8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

CALIDAD Y AHORRO DE ENERGÍA EN EDIFICIOS DE LA FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN

Díaz Reyes R. Y. UNAM, Facultad de Estudios Superiores Aragón, Centro Tecnológico, Área de Ahorro de Energía Av. Rancho Seco S/N, Col. Impulsora, Ciudad Nezahualcoyotl, Estado de México, [email protected] Franco Martínez D. UNAM, Facultad de Estudios Superiores Aragón, Centro Tecnológico, Área de Ahorro de Energía. Rancho Seco S/N, Col. Impulsora, Ciudad Nezahualcoyotl, Estado de México, [email protected]

RESUMEN En la actualidad se observa un deterioro en el planeta, debido a esto hay que tomar medidas para la protección del mismo. El ahorro de energía eléctrica, tema que cada día cobra más interés, no solo ayuda a reducir la facturación eléctrica si no también a ayudar a la protección del ambiente. El estudio efectuado a los edificios consiste en realizar visitas al inmueble para conocer los usos del mismo, mediante las visitas se realizan censos de carga que consisten en hacer un conteo de todos los dispositivos eléctricos e iluminación para conocer carga instalada y que demanda mas energía. Para conocer los parámetros antes mencionados nos valemos de un análisis el cual nos arroja resultados mediante un resumen indicándonos apartados como iluminación, cómputo, misceláneos o aire acondicionado, de este resumen conocemos carga instalada y demandada, así como los porcentajes de consumo y demanda. La DPEA (Densidad de Potencia Eléctrica para Alumbrado), se incluyen para establecer niveles eficientes de energía en cuanto alumbrado y además con la finalidad de ofrecer propuestas se tomaron niveles de iluminación para indicar que niveles son los adecuados y como lograrlos para dar un beneficio a los profesores, estudiantes y usuarios en general del edificio.

PALABRAS CLAVE: Calidad, Ahorro, Energía, Censo de Carga, Análisis.

ANÁLISIS DEL EDIFICIO A-1 Características del edificio A-1 El edificio A-1 se encuentra localizado dentro de las instalaciones de la FES Aragón cuenta con aulas de estudio, oficinas para servicios escolares y un auditorio. Este se usa principalmente para impartir clases a las carreras de sociología, comunicación y periodismo, como además realizar trámites en ventanillas de servicios escolares para proyecciones y conferencias en el auditorio. Los horarios con los que cuenta el edificio para el caso de las aulas de estudio son de 7:00 a 14:00 horas para el horario matutino y de 16:00 a 22:00 para el horario vespertino. En servicios escolares se tiene un horario de 8:30 a 20:00 horas con un descanso que va de las 13:00 a las 15:30 horas. En el caso del auditorio sus horarios varían, ya que dependen de los de los eventos que realizan en distintos horarios. En este edificio se cuenta con un transformador de 75 KVA de capacidad, es del tipo seco y maneja voltajes de 440 volts a 220-127 volts, su conexión es del tipo delta-estrella. Se ubica en la planta baja del edificio dentro de un cubo o bóveda, en donde solo el personal autorizado tiene acceso. La superficie de constricción del edificio A-1 es de 2,559 m², tienen tres niveles: planta baja, primer piso y segundo piso. LEVANTAMIENTO DE DATOS DEL EDIFICIO A-1 Levantamiento arquitectónico Este levantamiento consistió en visitar el edificio a analizar para tomar las dimensiones de la superficie construida y medir independientemente las zonas en que esta dividido desde salones, oficinas, auditorio y pasillos, esto con la intención realizar los planos que son necesarios para conocer dimensiones y ubicación de las zonas. Censo de carga Mediante las visitas efectuadas al edificio se realizó un censo de cargas para conocer la cantidad de luminarias que existe tanto en las aulas de estudio como oficinas y el Auditorio, así como la revisión de la iluminación exterior. En lo referente a cómputo se consideraron los monitores, CPU, impresoras y no brake´s existentes los cuales están ubicados en oficinas principalmente. En el caso de los misceláneos se agregaron todas las cargas restantes como ejemplo tenemos: TV, reproductores de DVD, cafeteras, ventiladores, fotocopiadoras, etc. El censo de cargas consistió en visitar cada área en específico y hacer un conteo de la cantidad de equipos existentes dentro de los apartados antes mencionados como iluminación, cómputo, etc. además de conocer la cantidad de watts que consume cada uno de los dispositivos instalados. Para el caso de la iluminación se realiza mediante la suma del consumo de cada una de sus lámparas más un 20 % de perdidas debidas al balastro, ya que su carga de este es puramente reactiva, el 20 % es debido a que este es un valor promedio para el tipo de balastro con el que se cuenta que es un balastro electromagnético, el porcentaje antes mencionado es un valor aceptable con el que se pueden calcular las perdidas en este tipo de balastros. Por ejemplo: Para el caso de los luminarios de 4 x 40 w tenemos: 4 x 40 W = 160 W x 1.20 = 192 watts por cada luminario de 4 x 40 watts En donde 4 es la cantidad de lámparas en el luminario, 40 W su potencia de cada lámpara, 160 W el total de la potencia de las lámparas, 1.20 las pérdidas que se consideran del balastro ya que es electromagnético y 192 W la potencia total del luminario, en este caso uno de 4 x 40 W. Para conocer la potencia en los otros equipos existentes se consideró los datos de placa de cada uno de los dispositivos.

Además para conocer los datos que se incluyen en el análisis realizado se necesitan también datos del inmueble como son: m² de construcción, m² por área ya sean oficinas, aulas de estudio, baños etc., y con esto dividir por zonas para conocer la carga instalada por cada una de ellas. Para ello se realizó un levantamiento arquitectónico y con esto conocer todas las dimensiones. Análisis energético Con la intención de conocer la demanda de energía eléctrica que existe en el edificio se realizo un análisis energético, por medio de este obtenemos parámetros que nos indican en donde se localiza el mayor porcentaje de consumo y de demanda de energía eléctrica. Para este análisis los apartados a considerar son: • • • •

Iluminación Iluminación exterior Computo Misceláneos (cafeteras, televisores, DVD, etc.)

Los datos obtenidos se utilizan y se capturan para posteriormente efectuar formulas para conseguir los resultados que nos indicaran en promedio las características del edificio en cuando a consumo y demanda de energía eléctrica. El análisis realizado se ve reflejado en un resumen que nos señala que apartado consta de más carga instalada, la cual demanda más watts, watts sobre m² etc. se añaden graficas para hacer visual los aspectos de las demandas y con esto tener un conocimiento previo de lo sucedido en cada uno de los edificios. El cuadro del análisis (resumen) indica: • • • • • • •

Kilowatts instalados Kilowatts demandados Kilowatt hora al mes Watts sobre metro cuadrado Kilowatt hora sobre metro cuadrado anual Porcentaje de demanda Porcentaje de consumo

En donde: Kilowatts instalados: se refieren a al cantidad de carga instalada con la que cuenta el edificio sin importar este en uso o no y se obtiene sumando todas las cargas localizadas en el inmueble. Kilowatts demandados: es el consumo de electricidad que existe en promedio debido a que la carga instalada que se localiza en el inmueble no se utiliza al 100%, tanto para iluminación como para contactos existen, factores de demanda. Kilowatt hora al mes: es el consumo de energía eléctrica en el transcurso de un mes. Watts sobre metro cuadrado: es la densidad de potencia eléctrica sobre la superficie construida, con este conocemos la eficiencia energética, para lograr un uso más eficiente de la energía eléctrica. Kilowatt hora sobre metro cuadrado anual: es la densidad de potencia a lo largo de un año. Porcentaje de demanda: este porcentaje hace referencia a cual de los apartados diferentes incluidos en el análisis realizado nos demanda una mayor cantidad de energía eléctrica. Porcentaje de consumo: este porcentaje nos indica cual de los apartados antes mencionados consume más energía eléctrica.

Los resultados obtenidos en el resumen que a continuación se presenta del edificio A-1, son elaborados por medio de una base de datos en los que se vaciaron todos los detalles obtenidos en las visitas realizadas a las áreas que comprenden el edificio, en base a lo recabado y por medio de cálculos realizados en Excel. La base de datos contiene: El nombre del edificio analizado, el recito visitado y su carga instalada tanto de iluminación como de misceláneos (se entiende por misceláneos los dispositivos encontrados como televisores, cafeteras etc.) y computo. Además una estimación de horas de uso, potencia del dispositivo o de la luminaria y marca de ser visible, esto por futuras referencias si se da el caso de encontrar otro elemento igual. RESULTADOS DEL EDIFICIO A-1 Tabla 1: Resumen de cargas del edificio A-1 kW inst

kW dem

kWh/mes

W/m2

iluminación computo alumbrado exterior misceláneos

58.10 14.56

23.28 4.79

5,404 855

22.70 5.69

kWh/m2 año 25.34 4.01

1.50

1.50

546

0.59

4.79

1.15

171

TOTAL

78.95

30.72

6,975

% demanda

% consumo

75.77% 15.59%

77.47% 12.25%

2.56

4.88%

7.82%

1.87

0.80

3.76%

2.45%

30.85

32.71

100%

100%

La superficie construida del edificio A-1 es de 2529.18m² Aquí es en donde se localizan los apartados antes mencionados junto con sus valores correspondientes, se observa que la carga instalada ha superado la carga para la que fue diseñado el transformador. Otro detalle a mencionar es que el mayor consumo se debe a la iluminación, además existe una gran cantidad de luminarios y es aquí donde se localiza un gran punto para implementar propuestas de ahorro de energía. Como ya se menciono antes un cambio de lámparas junto con balastros que tengan menos perdidas ayudaría a reducir el consumo de energía eléctrica y con esto se verían reducidos los gastos que se dan mes con mes en la factura de Luz y Fuerza. Porcentaje de Demanda 4.88%

3.76%

15.59% iluminación computo alumbrado exterior 75.77%

misceláneos

Figura 1: Grafica de porcentaje de demanda En la Figura 1 se observa con claridad que el mayor porcentaje de demanda es debido a la iluminación, esta constituida en su mayoría por iluminación del tipo fluorescente, en su mayoría del tipo 4 x 40 W, el consumo se vera reducido al implementar lámparas de menor consumo (las llamadas Ahorradoras), estas a su vez proporcionan mas intensidad luminosidad y mejor iluminación. Para llevar a cabo este plan de sustitución de lámparas se recomienda:

Vrm s Linea1 (V )

V rm s Linea2 (V )

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

01:10:00 p.m. + .000500

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

01:10:00 p.m. + .000500

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

1. Realizar la sustitución por completo en un solo nivel y considerar implementarlo en toda la escuela al ver el ahorro.

2. Empezar la adquisición de lámparas ahorradoras y que poco a poco estas sean sustituidas por las que se usan actualmente.

CALIDAD DE LA ENERGÍA DEL EDIFICIO A-1

Para realizar un estudio correcto al edificio A-1 se instalo un analizador de redes al transformador, con esto se encontraron las tendencias en cuanto a frecuencia, voltaje y corriente, de esto se encontró lo siguiente:

6 0.1 5 F re cu en cia (H z)

6 0.0 5 60 .1

5 9.9 5 60

5 9.8 5 59 .9

5 9.7 5 59 .8

F rec ue nc ia (H z)

Figura 2: Grafica de frecuencia

En la grafica de frecuencia se encuentra una tendencia en los 60Hz, la cual es la frecuencia que la compañía suministradora proporciona, en este aspecto no se encuentra mayor problema debido a que las variaciones encontradas en la grafica de frecuencia son menores y por el aspecto normativo la frecuencia puede tener variaciones hasta de un ± 0.8 %, como se puede ver en la grafica las variaciones no superan los parámetros establecidos. 140

135

130

125

120

115

V rm s Linea3 (V )

Figura 2: Grafica de voltaje

En cuanto a voltaje se encontró que existen variaciones, pero estas se encuentran dentro de los parámetros permitidos que son del ± 10%. Pero hablando de calidad de la energía, estos parámetros deberían de tender a unas variaciones menos excesivas, ya que el equipo actual tiende a tener menos tolerancia y debido a esto tener fallas.

250

200

150

100

50

Arms Linea1 (A)

Arms Linea2 (A)

Arms Linea3 (A)

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

01:10:00 p.m. + .000500

11:50:00 a.m. + .000500

10:30:00 a.m. + .000500

09:10:00 a.m. + .000500

07:50:00 a.m. + .000500

06:30:00 a.m. + .000500

05:10:00 a.m. + .000500

03:50:00 a.m. + .000500

02:30:00 a.m. + .000500

01:10:00 a.m. + .000500

11:50:00 p.m. + .000500

10:30:00 p.m. + .000500

09:10:00 p.m. + .000500

07:50:00 p.m. + .000500

06:30:00 p.m. + .000500

05:10:00 p.m. + .000500

03:50:00 p.m. + .000500

02:30:00 p.m. + .000500

0

Arms Neutral (A)

Figura 2: Grafica de corriente En la grafica de corriente podemos observar la tendencia del uso de equipo en cuanto a las horas laborales, existe una disminución de consumo en horas de poca labor y viceversa, al llegar las horas laborables la corriente tiende a subir de manera gradual y descender de la misma forma según se acaben las horas laborales. Hay que hacer mención a que existe un nivel excesivo de corriente en el neutro debido a la gran cantidad de computadoras e iluminación fluorescente con la que cuenta el edificio. DENSIDAD DE POTENCIA ELECTRICA PARA ALUMBRADO Para este caso se encontró que los niveles recomendados para lograr un uso eficiente de energía eléctrica para alumbrado esta por debajo de lo recomendado como se puede observar en la tabla 2 DPEA del edificio A-1. Tabla 2: DPEA del edificio A-1

Zona

Recinto

Watts Inst.

Área (m²)

DPEA (W/m²)

DPEA NOM-007ENER (W/m²)

Servicios Escolares Servicios Escolares Servicios Escolares Pasillos Pasillos Sanitarios Trabajadores Auditorio Auditorio Auditorio Auditorio Auditorio Aulas de estudio Pasillos Pasillos Aulas de estudio Pasillos Pasillos Azotea

Cub. Licenciada Cub. Ingenieros Servicios Esc. Pasillo izq. Pasillo der. Baños Cabina de control Butacas Escenario Pasillo Camerinos A-111 Pasillo Pasillo A-121 Pasillo Pasillo Azotea

768 768 6712 1612 1644 508 92 3456 6344 92 1268 2304 3072 368 1152 3072 368 1500

12.8 44.75 245.75 76.63 134.42 31.09 9.97 114.23 68.93 10.89 34.46 78.2 231.66 30 38.59 231.66 30 814.29

60.00 17.16 27.31 21.04 12.23 16.34 9.23 30.25 92.04 8.45 36.80 29.46 13.26 12.27 29.85 13.26 12.27 1.84

14 14 14 7.5 7.5 10.8 16 16 16 16 16 16 7.5 7.5 16 7.5 7.5 1.8

Para establecer niveles eficientes de energía eléctrica para alumbrado, nos valemos de los DPEA (Densidad de Potencia Eléctrica para Alumbrado), los cuales están incluidos en la NOM-007-ENER-2004, su intención es la implementación de diseños y uso de nuevos equipos y tecnologías para incrementar los niveles de eficiencia energética en alumbrado. NIVELES DE ILUMINACION En cuanto a iluminación podemos mencionar que sus niveles están por debajo de lo recomendado como se puede observar en la tabla 3 niveles de iluminación encontrados en el edificio A-1. Tabla 3: Niveles de iluminación en el edificio A-1 NIVELES MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE ILUMINACIÓN ENCONTRADOS EN EL EDIFICIO A-1 Áreas DÍA NOCHE Persianas Cerradas Persianas Abiertas Zona Área especifica Luces Luces Luces encendidas Luces encendidas encendidas apagadas Servicios Oficina 435/398 623/513 401/308 408 Escolares Licenciada Cubiculo 280/205 597/382 315/176 266 Ingenieros Áreas de trabajo No hay persianas 468/340 295/125 315 Pasillos *** 290 2350 290 Auditorio Cabina No hay persianas 192 0 192 Asientos No hay persianas 426 0 426 Área exposiciones No hay persianas 360 0 360 Camerinos No hay persianas 240 0 240 Cuarto Aire A. No hay persianas 200 0 200 Aulas de Estudio A-111 300/251 1218/311 1026/19 280 A-112 No hay persianas 1200/290 997/187 297 A-113 No hay persianas 682/504 203/70 256 A-114 No hay persianas 2742/302 2508/153 268 A-115 No hay persianas 1232/315 1023/113 288 A-116 318/278 1250/349 1068/140 305 Pasillos *** 286 2540 286 A-121

335/280

675/234

447/50

A-122 380/260 1215/302 872/102 A-123 No hay persianas 640/459 181/52 A-124 No hay persianas 2825/350 2600/186 A-125 No hay persianas 1218/310 1000/105 A-126 No hay persianas 1535/333 1320/125 A-127 210/194 1360/262 1099/52 A-128 404/269 1331/324 1071/69 A-129 395/262 1335/318 1015/66 A-130 389/255 1293/302 1085/62 Pasillos *** 270 2480 La posicion en que se encuentra el edificio dificulta la entrada de luz natural en aulas y oficinas.

270 240 308 291 255 269 277 282 301 263 270

Los niveles encontrados en promedio son de 300 luxes, para tener un nivel de iluminación recomendado se necesita mínimo 600 luxes en oficinas y 700 en aulas de estudio.

Entre las propuestas para lograr mejoras para lograr un ahorro de energía en el edificio A-1 se pueden mencionar las siguientes: Con la mínima Inversión: • • •

Colocar anuncios para que los usuarios apaguen las luces en horas de desuso. Poner en modo de suspensión computadoras cuando no se usen. Informar al personal de mantenimiento cuando las luces en los pasillos estén encendidas en horas inapropiadas.

Con Inversión: •

Realizar un cambio de lámparas T-12 (actuales), por T-8 (ahorradoras), para reducir el consumo de energía eléctrica.

REFERENCIAS 1.

NORMA Oficial Mexicana NOM-007-ENER-204, Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en edificios no residenciales. DIARIO OFICIAL. Pag. 8 y9.

2.

Manual Eléctrico. Pycsa México. Nivel luminoso recomendado en lux. Pag. 88 y 89.