Tema #10 Aplicaciones 3

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1 Tema #10 Aplicaciones 3 Profesor Visitante Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática abrunete@ing.uc3m.es 1.3C06

2 Control de Climatización (HVAC) Control de temperatura y confort 2

3 El problema 3

4 Control de clima Actuadores Radiadores, splits, cassettes, rejillas, válvulas Sensores Temperatura, humedad (relativa y absoluta), entálpicos Controlador (termostato) PI, PWM, on/off Interfaz Seleccionar modos de funcionamiento, temperatura, velocidad del ventilador, etc. 4

5 Tipos de aparatos de clima Individuales: portátiles, de ventana. Unidad exterior + interior Split Fancoil Cassette Conductos Calderas + radiadores Suelo radiante / Techo refrigerado 5

6 Sistemas con unidades separadas Unidad exterior + interior Split Fancoil Cassette Conductos 6

7 Sistemas con unidades separadas Principio de funcionamiento Refrigeración: 7

8 Splits Pensados para instalaciones individuales con pocas zonas (1-4 habitaciones) Pasarelas específicas fabricantes, ej. Daikin, Panasonic, LG 8

9 e (ESP) liar de drenaje evacúa el agua de forma automátide drenaje Dr. Alberto puede Brunete presentar una elevación de, por lo que supone la solución ideal para un perde temperatura a permite mantener los valores de caudal y de entro de las condiciones de proyecto, indepene la ESP. Además: Máquinas de conductos Aplicación de conductos deseados. Acoplando una red de conductos y rejillas a la unidad interior, es posible refrigerar o calentar cualquier sala. e control de la fase del motor ahorra costes de Techo Puede haber una gran diferencia entre la temperatura tomada en la unidad y la temperatura de la sala. El control por dos sondas de temperatura ofrece la opción de controlar la temperatura tomando como referencia cualquiera de estas dos temperaturas. Mediante un interruptor deslizante situado en la parte posterior del mando a distancia, se puede seleccionar cuál de las dos sondas de temperatura gobernará la unidad. Una sonda se encuentra en la unidad interior y la otra está en el mando LCD remoto por cable. Unid. Interior M B A Techo Inspección Control mediante Control dos sensores mediante dos sensores ca Impulsión Volumen de aire a 10 mmca Presión estática (mmca) Retorno Mando por cable Mando con por pantalla cable LCD con pantalla LCD MULTI V Unidad de conductos Unidad de conduc Máx. 9 descargas e drenaje incorporada* Funcionamiento silencioso y mantenimiento sencillo 9 El ventilador de plástico ligero y su envolvente funcionan de

10 Conductos Zonificación ESQUEMA ZONIFICACIÓN CON ZENNIO Teclados de control en cada zona Rejillas motorizadas Climatizador Actuador Componentes KNX necesarios: 1 IRSC. 10

11 Conductos Zonificación Componentes KNX necesarios: 1 controlador de aparato de clima (pasarela, IR). Ej. IRSC 1 display táctil y sensor de temperatura por zona. 1 canal de actuador por zona. Cada uno de estos canales controla la apertura y cierre de la rejilla motorizada de una zona. Principio de funcionamiento: El termostato de cada zona envía la temperatura actual y deseada de cada zona al termostato. En función de estos valores, el termostato calcula la temperatura que debe proporcionar la máquina de aire al conducto y se la envía vía IR. Por otro lado, el termostato envía órdenes de apertura y cierre a los canales de los actuadores que controlan las rejillas motorizadas. De esta forma, en función del tiempo que el termostato mantenga abierta o cerrada cada una de las rejillas, se establecerá una temperatura distinta en cada zona. 11

12 Fancoils ciple Fan Coil Unit Fan Coil-Actuator FCA/S 1.1M Connection diagram with electro motive raiser / lower valve drives 2 valves Fan Motor Window contact Auxiliary electrical heater Drip tray Fan Separate cool and heating circuits 2 heat exchanger ple: Fan Coil Unit, 4-pipe system ABB STOTZ-KONTAKT GmbH - 2CDC N0201, page 10 open close open close heat cool 2 Heat exchanger for heating and cooling 2 tubos: frio o calor; 4 tubos: frío y calor La unidad exterior proporciona el líquido frío o caliente, y el ventilador del fancoil calienta o enfría el aire 12

13 Caldera + radiadores Caldera: on/off Las calderas suelen tener una entrada binaria (on/off) para termostatos, que se puede usar para su control (encendido y apagado del quemador) Radiadores Regulación On/off 13

14 Control de radiadores Electroválvulas 14

15 Suelo radiante / Techo refrigerante 15

16 temas Therma V son bombas de calor aire-agua que permiten obtener calefacción y agua caliente ia (ACS). Pueden conectarse con unidades terminales tipo fan-coils, radiadores de baja temperatura radiante en calor (suelo refrescante en frío). Además, es posible su conexión a depósitos de agua sanitaria y paneles solares, de manera que se aproveche la energía solar para calentar el ACS. Sistemas combinados uipos Therma V se han diseñado especialmente para responder a las necesidades de un mercado vación (para apoyar o sustituir a una caldera) y hacia el mercado de la vivienda nueva. El producto pta perfectamente a las aplicaciones residenciales individuales y múltiples. THERMA V Kit hidráulico Control efectivo Solar - Eléctrica Control de la instalación Depósito agua caliente sanitaria Radiador Control sobre la producción de calefacción, agua caliente sanitaria, paneles solares. Control de la programación semanal. Control de modos de regulación del sistema. Control de la temperatura de agua del sistema. Dispositivo programador antilegionela para acumulador ACS. Control del compresor en refrigeración para evitar la condensación en suelo refrescante. Control del compresor en calefacción para el uso de las resistencias eléctricas de apoyo en caso de necesidad. Paneles solares Therma V Unidad exterior Therma V Kit hidráulico Depósito de agua caliente sanitaria Panel solar agua caliente sanitaria Termostato sala Suelo radiante THERMA V Unidad exterior Funcionamiento de emergencia en calefacción* La calefacción es esencial durante el invierno. Therma V está equipado con un modo de funcionamiento de emergencia que permite el mantenimiento de la calefacción en caso de posible fallo. ositivos para transmisión del calor: elo radiante. Accesorios opcionales: - Depósito agua caliente sanitaria. 16 Nivel 1: si la unidad interior falla, la unidad exterior arranca en un modo de seguridad de emergencia predefinido. Nivel 2: si la unidad exterior falla, la resistencia eléctrica de apoyo de la unidad interior funciona en un modo de seguridad de emergencia predefinido.

17 THERMA V Ejemplos de instalación Sistemas combinados Instalaciones nuevas Suelo radiante. Radiadores de baja temperatura. Alternativo a la caldera. La botella de desacoplamiento (o separador hidráulico) es recomendable en todos los casos con bomba. Sensor de temperatura Termostato de seguridad Regulador Resistencia eléctrica Bomba de agua Válvula de retención Válvula de corte Válvula de tres vías motorizada Válvula de tres vías mezcladora Válvula diferencial presión Válvula termostática Depósito de decantación Vaso de expansión Botella de desacoplamiento Radiadores de baja temperatura. Producción ACS (PAC + apoyo eléctrico + panel solar) 17 La botella de desacoplamiento (o separador hidráulico) es Aplicaciones recomendable de la Automática en todos los en Edificios casos con bomba.

18 Dispositivos con termostato Hay diversos dispositivos que pueden incluir un termostato: Pantallas táctiles Sensores/Actuadores Termostatos específicos Necesitan Sonda temperatura/humedad Controlador 2. Sensor A/D QUAD 2. DISPOSITIVO El sensor A/D QUAD per entradas, cuando éstas permite elegir entre los ti CONFIGURACIÓN TERM Dentro de la fa termostato implementa Se pueden conectar hast 1. Pantalla táctil I diferentes de temperatur los termostatos. La pantalla táctil In en un mismo dispo de la estancia en incorporada, pudie cálculos de termost 3. IRSC (programa de a El programa de aplicaci puntos con Este histéresis termostato y pe P se encuentran el apartado en una 3.1 CO ins zonas, cada una con un 2. Sensor A/D QU Este dispositivo no dispo la temperatura de referen El sensor A/D QUA entradas, cuando é permite elegir entre CONFIGURACIÓN Para ampliar informació Clima III. Se pueden conecta diferentes de temp los termostatos. 4. ACTinBOX CLASSIC 18 El actuador ACTinBOX C Aplicaciones de la Automática 3. IRSC en Edificios (program

19 Conceptos Temperatura de consigna: Es la temperatura deseada para una estancia a climatizar. Es elegida por el usuario a través de los dispositivos que se usan como interfaz entre la instalación y el propio usuario Temperatura de referencia: Es la temperatura ambiente medida por algún dispositivo con capacidad para ello. Como temperatura de referencia del termostato se puede utilizar una mezcla de temperaturas internas y externas (provenientes de varias sondas) 19

20 Tipos de control 2 puntos con histéresis Proporcional integral (PI) 20

21 Tipos de control 2 puntos con histéresis Sencillo Poco eficiente comparado con otros sistemas de control más avanzados Control implementado en los termostatos convencionales. Se establece una temperatura de consigna, y dos histéresis, una inferior y otra superior. El objetivo de las histéresis es que el sistema no esté conmutando continuamente alrededor de una temperatura de consigna en breves periodos de tiempo. 21

22 Tipos de control 2 puntos con histéresis Ejemplo: Se establece una temperatura de consigna de 25ºC (modo calentar). Tanto la histéresis superior como la inferior son de 1ºC. Se parte de una temperatura real de 19ºC. Cuando la temperatura alcance los 25ºC, el sistema seguirá calentando, hasta alcanzar los 26ºC. Una vez alcanzada la histéresis superior, el sistema se apaga. Al estar el sistema apagado, la temperatura comienza a decrecer, pero no se volverá a conectar al alcanzar los 25ºC de consigna, sino que lo hará cuando alcance la histéresis inferior, esto es, 24ºC. 22

23 Tipos de control 2 puntos con histéresis En este proceso, se obtiene una gráfica muy típica con aspecto de diente de sierra, como se puede apreciar en la figura: 23

24 Tipos de control 2 puntos con histéresis Accionador ON OFF 24º 25º 26º Temperatura 24

25 Tipos de control 2 puntos con histéresis igura 1. Gráfica típica sistema de 2 puntos con histéresis. l problema de este tipo de control es la oscilación permanente que influye anera directa en el consumo energético y en el confort, tal y como se ia en la siguiente Figura: El problema de este tipo de control es la oscilación permanente que influye de manera directa en el consumo energético y en el confort, tal y como se aprecia en la siguiente figura Exceso de consumo Falta de confort CONFIGURACIÓN TERMOSTATO 25

26 Tipos de control Proporcional Integral Sistema de cálculo integral que depende de dos valores: K: Constante proporcional, en grados Kelvin (ºK), que permite estimar un valor de error proporcional a la diferencia entre la temperatura de consigna y la temperatura ambiente. T: Tiempo de integración, en minutos (min), que depende de la inercia térmica del sistema de climatización, el cual permite ajustar el error de aproximación en relación con el tiempo transcurrido. Tiempo de ciclo: tiempo para leer las entradas, calcular los datos a transmitir a las salidas, y transmitirlos depende mucho de la inercia térmica del sistema de climatización instalado. Para sistemas de climatización con inercias térmicas lentas, habrá que indicar un tiempo de ciclo mayor 26

27 temperatura de consigna y la temperatura ambiente. T: Tiempo de integración, en minutos (min), que depende de la inercia térmica del sistema de climatización, el cual permite ajustar el error de aproximación en relación con el tiempo transcurrido. Tipos de control Proporcional Integral A la hora de elegir este tipo de control, se le propondrá al integrador elegir, de una lista desplegable, entre una serie de parejas de valores K y T. Unos valores típicos son los siguientes: Ejemplo de valores típicos Sistema K T Split 4 ºK 90 min Suelo radiante 5 ºK 240 min Calefacción Eléctrica 4 ºK 100 min TIPO DE SISTEMA CICLO DE ENVÍO También se ofrece la posibilidad de introducir manualmente estos dos parámetros, pero SUELO se aconseja RADIANTE ser usado minutos únicamente por expertos en climatización. SISTEMA DE AIRE 8-12 minutos Además, habrá que especificar un tiempo de ciclo para realizar los cálculos. Este tiempo de ciclo depende mucho de la inercia térmica del sistema Dr. Alberto de Brunete climatización instalado. Para sistemas 27 de climatización Aplicaciones con inercias de la Automática térmicas en Edificios

28 Tipos de control Proporcional Integral Formas de control Continuo Se necesitan actuadores regulables 0%-100% Ejemplo: variables de 1 byte, porcentaje de apertura de una válvula PWM (On/Off) Pulse Width Modulation Simulan el control continuo en actuadores binarios (on/off) Ejemplo: variable 1 bit, apertura/cierre de válvula 28

29 Tipos de control Proporcional Integral Ejemplo. Se utiliza un control PI Continuo y un control PI PWM. Cuando el valor de la variable PI Continuo es 50%, se consigue una modulación de PWM de justamente medio tiempo de ciclo (Ton) a 1 y medio tiempo de ciclo (Toff) a 0. Cuando el valor de PI Contínuo es 25%, la modulación PWM mantendrá un pulso a 1 de 1 4 de tiempo de ciclo, y un pulso de 0 de 3 4 de tiempo de ciclo. 29

30 lo que consigue es traducir ese mismo control a válvulas (o estados) de todo lo que consigue es traducir ese mismo control a válvulas (o estados) de todo nada. nada. Tipos de control Ejemplo. Se utiliza un control PI Continuo y un control PI PWM. Ejemplo. Se utiliza un control PI Continuo y un control PI PWM. Cuando el valor de la variable PI Contínuo es 50%, se consigue una Cuando el valor de la variable PI Contínuo es 50%, se consigue una modulación de PWM de justamente medio tiempo de ciclo (Ton) a 1 y medio modulación de PWM de justamente medio tiempo de ciclo (Ton) a 1 y medio tiempo de ciclo (Toff) a 0. tiempo de ciclo (Toff) a 0. Cuando el valor de PI Contínuo es 25%, la modulación PWM mantendrá un Cuando el valor de PI Contínuo es 25%, la modulación PWM mantendrá un pulso a 1 de ¼ de tiempo de ciclo, y un pulso de 0 de ¾ de tiempo de ciclo. pulso a 1 de ¼ de tiempo de ciclo, y un pulso de 0 de ¾ de tiempo de ciclo. EJEMPLO PRÁCTICO Proporcional Integral Valor de variable PI del 50 %. EJEMPLO PRÁCTICO Figura 3. Valor de variable PI del 50 %. Figura 3. Valor de variable PI del 50 %. Valor de variable PI del 25 %. CONFIGURACIÓN TERMOSTATO CONFIGURACIÓN TERMOSTATO Figura 4. Valor de variable PI del 25 %. Figura 4. Valor de variable PI del 25 %. 30 Para finalizar, se muestra una gráfica típica de la evolución de la

31 Tipos de control Proporcional Integral Figura 5. Gráfica típica sistema PI. Comparación 31

32 Protección frío-calor La protección contra sobrecalentamiento o congelación activa el elemento de climatización oportuno para evitar temperaturas extremas. La protección, ya sea por sobrecalentamiento o congelación, se activa cuando el termostato está apagado. A la hora de activar/desactivar la protección se suele implementar una histéresis (inferior en el caso de la protección de sobrecalentamiento y superior en caso de la protección de congelación) de por ejemplo 1ºC. 32

33 A la hora de activar/desactivar la protección se ha implementado una histéresis (inferior en el caso de la protección de sobrecalentamiento y superior en caso de la protección de congelación) de 1 ºC. Protección frío-calor Aunque la protección esté activada, no se muestra ningún testigo en la pantalla de Clima. La única acción se ejecuta sobre el valor de la variable del control termostático implementado, forzando al sistema de climatización a que actúe de la forma más rápida posible: PROTECCIÓN CONTRA SOBRECALENTAMIENTO: VARIABLE TAMAÑO VALOR PI PWM (FRIO) 1 BIT 1 PI CONTINUO (FRIO) 1 BYTE 100 % 2 PUNTOS CON HISTÉRESIS (FRIO) 1 BIT 1 PROTECCIÓN CONTRA CONGELACIÓN: CONFIGURACIÓN TERMOSTATO VARIABLE TAMAÑO VALOR PI PWM (CALOR) 1 BIT 1 PI CONTINUO (CALOR) 1 BYTE 100% 2 PUNTOS CON HISTÉRESIS (CALOR) 1 BIT 1 Ejemplo. Se establece protección contra sobrecalentamiento y congelamiento: Límite superior: 35 ºC 33

34 Protección frío-calor Ejemplo. Se establece protección contra sobrecalentamiento y congelamiento: Límite superior: 35ºC Límite inferior: 7ºC Método de control: PI - CONTINUO En un momento dado, con el termostato en estado OFF, la temperatura de referencia para el termostato es de 6.9ºC. En este momento se fuerza el valor de la variable manipulada a 100%. Debido a la acción del sistema de climatización, la temperatura comienza a aumentar. Una vez superados los 8ºC (1ºC de histéresis), el valor de la variable manipulada vuelve a ser modificado, con valor 0%. 34

35 Fuente adicional frío-calor Objetivo: actuar de una forma más efectiva sobre la temperatura de las estancias a climatizar, si hay más de un sistema de climatización. A través de los parámetros del termostato, se puede definir una banda de actuación en la cual entraría en funcionamiento el sistema adicional de apoyo. En KNX, la actuación sobre el sistema auxiliar se hace a través de un objeto de comunicación dedicado, de 1 bit de longitud. Cuando la temperatura real se encuentra en la banda de actuación, el objeto de comunicación pasa a valer 1, y retornará al valor 0 cuando se vuelve a entrar en la banda definida. Puede haber histéresis o no. Ejemplo: utilización de un Split como calor adicional Estancia calentada de forma primaria por un suelo radiante, con inercia térmica más lenta, que reacciona de una forma más paulatina ante cambios de tª de consigna. El Split tiene una inercia térmica más rápida, idóneo para usar como apoyo cuando se demandan cambios de consigna considerables (por ejemplo, un aumento de 2ºC de la temperatura de consigna). 35

36 Fuente adicional frío-calor Ejemplo. Se establece un sistema de apoyo adicional de calor para la climatización de una estancia: Sistema primario de calefacción: Suelo radiante Sistema adicional de apoyo: Split Banda de actuación del calor adicional: 3ºC Temperatura real: 22ºC. En un momento dado, se demanda una temperatura de consigna de 26ºC. Puesto que la diferencia entre la temperatura de consigna y la temperatura real es mayor de 3ºC, se activa la fuente adicional de calor (Split). Una vez superados los 23ºC de temperatura real (diferencia menor a la banda de actuación), se desactivará la fuente adicional de calor. 36

37 Fuente adicional frío-calor adicional de calor. temperatura real (diferencia menor a la banda de actuación), se desactivará la fuente temperatura real (diferencia menor a la banda de actuación), se desactivará la fuente adicional de calor. 37 Figura 7. Calor adicional y frío adicional. URACIÓN TERMOSTATO NFIGURACIÓN TERMOSTATO

38 are parameterized with ETS in the absolute temperature. Modos especiales Suelen depender de la presencia o no de personas en la - Comfort Mode sala, o de Normal la hora function del when día room o is being de used. trabajo - Stand-by Mode Confort Noche Salir 3-level absolute reduction of desired level, mode selection and display by 1 Byte RTC status or mode The set point for the controller is selected using the 1 Byte data point mode. Night and stand-by te Using the KNX bus, night and standtemperatures can be changed permanently. Parameterizing the Controller: Every function has a particular set point. By choosing a particular function, the room temperature can be adjusted as desired. The following functions are available: Lower function, for rooms not being used or about to be used. - Night Mode Very low function, when room will not be used over a longer period of time. - Frost Protection Mode Used when the room will not be used for a longer period of time to prevent freezing. This fu also be used to lower the temperature by opening the windows. Changing of the functions is carried out by the 1 Byte data point 10, modes for temperature cont mode enables activation of the different functions. It is not necessary to transmit several data p room temperature controller can be switched off by using disable data point 16. For frost protectio alarm is activated in this case. Heladas/sobrecalentamiento RTC Mode Byte Input EIS- Type Value Meaning of Data 1 Byte 0 Auto means Stand-by Mode is active 1 Comfort Mode active 2 Stand-by Mode active 3 Night Mode is active 4 Frost/Overheating Protection active Not Allowed 38

39 Cambio automático de modo Los termostatos pueden funcionar en modo calor y en modo frío si se encuentran habilitados para ello. Para conmutar entre ambos modos de funcionamiento, existen dos tipos de cambio de modo: manual y automático. El cambio automático de modo del termostato consiste en el establecimiento del modo (frío/calor) en función de la diferencia entre la temperatura real y la temperatura de consigna, sin necesidad de tener que cambiarlo manualmente. 39

40 Figura 26. Ejemplo de cambio automático de mo Cambio automático de modo Debemos tener en cuenta que el cambio en la consigna su ntinuación se puede ver una figura en la que el termostato está las temperaturas de cambio de modo según las bandas superior en modo calor y según varía la temperatura real, se producen dos temperatura ambiente dada. En este caso puede ocurrir un cam omáticos de modo. modo debido al cambio de consigna. Figura 26. Ejemplo de cambio automático de modo mos tener en cuenta que el cambio en la consigna supone un cambio en uras de cambio de modo según las bandas superior e inferior, para una Cambio automático de modo Figura 27. Cambio Cambio automático de por modo cambio al cambiar de consigna la ambiente dada. En este caso puede ocurrir un cambio automático de al cambio de consigna CONTROL DE TERMOSTATO DESDE PANTA

41 Punto de Rocío Valor al que debe descender la temperatura del aire para que el vapor de agua existente comience a condensarse. Para una masa dada de aire, con una determinada cantidad de vapor de agua (humedad absoluta), la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa = 100%) se alcanza el punto de rocío. Pr = Punto de rocío T = temperatura en ºCelsius H = humedad relativa 41

42 Punto de Rocío 42

43 Comfort field: The thermal comfort field in a room is shown in a field with 5 parameters. The standard value recommended by DIN 1946 is used: - Maximum Temperature = 26 C Curva - Maximum Rel. Humidity de = 65 % confort - Maximum Abs. Humidity = 11,5 g/kg - Minimum Temperature = 20 C - Minimum rel. Humidity = 30 % To change the standard value it is advisable to fill in the field hx-diagram, so that no unusual parameters appear. To do this it is necessary to have access to the total parameter fields. Text Message: when the value is within or above the comfort field, a 14 Byte text message is transmitted via data point 34. Diagrama hx de Mollier Temperatura: ºC Humedad: 30-65% h-x-diagram with comfort fields according to DIN 43

44 Configuración del Gateway. Diagnóstico de estado de comunicación en la red de equipos LG. Conexión con buses Caudal de aire Temperatura de consigna Caudal de aire Lectura de temperaturas Códigos de avería (LonWorks) Esquema de instalación SCADA LG Línea de comunicación LON Sistema BMS Control iluminación Comprobación a distancia Control utilidad Unidad interior: máximo, 64 unidades (aire acondicionado y ventilación) Direccionamiento interior: 00~3F Otros dispositivos LON RS485 PI485 BNU-LW PQNFB16A1 PI485 PMNFP14A1 o PI485 PMNFP14A1 Control central simple AC Smart PHNFP14A0 Unidad exterior Eco-V Unidad interior Equipo de aire acondicionado con protocolo LGAP Modelo Dr. Alberto PQNFB16A1 Brunete Precio cesión Consultar 44

45 Conexión con buses (KNX) Esquema de instalación MULTI V PLUS II MULTI V SYNC II MULTI V SPACE II MULTI V MINI MULTI V WATER MULTI V III MULTI V SYNC III RS485 2x1,5 mm 2 (apantallado) PI485 AC 220V MULTI V PLUS MULTI V SYNC MULTI V SPACE PMNFP14A1 LG-AC-KNX-64 LG-AC-KNX-16 PI485 MULTI, Single A PMNFP14A1 PI485 Cassette, suelo, conductos (no Inverter) PMNFP14A1 SCADA LG Sistemas de ventilación PHNFP14A0 Am A bient Air Free Energy PMNFP14A1 ECS Solar Panels Therma V 45

46 Referencias Catálogos fabricantes (Especialmente LG)