandar la totalidad de las instalaciones desde un centro de gestión , debiéndose prever que ante la posibilidad de fallas en las comunicaciones de datos de un sector del edificio, éste funcione inteligentemente en forma autónoma, por lo que a esos sistemas se los define como inteligencia distribuida .

El sistema de control y monitoreo se utiliza para controlar y administrar el edificio y permite realizar una gestión coordinada con la totalidad de las instalaciones, siendo capaz de integrar múltiples funciones incluyendo control y supervisión de los equipos, registro de alarmas y almacenaje de datos históricos, así como el control y almacenamiento de datos de los consumos eléctricos, calculando las sumas totales en forma diaria, semanal o mensual.

El sistema permite verificar los estados de cargas eléctricas y su distribución en forma racional, eliminando consumos innecesarios, efectuando el ciclado y rotación de cargas y el secuenciamiento de equipos. Por otra parte puede atenuar o eliminar los niveles de iluminación según sea el aporte de iluminación natural externa en áreas con ingreso de luz natural, manteniendo niveles de iluminación constantes a bajo costo.

Pueden ajustar automáticamente el uso operativo del edificio a las estaciones anuales y el sistema con los datos de los consumos de electricidad, puede establecer una conducta de operación propia del edificio y de esta forma, permite optimizar aún mas los consumos energéticos. Además, puede registrar con intervalos de tiempo determinados la tendencia del consumo del edificio y verificar cuando se generó el pico máximo de consumo, para evitar que no se pase de un límite máximo y producir el recorte y además controlar el factor de potencia en forma permanente.

En la optimización de energía eléctrica puede basarse en producir entre otros, los siguientes controles:

• Desfasajes en los arranques de motores programados.

• Transferencias de cargas eléctricas de acuerdo a la situación de consumo, día o noche, días feriados o laborables, estación del año, etc.

• Optimización de arranques y paradas de motores.

• Control de variadores de velocidad de ventiladores.

• Control de temperatura de agua o aire de climatización.

• Secuencias de funcionamiento de los equipos de climatización.

• Control de unidades de tratamiento de aire.

• Control de temperaturas de condensadores o de torres de enfriamiento.

• Optimización de consumos por contraste de curvas de consumos eléctricos anteriores registrados.

Por todo lo indicado, para realizar un ajuste tendiente a la disminución en las necesidades de consumo energético, además de los aspectos puntuales a adoptar en cada caso, es indispensable contar con un elemento de control adecuado que permita verificar y ajustar la operación, para lograr que dicho ahorro sea lo mas eficiente posible.