Mejorar la integración del diseño eléctrico y de HVAC

Pequeños pasos hacia la integración

¿Quién recuerda los controles neumáticos? Históricamente, los diseñados eléctricos especificaban el equipo y los controles en la División 16 o 26 del Instituto de Especificaciones de la Construcción (CSI) y los diseñadores mecánicos especificaban el equipo y los controles en la División 15 o 23 de CSI. La integración se realizaba principalmente en el nivel de contacto cableado entre los sistemas eléctricos y mecánico.

El detector de conductos del sistema de alarma de incendios se puede cablear para apagar el motor de arranque de la unidad de tratamiento de aire, pero llevaría dos cables adicionales hacia los controles de temperatura para indicar que el ventilador se ha apagado y los amortiguadores deben cerrarse. Esto hacía que sea difícil integrar los controles.

Como respuesta, ASHRAE desarrolló un protocolo de comunicación de datos para las redes de automatización y control (BACnet) de los edificios para permitir que los sistemas de los edificios de diferentes fabricantes operen entre sí. La versión BACnet/IP permite las subredes de IP y las interredes de varias redes BACnet. Como resultado, la interfaz de BACnet de la alarma de incendios podría tener comunicaciones supervisoras bidireccionales con los controles de temperatura del edificio en un par de cables de LAN (red de área local).

A medida que la tecnología del edificio avanza, tener redes de control separadas para cada sistema es cada vez más costoso y complejo. Los propietarios están buscando más funciones e integración para reducir los costos de operación y simplificar las operaciones. Hemos recorrido un largo camino desde los controles neumáticos y el ritmo de cambio se está acelerando. El siguiente paso es derribar los silos de disciplinas que están todavía están haciendo solo su trabajo, en lugar de comenzar a pensar holísticamente (consulte la Figura 2). 

Normas para la integración

La integración del diseño eléctrico y del HVAC es guiada por las normas como las desarrolladas por el Instituto de especificaciones de la construcción (CSI), la Asociación de la industria de componentes electrónicos (ECIA) y la Asociación de electrónica para el consumidor (CEA).

La División 25 de CSI, Automatización integrada, cubre los sistemas incluidas la automatización del edificio, la optimización de la gestión de la energía, la iluminación, la diagramación de las habitaciones, la detección y apagado de incendios, la seguridad, la tecnología de la información (TI)/telecomunicaciones, los ascensores, los sistemas de audio/video y otros. De acuerdo con CSI, los sistemas IA deben poder incluir la monitorización y el control de la energía renovable y estar diseñados para uno o varios edificios.

La División 25 de CSI especifica que un sistema de AI del edificio integra los subsistemas representados por el Subgrupo de instalaciones de formato maestro CSI, que incluye:

• División 11: Equipo.
• División 14: Sistemas transportadores.
• División 21: Extinción de incendios.
• División 22: Plomería.
• División 23: HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning; Calefacción, ventilación y aire acondicionado)
• División 26: Sistema eléctrico.
• División 27: Comunicaciones.
• División 28: Seguridad electrónica y seguridad.

La especificación de la División 25 de CSI incluye el trabajo común para la operación y mantenimiento, cableado, puesta en marcha, dispositivos de red, instrumentación y dispositivos terminales, control del equipo y secuencias de control. Los dispositivos de campo, como los sensores, transmisores y válvulas de control, generalmente están conectados a sus paneles de control locales respectivos, que se comunican con el hardware de control y monitorización.

En el futuro, un dispositivo de IoT puede conectarse al pilar y comunicarse con los sistemas del edificio integrados. Existen sensores e interruptores remotos inalámbricos que hacen que sea fácil modificar los edificios existentes o agregar un punto de control. Los servidores de IA y los interruptores se podrían coubicar con los servidores de TI. Una estación de trabajo del operador que podría monitorizar todos los sistemas integrados ahorraría espacio y el tiempo invertido en capacitar a los operadores sobre varios sistemas.

Para la integración de los controles del edificio, ECIA y CEA han adoptado conjuntamente EIA/CEA 709.1-B-2002: Especificación del protocolo de red de control como una norma de controles de edificios de arquitectura abierta. Esta norma está aprobada por ANSI y fue desarrollada originalmente por Echelon Corp. (Echelon's LonTalk, el protocolo de comunicaciones que permite que los dispositivos de control compatibles con LonWorks se comuniquen con otro, se basa en esta norma.)

Los sistemas de control de arquitectura abierta tienen especificaciones de hardware y software que son información pública y están disponibles para que los terceros desarrollen equipo y software para un sistema abierto. Otras normas de comunicación son Modbus, BACnet y normas exclusivas. La norma es la automatización del edificio exclusiva, la alarma de incendios, la seguridad y otros sistemas, que restringen la integración práctica. Independientemente de las normas de control del edificio usadas, la ciberseguridad se debe tratar en el diseño del sistema de IA, las especificaciones y las operaciones.

Los diseñadores de seguridad, comunicaciones, HVAC y de electricidad deben discutir las normas de la red y de IA entre ellos y con los propietarios del edificio y acordar sobre cuáles usar en el proyecto. Esto les permite seleccionar y programar el equipo y reducir los problemas de comunicación de IA y la necesidad de portales de red. Los diferentes sistemas necesitan poder comunicarse para coordinar la información recopilada.

Como ejemplo, una insignia del empleado etiquetada con la identificación de radiofrecuencia (RFID) puede iniciar el sistema de control de acceso para que se comunique con otros tres sistemas del edificio proporcionados por diferentes contratistas, enviar las señales que podrían encender las luces designadas, activar los puntos ocupados, llamar al ascensor al nivel de la entrada y registrar el número de empleado.

El sistema de automatización integrado podría ser proporcionado por el sistema de automatización/gestión del edificio (BMS/BAS), el contratista eléctrico o un contratista de integración independiente. Muchos de los proveedores de equipos eléctricos grandes han integrado verticalmente BAS en los servicios y construyeron comunicaciones y mediciones en el equipo. Esto es una tendencia en el campo de automatización integrada global, con un mercado en crecimiento.

Diferentes niveles de complejidad

La integración de los diseños eléctricos y de HVAC se puede lograr en proyectos de todos los tamaños, con el nivel de complejidad que varía según el tipo de proyecto.

Los centros de datos, por ejemplo, requieren un alto nivel de integración de los diseños eléctricos y de HVAC. La redundancia de los servicios eléctricos, enfriadores, unidades de aire acondicionado y generadores de respaldo se agrega a la complejidad de las tareas.

Para este tipo de proyecto, se debe realizar una evaluación de riesgos para determinar el punto único de falla del sistema eléctrico y de HVAC. Una subestación de la unidad de doble terminal va a requerir que la refrigeración opere dentro de sus límites de temperatura de diseño, pero no querrá que una fuga en la tubería salpique el equipo eléctrico. Los controles del HVAC deben tener redundancia y un suministro de energía ininterrumpible que esté respaldado por la potencia de respaldo. Los centros de control del motor (MCC) con cableado NEMA Clase II B o II C puede integrar los arrancadores, los conductores de frecuencia variables (VFD), los dispositivos de protección de sobrecorriente, el transformador y el panel de circuitos derivados con cableado de interbloqueo e interconexión instalados en fábrica.

Controladores lógicos programables (PLC) y controles se pueden incluir en la línea MCC. El MCC puede ahorrar espacio, reducir el cableado del campo y simplificar el mantenimiento.

En la atención médica, una sala para pacientes con llamada a la enfermera integrada, controles para la iluminación, controles de las persianas y un control remoto para el punto de calibración de la temperatura dará como resultado una mejor experiencia del paciente. El punto de calibración de la temperatura se puede ajustar con el control remoto del TV y una aplicación en la pantalla o mediante un controlador inalámbrico. Los controles de iluminación eléctricos, los controles de temperatura de HVAC, la llamada a la enfermera y los sistemas de TV deben estar integrados y con comunicación entre ellos.

Para proyectos más pequeños, lo cual puede no justificar el costo de un sistema de automatización integrado División 25 completo, se pueden especificare algunos controles División 23 y División 26. Los controles de iluminación en red se pueden integrar parcialmente con BAS. El sensor de ocupación y el sensor de luz diurna en una oficina pueden enviar su señal de salida a un controlador de la habitación en red. El controlador de la sala puede atenuar las luces en respuesta a la disponibilidad de la luz del día y apagar las luces y los receptáculos del controlador cuando los ocupantes dejan la sala. El controlador de la sala puede enviar una señal al equipo central de control de iluminación cuando la sala no está ocupada. El equipo central puede comunicar por medio de BACnet al equipo BAS que el espacio no está ocupado.

El BAS puede enviar una señal a un sistema de aire exterior dedicado (DOAS, Dedicated Outdoor Air System) para reducir la velocidad de la ventilación del aire exterior y luego restablecer los pies cúbicos de la caja de volumen de aire variable (VAV, Variable Air Volume) de calefacción y refrigeración de la sala por minuto. BAS puede recibir una señal de respuesta a la demanda desde la red inteligente de servicios públicos para limitar la energía al equipo de aire acondicionado y transmitir un mensaje de BACnet a todos los controladores de la sala para que atenúen la iluminación. BAS puede ser el reloj maestro y programar la iluminación a través del equipo de control central de iluminación. El costo adicional por realizar esta integración es un cable de red entre los controladores de la sala y un cable entre el equipo de control central de iluminación y BAS, además de la programación de la secuencia de operación.

Tecnologías y enfoques

Los diseñadores eléctricos y de HVAC deben considerar un sistema integrado que reduce la complejidad y los requisitos de espacio, ahorra energía, mejora la fiabilidad y ahorra costos potencialmente. Diferentes tecnologías y enfoques se pueden usar para lograr estas metas, incluidas:

Motores conmutados electrónicamente: Los ECM proporcionan control de velocidad variable con el rectificador/controlador como parte del motor de imán permanente de CC. La integración proporciona ahorro de espacio para los VFD montados individualmente en comparación con los motores de inducción estándar.

Los ECM están comúnmente configurados en conjuntos de ventiladores debido a las limitaciones de potencia típicas. La eficiencia de ECM varía desde 70 % hasta 85 % versus 40 % hasta 80 % para motores de tres fases y de 30 % hasta 70 % para motores de una sola fase. Los ECM tienen mejor eficiencia de carga parcial que los motores NEMA Premium de igual tamaño y el controlador del motor proporciona protección contra sobrecarga, pérdida de la fase, sobrecalentamiento y subidas de tensión.

El ECM puede tener un arranque suave para limitar la irrupción del arranque requerida cuando se usa un generador de respaldo y el controlador puede aceptar de 0 a 10 VCC o una señal Modbus enviada desde el BMS para controlar la velocidad, generalmente en la gama de 10 % a 100 %. Una señal simple de 0 a 10 VCC proporcionará un control de velocidad lineal de 0 % a 100 %. Las comunicaciones Modbus son bidireccionales, por lo tanto las rotaciones del motor por minuto y la temperatura pueden proporcionar retroalimentación para brindar secuencias de control mejores y más precisas.

Los ECM disponibles actualmente están limitados a una capacidad de kilovatios hasta 11 kW (15 hp). Los conjuntos de ventiladores de varios ECM modulares se pueden diseñar para que coincidan con la capacidad requerida. El conjunto del ventilador proporciona redundancia en los motores y controladores, por lo tanto si un motor falla los otros pueden seguir funcionando. Para obtener redundancia para un manipulador de aire VAV con VFS se requieren al menos dos ventiladores y dos VFD. Los VFD se pueden especificar con tarjetas de comunicación y medidores de energía digital para integrarse con el sistema de IA.

El conjunto del ventilador modular simplifica la sustitución en espacios estrechos. La especificación del equipo de HVAC puede incluir una desconexión del conjunto de ventiladores comunes integrados, ECM y controles compatibles con BMS. El equipo elimina el motor de arranque eléctrico/VFD y el cableado del motor, lo ahorra espacio y complejidad.

Integración de los controles del sistema de tratamiento de aire VAV con BMS, monitorización de la energía y sistemas de alarmas contra incendios: La secuencia de control se especificaría en la División 25 de CSI para puntos de ajuste, calendario de ocupación, alarmas previas, alarmas, notificaciones sobre mantenimiento preventivo y uso de la energía. La medición de la energía se puede usar como entrada para una secuencia de control de respuesta-demanda que podría atenuar la iluminación, restablecer el punto de ajuste de temperatura, limitar la potencia de entrada del enfriador y reducir los pies cúbicos de tratamiento de aire por minuto para limitar la demanda máxima eléctrica. El sistema IA puede monitorizar centralmente y mostrar los sistemas en un formato común para reducir el tiempo de capacitación de los operadores (consulte la Figura 3).

Usando el mismo eje para varios objetivos: compartir un eje de alta velocidad puede reducir los costos de mantenimiento e instalación pero puede crear conflictos de seguridad y mantenimiento. El eje central compartido, las bandejas para cables y las rutas se pueden especificar en la División 25 05 00 de CSI: Resultados del trabajo común para la automatización integrada.

Usar la luz para transmitir datos e internet: Las luminarias de iluminación LED están llegando al mercado con comunicaciones inalámbricas de fidelidad de la luz (Li-Fi), usando espectros de luz visible, infrarroja o ultravioleta en lugar de radiofrecuencia (Wi-Fi). Las luces pueden recibir su potencia y comunicaciones sobre un cable Ethernet simple (Potencia por Ethernet o PoE). Incluso cuando las luces son percibidas como apagadas por el ojo, los índices de datos-comunicaciones completos son posibles.

Algunas luminarias también integran sensores de ocupación y sensores de temperatura/humedad, lo cual reduce los costos de cableado para la iluminación integrada, controles de iluminación, datos, seguridad y sistemas de control de HVAC. Las comunicaciones Li-Fi son una línea de visión, por lo tanto la cobertura es la misma que la distribución de la luz y menos usuarios comparten un canal de datos, lo cual proporcionará índices de transmisión más altos. Li-Fi también es más seguro porque no se transmite a través de paredes opacas (consulte la Figura 4).

Geoperimetraje: Aplicación o software basado en la ubicación usa GPS, RFID, Wi-Fi o datos celulares para activar una acción preprogramada cuando un dispositivo móvil o etiqueta RFID entra o existe en una configuración de límites virtuales alrededor de una ubicación geográfica. El geoperimetraje se puede usar con un termostato inteligente de IoT, por ejemplo. Cuando el geoperímetro detecta una etiqueta RFID o está presente un dispositivo inalámbrico, la secuencia de control de ocupación se activará. La secuencia de ocupación se puede especificar para establecer la temperatura o aumentar la velocidad de la ventilación (además de activar las cargas del enchufe controladas según la ocupación, establecer un nivel de iluminación y temperatura de color según el momento del día y controlar los parasoles monitorizados).

IoT o medidores de energía eléctricas en red: Estos pueden proporcionar uso de energía en tiempo real y demanda máxima y verificar la factura de electricidad. La visualización del uso de la energía para el ocupante también se ha mostrado para reducir el consumo de energía. Los submedidores se pueden usar como medición y verificación de las medidas de conservación de energía. Los medidores digitales pueden monitorizar los alimentadores trituradores o circuitos del panel, de manera pueda obtener datos de la medición LEED y verificación EAC5 del Consejo de Edificios Ecológicos de EE.UU.

Medidores de calidad de la energía: Estos pueden capturar y analizar los picos de voltaje, las caídas y la distorsión armónica, que son perjudiciales para el equipo electrónico. Tener los medidores electrónicos en red garantiza que los medidores se leerán continuamente y permite que la información en tiempo real sea utilizada por múltiples subsistemas para enviar advertencias y alarmas a través de los dispositivos inalámbricos para las operaciones y el mantenimiento. Los datos de la demanda máxima pueden indicarle al BMS que los sistemas se deben ajustar para evitar crear una nueva demanda máxima eléctrica. Los medidores también se pueden usar para decisiones sobre el desbordamiento de cargas no críticas cuando se opera con un generador de respaldo. El sistema IA se puede programar para permitir que se instale un generador más pequeño y sirva al edificio al eliminar la carga y limitar la demanda de los sistemas eléctricos y de HVAC.

Optimizar BIM

El modelo BIM del proyecto, cuando se usa por completo, contribuye ampliamente a la integración de los diseños eléctricos y de HVAC. El modelo de equipo BIM, por ejemplo, puede incluir las propiedades requeridas para la especificación de IA y eléctrica de HVAC y los esquemas usados durante el desarrollo del diseño, los documentos de construcción y las pruebas y puesta en marcha. Los modelos BIM deben tener las dimensiones reales del equipo, espacios libres de enrollado de la bobina y espacios libres de trabajo para ayudar en la coordinación e instalación en cumplimiento con el código. Las propiedades de BIM se pueden vincular a los diferentes esquemas para ayudar en la coordinación, por ejemplo, cuando un diseñador mecánico cambia una potencia, se actualiza el esquema del panel eléctrico.

Las propiedades eléctricas deben incluir voltaje, cantidad de fases, voltios-amperios de la carga visible, tipo de motor de arranque o controlador y tipo de desconexión. Se deben incluir los espacios libres de trabajo del equipo eléctrico y los espacios dedicados sobre los tableros, paneles eléctricos, controles del motor y equipo. El diseñador de HVAC puede usar el modelo BIM para calcular las cargas de enfriamiento y calefacción para un espacio, incluida la carga de iluminación diseñada. Los controles de iluminación de ocupación del espacio se pueden integrar con BMS y los controles de HVAC para conmutar entre las secuencias de control de ocupado a no ocupado, y así optimizar los ahorros de energía en el software de modelado de energía anual. 

Adecuado para propietarios y ocupantes

Los factores principales para IA incluyen los costos de energía, edificios más complejos, gestionar instalaciones grandes con menos personal de tiempo completo, administración remota y analizar más datos para tomar mejores decisiones. Las expectativas del ocupante con respecto a la comodidad y las comunicaciones también impulsan la expansión de IA a medida que más personas entienden qué debe proporcionar un edificio inteligente. IA también se expandirá a medida que las redes de comunicación crezcan más rápido y menos costosas por punto.

A través de la planificación colaborativa y el uso de diferentes herramientas y tecnologías disponibles, los diseñadores eléctricos y de HVAC pueden contribuir con la IA del edificio al optimizar la integración de sus respectivos sistemas. Al hacerlo, crean un diseño que ocupa menos espacio, disminuye los costos instalados y reduce los costos de operación y de energía. Todas buenas noticias para el propietario.  

John McGonegle es un especialista en ingeniería eléctrica principal con IMEG Corp. Es responsable de la calidad del diseño eléctrico de la empresa y del conocimiento técnico y proporciona revisiones de control de calidad.