¿Qué son las unidades manejadoras de aire?
La Climatización consiste en la creación de parámetros ambientales de humedad,
temperatura y limpieza del aire que sean adecuadas para el confort de zonas habitables. Algunas
definiciones anexas también incluyen la presión como variable a considerar. Un sistema de Climatización,
también conocido como HVAC por sus siglas en inglés “Heating, Ventilation and Air-Conditioning”,
corresponde al conjunto de tecnologías que entregan un confort ambiental al interior de un recinto.
El principal componente de los sistemas HVAC son las denominadas UMA (unidad manejadora de aire) o UTA (Unidad de tratamiento de aire.)
Las UMA permiten variar la temperatura, humidificar y filtrar el aire a través de baterías de frío, calor y vapor. Además, posee una
serie de filtros para mejorar la pureza del aire circulante. A su vez vienen equipados con reguladores de flujo, cajas de mezcla de
aire y recuperadores de energía, entre otros componentes.
Por sí mismos las UMA no producen calor ni frío ya que éstos se generan externamente por medio de calderas o de máquinas frigoríficas
(Chiller), por tuberías de agua o gas refrigerante. Pueden las UMA no obstante hacer aportes de calor mediante una serie de intercambiadores
presentes en su interior.
Existen diversos tipos de configuraciones para las UMAs, tales como climatizadores con caja de mezcla y climatizadores con intercambiadores
de calor o recuperadores de calor.
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Uso de unidades manejadoras de aire en hospitales
En los centros Hospitalarios la ventilación y el acondicionamiento del aire tiene que cumplir con una serie de requisitos especiales,
inherentes con las propias funciones y considerando la susceptibilidad de los pacientes. Además del mantenimiento del clima ambiental,
uno de los cometidos específicos de la instalación de acondicionamiento de aire es la reducción de la concentración de agentes
contaminantes, tales como microorganismos, polvo, gases narcóticos, desinfectantes, sustancias odoríferas u otras sustancias contenidas
en el ambiente.
La finalidad de los sistemas de climatización y ventilación de un pabellón quirúrgico es minimizar la transferencia aérea de gérmenes de las salas
menos limpias a las más limpias y mantener la calidad del aire y las condiciones de temperatura y humedad dentro de los niveles aceptables,
garantizando a la vez que los propios sistemas de climatización no sean una fuente de contaminación e infecciones.
Los parámetros de instalación de climatización están establecidos por normas internacionales tales como la UNE y ASHRAE. A continuación se
presenta un cuadro resumen: (click para ampliar)
Sistema de Control Automático
El control difuso o control experto, puede ser expresado mejor como un control a través de palabras que interpretan el sentido común,
en lugar de números, o bien sentencias en lugar de ecuaciones. En la imagen adyacente se aprecian las distintas etapas en un controlador
difuso y los tipos de variables en cada etapa.
La etapa de fusificación, le otorga a los datos de entrada un grado de membresía dentro de las distintas expresiones posibles, para ello
busca la correspondencia entre el estado de las variables, y las funciones de pertenencia definidas para tal propósito. Desde luego,
para un determinado valor de una variable, su grado de pertenencia será mayor en una expresión que en las demás. Una vez que se tienen
expresados los estados de las variables en forma lingüística se pueden establecer relaciones lógicas entre ellas, típicamente a través
de reglas tales como si...entonces (IF-THEN). Se definen una serie de relaciones que interpretan el sentido común, y permiten generar
una actuación deseada (en estado lingüístico), que debe ser aplicada a la planta. Luego esta debe ser traducida a número (desfusificación),
para que luego el conversor digital-análogo la convierta a señal de tal modo que pueda ser aplicada a la planta.
Sistema de Control Avanzado (Lógica Difusa y Estimador de Carga Térmica)
Mediante la incorporación de un estimador de carga térmica del pabellón qirúrgico, se puede obtener la temperatura y humedad relativa que debe
existir en el exterior para poder ser aprovechada por el sistema, optimizando el uso de los actuadores y por ende generando eficiencia
energética. Esto se logra incorporando transmisores de T&HR (temperatura y humedad relativa) en la zona de inyección del HVAC y en el exterior,
los cuales aportan información necesaria para el algoritmo del estimador y control experto.
Para llevar a cabo las pruebas del sistema de control, se ha diseñado un simulador en ambiente Matlab/Simulink, incorporando complejos modelos
matemáticos que logran simular tanto la unidad manejadora de aire y el pabellón quirúrgico, incorporando data histórica de condiciones atmosféricas
requeridas. Se han realizado pruebas de 5 días de duración funcionando el sistema de climatización bajo condiciones de verano e invierno.
El desafío que presenta la implementación del sistema de control a una Unidad Manejadora de Aire es grande, dado a que corresponden a sistemas
críticos dentro de la utilización de pabellones quirúrgicos en hospitales. Dado esto, la selección de componentes para su implementación y puesta
en marcha debe ser minuciosa. Los sensores y equipos a seleccionar deben ser robustos y orientados hacia procesos industriales. Esto proveerá
una alta confiabilidad hacia estos sistemas evitando fallas por problemas en módulos o tarjetas electrónicas, impidiendo una falla en el sistema
de climatización que pueda provocar graves problemas al interior de un pabellón quirúrgico o sala crítica. Para las pruebas de implementación del algoritmo
de control sobre equipos reales, se realizan pruebas FAT
Una prueba FAT (Factory Acceptance Test) permite simular un proceso real, mediante software u otra herramienta para poder
inspeccionar, revisar y verificar el correcto funcionamiento de equipos y sistemas apegándose a las especificaciones solicitadas. En el caso
del sistema de control, la prueba FAT permite verificar la correcta adecuación de las variables de control, verificar la lógica de control,
funcionamiento en casos de falla, revisión de protocolos de comunicación, etc. Esta prueba es una poderosa herramienta en la detección de
fallas y pruebas de estrategias de control previo a la puesta en marcha del proyecto.
El equipamiento utilizado corresponden a un PLC Micro850, PanelView C600 de Rockwell Automation. El equipamiento fue donado por la empresa (Link a página web de Rockwell Automation)
para el proceso de investigación y pruebas de implementación.
Equipos utilizados
Diagrama pruebas FAT
En la siguiente cuadro resumen se cuantifica la eficiencia obtenida bajo simulación para cada una de las condiciones comparando el control experto sin eficiencia energética y uno
con eficiencia mediante la implementación del estimador de carga térmica, para el caso de verano se obtiene una eficiencia de un 31.3% y para
el caso de invierno un 55.71%
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Resultados (tendencias) de Simulaciones
Condiciones de Verano
Condiciones de Invierno
¿Por qué elegir esta solución?
El sistema de control experto, es una estrategia de control útil para plantas multivariables como es el caso de las unidades de
tratamiento de aire, el cual permite controlar las variables de temperatura y humedad relativa del pabellón en los valores establecidos
en las normas, además el sistema es capaz de responder ante perturbaciones de distintas cargas térmicas y condiciones atmosféricas.
Al comparar los controladores con y sin estimador de carga térmica, en este último se aprecia una disminución del uso de los distintos actuadores;
este dependerá de la época de año. Por ejemplo, para las condiciones de verano, el actuador de frío el 60% del tiempo tiene
un porcentaje de apertura entre 60% a 80%, en cambio con estimador el 60% del tiempo se encuentra entre 30% y 50% de uso. Al analizar la energía
total transferida por cada actuador se cuantifica la eficiencia energética del control con estimador, obteniéndose en época de verano una eficiencia
de un 31,3% y para el caso de invierno un 55,71% en comparación a controladores sin estimación de carga térmica. Por lo tanto, el diseño implementado aprovecha de mejor manera las condiciones ambientales, es
decir, siempre que la temperatura y humedad relativa provenientes del ambiente, cumplan con el valor necesario para mantener los valores de
referencia en el pabellón quirúrgico, se obtendrá un ahorro energético; es importante recalcar que dichos resultados se obtuvieron con datos históricos
de los años 2008 – 2009
