FACTORES DE DISEÑO DE CARGA DE CONSUMO ENERGÉTICO DE CONEXIÓN

Las cargas de enchufe contribuyen de manera importante a la carga máxima de aire acondicionado y al consumo de energía de un edificio. Las cargas de los enchufes a lo largo del tiempo han evolucionado para convertirse en un porcentaje mayor del aumento de calor general de un edificio. Dos factores son responsables de esta mayor importancia. En primer lugar, con el tiempo, el uso de la computadora ha seguido aumentando, lo que resulta en un número mucho mayor de computadoras personales en uso en los edificios. En segundo lugar, los avances en las técnicas de construcción han mejorado las envolventes y reducido esa porción del uso de carga / energía.
A medida que la tecnología del sistema y la envolvente del edificio han mejorado, la tecnología informática ha avanzado. La computadora portátil de menor energía y el uso del monitor LCD están más extendidos, al mismo tiempo que se ha incrementado la potencia de computación, el uso de periféricos y el uso de monitores mejorados o múltiples.
La industria se está moviendo hacia un enfoque mucho mayor en edificios con bajo consumo de energía e incluso en edificios con cero energía neta. Parte de este movimiento de la industria resulta en una necesidad de diseño basado en los supuestos de carga de enchufe más bajos posibles. Cada proyecto o aplicación es diferente, y a menudo se les pide a los ingenieros que apliquen su criterio para supuestos de carga de enchufe sin el beneficio de toda la información necesaria o disponible. Este artículo está destinado a proporcionar datos y recomendaciones que permitirán a los ingenieros tomar estas decisiones importantes sobre cuán bajo pueden llegar en términos de supuestos de carga de enchufe para un proyecto o aplicación específica.

 

Perspectiva histórica

El uso de computadoras en los edificios comenzó a ser frecuente y comenzó a ser una consideración en la construcción de cargas de aire acondicionado en la década de 1980. En ese momento, las cargas generalmente se calculaban en base a los datos de la placa de identificación en las computadoras y otros equipos electrónicos. A fines de la década de 1980, el uso de la computadora comenzó a extenderse. En esta época, los autores observaron que no era raro que los sistemas de aire acondicionado se dimensionen para cargas de enchufes de 3 a 5 W / [ft.sup.2] (32 a 54 W / [m.sup.2]) .
Un artículo de ASHRAE Journal (1) de 1991 informó sobre investigaciones realizadas en Finlandia donde se midió la carga real de computadoras y otros equipos y se la comparó con los datos de la placa de identificación. Este esfuerzo relativamente modesto reveló que la carga medida de este equipo típicamente era solo del 20% al 30% de los datos de la placa de identificación. Esta revelación proporcionó la primera evidencia sólida de este problema y cambió la forma en que se consideraban las cargas de enchufe en los cálculos de carga y energía.
A continuación, Wilkins y McGaffin en 1994 (2) informaron mediciones en cinco edificios de oficinas de la Administración de Servicios Generales de EE. UU. (GSA) en el área de Washington, D.C. Su trabajo incluyó la medición informal de una gran muestra de elementos de equipos individuales, así como las mediciones en paneles que sirvieron equipos de computación dentro de un área determinada del edificio. Los resultados proporcionaron una verificación adicional de la discrepancia en la placa de identificación del equipo individual, proporcionaron datos medidos para la determinación del factor de carga de un área y, por primera vez, permitieron deducir el factor de diversidad de carga en base a los datos medidos.

Ganancia máxima de calor (Vatios) vs calificación de la placa de identificación (Vatios)

ASHRAE siguió esta investigación informal con la ejecución de dos proyectos de investigación: RP-822 (1996), “Método de prueba para medir la ganancia de calor y separación radiante / convectiva de equipos en edificios” y RP-1055 (1999), “Medición de Heat Gain y Radiant / Convective Split from Equipment in Buildings “. (3,4) Los resultados experimentales corroboraron los hallazgos anteriores, pero lo hicieron de una manera más formal y trazable. Todo este trabajo condujo a un artículo de ASHRAE Journal ampliamente referenciado en 2000. (5) Esta información se incorporó al Manual de ASHRAE – Fundamentos a partir de 1997 y luego se expandió significativamente en la edición de 2001.

Datos actuales del manual de ASHRAE

Los datos presentados en el Manual de ASHRAE 2009 – Fundamentos, Capítulo 18, Cálculos de refrigeración no residencial y carga de calefacción, en relación con las cargas de equipos de oficina (o cargas de enchufe) se basan en gran medida en la investigación y las publicaciones citadas anteriormente. Los datos se presentan en varios formatos y desgloses, pero se pueden resumir mejor considerando la Tabla 11 en el Capítulo 18, que establece que un edificio de oficinas de “densidad media” tendrá una carga de enchufe de 1 W / [ft.sup.2] ( 10.8 W / [m.sup.2]). Se cree que este valor de 1 W / [ft.sup.2] (10.8 W / [m.sup.2]) ha sido ampliamente utilizado en la industria desde mediados de la década de 1990. Los autores creen que este valor es, y siempre ha sido, algo conservador cuando se usa en entornos de oficina. Sin embargo, su uso ha demostrado proporcionar un equilibrio apropiado para cubrir cargas potenciales futuras sin introducir un sobredimensionamiento significativo en los sistemas de construcción.

Densidad de carga de conexiones de poder (Vatios/Pie cuadrado)

 

Tendencias hasta la fecha

Este enfoque y el factor de carga recomendado se han mantenido prácticamente iguales desde mediados de los años noventa. La tecnología informática ciertamente ha cambiado desde ese momento, pero hasta hace poco, no había necesidad de cambiar el uso de 1 W / [ft.sup.2]. De hecho, Koomey, et al (6) realizaron un estudio exhaustivo e informaron en diciembre de 1995 donde se pronosticaba que las cargas de enchufe en edificios de oficinas disminuirían modestamente al menos hasta 2010 (Figura 1).
Se esperaba que esta disminución se debiera a los avances técnicos que resultarían de ENERGY STAR y otros programas relacionados. Sus predicciones se basaron en el uso de energía, no en los valores de carga máxima, pero se cree que estas tendencias serían similares y, de hecho, la historia ha demostrado que este es el caso. Los equipos de oficina se han vuelto más eficientes y la intensidad general de la carga de enchufes ha disminuido.

Estado actual de las cargas conectadas

Aquí no se intenta predecir el futuro del mundo de la tecnología de la información (TI), pero estudios recientes, como se describe más adelante, han proporcionado datos nuevos que brindan una imagen más clara del estado actual de las cargas de enchufe. Es importante comprender el estado actual del equipo que contribuye a las cargas de enchufe y cómo este equipo ahora en uso difiere del equipo en uso en el momento 1 W / [ft.sup.2] (10.8 W / [m.sup. 2]) resultó ser un factor de carga apropiado. Hosni y Beck han completado recientemente el último proyecto de investigación patrocinado por ASHRAE RP-1482, “Actualización a mediciones de datos de ganancia de calor en equipos de oficina” (7) donde las mediciones se obtuvieron de una muestra actualizada de equipos de oficina, incluyendo computadoras portátiles y monitores de pantalla plana (LCD).
Las computadoras de escritorio muestran una tendencia hacia el aumento de la energía máxima, pero el modo de suspensión se ha vuelto mucho más efectivo con el tiempo. Este aumento en la potencia máxima de la computadora de escritorio se ha visto compensado por el menor consumo de energía de los monitores LCD. El uso de una computadora portátil, en lugar de una computadora de escritorio y un monitor LCD, resulta en una reducción bastante significativa de la potencia máxima. Está claro que la popularidad, la flexibilidad, el costo y la potencia de cómputo de la computadora portátil han expandido su uso y se espera que resulte en una reducción significativa en los niveles de potencia de carga de la electricidad utilizada en los enchufes.
En el trabajo de Moorefield, se consideraron cuatro modos de operación para computadoras y monitores que incluían activo, inactivo, inactivo y en espera. Estas categorías se determinaron mediante el agrupamiento estadístico de los datos medidos y no según el funcionamiento interno del equipo. El consumo de energía durante lo que se denominó “suspensión y espera” fue generalmente bajo y se correspondió con los hallazgos de lo que Hosni llamó en modo reposo o inactivo en RP-1482.
A los efectos de las discusiones de cálculo de carga, parece que la consideración de solo dos modos, activo y de reposo, es apropiado. Moorefield también informó periodos de funcionamiento de la computadora portátil con niveles de potencia de hasta 75 W, pero no se proporcionó ninguna explicación de lo que contribuyó a esto.
Las computadoras portátiles pueden introducir una condición pico secundaria que podría ocurrir cuando la batería interna se está cargando mientras que al mismo tiempo el notebook está en pleno uso. Esta condición puede aumentar el consumo de energía hasta en 10 W durante el período de carga según las mediciones informales de Hosni. Los datos que se muestran en la Tabla 1 representan el pico para la condición de batería completamente cargada.
Reconociendo que las computadoras y monitores representan la mayor parte de las cargas de enchufe en la mayoría de los edificios de oficinas convencionales, la reducción de potencia durante la operación inactiva sin duda tendrá un impacto significativo en el consumo de energía y puede tener un impacto en la carga máxima de enfriamiento. La pregunta que debe responderse en términos de carga máxima de aire acondicionado es qué parte del equipo está en modo de suspensión en el momento de máxima carga de aire acondicionado. Para responder a esto, se debe considerar el factor diversidad.

Factores de diversidad

Los factores de diversidad no se presentaron en el trabajo de Moorefield, pero los datos que se recolectaron permitieron calcular una aproximación del factor de diversidad. Los datos sobre el uso de la energía se obtuvieron de grupos de equipos individuales y luego se promediaron estos grupos de datos. La diversidad es entonces la energía media medida dividida por la energía máxima medida. En este caso, el pico medido representa el promedio de los picos para todos los equipos del tipo dado que estaba en el estudio.

Diversidad de computadores de escritorio vs días de la semana

Diversidad de la estación de acoplamiento portátil vs días de la semana

Las Figuras 2 y 3 representan curvas detalladas de las densidades de carga de conexiones y diversidad de computadoras de escritorio. Se eligió y presentó una sola semana de datos que representa el extremo más alto de uso.

Impacto en los factores de carga

La forma más útil de estos datos para uso de los ingenieros que realizan cálculos de carga es cuando se presenta como un factor de carga, como vatios por pie cuadrado (W / [ft.sup.2]). Este nuevo equipo y datos de factores de diversidad se combinaron con algunas suposiciones generales y se usaron para generar los datos de factor de carga actualizados presentados. Se puede ver que si se supone un uso 100% portátil y se aplican factores de diversidad típicos, las cargas de enchufes podrían ser realistas ser tan bajo como 0.25 W / [ft.sup.2] (2.7 W / [m.sup.2]). Incluso el uso ligero y medio de las computadoras de escritorio da como resultado cargas de enchufe por debajo del tradicional 1 W / [ft.sup.2] (10.8 W / [m.sup.2]). Se pueden considerar escenarios más extremos, como el caso donde todas las estaciones de trabajo usan dos monitores de tamaño completo que pueden dar como resultado una carga de enchufe de 1 W / [ft.sup.2] o más. El escenario más extremo considerado supone un uso muy denso del equipo sin diversidad en absoluto y da como resultado un factor de carga de enchufe de 2 W / [ft.sup.2] (21.5 W / [m.sup.2]).
Los factores de carga presentados se basan en condiciones hipotéticas con los mejores datos disponibles que se les aplican. Cada uno de estos incluye un factor para tener en cuenta algún nivel de equipamiento periférico, como altavoces. Este análisis sugiere que habrá muchos casos en los que se puede asumir que la carga de tapón de diseño está por debajo del valor tradicional de 1 W / [ft.sup.2] (10.8 W / [m.sup.2]) sin riesgo de subdesarrollo. Diseñando el sistema hay muchos factores que pueden afectar la carga de enchufe real de un espacio o edificio específico y se debe prestar especial atención a los supuestos utilizados para cualquier condición dada.

Diversidad de pantalla vs días de la semana

 

Conclusiones

Casi todos los proyectos de construcción actuales tienen el objetivo de utilizar la energía mínima posible y tener una pequeña huella de carbono en general. El equipo de cómputo utilizado en las oficinas ha sido parte de la tendencia general hacia la reducción del uso de energía. Ahora es posible concebir de manera realista un espacio de oficina que podría tener una carga máxima de enchufe tan baja como 0,25 W / [ft.sup.2] (2,7 W / [m.sup.2]). Cuando este nivel de carga de enchufe inferior se acopla con los objetivos de densidad de potencia de iluminación más bajos, el resultado es que las cargas internas del edificio se reducen a niveles muy bajos.
Usar una suposición de carga de enchufe muy baja en un intento de diseñar edificios de energía ultra baja implica cierto riesgo. El ocupante en el momento del diseño puede haber adoptado totalmente una mentalidad de oficina de baja energía, pero en el futuro, puede haber nuevos ocupantes con menos dedicación o equipos con diferentes consumos de energía. Sin embargo, los nuevos datos sugieren que ha llegado el momento de volver a examinar el uso de 1 W / [ft.sup.2] (10.8 W / [m.sup.2]) como la norma de la industria por defecto.