Estudio y optimización de la red de climatización y ventilación asociada al edificio de hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales Estudio y Optimización de la red de Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando Autor: Francisco Javier Galindo Fernández Tutoras: María del Carmen Guerrero Delgado Teresa Rocío Palomo Amores Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales Estudio y Optimización de la red de Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando Autor: Francisco Javier Galindo Fernández Tutoras: María del Carmen Guerrero Delgado Teresa Rocío Palomo Amores Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Proyecto Fin de Grado: Estudio y Optimización de la red de Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando Autor: Francisco Javier Galindo Fernández Tutoras: María del Carmen Guerrero Delgado Teresa Rocío Palomo Amores El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis profesores A mis amigos ix Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer al Real Instituto y Observatorio de la Armada la oportunidad que me ha brindado de colaborar con ellos a través de la realización de este proyecto, y particularmente a todo su personal técnico y científico por mostrar su plena disposición en todo momento. Agradecer a mi familia, por darme la motivación necesaria para afrontar estos años de duros estudios, siendo mi pilar fundamental en los buenos y malos momentos. En especial a mi padre, por no dejar en ningún instante que la curiosidad por seguir aprendiendo cesase, y por transmitirme desde pequeño la importancia de ser minucioso motivándome a no ser nunca conformista. Finalmente, no quiero dejar atrás a los amigos que he hecho durante estos años de estancia en Sevilla, ellos son los que han hecho mas llevadero el estudio del grado, y son sin ninguna duda de las mejoras cosas que me llevo de esta bonita etapa de mi vida. Francisco Javier Galindo Fernández Sevilla, 2022 5.4 Cargas puntas de los locales 33 5.5 Condiciones de entrada a la batería de frío 33 5.6 Cálculo de los parámetros de impulsión desde la salida de la planta climatizadora 34 5.6.1 Discusión sobre la recta de compensación en la determinación de la consigna de temperatura de impulsión 35 5.7 Cálculo de los parámetros de la batería de frío 36 5.8 Consideraciones sobre el uso de la bomba de calor para alcanzar la temperatura de impulsión a la salida de la climatizadora 37 5.9 Efecto del uso de la batería de calor en época de calor 38 5.10 Cálculo de los parámetros de la batería de calor 38 5.11 Presión de consigna a la salida de la unidad climatizadora 40 5.12 Reevaluación de parámetros de la planta climatizadora 2 46 5.12.1 Condiciones interiores de diseño 46 5.12.2 Caudales de impulsión y de ventilación 46 5.12.3 Cargas puntas de los locales 46 5.12.4 Condiciones de entrada a la batería de frío 47 5.12.5 Cálculo de los parámetros de impulsión desde la salida de la planta climatizadora 48 5.12.5 Cálculo de los parámetros de la batería de frío 48 5.12.6 Cálculo de cargas restantes asociadas a las baterías en época de calor 48 5.12.7 Cálculo de los parámetros de la batería de calor en época de frío 49 5.12.8 Presión de consigna a la salida de la unidad climatizadora 50 6 Resultados y Conclusiones 55 6.1 Humedad relativa de las salas 56 6.2 Alta inercia en la respuesta ante cambios de temperatura 56 6.3 Presión a la salida de las unidades climatizadoras 57 6.4 Conclusiones 58 Referencias 60 Glosario 62 Anexos 64 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4-1. Selección de situaciones límite del aire exterior en modelado de la planta climatizadora 19 Tabla 4-2. Descripción de los procesos psicrométricos 21 Tabla 4-3. Propiedades de los puntos 22 Tabla 4-4. Descripción de los procesos psicrométricos. 1AGO22 a 17h 40min UTC 24 Tabla 4-5. Propiedades de los puntos. 1AGO22 a 17h 40min UTC 24 Tabla 4-6. Descripción de los procesos psicrométricos. 9AGO22 a 5h UTC 24 Tabla 4-7. Propiedades de los puntos. 9AGO22 a 5h UTC 25 Tabla 4-8. Descripción de los procesos psicrométricos. 13AGO22 a 15h 50min UTC 25 Tabla 4-9. Propiedades de los puntos. 13AGO22 a 15h 50min UTC 25 Tabla 4-10. Datos empleados en la estima de cargas 25 Tabla 4-11. Estima de cargas latentes y sensibles en los cuatro casos en estudio 26 Tabla 4-12. Situación de tres locales en planta baja, en régimen de temperatura permanente 28 Tabla 4-13. Duplicidad en parámetros de climatización. Laboratorios de Medidas y de Electrónica 28 Tabla 5-1. Pérdidas unitarias y por tramos. Subredes de impulsión del sistema climatizador 1 42 Tabla 5-2. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de retorno del sistema climatizador 1 43 Tabla 5-3. Pérdidas de presión motivada por los conductos, para cada terminal 44 Tabla 5-4. Pérdidas de presión por locales, motivada por los conductos 44 Tabla 5-5. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de impulsión en climatización 1 45 Tabla 5-6. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de retorno en climatización 1 45 Tabla 5-7. Descripción de los procesos psicrométricos 46 Tabla 5-8. Propiedades de los puntos 47 Tabla 5-9. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de impulsión del sistema climatizador 2 51 Tabla 5-10. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de retorno del sistema climatizador 2 51 Tabla 5-11. Pérdidas de presión motivada por los conductos, para cada terminal 52 Tabla 5-12. Pérdidas de presión por locales, motivada por los conductos 52 Tabla 5-13. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de impulsión en climatización 2 52 Tabla 5-14. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de retorno en climatización 2 53 Tabla 6-1. Parámetros de consigna preliminares, asociados al sistema de climatización 55 Tabla 6-2. Parámetros de entrada de las rectas de compensación 57 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1: Edificio principal del Real Instituto y Observatorio de la Armada 1 Figura 1-2: Fachadas Este y Sur del nuevo edificio de Hora 3 Figura 2-1. Planta del nivel -1, planta sótano 6 Figura 2-2. Planta del nivel 0, planta baja 6 Figura 2-3. Planta del nivel 1, primera planta 7 Figura 3-1. Ventana principal de Metasys en el ROA 13 Figura 3-2. Ventana gráfica de producción frío/calor Metasys ROA 14 Figura 3-3. Ventana gráfica de detalle de producción Metasys ROA 15 Figura 3-4. Ventana gráfica de climatizadora 1 Metasys ROA 15 Figura 3-5. Ventana gráfica de planta baja Metasys ROA 16 Figura 4-1. Temperatura y humedad específica en San Fernando. 1ª quincena de agosto 19 Figura 4-2. Representación en gráfica psicrométrica del proceso seguido. 2AGO22 a 23h 30min UTC 21 Figura 4-3. Representación en gráfica psicrométrica del proceso seguido. 1AGO22 a 17h 40min UTC 23 Figura 4-4. Representación en gráfica psicrométrica del proceso seguido. 9AGO22 a 5h UTC 23 Figura 4-5. Representación en gráfica psicrométrica del proceso seguido. 13AGO22 a 15h 50min UTC 24 Figura 5-1. Condiciones ambientales y de diseño en San Fernando. Verano de 2021 32 Figura 5-2. Condiciones ambientales y de diseño en San Fernando. Invierno 2021-2022 32 Figura 5-3. Recta de Compensación Tª de Impulsión 35 Figura 5-4. Representación en diagrama psicrométrico de la evolución del proceso en época de calor 39 Figura 5-5. Representación en diagrama psicrométrico de la evolución del proceso en época de frío 40 Figura 5-6. Sistema climatizador 1. Subred de impulsión “A” 41 Figura 5-7. Sistema climatizador 1. Subred de impulsión “B” 42 Figura 5-8. Sistema climatizador 1. Subred de retorno 43 Figura 5-9. Representación del proceso seguido en unidad climatizadora 2. 2AGO22 a 23h 30min UTC 47 Figura 5-10. Representación de la evolución del proceso en época de calor. Sistema climatizador 2 49 Figura 5-11. Representación de la evolución del proceso en época de frío. Sistema climatizador 2 50 Figura 5-12. Sistema climatizador 2. Subredes de impulsión (izqda.) y de retorno (dcha.) 50 xxi Abreviaturas, símbolos y acrónimos adp Apparatus dew point, o punto de rocío del aparato. AEMET Agencia Estatal de Meteorología ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers BF Factor de bypass CIPM International Committee for Weights and Measures CIPM-MRA CIPM Mutual Recognition Arrangement FAE Factor de Aire Exterior GNSS Global Navigation Satellite System NPE Nivel Percentil Estacional N-NE Norte-nordeste. PPD Porcentaje de Personas Insatisfechas p.p.u. Partes por unidad RITE Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios ROA Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando UNE Una Norma Española VSAT Very Small Aperture Terminal 1 1 INTRODUCCIÓN ajo la designación de “Laboratorio de Hora” se encuentra un conjunto de laboratorios integrados en el nuevo edificio de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA). En estos locales se genera, mantiene y custodia el patrón español de la unidad básica de tiempo y la hora oficial española. Las características metrológicas de esta unidad y de la escala de tiempo asociada, particularmente su exactitud y su estabilidad, dependen entre otros factores de las condiciones ambientales del entorno. Figura 1-1: Edificio principal del Real Instituto y Observatorio de la Armada Ante el progresivo aumento de exigencias en relación con esta magnitud, a principios del presente siglo se proyecta un nuevo edificio para este laboratorio, entrando en operación hace apenas cinco años. Se trata de un edificio técnico que colma con creces las necesidades para los próximos años, aunque se han ido detectando deficiencias, acrecentadas por cierta falta de información en la documentación técnica, que han condicionado su resolución limitando las capacidades del edificio respecto de lo originalmente proyectado. B No se puede olvidar el tiempo más que sirviéndose de él. - Charles Baudelaire - Introducción 2 Con este trabajo se pretende analizar la planta climatizadora que afecta al laboratorio, aclarando todos los aspectos de su funcionamiento, detectando posibles anomalías y optimizando la operación para alcanzar su máximo rendimiento. 1.1 Orígenes del Real Instituto y Observatorio de la Armada y su relación con la determinación del tiempo El ROA se crea en Cádiz en 1753 con la misión fundamental de resolver el problema de la navegación en alta mar a partir de la observación de los astros ; aspecto que no se dominaba y que traía consigo muchas pérdidas materiales y de vidas humanas [1]. La Sección de Astronomía, primera en constituirse en el Observatorio, dio paso a otras secciones dedicadas a otros estudios ligados a las ciencias del Espacio y de la Tierra. La última de estas, que acaba de cumplir su 50 aniversario, deriva igualmente de la Sección de Astronomía y ha sido consecuencia de la evolución natural de la concepción del “tiempo” en la década de los 70 del pasado siglo: la Sección de Hora. El principal objetivo asumido por la Sección de Astronomía era la determinación de la posición de los astros (efemérides astronómicas) que luego se utilizarían como referencia en el posicionamiento en alta mar, pero esta posición viene condicionada entre otras causas por el movimiento periódico de rotación de la Tierra, por lo que dicha determinación requería el uso de relojes que permitieran interpolar lo que ocurriera entre pasos consecutivos del Sol con la máxima altura, es decir, por el meridiano del lugar o meridiano desde el que se realizaba la observación. La necesidad de mantener permanentemente una hora local propia, supuso la adquisición y mantenimiento en operación de los mejores relojes guarda-tiempos de cada época, desde los primeros relojes de péndulo Ellicot adquiridos por Jorge Juan en el s. XVIII, hasta los relojes atómicos de haz de cesio utilizados en la actualidad. Estas tareas dependieron del Servicio de Hora adscrito a la Sección de Astronomía, hasta que una nueva concepción mucho más precisa del tiempo, basada en relojes atómicos, sugirieron la segregación del Servicio de Hora de la Sección de Astronomía, pasando a convertirse en la nueva Sección de Hora (a. 1972) [2]. La nueva concepción del tiempo, basada en la física de los átomos en lugar de la dinámica de los astros, es asumida tras demostrarse que las frecuencias asociadas a la transición entre niveles energéticos hiperfinos de determinados átomos pueden generar bases de tiempo mucho más estables y exactas que las unidades derivadas de la observación astronómica. Si el tiempo basado en la observación del Sol cuenta con una estabilidad (p.p.u.) de ≅ 2∙10−8 , esta estabilidad en los primeros relojes comerciales (años 70 del siglo pasado) era de ≅ 2∙10−13, mejorando progresivamente a un ritmo aproximado de 1-2 órdenes por década. En la actualidad, el estado de la técnica de los relojes atómicos de tipo óptico muestra una estabilidad en torno a 1∙10−18. Desde el año 1976, la Hora Oficial española es responsabilidad del Laboratorio de Hora del ROA (R.D. 2781/1976, de 30 de octubre). Esta responsabilidad permanece en vigor mediante el Real Decreto 1308/1992, de 23 de octubre, habiendo sido elevada al rango de Ley (artículo 4º de la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología). 1.2 Una Sección de Hora necesariamente adaptada a las exigencias del siglo XXI Con la precisión alcanzada hoy día por la batería de patrones (relojes) empleados, las pequeñas inestabilidades en las condiciones ambientales del laboratorio y salas anexas, así como las fuentes de radiación electromagnética cercanas, o las vibraciones mecánicas del entorno, entre otros agentes externos, perturban de manera indeseable tanto la exactitud como la estabilidad de dichos relojes, con su correspondiente incidencia sobre el patrón nacional. Para corregir estas debilidades y poder hacer frente a las exigencias demandadas, que son cada vez mayores, se proyecta en 2004 el nuevo edificio para la Sección de Hora, siendo inaugurado en el 2017. En su compromiso por desarrollar permanentemente el patrón nacional del que es depositario, en base al estado de la técnica y a su reconocimiento internacional, teniendo en cuenta el Acuerdo de Reconocimiento 3 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Mutuo adoptado en el seno del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM-MRA), la Sección de Hora desarrolló e implementó un nuevo edificio técnico en el que albergar los nuevos desarrollos, se acometieron asimismo las actividades orientadas al desarrollo e implementación de un nuevo patrón de frecuencia de tipo óptico, basado en nube de átomos neutros de estroncio, que supone su gran reto y la principal actividad de I+D desempeñada actualmente por la Sección. Las altas prestaciones de este nuevo reloj óptico justifican aun más si cabe las exigencias aplicables a las condiciones ambientales del entorno en que se ubica este nuevo ingenio. Figura 1-2: Fachadas Este y Sur del nuevo edificio de Hora 1.3 Motivación para acometer este trabajo Durante los cinco años transcurridos, el personal científico y técnico de la Sección ha encontrado dificultades para comprender y gestionar racionalmente la instalación de climatización del nuevo edificio. Ante la aparición de alarmas o de eventos que requirieran la actuación manual de un operador, la escasa documentación técnica disponible y la superficialidad de los cursos de formación impartidos al personal, se han generado serias dudas sobre las acciones a adoptar. El análisis pormenorizado del funcionamiento de la planta climatizadora facilitaría la comprensión de esta, además de proporcionar criterios concretos para fijar los parámetros de consigna que aseguren el funcionamiento eficiente en cada momento. Además de ello, se han observado anomalías en la regulación de temperatura de algunos de los locales, cuyo origen requiere un análisis detallado de la implementación particular del sistema de climatización en dichos locales. Particularmente, se hace necesario prestar atención a la humedad relativa de estos locales, por ser un parámetro de influencia que condiciona la estabilidad de los patrones de frecuencia, a la vez que es altamente variable debido a la localización del edificio, cercano a costa, y por la influencia de los vientos de la zona. La monitorización de esta magnitud en el interior del edificio durante el tiempo transcurrido desde su inauguración ha puesto de manifiesto la dificultad existente en controlar este parámetro y mantenerlo dentro de las especificaciones proyectadas. Análisis Descriptivo de la Instalación 10 2.3.3 Impulsión/retorno de aire a salas El sistema de impulsión/retorno de aire a salas funciona sobre una consigna de presión de impulsión. Cualquier variación de la presión detectada a la salida de los climatizadores actúa sobre el variador de frecuencia correspondiente, regulando las revoluciones del ventilador para recuperar la presión de consigna. Esta puede variar ante la acumulación de partículas en los filtros, con el consecuente aumento de la carga, o como consecuencia de las variaciones de caudal de aire por actuación en compuertas, derivadas de las necesidades de regulación de temperatura en salas. Respecto a las líneas con regulación de caudal variable, la regulación del caudal de aire se realiza en un circuito de regulación cerrado “medida – comparación – posicionamiento”: el regulador recibe de la sonda de presión el valor real instantáneo de presión. El valor de consigna procede del controlador de temperatura en el local. El controlador compara el valor real con el de consigna fijado y envía una señal correctora al servomotor de la compuerta [10]. De producirse una variación en la presión del conducto, por ejemplo debido a una variación en el caudal de aire de otras unidades, esta variación es detectada y corregida por el controlador, evitando que afecte a la temperatura del local. El control de temperatura de cada local se produce mediante regulación en cascada, es decir: la variable principal de control es la temperatura del local, pero esta no actúa directamente sobre la compuerta de regulación del aire de impulsión, sino que lo hace sobre el circuito de regulación del caudal de aire impulsado. Con este modo de funcionamiento, cualquier variación en la presión del conducto no influirá en la temperatura en el local [10]. La regulación de las respectivas compuertas de caudal variable asociadas a un local (de impulsión y de retorno) se efectúa de manera sincronizada para evitar desequilibrios [10]. La regulación de la temperatura en locales con regulación de caudal variable puede desactivarse mediante señales externas de mando, que se encargan de cerrar las compuertas de regulación, interrumpiendo la climatización. 11 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA 13 3 EL PROGRAMA METASYS Y LOS PARÁMETROS CONTROLABLES POR EL OPERADOR etasys®, de Johnson Controls, es un sistema de automatización de edificios, que se caracteriza por ofrecer la inteligencia, facilidad de uso y movilidad necesarios en el edificio, permitiendo lograr mayor eficiencia en la gestión de energía. METASYS en su versión más completa tiene capacidad para gestionar un variado número de módulos: climatización, iluminación, seguridad y protección, que comunica a través de una plataforma única. En el caso del edificio de Hora, METASYS gestiona expresamente el módulo de climatización. La tecnología Metasys® alcanza hasta tres niveles, desde controladores de campo que monitorean cada dispositivo, motores de red que gestionan los controladores de campo y servidores que unifican el sitio. Desde una gestión centralizada, los aspectos claves a gestionar por este sistema son el control energético, el de las instalaciones mecánicas, el del confort y el control del gasto de mantenimiento. El sistema está diseñado para lograr un ahorro energético sin debilitar las prestaciones de confort y calidad necesarias en el edificio. Asimismo, ayuda a la reducción de costos de mantenimiento correctivo y alarga la vida útil de los equipos. METASYS cuenta con un potente interfaz gráfico para facilitar el manejo de un sistema complejo con la mayor simplicidad posible, tiene capacidad para informar en todos sus terminales ante cualquier alarma o evento (valores sobrepasando el límite preestablecido, o cambios de estado fuera de lo considerado normal), y permite asimismo registrar cualquier tipo de variable manejada, para un posterior análisis dentro del entorno o exportándolo a otra aplicación. 3.1 METASYS en el edificio de Hora del ROA En referencia al sistema que ha sido implementado en el Observatorio, se caracteriza por proporcionar capacidad para supervisar la instalación de climatización mediante la vigilancia y control de las variables/consignas de la producción de agua caliente/fría, y de las diferentes salas ubicadas en las plantas sótano a primera. Desde estas últimas puede accederse a la correspondiente unidad de climatización [4]. Desde cualquiera de las sus ventanas gráficas se observa la parte de instalación correspondiente, que obedece a la descripción física y funcional efectuada en el capítulo anterior. La pantalla de producción permite asimismo acceder a otra pantalla de detalles de los M Figura 3-1. Ventana principal de Metasys en el ROA El Programa Metasys y los Parámetros controlables por el Operador 14 equipos de producción. En general, desde estas pantallas se puede conocer el estado de funcionamiento y las alarmas generadas en la mayor parte de los dispositivos, y se envían órdenes para modificar el estado de estos. 3.2 Parámetros controlables por el personal técnico del laboratorio Como se ha comentado en la sección anterior, Metasys® facilita la posibilidad de establecer las condiciones de operación al permitir a un operador modificar las condiciones de trabajo o los valores de consigna. Estas operaciones permiten redefinir los parámetros sobre los que se regirá el control automático, o bien efectuar cambios de configuración o forzados manuales que prevalecen sobre el funcionamiento automático. Interesa enumerar las posibles actuaciones que pueden hacerse sobre la instalación, antes de definir las posibles estrategias que se seguirán para optimizar el funcionamiento, y de determinar los valores de consigna óptimos según el caso. 3.2.1 Etapa de producción frío/calor La mayor parte de las actuaciones deben llevarse a cabo desde la ventana gráfica de detalles de equipos de producción, salvo la siguiente excepción: • Apertura/cierre de válvulas de doble vía “todo/nada”, tanto en entrada como de retorno de los depósitos de inercia de agua de refrigeración/calor (una por cada unidad de producción, depósito de inercia y circuito de ida/retorno): ABIERTO/CERRADO. Figura 3-2. Ventana gráfica de producción frío/calor Metasys ROA 3.2.1.1 Detalles de equipos de producción: Cuadro de control centralizado • Selección de estado en tres unidades de producción: ACTIVO/INACTIVO • Selección de modo en tres unidades de producción: FRIO/CALOR • Periodo efectivo de funcionamiento en cuanto al estado, en tres unidades de producción (actualmente en modo permanentemente encendido por defecto). 15 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA • Periodo efectivo de funcionamiento en cuanto al modo, en tres unidades de producción (actualmente en modo frío permanentemente en las unidades 1 y 2, y en modo calor permanentemente en la unidad 3). • Consigna de temperatura en modo frío en cada unidad de producción. • Consigna de temperatura en modo calor en cada unidad de producción. Figura 3-3. Ventana gráfica de detalle de producción Metasys ROA 3.2.2 Unidades climatizadoras Figura 3-4. Ventana gráfica de climatizadora 1 Metasys ROA • Temperaturas máxima y mínima en la impulsión y en el retorno. Estos cuatro parámetros establecen mediante una recta de compensación la temperatura de consigna a la salida de la unidad climatizadora. • Consigna de presión a la salida de la unidad climatizadora. • Consigna de humedad relativa. El Programa Metasys y los Parámetros controlables por el Operador 16 • Porcentaje de apertura de válvula de tres vías en circuito de agua procedente del depósito de inercia de frío (forzado manual). • Porcentaje de apertura de válvula de tres vías en circuito de agua procedente del depósito de inercia de calor (forzado manual). • Regulación de la velocidad de giro del ventilador (forzado manual). • Activación/desactivación y ajuste (porcentaje de funcionamiento) del módulo humectador (forzado manual). 3.2.3 Impulsión/retorno de aire a salas • Consigna de temperatura de cada sala. • Porcentaje de apertura de compuerta de caudal de aire asociada a cada sala (forzado manual). Figura 3-5. Ventana gráfica de planta baja Metasys ROA De entre todos estos parámetros relacionados entre las subsecciones 3.2.1 a 3.2.3, se consideran de interés para la resolución de deficiencias y optimización del sistema los siguientes: • Consigna de temperatura en modo frío en cada unidad de producción. • Consigna de temperatura en modo calor en cada unidad de producción. • Temperaturas máxima y mínima en la impulsión y en el retorno. Estos cuatro parámetros establecen mediante una recta de compensación la temperatura de consigna a la salida de la unidad climatizadora. • Consigna de presión a la salida de la unidad climatizadora. • Consigna de humedad relativa. • Consigna de temperatura de cada sala. 17 4 DISCORDANCIAS OBSERVADAS EN OPERACIÓN REGULAR DEL SISTEMA urante los trabajos de campo iniciales, lo primero que llamó la atención fue la incapacidad para mantener todas las salas dentro de las especificaciones de humedad relativa proyectadas. Estas hablan de 45 % ± 10 %, y aunque este parámetro no es un factor de influencia con impacto significativo sobre la estabilidad de los patrones de frecuencia (es una medida muy generalizada entre laboratorios de este tipo el establecer como especificación para la humedad relativa 𝜙 ≤ 70 %), por lo general dista de aproximarse al valor proyectado. Incluso se aprecia que si bien las salas de la planta sótano suelen mantenerse en un rango aceptable (≤70 %), esto no ocurre con las salas de las plantas baja y primera. Se observa asimismo disparidad entre las temperaturas de consigna y la proyectada para todos los locales (23,0 ℃ ±0,1 ℃), pues existen muchos de los locales cuya temperatura de consigna se ha establecido en 22,0 ℃. En cuanto al mantenimiento de las temperaturas de consigna de salas, se han detectado locales en los que difícilmente se logra la aproximación a los valores proyectados. En concreto muestran un funcionamiento inadecuado los laboratorios de Medidas y de Electrónica y el Almacén de Electrónica, los tres habitáculos en planta baja. Para terminar, se observa que no existen criterios racionales y fundamentados a la hora de fijar los parámetros de consigna generales de la instalación. En concreto nos referimos a la consigna de temperatura de impulsión y la de presión a la salida de las unidades climatizadoras. Algo similar podríamos decir respecto a las temperaturas de consigna de frío/calor de las unidades de producción, como se verá más adelante. 4.1 Humedad relativa de las salas La humedad relativa de las salas es un parámetro controlado de manera generalizada para toda la instalación, pues los sensores de humedad relativa de cada sala solo actúan a efectos informativos y de monitorización, no siendo utilizados para ajustar el valor en cada local. Como se ha indicado en la descripción funcional de las unidades climatizadoras (subsección 2.3.2), en el modo deshumectación la bomba de inercia de frío es la encargada de enfriar lo suficiente el aire a través del módulo serpentín de frío, como para producir la condensación necesaria que permita eliminar el exceso de humedad. En lo que sigue, se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones, antes de llevar a cabo los cálculos subsiguientes: De acuerdo con la Regla de las Fases de Gibbs, el número de variables independientes en una mezcla viene dado por el número de componentes, menos el número de fase, más 2: 𝑁𝑣𝑎𝑟 =𝑁𝐶 −𝑁𝐹 +2 = 3 (4-1) En el caso que nos ocupa, la mezcla (aire) cuenta con dos componentes (aire seco y vapor de agua) y una sola fase (gas). De estas tres, dado que una de ellas viene dada por la “cantidad de mezcla” (volumen, masa, caudal o flujo másico), basta con las otras dos para determinar cualquiera de las restantes variables psicrométricas [11]. Por comodidad, se utilizará una calculadora psicrométrica en la obtención de otras variables asociadas a una determinada situación, aunque se introducirán las ecuaciones de transformación que reflejen los cambios en las condiciones del aire húmedo en el sistema de climatización. Todos estos cambios se representarán en un D Discordancias observadas en Operación Regular del Sistema 18 diagrama psicrométrico para facilitar de manera simplificada la comprensión del ciclo completo. Como diagrama psicrométrico, se ha empleado el de ASHRAE, de la American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers. El diagrama psicrométrico se ha adaptado para tener en cuenta el efecto de la elevación de la instalación sobre el nivel del mar (25 m) en la presión atmosférica. Respecto a la calculadora psicrométrica, se ha empleado el programa de acceso abierto SICRO 2.1.3, distribuido por la asociación Atecyr. 4.1.1 Estudio psicrométrico de la planta climatizadora 1 en las condiciones actuales En las condiciones actuales de trabajo, se ha efectuado el estudio psicrométrico de la unidad climatizadora 1, por manifestarse como la más incapaz de entre ambas, para alcanzar el requisito de humedad relativa. Este estudio preliminar se efectúa en época de estío, y particularmente se centra sobre los promedios obtenidos en la primera quincena de agosto de 2022, salvo en lo que respecta al estado del aire exterior. Todos los datos han sido extraídos del módulo “tendencias” de Metasys, salvo los datos de temperatura y humedad relativa del aire del exterior, proporcionados por la Sección de Geofísica del Real Observatorio de la Armada, procedentes de la estación AEMET que mantiene dentro del recinto. Durante el estudio, no se han tenido en cuenta las cargas térmicas asociadas a ventiladores y conductos en la impulsión y en el retorno, por considerarlas relativamente marginales frente a las cargas de las salas y del aire exterior, y por simplicidad en las representaciones sobre diagramas psicrométricos. En todo caso, las cargas sensibles y latentes asociadas a las baterías van a hacer frente al resto de cargas (sensibles y latentes) en todo el circuito de climatización (cargas de locales, del sistema de climatización y del aire exterior), o dicho de otro modo, estaremos en condiciones de estimar la combinación de cargas asociadas a los locales y al sistema de climatización, que denominaremos aunque con un sentido más amplio “cargas de los locales”, conocidas las cargas derivadas del aire exterior y la compensación de cargas efectuada por las baterías de frío y de calor. Cuando se hable de cargas de los locales, no deberá perderse de vista que también están incluidas las cargas asociadas al sistema de climatización. De entre los datos meteorológicos para la primera quincena de agosto, se han extraído aquellos con los que modelar el problema con un mínimo de situaciones. Para ello se han calculado las humedades específicas correspondientes a cada instante, a partir de otros datos conocidos. Sobre la representación en diagrama cartesiano con la temperatura seca del aire en abcisas, y con la humedad específica de este en ordenadas, se tomaron cuatro situaciones “extremas” formando un falso rombo con diagonal mayor horizontal. Los cuatro puntos se corresponden con valores extremos de temperatura (asociados a humedades específicas intermedias) y de humedad específica (asociados a temperaturas secas intermedias). Para el cálculo de las humedades específicas, se han empleado las ecuaciones 4-2, y los datos conocidos de elevación sobre el nivel del mar (𝑧 = 25 m), temperatura seca 𝑇𝑠 y humedad relativa 𝜙 [11]–[13]. 𝑃1 = 101325∙(1−2,25577∙10−5 ∙𝑧)5,2559 = 101025 Pa 𝑇𝑟=𝑏 ∙(𝑎∙𝑇𝑠 𝑏+𝑇𝑠+𝑙𝑛(𝜙 100)) 𝑎 −(𝑎∙𝑇𝑠 𝑏+𝑇𝑠+𝑙𝑛(𝜙 100)), con 𝑎 = 17,27,𝑏 = 237,7 𝑃𝑣=100∙6,112∙𝑒[17,7∙𝑇𝑟(𝑇𝑟+243,5)⁄ ] ,[Pa] 𝑊 = 621,98∙𝑃𝑣 (𝑃1−𝑃𝑣) (4-2) En estas ecuaciones, 𝑃1 representa la presión total de la mezcla de aire seco y humedad [Pa], 𝑇𝑟 representa la temperatura de rocío [℃], 𝑃𝑣 es la presión de vapor del agua en el aire húmedo [Pa], y 𝑊 es la humedad específica [gH2Okgas ⁄]. En cuanto a las unidades de las restantes variables, vienen expresadas de la siguiente manera: 𝑧 [m], 𝑇𝑠 [℃], y 𝜙 [%]. 19 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA El gráfico de la figura 4-1 representa el conjunto de datos meteo de la quincena seleccionada (un dato cada 10 minutos), y los cuatro instantes seleccionados. Figura 4-1. Temperatura y humedad específica en San Fernando. 1ª quincena de agosto Los instantes seleccionados se han descrito en la tabla 4-1: Tabla 4-1. Selección de situaciones límite del aire exterior en modelado de la planta climatizadora Fecha-hora (UTC) Temperatura seca, [ºC] Humedad relativa, [%] Humedad específica, [gH2O/kgas] 01-ago-22, 17h 40min 28,6 83,0 20,7 02-ago-22, 23h 30min 26,3 52,0 11,2 09-ago-22, 05h 00min 20,2 85,0 12,7 13-ago-22, 15h 50min 37,4 34,0 13,7 Nos fijaremos primeramente en el instante en el que las condiciones del aire exterior supondrán menor exigencia a la planta climatizadora desde el punto de vista de las cargas latentes (menor humedad específica en el aire exterior), condiciones del día 2 de agosto a 23h 30min UTC. Respecto a los parámetros de consigna, los seleccionados en esas fechas eran los siguientes: • 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 =14 °C • 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =45 °C • 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =23 °C • 𝜙𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =45 % Discordancias observadas en Operación Regular del Sistema 26 La tabla 4-11 recoge los valores obtenidos para cada uno de los casos. Estos resultados hubieran sido básicamente similares de haber hecho uso de las ecuaciones 4-4, o de la relación 4-6. Tabla 4-11. Estima de cargas latentes y sensibles en los cuatro casos en estudio Caso estudiado Cargas sensibles, [W] Cargas latentes, [W] Carga Total, [W] 1AGO22, 17h 40min UTC 𝑄󰇗𝐵𝐴𝑇 12390 18600 30990 𝑄󰇗𝐴𝐸 2931 11808 14740 𝑄󰇗𝐿𝑂𝐶 9664 7440 17104 2AGO22, 23h 30min UTC 𝑄󰇗𝐵𝐴𝑇 11399 8680 20079 𝑄󰇗𝐴𝐸 1788 0 1788 𝑄󰇗𝐿𝑂𝐶 9664 8680 18344 9AGO22, 5h UTC 𝑄󰇗𝐵𝐴𝑇 8425 9920 18345 𝑄󰇗𝐴𝐸 -1242 1740 498 𝑄󰇗𝐿𝑂𝐶 9664 8060 17724 13AGO22, 15h 50min UTC 𝑄󰇗𝐵𝐴𝑇 16603 11160 27763 𝑄󰇗𝐴𝐸 7303 3107 10410 𝑄󰇗𝐿𝑂𝐶 9664 8060 17724 Todos los casos ponen de manifiesto una condición muy similar respecto de las cargas asociadas a los locales. No obstante, en el caso de las cargas sensibles cabe interpretar este valor como un valor máximo, sin existir motivo para descartar que dicho valor pueda ser inferior, dado que se trata de una situación de equilibrio en el que el aire de retorno ha alcanzado la temperatura de consigna, y que ninguna de las compuertas de regulación de caudal a los locales está abierta al 100 %. Este valor resulta ser de 𝑄󰇗𝑠,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 = 9664 W, valor sobre el que se basarán los cálculos a efectuar en el próximo capítulo. Algo parecido podemos decir respecto a las cargas latentes, en cuanto a que representan un valor máximo, si bien en este caso el resultado obtenido resultará poco útil ya que se aleja ostensiblemente del estimado en el proyecto de ejecución de la obra del edificio, que a su vez está argumentado y muestras claros visos de ser realista. Las cargas volverán a ser abordadas en este y en el próximo capítulo, con ocasión del tratamiento de otras discordancias observadas y de la reevaluación de los parámetros de consigna del sistema. 4.1.2 Consideraciones sobre la deshumectación y la temperatura de rocío de la batería de frío En la subsección anterior ha quedado palpable la necesidad de reducir la temperatura de consigna de producción de agua fría, y con ello la temperatura de rocío de la batería de frío, si se quiere reducir la humedad relativa en las salas. Esto no es solo necesario, sino también conveniente, pues la humedad relativa no podrá reducirse en tanto en cuanto no se produzca una mayor condensación de agua en la batería de frío, y eso solo será posible si se disminuye la temperatura de consigna de producción de agua fría. Según las Instrucciones de Instalación, Operación y Mantenimiento, la máquina de producción reversible aireagua RQS-078 actuando en modo frío está preparada para unas condiciones estandarizadas de temperatura de 27 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA entrada/salida del agua al intercambiador de 12ºC/7ºC, y es capaz de proporcionar agua a temperatura comprendida entre 5 ºC y 20 ºC (en modo calor proporciona agua entre 25 ºC y 55 ºC) [6]. En cuanto a la máquina de producción reversible aire-agua 30RQ-033, que habitualmente trabaja en modo calor, en condiciones normales el agua entra en el intercambiador de calor a 40 ºC y sale a 45 ºC, pudiendo proporcionar agua a la salida del intercambiador en el rango de 20 ºC a 50 ºC. Esta máquina también puede ser usada en caso de emergencia en modo frío, con agua entrando en el evaporador a 12 ºC y saliendo a 7 ºC en condiciones normales. En dicho caso, el agua puede salir a una temperatura entre 5 ºC y 18 ºC [7]. Respecto a la entrada y salida de agua de la batería intercambiadora de frío, de acuerdo con el proyecto de ejecución de la obra, están proyectadas para encontrarse trabajando a 7 ºC (temperatura de entrada) y 12 ºC (temperatura de salida). La batería intercambiadora de calor está proyectada para trabajar con agua a 45 ºC (temperatura de entrada) y a 40 ºC (temperatura de salida). Lo importante a destacar de lo hasta ahora comentado es que no solo existe margen para bajar la temperatura de consigna de producción de agua fría, sino que además nos acercaremos a lo considerado condiciones normales de trabajo, y siempre dentro del rango de trabajo especificado por el fabricante, y conforme a lo planeado para este sistema en el proyecto de ejecución de la obra. 4.2 Disparidad entre las temperaturas proyectadas y las de consigna de las salas Durante la inspección de todos los locales del edificio, se observaron salas en las que la temperatura de consigna estaba en 22 ºC en lugar de los 23 ºC proyectados. Consultado al personal responsable de la Sección, se toma conocimiento de que la temperatura estándar de laboratorios ha sido modificada, pasando a ser de 22 ºC. Aquellas salas no críticas para los patrones, equipos de medida y otros equipos auxiliares que intervienen en el mantenimiento del patrón y de la escala de tiempo, y en las calibraciones, se mantienen no obstante a 23 ºC para confortabilidad del personal. En lo que respecta a los locales afectados por la planta climatizadora número 1, todos mantienen la temperatura de 23 ºC salvo los laboratorios Patrón Óptico I y II (en planta baja) y Sala de Equipamiento de Intercomparación (en primera planta). Estas circunstancias se tendrán en cuenta durante la reevaluación de los parámetros de consigna del sistema. 4.3 Alta inercia en la respuesta ante cambios de temperatura Particularmente en los laboratorios de Medidas y de Electrónica y el Almacén de Electrónica, se observa una respuesta muy lenta (de horas) ante variaciones entre 20 y 23 ºC en la temperatura de consigna de cualquiera de las salas, llegando incluso a no terminar de converger con dicha temperatura. En el caso particular del laboratorio de Medidas existía asimismo un problema añadido que se tratará en la sección siguiente. En estos tres locales, en general, se observaba una constante de tiempo muy larga (de horas), y llamaba la atención que todos ellos reunían peculiaridades parecidas: los tres se encuentran orientados al norte (N-NE), y en ninguno de ellos existe en la actualidad equipamiento electrónico que genere carga sensible. La tabla 4-12 muestra las lecturas de esta sala y las diferencias con las temperaturas de consigna para determinado instante con régimen de temperaturas estabilizado. Las compuertas de regulación de caudal en las tres salas estaban completamente cerradas y aún así se mantenía una diferencia con los valores de consigna. Discordancias observadas en Operación Regular del Sistema 28 Tabla 4-12. Situación de tres locales en planta baja, en régimen de temperatura permanente Tª CONSIGNA Tª LOCAL X % APERTURA Tª ALMACEN ER 23,0 21,1 0 1,9 LAB ER 23,0 22,6 0 0,4 LAB MEDIDAS 23,0 21,0 0 2,0 Temperatura de Consigna de Impulsión: 18,5 ºC La razón, como se verá en el próximo capítulo, tiene que ver con una mala elección de la temperatura de impulsión de aire, toda vez que el caudal de impulsión a la salida viene condicionado por las características de la instalación (2065 L/s). 4.4 Problemas asociados a las consignas de temperatura y a la apertura/cierre de compuertas en locales Tabla 4-13. Duplicidad en parámetros de climatización. Laboratorios de Medidas y de Electrónica Laboratorio de Electrónica Laboratorio de Medidas Laboratorio de Medidas Identificadores erróneos Estado tras corrección Consigna de Temperatura Elemento ZN9-CONSIGNA ZN9-CONSIGNA ZN10-CONSIGNA Nombre de objeto ZN9-CONSIGNA ZN9-CONSIGNA ZN10-CONSIGNA Descripción Consigna Zona 9 Consigna Zona 9 Consigna Zona 10 Referencia del elemento CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN9-CONSIGNA CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN9-CONSIGNA CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN10-CONSIGNA Nombre de objeto NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN9- CONSIGNA NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN9- CONSIGNA NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN10- CONSIGNA Id de objeto AV 3000828 3000828 3000832 Núm. de instancia 10700 10700 10701 Dirección dispositivo remoto 8 8 8 Posición de Compuerta Elemento ZN9-REGULACION ZN9-REGULACION ZN10-REGULACION Nombre de objeto ZN9-REGULACION ZN9-REGULACION ZN10-REGULACION Descripción Regulación de compuerta para Zona 9 Regulación de compuerta para Zona 9 Regulación de compuerta para Zona 10 Referencia del elemento CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN9-REGULACION CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN9-REGULACION CLIMAHORA:NAE01/FCB.COMPUERTAS _PB2.ZN10-REGULACION Nombre de objeto NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN9- REGULACION NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN9- REGULACION NAE01/FCB.COMPUERTAS_PB2.ZN10- REGULACION Id de objeto AO 3000819 3000819 3000821 Tipo de dispositivo CO OUT6 CO OUT6 CO OUT7 Núm. de instancia 2194 2194 2221 Dirección dispositivo remoto 8 8 8 Ranura A 6 6 7 Durante el proceso de verificación de parámetros dentro del programa Metasys®, se puso de manifiesto la duplicidad existente en determinados parámetros identificativos para el sistema de control, así como en determinadas direcciones lógicas, que afectaban a la consigna de temperatura de las salas Laboratorio de 29 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Electrónica y Laboratorio de Medidas. Este mismo hecho también se detectó respecto de las aperturas de compuerta de las cajas reguladoras de caudal de ambos laboratorios. Esta duplicidad fue comunicada al personal clave de la Sección de Hora, y el problema quedó subsanado tras una acción de mantenimiento correctivo del personal de Johnson Controls el 17 de agosto de 2022. En concreto, la situación previa y posterior de todos estos parámetros en ambas salas queda indicada en la tabla 4-13. 4.5 Idoneidad de los parámetros generales utilizados en el sistema de climatización En la sección 4.1 se ha evidenciado la necesidad y conveniencia de reducir la temperatura de consigna de producción de agua fría, actualmente situada en 14 ºC, para compensar el exceso de calor latente (y consecuentemente de humedad específica) en las salas. Asimismo, la sección 4.3 apunta a la necesidad de revisar la temperatura de consigna de impulsión del aire a la salida de la unidad climatizadora, que el propio sistema de control deriva mediante una recta de compensación a partir de las temperaturas máxima y mínima en la impulsión y en el retorno. También deberá revisarse la condición actual de presión a la salida de la unidad climatizadora. Estos, entre otros parámetros de funcionamiento del sistema, serán analizados y reformulados en caso necesario, en el capítulo 5 de este trabajo. 31 5 REEVALUACIÓN DE PARÁMETROS DE LAS PLANTAS CLIMATIZADORAS as discordancias observadas en el funcionamiento de las plantas climatizadoras, y particularmente en la número 1, o el establecimiento de muchos de los parámetros de consigna sin que exista una argumentación o base teórica que lo justifique, llevaron a plantear el volver a calcular los parámetros característicos del sistema, con objeto de entender el rol de cada parámetro de consigna de la instalación, y de proporcionar el valor, o rango de valores considerados idóneos en la optimización del funcionamiento. Todo el trabajo y resultados obtenidos en este capítulo resultarán de gran utilidad para el personal de la Sección de Hora encargado del mantenimiento de la instalación, complementando la escasa documentación técnica disponible, y facilitando el entendimiento y la capacidad de monitorización y control rutinario, en lo que respecta a la operación normal del sistema. Las secciones que siguen a la 5-1, que se dedica a las condiciones exteriores de diseño, resuelven paso a paso las etapas en el ciclo completo de climatización, y discuten la elección de parámetros, siempre refiriéndose al sistema de climatización 1. La sección 5-12 resuelve las características y parámetros de interés del sistema de climatización 2, sin extenderse en los detalles teóricos tratados en las secciones anteriores. 5.1 Condiciones exteriores de diseño Para las condiciones del aire exterior, no se ha tenido en cuenta el valor utilizado en el proyecto de ejecución de la obra, pues se aleja de ser un valor representativo de las condiciones ambientales en verano (de hecho, una temperatura seca de 33,8 ºC y una humedad relativa de 38 %, a la que corresponde una humedad específica de 12,6gH2Okgas ⁄, son condiciones claramente superadas por buena parte de los datos ambientales registrados en la primera quincena de agosto de 2022). Las condiciones exteriores de diseño han sido alternativamente estimadas siguiendo los criterios indicados en la Norma UNE 100001 [17], aunque sobre la base de un solo año. Se han considerado niveles percentiles estacionales (NPE) de invierno y verano. Para los datos de verano se ha utilizado un NPE = 99 % sobre los datos tomados cada hora durante los 122 días que comprenden los meses de junio a septiembre de 2021, mientras que para los de invierno se ha utilizado un NPE= 1 % sobre los datos correspondientes de 90 días comprendidos entre diciembre de 2021 y febrero de 2022. Como resultado, se han obtenido las siguientes condiciones extremas máximas en verano, y mínimas en invierno: Condiciones exteriores de diseño en verano: • 𝑇𝐴𝐸 =33,4 ℃ • 𝜙𝐴𝐸 =53 % • 𝑊𝐴𝐸 =17,3 gH2Okgas ⁄ Condiciones exteriores de diseño en invierno: • 𝑇𝐴𝐸 = 7,6 ℃ L Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 32 • 𝜙𝐴𝐸 =81 % • 𝑊𝐴𝐸 = 5,3 𝑔𝐻2𝑂𝑘𝑔𝑎𝑠 ⁄ Los gráficos de las figuras 5-1 y 5-2 muestran el registro de datos en cada periodo, así como la condición exterior de diseño seleccionada en cada caso. Figura 5-1. Condiciones ambientales y de diseño en San Fernando. Verano de 2021 Figura 5-2. Condiciones ambientales y de diseño en San Fernando. Invierno 2021-2022 33 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA 5.2 Condiciones interiores de diseño Se considerará como temperatura de los locales la que se ha consignado para los laboratorios con posterioridad a la redacción del proyecto de ejecución de la obra del edificio: 22 ℃. En todo caso, como varias salas que reciben servicio de la unidad climatizadora número 1 mantienen una temperatura de consigna de 23 ℃, los cálculos que afecten a dicha unidad, para la época de frío, se efectuarán sobre este valor de temperatura de consigna de los locales. En cuanto a la humedad relativa y humedad específica, estas son las proyectadas en origen: 45 %, que para la temperatura de consigna antes mencionada, le corresponde una humedad específica de 7,4 gH2Okgas ⁄ en época de verano, y de 7,9 gH2Okgas ⁄ en época de invierno. 5.3 Caudales de impulsión y de ventilación El caudal de impulsión de aire húmedo a la salida del climatizador está fijado por diseño y es de 2,065 m3/s. El caudal de ventilación está igualmente fijado por diseño y es de 0,414 m3/s. 5.4 Cargas puntas de los locales A partir de los resultados obtenidos y de las posteriores consideraciones efectuadas en la subsección 4.1.1, y considerando un factor de seguridad del 20% para cubrir las futuras incorporaciones de equipamiento electrónico previsto en los laboratorios Patrón Óptico I y II, se considerará como carga sensible de los locales en verano el siguiente valor: • 𝑄󰇗𝑠,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 = 11600 W . Este valor difiere del estimado para el estudio de la climatización en el proyecto de ejecución de la obra, en que este último se situó en una posición particularmente pesimista en lo que respecta al equipamiento eléctrico y al alumbrado, o al número de personas presentes simultáneamente en estos locales. El valor estimado en dicho proyecto para la época invernal no incluye estas componentes, y por tanto se considera más realista, aunque este será un aspecto a investigar en trabajos futuros: • 𝑄󰇗𝑠,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 =9780 W . Respecto a las cargas latentes, se considerarán igualmente las obtenidas del estudio incluido en el proyecto de ejecución de obra, ya que nada puede decirse con certeza de lo derivado en 4.1.1, que simplemente establece un techo de cargas en verano para los locales, cuando el valor estimado en proyecto es inferior y muy alejado de los resultados obtenidos en la subsección antes citada: • 𝑄󰇗𝑙,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 =820 W . • 𝑄󰇗𝑙,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 = 0 W . 5.5 Condiciones de entrada a la batería de frío El aire de entrada a la batería es el resultante de la mezcla del aire exterior (ventilación) y el aire de retorno. El caudal del aire de ventilación (0,414 m3/s) representa un 20% en la mezcla (factor de aire exterior 𝐹𝐴𝐸 = 0,20). Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 34 De manera similar a como se obtienen las ecuaciones 4-3, a partir del balance de energía puede derivarse la siguiente expresión aproximada: 𝑇𝑠,3 ≈𝑚󰇗1∙𝑇𝑠,1 +𝑚󰇗2∙𝑇𝑠,2 𝑚󰇗1+𝑚󰇗2≈𝑉󰇗1∙𝑇𝑠,1 +𝑉󰇗2∙𝑇𝑠,2 𝑉󰇗1+𝑉󰇗2 (5-1) Y de esta resulta: 𝑇𝐸𝐵𝐹 = 𝑇𝐴𝑀,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 ≈𝐹𝐴𝐸 ∙𝑇𝐴𝐸,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 +(1−𝐹𝐴𝐸)∙𝑇𝐴𝐿 (5-2) Una expresión similar permite estimar la humedad específica de la mezcla: 𝑊𝐸𝐵𝐹 = 𝑊𝐴𝑀,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 ≈𝐹𝐴𝐸 ∙𝑊𝐴𝐸,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 +(1−𝐹𝐴𝐸)∙𝑊𝐴𝐿 (5-3) Los resultados obtenidos para estas variables fueron los siguientes: • 𝑇𝐸𝐵𝐹 =24,3 ℃ • 𝑊𝐸𝐵𝐹 = 9,4 gH2Okgas ⁄ 5.6 Cálculo de los parámetros de impulsión desde la salida de la planta climatizadora Para el cálculo de la temperatura, se tendrá en cuenta la relación entre la carga sensible de los locales, el propio caudal y las temperaturas de impulsión y de retorno desde el local. La expresión se deduce a partir de la primera de las ecuaciones 4-5, que se repite a continuación adaptando la notación al problema a resolver y despejando la variable de interés: 𝑇𝐴𝐼,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 = 𝑇𝐴𝐿 −𝑄󰇗𝑠,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 1200∙𝑉󰇗𝐴𝐼 𝑇𝐴𝐼,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝑇𝐴𝐿 −𝑄󰇗𝑠,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 1200∙𝑉󰇗𝐴𝐼 3 (5-4) En estas ecuaciones, las variables se expresan en las siguientes unidades: 𝑄󰇗 [W], 𝑉󰇗 [m3s ⁄] y 𝑇 [℃]. Los resultados para la temperatura del aire de impulsión, dependiendo de la época del año, son: • 𝑇𝐴𝐼,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 =17,3 ℃ • 𝑇𝐴𝐼,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 =27,0 ℃ En cuanto a la humedad específica, se obtendrá a partir de la segunda de las ecuaciones 4-5, que también repetiremos aquí con notación adaptada y con la variable de interés debidamente despejada: 𝑊𝐴𝐼,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 = 𝑊𝐴𝐿 −𝑄󰇗𝑙,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 3002400∙𝑉󰇗𝐴𝐼 (5-5) 3 Recuérdese que la temperatura de consigna a emplear para los cálculos relacionados con la unidad climatizadora número 1 en época de frío es de 23 ℃. 35 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA 𝑊𝐴𝐼,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝑊𝐴𝐿 −𝑄󰇗𝑙,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 3002400∙𝑉󰇗𝐴𝐼 4 En estas ecuaciones, las variables se expresan en las siguientes unidades: 𝑄󰇗 [W], 𝑉󰇗 [m3s ⁄] y 𝑊 [kgH2Okgas ⁄]. Los resultados para la humedad específica, en función de la época del año, son: • 𝑊𝐴𝐼,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 = 7,3 gH2Okgas ⁄ • 𝑊𝐴𝐼,𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 = 7,9 gH2Okgas ⁄ 5.6.1 Discusión sobre la recta de compensación en la determinación de la consigna de temperatura de impulsión La consigna de temperatura del aire de impulsión no se introduce directamente en el sistema, sino que el programa de control establece una recta de compensación basada en el rango de temperaturas de impulsión que pueden llevar a mantener estabilizada la temperatura de retorno. Metasys permite introducir los rangos factibles de temperaturas de retorno y permisibles de impulsión que permitan determinar la temperatura de consigna en cada momento. El manual del sistema de control de la instalación se limita a explicar someramente lo indicado en el párrafo anterior, resultando poco esclarecedor. Tampoco la literatura consultada ha permitido entender más allá de lo que dice el manual, la manera en que actúa esta parte del programa. Analizado todo el sistema para interpretar el funcionamiento, parece claro que esta recta de compensación actuará expresamente sobre el calor sensible (de hecho, tanto la abscisa como la ordenada de esta recta son temperaturas), y por tanto lo que se hace es variar el porcentaje de apertura de la válvula de tres vías asociada al circuito de agua de la batería de calor, o lo que es lo mismo, el factor de bypass efectivo de dicho elemento. Aunque la temperatura de consigna de los locales para la que se está proyectando todo el sistema es de 22 ℃, la realidad es que la unidad climatizadora 1 da servicio a dos tipos de locales, los que mantienen una temperatura de 22 ℃ y los que mantienen una temperatura de 23 ℃. Se considera entonces que el rango factible de temperaturas de retorno de los locales estará entre 21,5 ℃ y 23,5 ℃, tanto en época de frío como de calor. Para la temperatura de impulsión a la salida de la unidad climatizadora, se discriminará entre la época de calor y la de invierno. Para la época de calor se fija un rango que va de 16,8 ℃ a 18,3 ℃. Para la época de frío se fija un rango que va de 26,0 ℃ a 27,5 ℃. 4 La humedad específica de consigna de los locales es la correspondiente a 23 ℃ y 45 % de humedad relativa. Figura 5-3. Recta de Compensación Tª de Impulsión Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 42 Tabla 5-1. Pérdidas unitarias y por tramos. Subredes de impulsión del sistema climatizador 1 Circuito de impulsión 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 01 7387 900 500 4,56 Subred “A” 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 02 2935 450 330 5,49 3,76 420 5,64 0,098 0,553 tramo 16 216 200 170 1,76 2,33 201 3,50 0,030 0,105 tramo 17 2719 450 330 5,08 4,8 420 7,20 0,085 0,612 tramo 18 702 300 330 1,97 4,56 344 6,84 0,019 0,130 tramo 19 2017 450 330 3,77 0,73 420 1,10 0,049 0,054 tramo 20 983 450 330 1,84 3,9 420 5,85 0,013 0,076 tramo 21 1034 450 330 1,93 11,23 420 16,85 0,015 0,253 Subred “B” 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 03 1152 800 200 2,00 3,02 414 4,53 0,019 0,087 tramo 04 4452 450 330 8,33 3,76 420 5,64 0,208 1,176 tramo 05 3291 450 330 6,17 13,62 420 20,43 0,120 2,457 tramo 06 900 400 330 1,89 3,30 397 4,95 0,015 0,074 tramo 07 2391 450 330 4,49 13,30 420 19,95 0,067 1,342 tramo 08 324 200 250 1,80 4,50 244 6,75 0,025 0,167 tramo 09 2391 450 330 4,49 0,30 420 0,45 0,067 0,030 tramo 10 310 200 250 1,72 3,74 244 5,61 0,023 0,128 tramo 11 1757 450 330 3,28 3,60 420 5,40 0,038 0,207 tramo 12 1080 450 330 2,00 3,30 420 4,95 0,016 0,078 tramo 13 677 300 330 1,90 1,65 344 2,48 0,018 0,044 tramo 14 310 200 250 1,72 4,50 244 6,75 0,023 0,154 tramo 15 367 200 250 2,00 4,05 244 6,08 0,031 0,189 Figura 5-7. Sistema climatizador 1. Subred de impulsión “B” 43 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Tabla 5-2. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de retorno del sistema climatizador 1 Circuito de retorno 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 01 5930 400 500 8,23 2,30 488 3,45 0,169 0,583 tramo 02 5009 400 500 6,95 0,70 488 1,05 0,125 0,131 tramo 03 200 200 150 1,85 1,20 189 1,80 0,036 0,065 tramo 04 4809 400 500 6,68 5,60 488 8,40 0,116 0,974 tramo 05 562 315 250 1,98 2,60 306 3,90 0,022 0,086 tramo 06 4247 400 500 5,90 1,00 488 1,50 0,092 0,138 tramo 07 787 450 250 1,94 2,60 363 3,90 0,018 0,070 tramo 08 3460 400 500 4,80 6,00 488 9,00 0,064 0,576 tramo 09 828 450 250 2,00 2,90 363 4,35 0,020 0,087 tramo 10 2632 400 500 3,65 1,00 488 1,50 0,039 0,059 tramo 11 720 400 250 2 2,9 343 4,35 0,020 0,087 tramo 12a 1912 600 200 4,5 6,2 365 9,30 0,089 0,828 tramo 12b 1912 500 300 3,54 6,2 420 9,30 0,045 0,419 tramo 13 248 200 180 2 4,1 207 6,15 0,034 0,209 tramo 14 1666 500 300 3,08 0,9 420 1,35 0,035 0,047 tramo 15 260 200 180 2 1,75 207 2,63 0,037 0,097 tramo 16 1666 500 300 3,08 0,9 420 1,35 0,035 0,047 tramo 17 248 200 180 1,91 2 207 3,00 0,034 0,102 tramo 18 1158 415 300 2,58 1,4 384 2,10 0,028 0,059 tramo 19 864 415 300 1,92 2,5 384 3,75 0,016 0,060 tramo 20a 294 220 200 1,85 0,7 229 1,05 0,028 0,029 tramo 20b 921 650 200 1,97 8 378 12,00 0,020 0,240 Para las subredes de impulsión A y B, y subred de retorno, se han calculado las pérdidas asociadas a los conductos para cada terminal (tramos 16, 18, 20 y 21 en subred A, tramos 06, 08, 10, 12, 14 y 15 en subred B, y tramos 03, 05, 07, 09, 11, 13, 15, 17, 19, 20a y 20b en subred de retorno), incluyendo las recuperaciones estáticas y a falta de añadir el efecto de las cajas reguladoras de caudal y de las rejillas de impulsión/retorno, al objeto de verificar el conducto principal. Figura 5-8. Sistema climatizador 1. Subred de retorno Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 44 Tabla 5-3. Pérdidas de presión motivada por los conductos, para cada terminal Subred A Subred B Retorno ∆𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 [mm.c.a] ∆𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 [mm.c.a] ∆𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 [mm.c.a] tramo 16 -0,610 tramo 03 0,640 tramo 03 3,794 tramo 18 0,064 tramo 06 0,622 tramo 05 4,765 tramo 20 0,041 tramo 08 2,041 tramo 07 4,895 tramo 21 0,234 tramo 10 2,019 tramo 09 5,476 tramo 12 2,226 tramo 11 5,535 tramo 14 2,297 tramo 13 6,904 tramo 15 2,380 tramo 15 6,839 tramo 17 6,908 tramo 19 6,923 tramo 20a 6,905 tramo 20b 3,816 Tabla 5-4. Pérdidas de presión por locales, motivada por los conductos Local Tramo de impulsión Tramo de retorno ∆𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 [mm.c.a] LCal Documentación Técnica 15 20a 9,285 LCal Almacén Equipos 14 17 9,205 LCal Equipos de Medida 12 19 9,149 LCal Salida de Equipos 10 13 8,923 LCal Entrada de Equipos 08 15 8,880 Laboratorio Patrón Óptico I 06 11 6,157 Laboratorio Patrón Óptico II 21 09 5,710 Laboratorio de Medidas 20 07 4,936 Laboratorio de Electrónica 18 05 4,829 Intercomparación de Equipos 03 20b 4,456 Almacenamiento de Electrónica 16 03 3,184 Aparejados los ramales de impulsión y de retorno, y ordenados por caídas de presión de mayor a menor, se obtiene como resultado lo indicado en la tabla 5-4. Se da la circunstancia de que la línea con mayor pérdida es además una de las dos líneas que dispone de regulador de caudal constante, con pérdidas de presión de 50 Pa, muy superior a la de los reguladores de caudal variable, que llevan asociada una caída entre 5 y 10 Pa, por lo que con mayor razón constituirá el conducto principal. Estudiaremos por tanto los subconductos principales formados por los tramos 04-05-07-09-11-13-15 en la subred de impulsión B, y por los tramos de retorno 01-02-04-06-08-10-12a-12b-14-16-18-20a en la subred de retorno. Las tablas 5-5 y 5-6 indican con detalle las recuperaciones estáticas en los tramos de cada subconducto principal (tramos de impulsión y de retorno, respectivamente), así como el balance total de la pérdida de presión por tramos, las caídas debidas a las compuertas de regulación de caudal y las pérdidas asociadas a las rejillas [8]. La suma de las pérdidas de presión totales en ambas tablas proporciona el valor de consigna de presión que debe salvar el ventilador de impulsión a la salida de la unidad climatizadora 1. 45 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA • 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =150,0 Pa Tabla 5-5. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de impulsión en climatización 1 Subred “B” 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] 𝑣 [m s ⁄] 𝐻𝑟 [mm.c.a.] 𝐻𝑓 [mm.c.a.] tramo 04 1,176 8,33 0 1,176 tramo 05 2,457 6,17 1,468 0,989 tramo 07 1,342 4,49 0,839 0,502 tramo 09 0,030 4,49 0 0,030 tramo 11 0,207 3,28 0,441 -0,233 tramo 13 0,044 1,90 0,335 -0,291 tramo 15 1,890 2,00 -0,018 -0,207 Suma 2,380 mm.c.a. Suma 23,3 Pa Compuerta reguladora de caudal 50 Pa Rejilla de impulsión 5 Pa TOTAL pérdidas impulsión subred: 78,3 Pa Tabla 5-6. Balance de pérdidas de presión. Conducto principal, tramo de retorno en climatización 1 Circuito de retorno 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] 𝑣 [m s ⁄] 𝐻𝑟 [mm.c.a.] 𝐻𝑓 [mm.c.a.] tramo 01 0,583 8,23 0,583 tramo 02 0,131 6,95 -0,911 1,042 tramo 04 0,974 6,68 -0,173 1,147 tramo 06 0,138 5,90 -0,460 0,598 tramo 08 0,576 4,80 -0,552 1,128 tramo 10 0,059 3,65 -0,456 0,515 tramo 12a 0,828 4,50 0,325 0,503 tramo 12b 0,419 3,54 -0,362 0,781 tramo 14 0,047 3,08 -0,143 0,190 tramo 16 0,047 3,08 0 0,047 tramo 18 0,059 2,58 -0,133 0,192 tramo 20a 0,029 1,85 -0,152 0,181 Suma 6,905 mm.c.a. Suma 67,7 Pa Compuerta reguladora de caudal - Pa Rejilla de retorno 4 Pa TOTAL pérdidas retorno subred: 71,7 Pa Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 46 5.12 Reevaluación de parámetros de la planta climatizadora 2 En esta sección se repetirán los cálculos y consideraciones de las secciones anteriores del capítulo, pero aplicadas a la planta climatizadora número 2. Dado que los detalles de estos cálculos ya han sido introducidos, nos limitaremos a dar resultados y todas aquellas aclaraciones que se consideren necesarias para interpretar y entender mejor dichos resultados. 5.12.1 Condiciones interiores de diseño Todos los locales se corresponden con laboratorios, en los que la temperatura de consigna de sala se ha establecido en 22 ℃, tanto en época de frío como de calor. En cuanto a la humedad relativa, permanece siendo de 45 %, correspondiéndole una humedad específica de 7,4 gH2Okgas ⁄. 5.12.2 Caudales de impulsión y de ventilación Son los fijados por diseño, ya indicados en la sección 5.3. 5.12.3 Cargas puntas de los locales Nuevamente se ha reproducido una situación de equilibrio de la planta climatizadora número 2 mediante cálculos y un diagrama psicrométrico. En concreto, se ha calculado para el instante considerado más óptimo de entre las situaciones de funcionamiento en la primera quincena de agosto de 2022: el día 2 de agosto a 23h 30min UTC (primer caso estudiado para la planta climatizadora número 1, en el capítulo 4). Se citan a continuación los valores de consigna y otros parámetros de interés cuando son diferentes a los indicados en la subsección 4.1.1: • 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =18,7 °C • 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟í𝑜 = 𝑇𝑎𝑑𝑝_𝑓 =13,0 °C± 0,7 ºC • 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 = 𝑇𝑎𝑑𝑝_𝑐 =32,9 °C± 1,0 ºC • 𝑇𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =22,8 °C± 0,1 ºC • 𝜙𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =61,8 % ± 0,5 % • 𝑇𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑠 =18,5 °C± 0,4 ºC Con estos parámetros, puede derivarse la evolución del proceso en equilibrio, que ha sido representado en la figura 5-9, con todas las situaciones que lo componen descritos con detalle en las tablas 5-7 y 5-8. Tabla 5-7. Descripción de los procesos psicrométricos Indice Corriente.Ent1 Eti. Corriente.Ent2 Eti. Proceso Corriente.Sal1 Eti. Ent1 DatoEnt1 Ent2 DatoEnt2 Ent3 DatoEnt3 1 Corriente Retorno p.1 Ts 22,8 FI 62 L/s 1651 2 Corriente Exterior p.2 Ts 26,3 FI 52 L/s 414 3 Exterior p.2 Retorno p.1 Mezcla Entrada p.3 4 Entrada p.3 Bateria_FriaC Entrada p.4 Tsi 13,0 FB 0,10 5 Entrada p.4 Bateria_Caliente Entrada p.5 Tsi 32,9 FB 0,76 47 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Tabla 5-8. Propiedades de los puntos Indice Eti. Corriente Proceso m3/h kg/s Ts (ºC) 𝜙 (%) W (g/kgas) h (KJ/kgas) Th (ºC) Tr (ºC) Pv (Pa) v (m3/kgas) 𝜌 (kgas/m3) Qs (kW) Ql (kW) QT (kW) 1 p.1 Retorno Corriente 5944 1,9300 22,8 62 10,8 50,4 17,8 15,1 1721 0,8555 1,1816 2 p.2 Exterior Corriente 1490 0,4780 26,3 52 11,2 54,9 19,3 15,7 1780 0,8661 1,1675 3 p.3 Entrada Mezcla 7434 2,4080 23,5 60 10,9 51,3 18,1 15,3 1733 0,8576 1,1787 4 p.4b Bateria_FriaC 13,0 9,4 FB= 0,10 -23,277 -8,251 -31,528 5 p.4 Entrada Bateria_FriaC 7182 2,4080 14,05 95 9,5 38,2 13,6 13,2 1521 0,8285 1,2185 6 p.5b Bateria_Caliente 32,9 9,5 FB= 0,76 10,965 0,000 10,965 7 p.5 Entrada Bateria_Caliente 7293 2,4080 18,5 71 9,5 42,7 15,3 13,2 1521 0,8413 1,1999 Figura 5-9. Representación del proceso seguido en unidad climatizadora 2. 2AGO22 a 23h 30min UTC Nuevamente se pone de manifiesto que el calor sensible de los locales debe ser inferior al estimado en el proyecto de ejecución de la obra del edificio, pues del balance de carga que deriva de la situación de equilibrio que se está resolviendo, resulta que el calor sensible no debe ser superior a 10655 W (según proyecto,18705 W). • 𝑄󰇗𝑠,𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝐿𝑂𝐶 = 10655 W. Nada podemos decir, en cambio, respecto al resto de cargas, por lo que volveremos a emplear las proyectadas: • Q󰇗l,verano LOC =189 W. • Q󰇗s,invierno LOC =3044 W. • Q󰇗l,invierno LOC = 0 W. 5.12.4 Condiciones de entrada a la batería de frío Las mismas que en 5.5. Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 48 5.12.5 Cálculo de los parámetros de impulsión desde la salida de la planta climatizadora • TAI,verano =17,7 ℃ • TAI,invierno =23,2 ℃ • WAI,verano = 7,4 gH2Okgas ⁄ • WAI,invierno = 7,4 gH2Okgas ⁄ El rango factible de temperaturas de retorno en esta unidad estará entre 22,5 ℃ y 23,5 ℃, tanto en época de frío como de calor. Para la temperatura de impulsión a la salida de la unidad climatizadora, dependiendo de la época del año se emplearán los siguientes rangos en la recta de compensación: Para la época de calor se fija un rango que va de 17,3 ℃ a 18,3 ℃. Para la época de frío se fija un rango que va de 22,7 ℃ a 23,7 ℃. 5.12.5 Cálculo de los parámetros de la batería de frío • WBF.b = 7,1 gH2Okgas ⁄ • TBF.b = 9,0 ℃ Teniendo en cuenta que en esta unidad climatizadora es previsible un aumento en la temperatura del agua a su paso por el primario del serpentín de 1,6 ℃, lleva a una temperatura de consigna de producción de agua de frío de 8,2 ℃ • Tconsigna producción agua fría = 8,2 °C • TSBF =10,5 ℃ Cálculo de la potencia frigorífica: • Q󰇗s BF = 34109 W • Q󰇗l BF = 12465 W Siendo por tanto la potencia frigorífica del dispositivo: 𝑄󰇗𝑇 𝐵𝐹 = 𝑃𝐹𝑅 = 46574 W. 5.12.6 Cálculo de cargas restantes asociadas a las baterías en época de calor • Q󰇗s BC = −17804 W Como resultado final para la carga total que recae sobre ambas baterías, se tiene: • Q󰇗s,verano BAT = Q󰇗s BF +Q󰇗s BC = 16305 W 49 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA • Q󰇗l,verano BAT = 12465 W • Q󰇗T,verano BAT = 28770 W 5.12.7 Cálculo de los parámetros de la batería de calor en época de frío • TEBC =19,1 ℃ • WEBC = 7,0 gH2Okgas ⁄< WAL = 7,4 gH2Okgas ⁄ No es necesario deshumectar. No interviene la batería de frío. Sí debe intervenir el módulo humectador (lanza de vapor). La carga sensible que recae sobre esta batería viene dada por: • Q󰇗s BC = −10181 W Los gráficos de las figuras 5-10 y 5-11 representan sobre el diagrama psicrométrico la evolución de los procesos asociados al sistema de climatización número 2. Figura 5-10. Representación de la evolución del proceso en época de calor. Sistema climatizador 2 Reevaluación de Parámetros de las Plantas Climatizadoras 50 Figura 5-11. Representación de la evolución del proceso en época de frío. Sistema climatizador 2 5.12.8 Presión de consigna a la salida de la unidad climatizadora Esta presión estaba establecida en 170 Pa, frente al valor previsto por proyecto, de 350 Pa. Figura 5-12. Sistema climatizador 2. Subredes de impulsión (izqda.) y de retorno (dcha.) 51 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Tabla 5-9. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de impulsión del sistema climatizador 2 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 0A 6322 400 500 8,78 13,62 488 20,43 0,190 3,882 tramo 0B 6322 400 500 8,78 3,00 488 4,50 0,190 0,855 tramo 0C 6322 750 300 7,80 9,67 506 14,51 0,160 2,322 tramo 01 6322 750 300 7,80 1,10 506 1,65 0,160 0,264 tramo 02 3322 450 330 6,20 3,70 420 5,55 0,122 0,677 tramo 03 1332 450 330 2,47 3,40 420 5,10 0,023 0,117 tramo 04 2000 300 330 1,85 1,50 344 2,25 0,128 0,288 tramo 05 2000 300 330 1,85 2,10 344 3,15 0,128 0,403 tramo 06 2000 450 330 3,74 6,30 420 9,45 0,049 0,463 tramo 07 1000 420 330 2,00 7,90 406 11,85 0,016 0,190 tramo 08 1000 350 400 2,00 9,00 409 13,50 0,016 0,216 tramo 09 3000 450 330 5,61 5,60 420 8,40 0,102 0,857 tramo 10 1000 300 400 2,00 3,50 378 5,25 0,023 0,121 tramo 11 1660 450 330 3,10 1,20 420 1,80 0,035 0,063 tramo 12 1000 300 400 2,00 3,50 378 5,25 0,023 0,121 tramo 13 1000 300 400 2,00 4,70 378 7,05 0,023 0,162 Tabla 5-10. Pérdidas unitarias y por tramos. Subred de retorno del sistema climatizador 2 𝑉󰇗 [m3h ⁄] 𝑊 [mm] 𝐻 [mm] 𝑣 [m s ⁄] 𝐿 [𝑚] 𝐷𝑒𝑞 [mm] 𝐿𝑒𝑞 [m] ℎ𝑓 [mm.c.a./m] 𝐻𝑓0 [mm.c.a.] tramo 0A 5000 400 500 6,94 13,62 488 20,43 0,124 2,533 tramo 0B 5000 400 500 6,94 3,00 488 4,50 0,124 0,558 tramo 0C 5000 750 250 7,40 9,67 457 14,51 0,171 2,481 tramo 01 5000 750 250 7,40 4,25 457 6,38 0,171 1,091 tramo 02 1000 550 250 2,02 2,25 398 3,38 0,018 0,061 tramo 03 500 300 250 2,00 0,75 299 1,13 0,020 0,023 tramo 04 500 300 250 2,00 2,20 299 3,30 0,020 0,066 tramo 05 4000 750 250 5,92 2,00 457 3,00 0,114 0,342 tramo 06 1200 670 250 1,99 1,10 435 1,65 0,016 0,026 tramo 07 2800 750 250 4,15 1,76 457 2,64 0,059 0,156 tramo 08 1200 670 250 1,99 1,10 435 1,65 0,016 0,026 tramo 09 1600 750 250 2,37 2,30 457 3,45 0,021 0,072 tramo 10 800 450 250 1,97 3,00 363 4,50 0,019 0,086 tramo 11 800 450 250 1,97 2,60 363 3,90 0,019 0,074 Resultados y Conclusiones 58 el que se ha llevado a cabo se considera suficiente y permite modificar el valor de consigna establecido hasta la fecha para la planta climatizadora 1, tras haber sido estimado bajo criterios objetivos y racionales, a la vez que da respaldo al valor de consigna empleado en la planta climatizadora 2, que no necesita ser modificado. Parece asimismo claro que el valor originalmente proyectado, en el caso de la planta climatizadora 1, era especialmente pesimista, no siendo necesario vencer tanta pérdida de presión. No se han detectado cambios apreciables en las condiciones ambientales de las salas afectadas por la planta climatizadora 1 en los primeros días desde la ejecución del cambio, pero queda la confianza de que dicha planta debe trabajar mejor bajo esta nueva condición. 6.4 Conclusiones • El estudio teórico de este tipo de plantas, combinado con el análisis del sistema de climatización del Real Instituto y Observatorio de la Armada, ha facilitado su comprensión y optimización a partir del uso de parámetros de consigna fundamentados en criterios técnicos que han quedado argumentados. Particularmente importante ha sido tener claro el papel de la batería de frío de las unidades climatizadoras en el proceso de deshumectación, y consecuentemente el papel de la temperatura de consigna de frío de las máquinas de producción en dicho proceso. • El estudio pormenorizado de la planta ha permitido detectar y corregir errores en la programación del sistema, consistente en la duplicidad de parámetros y de direcciones lógicas que afectaban a la consigna de temperatura y al estado de apertura de las compuertas en los laboratorios de Medidas y de Electrónica. Este problema permanecía sin ser detectado desde la inauguración del edificio en septiembre de 2017. • Las condiciones exteriores de diseño (temperatura y humedad relativa) han sido estimadas conforme a los criterios indicados en la Norma UNE 100001, aunque sobre la base de un solo año. Estas permiten ser más realista respecto de la estima de cargas externas “extremas” y la evaluación de parámetros de consigna de la instalación, respecto de lo que fueron las empleadas en el proyecto de ejecución de la obra del nuevo edificio de Hora. • Del examen de situaciones de equilibrio de ambas plantas climatizadoras, se ha podido establecer el techo de cargas sensibles en época de calor, detectándose que estos parámetros fueron bastante más pesimistas cuando se estimaron al proyectar la instalación. • Los problemas relacionados con la humedad relativa en locales han sido mitigados en gran medida, y aunque no se ha logrado alcanzar la condición más estricta con la que se había proyectado el edificio (45 % ± 10 %), sí se logra asegurar una humedad relativa inferior al 70 %, que suele ser la condición comúnmente impuesta en este tipo de laboratorios. De hecho, se ha conseguido en el caso particular de los laboratorios más críticos que la humedad relativa se mantenga por debajo del 60 %. • La incapacidad del sistema para mantener la condición de consigna para la humedad relativa parece tener que ver con la potencia frigorífica de las baterías de frío de las unidades climatizadoras, inferior a la necesaria de acuerdo con las condiciones ambientales del exterior y de los locales, teniendo en cuenta las cargas sensibles y latentes de estos últimos. • La instalación, tal cual ha sido proyectada, adolece de un problema doble cuando se alcanza la temperatura de consigna en una sala, pues el hecho de que las compuertas reguladoras de caudal se cierren al alcanzar dicha condición, provoca que el aire no sea renovado viciándose progresivamente. La falta de circulación evita que pueda alcanzarse la condición de consigna de la humedad relativa, si esta aún no se había alcanzado. Esta situación no solo se produce al alcanzarse la temperatura de consigna, basta con que la temperatura de la impulsión sea inferior a la de la sala, y esta a su vez inferior a la de consigna. Esto suele suceder cuando la carga sensible de la sala es de poca entidad. • La recta de compensación para la temperatura de impulsión en las unidades climatizadoras viene 59 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA controlada por los parámetros de temperatura máxima y mínima, de impulsión y de retorno. Los valores calculados y propuestos para estos parámetros no solo tienen en cuenta las cargas sensibles de los locales y el caudal nominal, sino que además se ajustan para lograr el comportamiento óptimo en los laboratorios considerados críticos, sin que se produzca un impacto negativo sensible sobre el resto de salas. Estos cuatro parámetros han sido asimismo determinados para mantener un funcionamiento automático en cualquier época del año, ya sea de frío o de calor. Las condiciones establecidas suponen el funcionamiento conjunto de las baterías de frío y de calor para lograr la deshumectación y alcanzar la temperatura de consigna de impulsión. − En relación con lo anteriormente indicado, resultaría altamente recomendable mantener una única temperatura de consigna para todas las salas, cuyo valor debería ser el prescrito para los laboratorios (22 ºC), pues esto facilitaría un mejor funcionamiento de la planta. • La estima de la presión a la salida de las unidades climatizadoras para compensar la pérdida de presión en la red de conductos y otros elementos, efectuada bajo criterios objetivos y racionales, permite argumentar su empleo ahora y en el futuro, a diferencia de lo efectuado hasta ahora, al haber sido una elección arbitraria. Como conclusión final, cabe reiterar uno de los objetivos planteados inicialmente al afrontar este trabajo. Este documento pretende ser una herramienta de apoyo para la Sección de Hora del Observatorio, por lo que será ofrecido para complementar la escasa documentación técnica disponible, y facilitar a su personal técnico encargado del manejo y mantenimiento de la instalación la comprensión de esta y la ayuda mediante criterios que faciliten su manejo diario. Referencias 60 REFERENCIAS [1] F. J. González, El Observatorio de San Fernando (1831-1924). Madrid: Ministerio de Defensa, 1992. [2] F. J. González, El Observatorio de San Fernando en el siglo XX. Madrid: Ministerio de Defensa, 2004. [3] R. Prado, «Reformado de proyecto básico y de ejecución de edificio para la Sección de Hora. Real Instituto y Observatorio de la Armada, San Fernando, Cádiz.» Ministerio de Defensa, San Fernando, 2011. [4] «Manual de usuario. Sistema de gestión y control centralizado. Climatización y control de aire. Edificio para la Sección de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada, San Fernando, Cádiz.» Ingenersa Meridional S.A., Sevilla, 2017. [5] Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios. Spain, 2007. [6] «Reversible Air-to-Water Heat Pumps 30RQS/30RQSY 039-160 “A”. Installation, operation and maintenance instructions». Carrier SCS, Montluel, France., 2016. [7] «Air-cooled liquid chillers/air to water heat pumps ductable air-cooled liquid chillers 30RB 017-040 A, 30RQ 017-040 A, 30RBY 017-033 A. Product selection data.» Carrier SCS, Montluel, France., 2018. [8] «Tablas de selección rápida TROX Technik. The art of handling air ». TROX España, Zaragoza, 2018. [9] «Actuadores para controladores VAC Serie: Actuadores variables». TROX Technik, 2013. [10] «AIRFLOWCONTROL. Manual de diseño. Componentes para sistemas de distribución del aire. TROX Technik. The art of handling air». TROX España, Zaragora, 2007. [11] V. M. Soto, E. J. Sarabia, P. Carnero, y J. M. Pinazo, Psicrometría aplicada a la climatización Bases teóricas y problemas. Valencia: Editorial Universitat Politècnica de València, 2018. [12] «El tiempo. Parámetros de humedad». Tutiempo Network, S.L. [13] C. R. Nave, «Humedad relativa. Hyperphysics», http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/Kinetic/relhum.html#c4, 2016. [14] L. Pérez-Lombard y Juan. F. Coronel, «Instalaciones térmicas en la edificación. Tema II Tratamiento de aire». Grupo de Termotecnia. Dpto. Energía Energética. Universidad de Sevilla, Sevilla. [15] «Instalaciones de climatización». [16] Tecener SA de CV, «Sistema de Aire Acondicionado Tutorial para el trabajo en campo», GIZ. Comité Nacional de Productividad e Innovación Tecnológica, A.C., México D.F., 2015. [17] Comité Técnico AEN/CTN 100 Climatización, Norma UNE 100001. Climatización. Condiciones Climáticas para proyectos. Spain, 2001. [18] F. Enríquez, «Cálculo de redes de distribución de aire (I)», https://coolproyect.es/2016/10/02/calculode-redes-de-distribucion-de-aire-i/, 2017. 61 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA Glosario 62 GLOSARIO Cargas/calor latente: parte del calor total implicado en el cambio de las condiciones del aire húmedo, que se identifica con los cambios de humedad específica del aire. Concepto ‘inventado’ para facilitar el cálculo del calor total. 18 Cargas/calor sensible: parte del calor total implicado en el cambio de las condiciones del aire húmedo, que se identifica con los cambios de temperatura del aire. Concepto ‘inventado’ para facilitar el cálculo del calor total. 18 Entalpía: nombre dado a una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación a presión constante en un sistema termodinámico. 20 Estabilidad (en frecuencia): resistencia al cambio de frecuencia, típicamente promediado para un intervalo de tiempo τ, con respecto a otra frecuencia. Generalmente se trata de dos posibles efectos, de deriva en frecuencia o bien fluctuaciones estocásticas en frecuencia. 1 Estación VSAT: son las siglas de Terminal de Apertura Muy Pequeña (del inglés, Very Small Aperture Terminal). Emplea una antena parabólica para comunicación de datos vía satélite, normalmente para intercambio de información punto a punto, punto a multipunto (broadcasting) o interactiva. 5 Exactitud: grado de concordancia entre el resultado de una medida y el valor verdadero del mesurando. 1 Humedad específica: también llamada contenido de humedad, se refiere a la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, expresada en peso. Suele expresarse en gramos por kilogramos de aire seco. 18 Humedad relativa: relación entre la cantidad de vapor de agua que hay en el aire y la cantidad de vapor de agua que el aire podría contener potencialmente a una temperatura determinada. Suele expresarse en tanto por ciento. 3 Jorge Juan y Santacilia: marino, ingeniero naval y científico español. Midió la longitud del meridiano terrestre durante la misión geodésica francesa demostrando que la Tierra está achatada en los polos. Director de la Escuela de guardiamarina y fundador del Real Observatorio de la Armada, reformó el modelo naval español y fue uno de los destacados iniciadores de la Escuela Universalista Española del siglo XVIII. 2 Meridiano (terrestre): línea imaginaria sobre la superficie de la Tierra cuyos puntos tienen todos la misma longitud geográfica; esta línea imaginaria pasa por ambos polos de la Tierra. 2 Patrón de medición: cantidad estandarizada de una determinada magnitud física, definida y adoptada por convención. 1 Patrones de Referencia: referencia a relojes atómicos desarrollados en laboratorio (no comerciales). 5 Patrones de tiempo: dispositivos de operación continua, empleados en la realización de una escala de tiempo. 2 Psicrometría: rama de la ciencia dedicada al estudio de las propiedades termodinámicas del aire húmedo y al efecto de la humedad atmosférica en los materiales y en el confort humano. 17 Regla de las Fases de Gibbs: en química y en termodinámica, describe la relación algebraica que existe entre el número de grados de libertad o variables independientes termodinámicas en un sistema cerrado en equilibrio, el número de fases en equilibrio y el número de componentes químicos del sistema. La regla fue derivada de los principios de la termodinámica por Josiah Willard Gibbs en 1875. 17 Servidores de Tiempo: dispositivos horarios que toman hora de un reloj de referencia y la distribuyen a clientes a través de una red informática. 5 Temperatura de rocío: temperatura a la que comienza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, 63 Estudio y Optimización de la Climatización y Ventilación asociada al edificio de Hora del ROA produciendo rocío. 18 Volumen específico: espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia. 22 Anexos 64 ANEXOS − Plantas sótano, baja y primera. Servicios de climatización planos IA1 a IA5