Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2018

Diseño energético, eléctrico y de comunicaciones para un edificio Diseño energético, eléctrico y de comunicaciones para un edificio

inteligente residencial: caso de estudio inteligente residencial: caso de estudio

Jonathan Stiven Martínez Giraldo Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada Martínez Giraldo, J. S. (2018). Diseño energético, eléctrico y de comunicaciones para un edificio inteligente residencial: caso de estudio. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/181

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DISEÑO ENERGÉTICO, ELÉCTRICO Y DE COMUNICACIONES PARA UN

EDIFICIO INTELIGENTE RESIDENCIAL – CASO DE ESTUDIO

JONATHAN STIVEN MARTINEZ GIRALDO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2018

DISEÑO ENERGÉTICO, ELÉCTRICO Y DE COMUNICACIONES PARA UN

EDIFICIO INTELIGENTE RESIDENCIAL – CASO DE ESTUDIO

JONATHAN STIVEN MARTINEZ GIRALDO

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de

Ingeniero Electricista

Director

Ing. SANDRA YOMARY GARZÓN LEMOS, M.Sc.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2018

3

Nota de Aceptación:

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

Firma del presidente del jurado

_______________________________

Firma del jurado

_______________________________

Firma del jurado

Bogotá D. C., Mayo 2018

4

DEDICATORIA

A mis padres

Por cumplir un objetivo de familia, porque hicimos un equipo y un conjunto de esfuerzos

para cumplir el sueño de ser el primer profesional de una generación, con el fin de que las

generaciones que partan de ahora en adelante sean académicamente exitosos y puedan gozar

de una buena calidad de vida.

Adolescentes Colombianos

Porque sí se puede cambiar un país enfocándose desde temprana edad, con el fin de tener

una vejez tranquila rodeada de éxitos y metas cumplidas.

Bogotá D.C., 2018

.

5

AGRADECIMIENTOS

Expreso mis sinceros agradecimientos a:

Sandra Garzón, ingeniera electricista, por su colaboración constante con todo lo relacionado

al proyecto de grado, por compartir sus conocimientos y material bibliográfico con el fin de

ayudar a mi crecimiento profesional durante mi proceso académico.

A mis padres María Duvia Giraldo Cano y José Wilfredo Martínez Hernández, por el apoyo

incondicional, por los esfuerzos que han realizado durante el transcurso de mi vida, pero

sobre todo, por el compromiso que tuvieron al hacer cumplir mi sueño profesional.

6

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 9

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 10

2.1. DISEÑO ENERGÉTICO ...................................................................................... 10

2.2. COMUNICACIONES Y SEGURIDAD ............................................................... 12

3. DISEÑO ELÉCTRICO.............................................................................................. 18

3.1. DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO ........................................................ 20

3.2. MEMORIAS DE CÁLCULO ............................................................................... 21

3.2.1. CAPACIDAD DE CORRIENTE Y CALIBRES MINIMOS ....................... 22

3.2.2. CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS RAMALES ........................................... 22

3.2.3. PROTECCIÓN POR INTERRUPTORES DE CIRCUITO POR FALLA A

TIERRA .................................................................................................................. 22

3.2.4. CÁLCULO DE CANALIZACIONES .......................................................... 22

3.2.5. REGULACIÓN DE TENSIÓN .................................................................... 23

3.2.6. CUADROS DE CARGA .............................................................................. 24

3.2.7. BALANCE DE CARGAS ............................................................................ 25

3.2.8. DEMANDA .................................................................................................. 26

3.2.9.CÓDIGO DE COLORES PARA CONDUCTORES EN AC ....................... 27

3.2.10. DISTANCIAS MÍNIMAS DE SEGURIDAD ART.13 RETIE ................. 28

3.2.11. EVALUACIÓN DEL NIVEL DE RIESGO ELÉCTRICO ........................ 28

4. DISEÑO ENERGÉTICO .......................................................................................... 31

4.1. ANALISIS COMPARATIVO DE LAS FUENTES DE ENERGÍA PROPUESTAS.

31

4.2. MEMORIAS DE CÁLCULO ............................................................................... 31

5. DISEÑO DE SEGURIDAD, COMUNICACIONES Y CONTROL INTELIGENTE

40

5.1. SEGURIDAD ....................................................................................................... 40

5.2. COMUNICACIONES .......................................................................................... 42

5.3. CONTROL INTELIGENTE ................................................................................. 43

6. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 46

7. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 47

8. ANEXO - PLANIMETRIA ....................................................................................... 49

7

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Análisis de sistemas energéticos ............................................................................ 10

Tabla 2. Canalizaciones…………………………………………………………………….22

Tabla 3. Regulación de tensión desde transferencia hasta tableros de distribución ............. 23

Tabla 4. Cuadro de cargas apartamento 201......................................................................... 24

Tabla 5. Cuadro de cargas apartamento 202......................................................................... 24

Tabla 6. Cuadro de cargas apartamento 301......................................................................... 24

Tabla 7. Cuadro de cargas apartamento 302......................................................................... 25

Tabla 8. Cuadro de cargas tablero de distribución de zonas comunes. ................................ 25

Tabla 9. Balance de cargas – edificio caso de estudio.......................................................... 26

Tabla 10. Código de colores………………………………………………………………..27

Tabla 11. Distancias de seguridad………………………………………………………….28

Tabla 12. Nivel de riesgo eléctrico…………………………………………………………29

Tabla 13. Valores límites de exposición a campos electromagnéticos…………………….30

Tabla 14. Consumo de energía diario por unidad de vivienda desde las 00:00 hasta las 12:00

horas del día. ......................................................................................................................... 34

Tabla 15. Consumo de energía diario por unidad de vivienda desde las 13:00 hasta las 24:00

horas del día. ......................................................................................................................... 35

Tabla 16. Matriz de seguridad……………………………………………………………...45

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Pág.

Ilustración 1. Diseño arquitectónico y eléctrico Piso 1 – Edificio caso de estudio…………20

Ilustración 2. Diseño arquitectónico y eléctrico Piso 2 y 3 - Edificio caso de estudio……..21

Ilustración 3. Diseño arquitectónico y eléctrico Piso 4 – Edificio caso de estudio…………21

Ilustración 4. Sistema de energía solar fotovoltaico en planta. ............................................ 38

Ilustración 5. Sistema de energía solar fotovoltaico en corte frontal. .................................. 38

Ilustración 6. Sistema de energía solar fotovoltaico en corte lateral. ................................... 39

Ilustración 7. Conexión para funcionamiento del sistema de CCTV. .................................. 41

Ilustración 8. Sistema de comunicaciones piso 2 y 3 ........................................................... 43

Ilustración 9. Interfaz movil de control de iluminación, dimerizable como on/off .............. 44

Ilustración 10. Interfaz movil para control de cortinas ......................................................... 44

8

RESUMEN

Este proyecto está enfocado en integrar conceptos de edificaciones inteligentes, con el fin de

determinar recomendaciones que se pueden aplicar en las nuevas construcciones de vivienda

sostenible, para esto, se presentan 3 capítulos en donde se inicia con el diseño eléctrico de

una edificación de estrato 4 en la ciudad de Bogotá ya que este grupo de usuarios presenta

características de consumo con necesidades energéticas promedio, lo cual hace interesante

la aplicación de diseños hasta ser catalogado un edificio de vivienda inteligente, la segunda

parte, se pretende mostrar el análisis energético de este edificio, para esto, se realizan los

cálculos de suministro de energía eléctrica para que su alimentación sea por medio de un

sistema de energía renovable, además, contextualizar diseños de comunicaciones, seguridad,

tecnologías existentes y finalmente, la tercera parte se observa la integración de todos los

diseños, con el fin de que los usuarios mejoren su calidad de vida y el confort de las próximas

generaciones y dar un adelanto al concepto de vivienda inteligente mediante este caso de

estudio.

PALABRAS CLAVES

Diseño eléctrico, diseño energético, conceptos inteligentes, comunicaciones, seguridad.

9

1. INTRODUCCIÓN

De acuerdo a los avances tecnológicos y su aplicación, así como la urgente necesidad de

reducir consumos energéticos sin reducir los niveles de confort, y el desarrollo que ha tenido

la aplicación de los conceptos de edificios inteligentes en distintos lugares a nivel mundial,

en diferentes tipos de usuarios, es posible proponer un diseño eléctrico y energético que

soportado en estos conceptos no solo mejore el confort de los usuarios, sino que contribuya

a la eficiencia energética, reduzca los costos operativos de los edificios, y ofrezca seguridad

energética a quienes habitan o hacen uso de estas instalaciones.

El confort al que se hace referencia es al conjunto de condiciones óptimas que deben coincidir

simultáneamente en un espacio para lograr su máximo aprovechamiento y poder disfrutar de

actividades en algunos momentos, por ende, este proyecto busca resaltar la calidad de vida

en una vivienda multifamiliar a través de unos aspectos técnicos y tecnológicos que incluyan

la seguridad y las comunicaciones que en éste se diseñan y el abastecimiento de energía por

medio de un sistema solar fotovoltaico que garantice la necesidad de electricidad de una

manera eficiente y confiable.

10

2. MARCO TEÓRICO

Este edificio inteligente se refiere a una construcción que hace uso de tecnologías para hacer

más eficiente su uso y su control, por lo tanto, este caso de estudio estará delimitado a la

integración de un sistema eléctrico, un sistema energético (sistema solar fotovoltaico), un

sistema de CCTV (circuito cerrado de televisión), sistema ethernet, citofonía, teléfono,

sistema de red de incendios, sensores de movimiento, control de iluminación y control de

cortinas.

2.1. DISEÑO ENERGÉTICO

Se evaluaron 4 fuentes de energía (Solar fotovoltaica, Eólica, Biomasa y Geotérmica) que

podrían abastecer el suministro de energía eléctrica para el caso de estudio del edificio

propuesto, por lo tanto, se realizará la contextualización de cada fuente de energía para poder

brindar un acercamiento a los resultados que se plantean en el cuarto capítulo de este

documento, por lo tanto es importante tener en cuenta las ventajas y desventajas de las

energías propuestas, apoyado del Anexo No. 1 “Energías Alternativas”.

Tabla 1. Análisis de sistemas energéticos

TIPO DE

ENERGÍA

VENTAJAS DESVENTAJAS

Solar

Fotovoltaica

1. Es una energía limpia y no produce

ruido.

2. No produce gases que incrementen el

efecto invernadero (CO2)

3. Puede ser instalado en cualquier lugar

que se necesite, siempre y cuando la

cantidad de sol sea la suficiente para

que lo haga rentable.

4. No requiere infraestructura de

transmisión y distribución de la

electricidad una vez que se ha generado

ésta.

5. Si es necesario y se desea, se puede

conectar a la red externa de distribución

eléctrica.

6. Es modular, es decir, puede ir

creciendo conforme vaya

necesitándose.

1. Al existir sombras por las nubes, la

radiación puede disminuir

considerablemente y por tanto la

capacidad de generación de energía.

2. Requieren mucho espacio para poder

tener una capacidad para generación

eficiente y rentable.

3. No se recomienda utilizar esta energía

cuando la carga es eléctrica que se va

a alimentar es puramente resistiva, ya

que el inversor o las baterías se

pueden deteriorar rápidamente debido

a la rapidez de descarga.

4. En la actualidad, debido a la baja

eficiencia técnica, es una tecnología

cara en la que todavía no muchos se

atreven a invertir.

11

TIPO DE

ENERGÍA

VENTAJAS DESVENTAJAS

Eólica 1. Coste energético estable: Una vez

realizada la inversión, los

aerogeneradores pueden trabajar

muchos años (unos 30) con un

rendimiento apropiado, si se hace

correctamente el mantenimiento.

2. Energía limpia inagotable: Mientras

tengamos sol que es el origen del

viento, tenemos una fuente de energía

limpia. Es decir, que en el fondo el

viento es una forma de energía solar.

3. Instalaciones ampliables: Se puede

aumentar continuamente el número de

generadores, si lo permiten las

condiciones del terreno y las

necesidades de electricidad.

4. Desarrollo rural: Los parques eólicos

pueden ayudar a pueblos en zonas

montañosas sin apenas

aprovechamientos, y donde sí es

posible montar estos parques.

5. Contribución a la disminución del

consumo de combustibles fósiles: Esto

significa, que se reducen las emisiones

de CO2 a la atmósfera, y se frena el

calentamiento de la tierra.

6. La fuente de la energía está a la vista:

no hay que buscarla en yacimientos.

7. Instalaciones pequeñas: Al igual que

ponemos paneles solares en una casa de

campo, en una granja, etc. También se

pueden poner pequeños

aerogeneradores para abastecer de

electricidad a viviendas o comunidades

aisladas.

1. Daños a las aves: que colisionan con

los aerogeneradores. Actualmente, se

procura disponer los aerogeneradores

de forma que no interfieran en las

migraciones de las aves.

2. Contaminación visual: El

movimiento de las aspas y la altitud

de estos equipos hace que llame la

atención de las personas y genere

contaminación en un paisaje de

percepción tranquila.

3. Movimiento de tierras: Para hacer las

fundiciones de las torres y los accesos

al parque eólico, hay que mover

tierras que pueden tener un valor

ecológico.

4. Nivel sonoro: Su nivel sonoro no es

fuerte. A una distancia de 300 metros,

las turbinas nos hacen llegar un ruido

de 40 decibelios, que es inferior al

ruido ambiental que hay en una

vivienda o en una oficina (50-60 dB),

o en el interior de un coche (70-

90dB), un aparato musical (90dB), el

ruido en una fábrica (100-110dB),

una taladradora en la calle (120-

130dB), etc.

5. Inversión inicial fuerte: Con la

aplicación de nuevas tecnologías se

están reduciendo estos costes.

Biomasa 1. La biomasa es considerada energía

renovable, por ejemplo, los árboles

pueden ser replantados.

2. Desde la basura puede ser extraída

cierta cantidad de energía.

3. Las fuentes que dan origen a la biomasa

están disponibles a lo largo de todo el

mundo.

4. Los beneficios de la digestión

anaeróbica cuando se usa la biomasa se

ven en la reducción contaminante de

los desechos orgánicos, la eliminación

de agentes patógenos, el uso como

bioabono y la propia producción del

biogás como una fuente alterna de

energía.

1. Las fuentes de energía provenientes

de la biomasa no son 100% amigables

con el medio ambiente, porque de

alguna manera al quemarla, se

obtienen emisiones, principalmente

de bióxido de carbono.

2. El poder calorífico casi siempre es

inferior al de los combustibles fósiles.

3. Puede generar cierta competencia

entre los cultivos, pues habría que

decidir si hacerlo para alimento o para

biocombustibles, lo que podría

encarecer estos productos.

12

TIPO DE

ENERGÍA

VENTAJAS DESVENTAJAS

5. La industria que se encarga de producir

energía por medio de biomasa está

generando empleos verdes y beneficios

económicos a los gobiernos, sobre todo

en áreas rurales.

6. La investigación que se genera para la

aplicación de estas tecnologías, se

exporta a otros países.

Geotérmica 1. Los gastos por operación son muy

bajos y el impacto ambiental es casi

nulo.

2. Es una fuente que evitaría a muchos

países la dependencia energética del

exterior.

3. Los residuos que producen son

mínimos y ocasionan menor impacto

ambiental que los originados por el

petróleo, carbón, etc.

1. Solamente puede ser utilizada en

algunas zonas del mundo donde en la

corteza existen rocas delgadas y

calientes están cerca de la superficie.

2. A veces, el agua caliente que se

bombea a la superficie contiene

contaminantes.

3. Emisión de ácido sulfhídrico y de

CO2.

4. Posible contaminación de aguas

próximas con sustancias como

arsénico o amónico.

5. No se puede transportar

6. Se requieren estudios exhaustivos

para la caracterización y

modelamiento del recurso.

7. El País cuenta con una capacidad

técnica y científica limitada para el

desarrollo del recurso.

2.2. COMUNICACIONES Y SEGURIDAD

CCTV (Circuito Cerrado de Televisión)

Un sistema de video vigilancia está compuesto esencialmente por los siguientes dispositivos:

Cámaras: Constituyen el primer escalón del sistema y por tanto, su selección repercute en

el nivel de calidad máximo que pueda lograrse en las imágenes que se registran. Las cámaras

pueden ser:

Diurnas o con visión nocturna.

Domo, mini domos, tipo box, tipo bala o tipo bazuca.

Para ambientes interiores o exteriores.

Lente fija o variable.

PTZ (Pant Tilt and Zoom).

Con o sin audio.

Los parámetros básicos a valorar para la selección de una cámara son:

13

Sensor CMOS

Ventajas:

Consumo eléctrico inferior al CCD, económico (necesita pocos componentes externos),

el conversor digital puede estar integrado en el mismo chip, escaso Blooming o inexistente,

mayor flexibilidad en la lectura. Lectura simultánea de pixeles lo que posibilita la pre

visualización más rápida, muy alta frecuencia de imagen en comparación a un CCD del

mismo tamaño.

Desventajas:

Menor superficie receptora de la luz por píxel, menor uniformidad de los píxeles (mayor

ruido de patrón fijo-FPN), escasa sensibilidad a la luz ultravioleta e infrarroja, menor rango

dinámico [1].

Sensibilidad

Cuantifica la iluminación (iluminancia) mínima necesaria para producir una imagen en el

sensor. Mientras menor sea su valor, mayor sensibilidad tendrá el dispositivo y viceversa. Se

expresa en LUX [1].

Formato del sensor

Las dimensiones (Largo x Ancho) del área sensible del sensor de imagen se denomina

formato óptico y de manera estándar se expresa en fracciones de pulgadas (Longitud

diagonal). Los formatos estándares más utilizados en las cámaras de CCTV son: ½”, 1/3”,

¼”, aunque existen otros formatos. Mientras mayor sea el formato del sensor, más cantidad

de luz recibe y por tanto mayor es su sensibilidad [1].

Resolución

Es la calidad de definición de una imagen y se expresa en líneas. En los sistemas de CCTV

analógicos, se utiliza el término TVL (del inglés Televisión Lines) para hacer referencia al

concepto empleado en TV y se define en términos horizontales. Es decir, resolución

horizontal (Cantidad de líneas verticales). Está directamente relacionada con el formato del

sensor. Mientras mayor sea el formato, mayor resolución tendrá el sensor.

Cabe destacar que para un óptimo aprovechamiento, debe existir correspondencia entre la

resolución de la cámara y la de captura del DVR. Se gastaría dinero en vao, sí todo el nivel

de detalles que puede captar una cámara, no puede ser capturado por el DVR [1].

14

Distancia focal de la lente

Puede definirse como la distancia entre el eje de la lente y el sensor (ubicado en el plano

focal). Se expresa en mm. Mientras mayor sea, mayor es su alcance en el horizonte, pero

menor su ángulo de captura y viceversa. Es decir, que sí queremos tener un área de cobertura

extensa, debemos seleccionar una cámara con lente pequeña (típicamente 2,4 y 3,6 mm).

Pero si queremos enfocar un área pequeña, entonces debemos seleccionar una lente mayor

en concordancia con la distancia a que se encuentra [1].

Dispositivo de grabación

Se pueden utilizar uno o varios DVRs (dispositivos de grabación digital), que pueden ser

propiamente DVRs independiente o alternativamente, una PC con una o varias tarjetas de

captura [1].

Sistemas de grabación con tarjeta de captura,

Ventajas:

Alta resolución de grabación (720x480 ó más).

Flexibilidad de actualización.

Más opciones de búsqueda de evidencias (Aleatoria, fecha, hora) y procesamiento

digital de la imagen con fines de análisis forense.

Posibilidad de uso de versiones de estándares de compresión y video recientes.

Amplia capacidad de almacenamiento.

Fácil integración en red.

Administración y visualizaron remota.

Limitaciones:

Requiere de una PC. Preferiblemente dedicada a esta operación aunque no necesario.

El sistema corre sobre sistema operativos Windows o Linux, lo que lo hace vulnerable

a virus y bloqueo de Windows, por lo que su operación es más inestable.

El usuario requiere de habilidades en computación.

Sistema de grabación con DVR

15

Ventajas:

Alta resolución de grabación (720x480 ó más).

Fácil de usar y operar.

Cuenta con opciones búsqueda de evidencias (Aleatoria, fecha, hora).

Amplia capacidad de almacenamiento.

Fácil integración en red.

Administración y visualizaron remota.

Más inmune a los virus informáticos.

Operación más estable.

Limitaciones

El sistema corre sobre sistema operativo propietario, lo que dificulta las

actualizaciones de estándares.

No requiere de amplias habilidades de computación.

Principales parámetros a considerar para la elección del dispositivo de grabación:

Resolución de captura: se refiere a la resolución máxima de las cámaras que admite y se

puede expresar en términos del número de elementos de imagen (pixeles) del sensor de

imagen (Ej. 768H x 494V). O en términos del número de líneas horizontales (Ej. 540 TV

Lines). Existe correspondencia entre ambas expresiones. Es decir, la resolución expresada en

pixeles, tiene su equivalencia en TVL Ejemplo, 720H x 480V equivale a 540 TV líneas [1].

Resolución de visualización: se refiere a la resolución de la imagen que se muestra en

un monitor [1].

Resolución de grabación: Expresa la resolución de digitalización de la imagen para ser

almacenada. Se definen varios estándares. D1, es un formato estándar de grabación de vídeo

que ofrece una resolución de 704 x 480 píxeles. Ideal para cuando queremos tener un

reconocimiento total del espacio que se está supervisando; número de objetos, personas,

posición, tamaño, movimiento, etc. [1].

Esquema de compresión: se refiere al estándar o algoritmo utilizado para la compresión

de la imagen, en aras de optimizar el espacio de almacenamiento y ancho de banda requerido.

Los más utilizados son:

JPEG (Incluye sus variantes MJPEG, MPEG y MPEG-4)

16

Ventajas:

- Bajo consumo de ancho de banda.

- Requerimientos de baja capacidad de almacenamiento.

Desventajas:

- Problemático para el procesamiento de imágenes simples (un cuadro).

- Alta demanda de recursos del procesador.

- Estándar propietario No es abierto o libre.

- No adecuado para la edición de video.

JPEG2000

Por su versatilidad, constituye la última tecnología de comprensión que han adoptado los

fabricantes de sistemas CCTV. Entre sus bondades se destacan:

- Admite tanto la compresión con o sin pérdidas.

- Alta calidad de imagen para bajas o altas frecuencias de cuadro.

- Escabilidad. Permite extraer imágenes con diferentes resoluciones a partir de la

original.

- Transmisión simultánea de la misma imagen con diferentes resoluciones y frecuencia

de cuadro.

- Bajos tiempos de codificación/decodificación.

- Facilita el procesamiento digital de la imagen (zoom electrónico).

Calidad de la imagen

Es el grado de fidelidad en la percepción o reproducción de una imagen y en ella, intervienen

diferentes factores como: brillo, contraste, la resolución, la gama de colores y la uniformidad

de iluminación. La percepción de la calidad en los dispositivos de procesamiento de imágenes

se observa en las aberraciones en las lentes ópticas, efectos de difracción y reflexión de la

luz y contaminantes como partículas de polvo, etc.

- El brillo. Expresa una medida perceptual de la luminancia. Es decir, la cantidad de

energía o radiación luminosa emitida o reflejada por un objeto.

- El contraste. Puede definirse como la relación entre el brillo de un objeto y el brillo

de su entorno.

- Resolución. Tipifica cuan definible puede ser una imagen y el nivel de detalles

apreciables en la misma.

- Gama de colores. El color se define por la longitud de onda de la radiación luminosa.

El espectro visible comprende las longitudes de onda o frecuencias a las que responde

el ojo humano, las cuales oscilan aproximadamente entre 400 nm (Ultravioleta) y 700

17

nm (Infrarrojo). En la tecnología de procesamiento de imágenes se define como

espacio de color, al modelo matemático utilizado para representar los colores con

valores numéricos. Entre los más utilizados se encuentran los modelos RGB y YcbCr.

El primero representa el color, mediante la combinación en proporciones de tres

colores primarios y es ampliamente utilizado en la tecnología digital: monitores,

escáneres, impresoras, etc.

El modelo YcbCr (Y’=Luminancia, Cb=Color azul, Cr=Color rojo), se utiliza para

representar el color en los esquemas de compresión de señales analógicas como el

video y aprovecha el hecho de que el ojo humano es más sensible a las variaciones

de luminancia que al color, para reducir la cantidad de información en los procesos

de digitalización y compresión de la imagen [1].

Sistema de Alarmas

Un sistema de alarma es un elemento de seguridad pasiva. Esto significa que no evitan una

situación anormal, pero sí son capaces de advertir de ella, cumpliendo así,

una función disuasoria frente a posibles problemas. Por ejemplo: La intrusión de personas.

Inicio de fuego. El desbordamiento de un tanque. La presencia de agentes tóxicos. Cualquier

situación que sea anormal para el usuario.

Son capaces además de reducir el tiempo de ejecución de las acciones a tomar en función del

problema presentado, reduciendo así las pérdidas [2].

Citófono

Es un dispositivo de comunicación, implementando para la transmisión de voz por medio de

la electricidad. Basado en el mismo principio del teléfono, el citófono contiene un diafragma

que vibra con la presencia de ondas de sonido generadas por la voz humana, estas vibraciones

se transforman en impulsos eléctricos y se transmiten a un receptor que las convierte de nuevo

en sonido. Está conformado por un sistema transmisor, un sistema receptor, interruptor de

cuelgue y un timbre [3].

18

3. DISEÑO ELÉCTRICO

El caso de estudio corresponde a un edificio de 4 pisos distribuidos de la siguiente manera,

en el piso 1, se tiene un espacio de garaje con una capacidad de 4 vehículos, 4 depósitos y 1

baño común, en el piso 2 y el piso 3, se tiene 2 apartamentos en cada piso y finalmente en el

cuarto piso, se tiene la cubierta, con BBQ y baño común, está ubicado en la ciudad de Bogotá

y se realizan los cálculos bajo estrato socioeconómico 4.

Para el diseño del proyecto se debe proporcionar todos los criterios especificados por la

normatividad y la reglamentación vigente que definen el proceso adecuado de construcción

y diseño, para esto, se enfoca principalmente en las normas específicas NTC 2050, RETIE y

especificaciones técnicas de CODENSA que sean necesarias para ser integradas en el

momento de su ejecución.

Especificaciones técnicas

Cableado

En relación a los conductores eléctricos el RETIE toma como requisitos esenciales el

rotulado, la resistencia eléctrica en corriente continua, el área mínima, la denominación

formal del conductor, la carga mínima de rotura para líneas aéreas y el espesor y resistencia

mínima de aislamiento. Los conductores aislados usados en la instalación deben diferenciarse

entre sí, según la función que realicen, por medio del color de su aislamiento el cual será

uniforme en toda su longitud, o mediante una identificación, consistente, tanto en sus

extremos como en los sitios donde sea visible. La identificación de los conductores se hará

con base en el Código de colores establecido por el artículo 6.3 del RETIE y según cuadros

de carga y regulación de tensión [4].

Protecciones

Las protecciones contra sobrecorrientes de este proyecto para los conductores y equipos se

instalarán en los tableros de distribución de cada apartamento o zona de servicio común de

tal manera que abra el circuito si la corriente alcanza un valor que pudiera causar una

temperatura excesiva o peligrosa de los conductores o su aislamiento, además, deben cumplir

el artículo 110-9 de la NTC 2050 “Capacidad de interrupción nominal. Los equipos

destinados para interrumpir las corrientes de falla, deben tener una capacidad de interrupción

nominal suficiente para la tensión nominal del circuito y para la corriente disponible en los

19

terminales de línea del equipo. Los equipos destinados para interrumpirla corriente a otros

niveles distintos del de falla, deben tener una capacidad de interrupción a la tensión nominal

del circuito, suficiente para la corriente que deba interrumpir”.

Sistema de puesta a tierra

El sistema de puesta a tierra es parte fundamental del desarrollo del proyecto, porque de él

dependen la seguridad de las personas, el buen funcionamiento de los equipos y su vida útil.

Los requisitos del sistema de puesta a tierra están soportados en las memorias de cálculo de

acuerdo a la sección 250 de la NTC 2050 en las cuales se debe cumplir con lo siguiente:

- Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.

- Presentar mínima variación de la resistencia debida a cambios ambientales.

- Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.

- Tener suficiente capacidad de conducción y disipación de corrientes de falla.

- Ser resistente a la corrosión y tener facilidad de mantenimiento.

El valor de referencia que debe cumplir la resistencia de puesta a tierra es de 25 de

acuerdo a la tabla 15.4 del RETIE.

Tableros de distribución

Para alimentación y ubicación de protecciones internas de apartamentos y de acuerdo a

memorias de cálculo y demanda por usuario, se necesita disponer en cada uno de los

apartamentos de un tablero de 9 circuitos según lo establecido en el diseño.

Salidas de iluminación exterior e interior

Las salidas de iluminación deberán cumplir los requisitos, adoptados de las normas IEC-

60064, de la IEC- 60432-1 y de la UL 496. (RETIE, Artículo 17º, Numeral 2) [5].

Ductería

Se debe aplicar lo establecido en la sección 347 de la NTC2050, “esta sección se debe aplicar

a un tipo de tubo conduit y accesorios de material no metálico adecuado, resistente a la

humedad y atmósferas químicas. Para uso por encima del suelo, debe ser además retardante

de la llama, resistente a los impactos y al aplastamiento, resistente a las distorsiones por

calentamiento en las condiciones que se vayan a dar en servicio y resistente a las bajas

temperaturas y a la luz del sol. Para uso subterráneo, el material debe ser aceptable resistente

20

a la humedad y a los agentes corrosivos y de resistencia suficiente para soportar malos tratos,

como impactos y aplastamientos, durante su manipulación e instalación” [4].

3.1. DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO

A continuación, se presentan los esquemas arquitectónicos junto con los diseños eléctricos

incluidos con el fin de realizar las memorias de cálculo para posteriormente iniciar con el

diseño energético y calcular el sistema de alimentación de este edificio.

Para el primer piso, se deja salida de iluminación tipo aplique con roseta, interruptor y una

toma corriente en cada deposito, al igual que el baño común, con la diferencia que este tiene

toma corriente GFCI, en el área que se tiene para vehículos, está iluminado mediante 4

lámparas herméticas, 1 aplique en el ingreso peatonal, 1 salida de iluminación para

emergencia, 1 tablero de distribución, y 2 toma corrientes, ya sea para alimentar ciclas a

futuro, aspiradoras, etc.

Ilustración No. 1. Diseño arquitectónico y eléctrico - Piso 1 Edificio caso de estudio

Para el segundo y tercer piso, en el que constan de 2 tipos de apartamentos distribuidos

diferentes pero con los mismos espacios, se tiene salida de iluminación en Panel LED de

18W tanto en las 2 alcobas, los 2 baños, cocina, patio, estudio, sala comedor y balcón en uno

de los apartamentos, las toma corrientes están de acuerdo bajo a las distancias de la norma

NTC2050, teniendo en cuenta los posibles amueblamientos de este, en el área de zonas

comunes, es decir, el hall de acceso y las escaleras, se tiene 1 salida de iluminación, 1 salida

para lámpara de emergencia, caja de comunicaciones y 1 toma corriente para posibles

mantenimientos o equipos de aseo, los interruptores en estos casos serán manejados por

21

sensores de movimiento para tener eficiencia y no desperdiciar la energía por descuidos de

los usuarios.

Ilustración No.2. Diseño arquitectónico y eléctrico - Piso 2 y 3 Edificio caso de estudio

En el tercer piso, tenemos un baño común, con su salida de iluminación y toma corriente

GFCI, en el BBQ, se plantea salida de iluminación para lunadas de los usuarios o eventos

sociales nocturnos, junto con salida toma corriente, en el resto del área de la cubierta se tiene

3 salidas de iluminación y 1 toma corriente.

Ilustración No. 3. Diseño arquitectónico y eléctrico - Piso 4 Edificio caso de estudio.

3.2. MEMORIAS DE CÁLCULO

El diseño de instalaciones eléctricas se proyecta por la necesidad de suplir la demanda de

energía de las cuatro viviendas unifamiliares del proyecto. La red de distribución de Baja

Tensión será derivada desde una estructura aérea existente con punto físico de acuerdo a

las condiciones de servicio del operador hasta el barraje del armario de medidores según

norma CODENSA. Los conductores a los tableros de distribución serán tipo THHN/ THWN

22

AWG 90°C Cobre, de acuerdo a las especificaciones mostradas en los planos adjuntos a este

documento.

3.2.1. CAPACIDAD DE CORRIENTE Y CALIBRES MINIMOS

Los conductores de los alimentadores para este proyecto tienen una capacidad de corriente

no menor a la necesaria para alimentar las cargas calculadas en las partes B, C, y D de la

sección 220 NTC 2050.

3.2.2. CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS RAMALES

Las cargas de los circuitos ramales se calculó como lo indican los siguientes apartados.

- Numero de circuitos ramales

El número mínimo de circuitos ramales se estableció a partir de la carga total calculada y la

capacidad nominal de los circuitos utilizados, el número de circuitos es suficiente para

alimentar la carga conectada.

3.2.3. PROTECCIÓN POR INTERRUPTORES DE CIRCUITO POR FALLA A

TIERRA

Los alimentadores que proporcionan corriente a los circuitos ramales de 20 A para este

proyecto están protegidos por un interruptor automático por falla a tierra, Art. 210-8 y la

sección 305 NTC 2050.

3.2.4. CÁLCULO DE CANALIZACIONES

Tabla 2. Canalizaciones

Letras de

Tipo

Sección transversal del

conductor

Tamaño comercial mm - pulgadas

mm2 AWG/kcmil 16 – 1/2 21 – 3/4 27 - 1

THHN

THWN

3,30 12 6 12 20

8,36 8 2 4 7

- En la instalación eléctrica se utilizará tubería PVC de ½” para un conductor en calibre

#12 AWG - THHN – Cu.

- Tubería PVC de 1” para un calibre #8 AWG – THHN – Cu en acometidas parciales.

- Tubería de ¾” y 1” para las comunicaciones internas.

23

3.2.5. REGULACIÓN DE TENSIÓN

La regulación de tensión se hace necesaria calcular de acuerdo a la sección 215 de la

NTC2050, ya que los conductores de alimentadores tal como están definidos en la sección

100 de la NTC2050, con un calibre que evite una caída de tensión superior al 3% en la salida

más lejana para potencia, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los

que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador o ramales hasta la salida más

lejana no supere el 5%, con el fin de ofrecer una eficiencia de funcionamiento razonable.

Tabla 3 Regulación de tensión desde Transferencia hasta Tableros de Distribución

Acometidas en BT NF

In

A

Ducto

AWG

Cu

kVA L

m

M K Regulación %

Cuenta Desde Hasta Tablero u%P u%T

1 Trans. 201 T-201 1 29.2 1” 3*8 6 30,8 184,8 1,17e-02 2,15 2,22

2 Trans. 202 T-202 1 29,8 1” 3*8 6 35,0 210,0 1,17e-02 2,45 2,51

3 Trans. 301 T-301 1 29.2 1” 3*8 6 30,0 180,0 1,17e-02 2,10 2,16

4 Trans. 302 T-302 1 29,8 1” 3*8 6 26,0 156,0 1,17e-02 1,82 1,88

Sea:

- NF: Numero de fases que alimentará cada apartamento.

- In: Corriente nominal.

- Ducto: Diámetro de la ductería para la acometida desde el armario de medidores hasta

los tableros de distribución de cada apartamento.

- AWG: Hace referencia al calibre de los conductores de Fase – Neutro y Tierra.

- kVA: Capacidad de carga en kilo voltiamperios por apartamento.

- L: Longitud de la acometida desde el armario de medidores hasta el tablero de

distribución.

- M: Momento eléctrico (equivale a la multiplicación de la longitud y la capacidad de

carga en kVA-m).

- K: Constante de regulación.

- u%P: Pérdidas parciales por regulación de tensión.

- U%T: Pérdidas totales por regulación de tensión.

De tal manera se evidencia que las perdidas parciales y totales están por debajo del 2,5%,

regulación que cumple con la normatividad vigente y garantiza su funcionamiento.

24

3.2.6. CUADROS DE CARGA

A continuación, se presentan los cuadros de cargas de cada uno de los tableros de distribución

que componen esta edificación:

Tabla 4 Cuadro de cargas apartamento 201

Tabla 5 Cuadro de cargas apartamento 202

Tabla 6 Cuadro de cargas apartamento 301

25

Tabla 7 Cuadro de cargas apartamento 302

Tabla 8 Cuadro de cargas Tablero de distribución Zonas Comunes.

Los cuadros de cargas son análisis que se requieren en cada instalación, en este, se ha dividido

por espacios, se tienen cuatro apartamentos y un servicio de zonas comunes, estos cálculos

indican la potencia o carga nominal de la edificación, sin embargo, existen factores de

diversificación que están de la mano con análisis de energía [kWh], y este, es necesario para

el cálculo del balance de cargas.

3.2.7. BALANCE DE CARGAS

La importancia de un balance de cargas es tener en cuenta que esto ayuda bastante con la

vida útil del transformador, es importante que todas las fases estén energizando una cantidad

de carga similar, o con diferencias o tolerancias bajas, la norma establece que entre fases

26

debe haber una diferencia máxima del 10%, sin embargo este proyecto al ser de 5 cuentas no

se puede cumplir con el balance del 10%, sin embargo, este dato es importante para el

operador de red, ya que con las cargas vecinas el transformador de una u otra manera quedaría

balanceado.

Tabla 9 Balance de Cargas – Edificio Caso de Estudio

Contador Tablero Fase A Fase B Fase C Parcial

kVA kVA kVA kVA Apto

1 T-201 4.669 4.7 201

2 T-202 4.209 4.2 202

3 T-301 4.669 4.7 301

4 T-302 4.209 4.2 302

5 T-ZC 3.166 3.2 Zonas C.

Total 8.878 7.375 4.669 20.9 kVA

Norma Codensa: Carga máxima para el sector residencial

Los siguientes datos están relacionados con análisis del operador de red teniendo en cuenta

el estrato socioeconómico al que estamos estudiando.

Estrato Cuatro (4)

Número de Usuarios 4,00

Carga diversificada por usuario 2,30 Tabla 2.2 Codensa

Servicios Comunes 3,10

Carga Diversificada para AM 15 kVA

3.2.8. DEMANDA

La demanda es el cálculo que está relacionado con los consumos de acuerdo a los equipos y

tipo de instalación, en este caso residencial. Esta demanda está bajo criterios de la norma

NTC2050, la importancia de este, es tener datos más reales, ya que, si las instalaciones se

realizarán bajo criterios de cargas nominales, muchas veces quedaría sobre dimensionados

los proyectos y el sobre costo de una infraestructura puede ser bastante considerable tanto

para el constructor como para el usuario.

El cálculo de la demanda se dice que los primeros 3000VA, se calculan al 100% y el restante

al 35%, las cargas de alumbrado general se haya con el área de la edificación en m2 y se

multiplica por 32VA y a este se le suma la carga nominal de circuitos de pequeños artefactos,

como lo son la lavadora y el horno microondas para este caso, en zonas comunes si se calcula

bajo las cargas de los equipos y se tiene en cuenta el tipo de iluminación a instalar.

27

Demanda máxima en apartamentos

Aptos 201 – 301 44,75 m2 – c/u

Alumbrado General 1.432 VA

1 circuito de pequeños artefactos 1.500 VA

1 circuito Lavandería y planchado 1.500 VA

Total Carga Básica 4.432 VA

DEMANDA

Primeros 3000 VA al 100% 3.000 VA

Restante al 35% 501 VA

Total demanda Calculada 3.501 VA

= 3.50 kVA

Aptos 202 – 302 41,06 m2 – c/u

Alumbrado General 1.634 VA

1 circuito de pequeños artefactos 1.500 VA

1 circuito Lavandería y planchado 1.500 VA

Total Carga Básica 4.634 VA

DEMANDA

Primeros 3000 VA al 100% 3.000 VA

Restante al 35% 572 VA

Total demanda Calculada 3.572 VA

= 3.57 kVA

De acuerdo a los cálculos anteriores, la carga nominal que requiere el proyecto es de 20.92

kVA y de acuerdo a la demanda la carga diversificada sería de 17.24 kVA, para efectos de

este estudio vamos a realizar el análisis de alimentación con el sistema fotovoltaico de

acuerdo a la carga nominal calculada.

3.2.9. CÓDIGO DE COLORES PARA CONDUCTORES EN AC

Tabla 10 Código de colores – Edificio Caso de Estudio

CÓDIGO DE COLORES

SISTEMA AC 1

Tensión nominal 120 V

Conductor Activo 1 fase dos hilos

Fase Color fase o negro

Neutro Blanco

Tierra de protección Verde o desnudo

28

3.2.10. DISTANCIAS MÍNIMAS DE SEGURIDAD ART.13 RETIE

Las distancias mínimas de seguridad que deben guardar las partes energizadas respecto a las

construcciones, son las establecidas en el Art.13 de RETIE.

Tabla 11 Distancias de Seguridad – Edificio Caso de Estudio

Fuente: Tomada de [21].

3.2.11. EVALUACIÓN DEL NIVEL DE RIESGO ELÉCTRICO

CONTACTO INDIRECTO

Posibles Causas: Fallas de aislamiento, mal mantenimiento, falta de conductor de puesta a

tierra.

29

Medidas de Protección: Separación de circuitos, uso de muy baja tensión, distancias de

seguridad, conexiones equipotenciales, sistemas de puesta a tierra, interruptores

diferenciales, mantenimiento preventivo y correctivo.

CORTO CIRCUITO

Posibles Causas: Fallas de aislamiento, impericia de los técnicos, accidentes externos, vientos

fuertes, humedades, equipos defectuosos.

Medidas de Protección: Interruptores automáticos con dispositivos de disparo de máxima

corriente o cortacircuitos fusibles.

SOBRECARGA

Posibles Causas: Superar los límites nominales de los equipos o de los conductores,

instalaciones que no cumplen las normas técnicas, conexiones flojas, armónicos, no controlar

el factor de potencia.

Medidas de Protección: Uso de interruptores automáticos con relés de sobrecarga,

interruptores automáticos asociados con cortacircuitos, cortacircuitos, fusibles bien

dimensionados, dimensionamiento técnico de conductores y equipos, compensación de

energía reactiva con banco de condensadores.

Tabla 12 Nivel de riesgo eléctrico – Edificio Caso de Estudio

Fuente: Tomada de [21].

30

Las personas que por sus actividades estén expuestas a campos electromagnéticos o el

público en general, no debe ser sometido a campos que superen los valores establecidos de

la siguiente tabla (Art. 14 RETIE).

Tabla 13 Valores límites de exposición a campos electromagnéticos – Edificio Caso de

Estudio

TIPO DE EXPOSICIÓN INTENSIDAD DE

CAMPO ELÉCTRICO

(kV/m)

DENSIDAD DE FLUJO

MAGNÉTICO (T)

Exposición ocupacional en

un día de trabajo de ocho

horas

8,3

1000

Exposición del público en

general hasta ocho horas

continuas

4,16

200

Fuente: Editada de [5].

31

4. DISEÑO ENERGÉTICO

De acuerdo a la información recolectada en el Capítulo I de Marco Teórico, se analizan las

ventajas y desventajas de los posibles suministros de energía y en base a este, el autor señala

cual es la mejor manera de alimentar la edificación bajo las condiciones del caso de estudio

que se han venido planteando.

4.1. ANALISIS COMPARATIVO DE LAS FUENTES DE ENERGÍA PROPUESTAS.

De acuerdo a la Tabla No. 1, se observa que las ventajas de la energía solar para este caso de

estudio son más viables, ya que la infraestructura para este es menos tediosa que los otros

tipos de energía, solo es cuestión de diseño para poder utilizar bien los espacios, además por

las condiciones climatológicas y la energía que requiere esta instalación es relativamente baja

para los montajes e infraestructuras que requerirían las demás fuentes. A diferencia de la

energía eólica que su contaminación visual y auditiva es bastante considerable para un barrio

residencial en la ciudad de Bogotá, para el tema de Biomasa, se requiere personal constante

que este agregando el material orgánico para generar la energía y no es tan viable por el

medio ambiente, finalmente, la geotérmica no en todo lugar la podemos utilizar y el suelo de

Bogotá no se ajusta a las condiciones que se requieren para alimentar esta edificación.

Por lo anterior, los cálculos para suplir el suministro eléctrico con energía solar fotovoltaica

se detallan a continuación.

4.2.MEMORIAS DE CÁLCULO

La energía total que debe ser suministrada por el sistema solar fotovoltaico se calcula como:

𝐸𝑝 =𝐸𝑡

𝑅 Ec. 1

Donde:

Et: energía diaria total requerida por la carga a alimentar [W-h]

Ep: energía diaria total a ser suministrada por el sistema solar fotovoltaico [W-h]

R: parámetro de rendimiento global de la instalación fotovoltaica definida como,

𝑅 = (1 − 𝐾𝑏 − 𝐾𝑐 − 𝐾𝑣) ∗ (1 −𝐾𝑎∗𝑁

𝑃𝑑)

Ec. 2

32

Donde:

Kb: coeficiente de pérdidas por rendimiento de las baterías; 0.05 para sistemas que no

demanden descargas intensas, y 0.1 para sistemas con descargas profundas.

Kc: coeficiente de pérdidas en el convertidor; 0.05 para convertidores senoidales puros

en régimen óptimo, y 0.1 en otras condiciones de trabajo lejanas al óptimo.

Kv: coeficiente de pérdidas varias; 0.05 y 0.15 como valores de referencia, depende de

longitud de las redes, efecto Joule, tipos de conectores, etc.

Ka: coeficiente de auto descarga diario; 0.002 para baterías de baja auto descarga Ni-

Cd, 0.005 para baterías estacionarias de PB-ácido, y 0.012 para baterías de alta auto descarga.

N: número de días de autonomía de la instalación fotovoltaica.

Pd: profundidad de descarga diaria de la batería.

A partir del resultado de energía total se calcula el número de baterías como:

𝐶𝑏 =𝐸𝑝∗𝑁

𝑉∗𝑃𝑑

Ec. 3

Donde:

Cb: capacidad de las baterías [A-h]

Et: energía diaria total requerida por la carga a alimentar [W-h]

V: voltaje de la instalación del sistema de baterías [V]

N: número de días de autonomía de la instalación fotovoltaica.

Pd: profundidad de descarga diaria de la batería.

El número de paneles a instalar se calcula como:

𝑁𝑝 = 𝐸𝑡

0.9∗𝑊𝑝∗𝐻𝑃𝑆 Ec. 4

Ec. 4

Donde:

Np: número de paneles fotovoltaicos

Et: energía diaria total requerida por la carga a alimentar [W-h]

33

Wp: potencia pico del panel fotovoltaico [W]

HPS: horas de pico solar [h], calculada como,

𝐻𝑃𝑆 =𝐻

𝐼

Ec. 5

Donde:

H: radiación solar [kW-h/m2]

I: radiación de referencia por horas de pico solar equivalente a 1 kW/m2

Se realiza la verificación de la capacidad energética de la instalación mediante la

relación,

𝐹𝑖 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎=

𝑁𝑝∗0.9∗𝑊𝑝∗𝐻𝑃𝑆

𝐸𝑡 Ec. 6

Donde:

Np: número de paneles fotovoltaicos

Et: energía diaria total requerida por la carga a alimentar [W-h]

Wp: potencia pico del panel fotovoltaico [W]

La energía diaria total requerida por la carga a alimentar [W-h] se calcula de acuerdo al

siguiente análisis.

En la Tabla No. 14 y 15 se muestra cada una de las áreas de los apartamentos con cargas

aproximadas para el estrato socioeconómico de este caso de estudio, lo que se pretende es

indicar la energía diaria de acuerdo al tiempo de uso de cada una de las cargas establecidas,

a este valor lo multiplicaremos por 4 y daremos una energía aproximada de 1500 W-h para

las zonas comunes, con el fin de calcular la energía diaria total a ser suministrada por el

sistema fotovoltaico.

34

Tabla 14 Consumo de Energía diario por unidad de vivienda desde las 00:00 hasta las

12:00 horas del día.

35

Tabla 15 Consumo de Energía diario por unidad de vivienda desde las 13:00 hasta las

24:00 horas del día.

𝐸𝑡 = (𝐸𝑑 𝑥 𝑁𝑎) + (𝐸𝑠𝑐) Ec. 7

Et = Energía total.

Ed = Energía diaria total requerida.

Na = Número de apartamentos.

Esc = Energía total requerida en servicios comunes.

Et = (4395 [W-h] X 4) + 1500 [W-h]

Et = 19080 [W-h]

36

Ahora se calcula el Parámetro de rendimiento global de la instalación fotovoltaica definida

como:

R = (1 – Kb – Kc – Kv) * (1 – 𝐾𝑎∗𝑁

𝑃𝑑 ) Ec. 8

Para efectos de este cálculo se dice que Kb = 0.05, es decir, que el coeficiente de pérdidas

por rendimiento de las baterías es el de un sistema que no demanda descargas intensas; la Kc

= 0.05, es decir, que el coeficiente de pérdidas en el convertidor se refiere a un convertidor

senoidal puro en régimen óptimo; el Kv = 0.05, es decir que el coeficiente de pérdidas varias

indica a pérdidas menores ya que la longitud de la red es corta y el efecto Joule para la ciudad

de Bogotá tiende a cero por su clima dominante, etc.; el Ka = 0.002 coeficiente de auto

descarga diaria, es decir, se toma baterías de baja auto descarga; el Número de días de

autonomía de la instalación fotovoltaica será de 3 días y la profundidad de descarga diaria de

la batería se dice que es 0.7.

De acuerdo a los datos anteriores, el parámetro de rendimiento global de esta instalación

fotovoltaica es de:

𝑅 = (1 − 0.05 − 0.05 − 0.05) ∗ (1 −0.002∗3

0.7) = 0.77 Ec. 9

Ya con la energía diaria requerida por la carga a alimentar y el parámetro de rendimiento

global de la instalación fotovoltaica se calcula la energía diaria total a ser suministrada por

el sistema solar fotovoltaico:

𝐸𝑝 =19080 [𝑊−ℎ]

0.77= 24779 [𝑊 − ℎ] Ec. 10

Ahora se procede a calcular la capacidad de las baterías, para esto el voltaje de la instalación

del sistema será de 24V, que el número de días de autonomía de la instalación fotovoltaica

es de 3 días y que la profundidad de descarga diaria de la batería es de 0.7, para esto se calcula

la capacidad de las baterías requerida mediante la siguiente ecuación:

𝐶𝑏 =𝐸𝑝∗𝑁

𝑉∗𝑃𝑑=

24779 [𝑊−ℎ]∗3

24𝑉∗0.7= 4424.8 [A-h] Ec. 11

Como las baterías tienen una capacidad de 500 [A-h] cada una, se requiere un banco de

baterías compuesto por 9 de estas.

Para Np se calcula el número de paneles fotovoltaicos, para esto se tiene como valores los

siguientes datos: la energía total requerida por la carga a alimentar de 19080 [W-h], la

potencia pico del panel fotovoltaico es de 250W, y las horas de pico solar de acuerdo al

siguiente cálculo:

37

𝐻𝑃𝑆 =𝐻

𝐼=

4 [𝑘𝑊−ℎ

𝑚2]

1 [𝑘𝑊

𝑚2]

= 4 Ec. 12

De acuerdo al IDEAM se tiene una radiación de 4 [𝑘𝑊 −ℎ

𝑚2]

Para la ciudad de Bogotá.

Continuamos con el cálculo de Np (Numero de paneles solares)

𝑁𝑝 = 𝐸𝑡

0.9∗𝑊𝑝∗𝐻𝑃𝑆 =

19080 [𝑊−ℎ]

0.9∗250𝑊∗4= 21.2 Ec. 13

Esto quiere decir que se requieren 22 paneles solares fotovoltaicos con las siguientes

especificaciones:

Panel solar Mono cristalino

Pmax = 250 Wp

V= 24V

Imp= 8.34 A

Icc=8.75 A

Dimensiones 1.64 x 0.99 x 0.05 m

Peso 22.5 Kg

Finalmente se verifica la capacidad energética de la instalación:

𝐹𝑖 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎=

𝑁𝑝 ∗ 0.9 ∗ 𝑊𝑝 ∗ 𝐻𝑃𝑆

𝐸𝑡

Ec. 14

𝐹𝑖 =22∗0.9∗250𝑊∗4

19080 [𝑊−ℎ]= 1.03

De acuerdo a los cálculos anteriores se diseña la ubicación del sistema en el edificio, por lo

tanto, en las ilustraciones 4, 5 y 6, se observa el sistema en planta, corte frontal y corte lateral.

38

Ilustración No. 4. Sistema de energía solar fotovoltaico en planta.

En la Ilustración No.4 plantea la ubicación de los paneles, ya que se requieren 22 paneles

solares, se observa que están distribuidos hacia una parte de la edificación para no cubrir toda

la cubierta y tener contacto visual al exterior.

Ilustración No. 5. Sistema de energía solar fotovoltaico en corte frontal.

39

En la Ilustración No.5 muestra la ubicación en corte de los paneles, se planteó un soporte que

alza los paneles solares de tal manera que los usuarios pueden estar debajo de los paneles, ya

sea para resguardarse en la sombra o para realizar un mantenimiento fácil a los paneles.

Ilustración No. 6. Sistema de energía solar fotovoltaico en corte lateral.

En la ilustración No. 6. Se observa cómo se deben instalar los paneles, con el fin de tener los

grados de inclinación correspondientes para aprovechar su máxima radiación y a un nivel de

2.3m aproximadamente con el fin de no perder el área de la cubierta para los usuarios.

40

5. DISEÑO DE SEGURIDAD, COMUNICACIONES Y CONTROL

INTELIGENTE

5.1. SEGURIDAD

El diseño de seguridad está basado en “CCTV”, alarmas de seguridad, sensores de

movimiento y dispositivo de botón de pánico. En la Ilustración No. 7 se observa el primer

piso que cuenta con cámaras ubicadas estratégicamente con el fin de tener el control de toda

la zona de parqueadero e ingresos del edificio, este sistema está conectado por cable UTP de

4 pares, donde 2 pares llevan la señal de video y 2 pares llevan la alimentación de corriente,

además, se encuentra la caja principal de comunicaciones donde están las fuentes de

alimentación de todas las cámaras, el modem y DVR, el sistema de alarmas está en conjunto

con los sensores de movimiento que se encuentran en los tejados del garaje, además, los

usuarios cuentan con un dispositivo de pánico que puede accionar en caso de alguna

eventualidad.

En el Anexo –“Diseño de seguridad y comunicaciones” se observa el segundo y tercer piso,

donde se encuentran las unidades de vivienda como tal, se tienen cámaras direccionadas al

hall de acceso y en las escaleras, el sistema de alarmas bajo sensores de movimiento se tiene

en los posibles accesos al edificio por los delincuentes, es decir, ventanas con vista al exterior,

ventanas al vacío interno y puertas de ingreso y salida de los usuarios.

En la terraza, se tienen cámaras de seguridad direccionadas desde el centro del edificio hasta

los exteriores del mismo ya que es importante porque se encuentra el sistema de energía solar

fotovoltaico.

El esquema de conexión funcional del sistema de “CCTV” para lograr la grabación y su

visualización local o remota por internet está compuesta inicialmente por las cámaras, que

llegan con ductería independiente a la caja de comunicaciones de cada piso y este a su vez a

la caja principal ubicada en el primer piso, en este se encuentran las fuentes de alimentación

y los DVRs para su grabación de videos, este se conecta a un Router y este a su vez conecta

al modem del edificio común, esto con el fin, de que por medio de internet el administrador

del edificio tenga las imágenes en tiempo real en su celular o PC. Una vez finalizada la

instalación e interconexión física de los equipos y dispositivos, se procede a la configuración

del DVR y el Router para garantizar la grabación de los sucesos y la visualización local o

41

remota de las cámaras, el Router es importante tener en cuenta el nombre de usuario de

administración, contraseña y dirección LAN IP por defecto o fábrica.

Ilustración No. 7. Conexión para funcionamiento del sistema de CCTV.

Cuando se detecta la intrusión de una persona en un área determinado de acuerdo a la

ubicación de los sensores propuestos es posible activar la alarma, para esto se debe tener

conexiones de entrada y conexiones de salida que es la que se ocupara de activar la alarma

en este caso. Las conexiones de entrada está en función al sistema que pretendemos proteger,

para este caso, debido a que el uso de un sistema de alarma es advertir el allanamiento del

edificio o de una vivienda, los equipos de la alarma están conectados con una central de

monitoreo de los propietarios a través de teléfono o IP.

La central de alarma está ubicada en el primer piso junto a la caja de comunicaciones, este

es el cerebro de todo el sistema, posee un microprocesador que es encargado, de acuerdo a

su programación, de recibir las señales de los sensores y tomar acciones como activar la

sirena. La central dispone de un cargador automático para batería que será la encargada de

alimentar a todo el sistema en caso de corte del suministro eléctrico, aunque para este caso,

no es necesario, recordando que la alimentación es por energía renovable inagotable. En la

central procesadora, se alberga la placa base, la fuente y la memoria central, esta parte es la

que recibe las diferentes señales que los diferentes sensores puedan emitir, y actúa en

consecuencia, disparando la alarma, comunicándose con la central por medio de un modem,

este se alimenta a través de corriente alterna y de una batería respaldatoria.

El teclado, es el dispositivo que permite realizar las programaciones de la central de alarma

así como también realizar el control del sistema como activación, desactivación y cancelación

42

de zonas. Su función principal es el de permitir a los usuarios autorizados mediante códigos

preestablecidos el ingreso. Además de esta función básica, el teclado tiene botones de

funciones como: Emergencia médica, intrusión, fuego, etc. Por otro lado, el teclado es el

medio más común mediante el cual se configura el panel de control. Dentro de la

programación se realizarán tales como programación de claves, tiempos de entrada, salida,

duración de la sirena, y diferentes tipos de zonas como ser perimetral, interna, temporizada,

etc. Este dispositivo está ubicado al muro adyacente del ingreso peatonal, ya que es

importante estar a la mano de los usuarios.

La sirena, es el mecanismo que se tiene para alertar sobre una novedad en el funcionamiento

del mismo. En este caso tiene varios tipos de sonidos para alertar sobre el tipo de novedad

presentada. Ej. Sonido continuo, para alertar sobre intrusión, sonido intermitente a cierta

frecuencia para alertar sobre fuego.

En cuanto a los pulsadores de asalto o botón de pánico, es importante que los usuarios lo

carguen en los llaveros con el fin de activar la alarma desde cualquier punto dentro del

edificio.

5.2.COMUNICACIONES

Para el sistema de citofonía de este caso de estudio, se diseña con 2 opciones, por citófono

convencional por si el usuario es de cultura tradicional y de video portero por wifi, ya que

este tipo de intercomunicadores cumplen con la función de comunicación frente de calle,

utilizando una cámara que muestra quien está llamando al apartamento y esta imagen se

observa en los celulares de los usuarios.

El video portero con cámara de vídeo HDTV que se conecta a la LAN doméstica o utilizar

WLAN (Wifi) y poder contestar desde un máximo de ocho teléfonos inteligentes o Tablets.

Estos pueden servir como intercomunicadores. Este sistema permite ver y hablar con los

visitantes e incluso abrir la puerta con sus Smartphone desde cualquier parte con conexión a

Internet. Este dispositivo cuenta con una técnica innovadora y con un diseño exclusivo. Una

vez conectado, ya sea a través de wifi o un cable Ethernet, se puede disfrutar de sus

características.

Cuando un visitante toca el timbre, recibirá en su Smartphone o Tablet un aviso de

notificación de la presencia de una persona. Hasta 8 dispositivos pueden estar asociados y

por lo tanto reciben notificaciones acerca de él, se puede ver el visitante en alta definición y

gran angular y hablar con él. Este sistema se puede utilizar incluso en la noche, con su visión

nocturna. Este sistema incorpora un detector de movimiento que añade una función de

43

seguridad al portero, e incluso permite tener un historial de los visitantes con una captura

fotográfica, la fecha y la hora de paso de cada persona detectada.

El sistema de citofonía convencional se encuentra en las cocinas de los apartamentos ya que

es un lugar cercano a las áreas comunes, las personas del servicio doméstico tienen su centro

de labores en la cocina y patio, y además, es un punto central de todos los apartamentos lo

que hace que el sonido de este se alcance a escuchar en todo el área del apartamento, las

salidas de teléfonos, se encuentran en la alcoba principal, el estudio y en la sala como es

común y las salidas de televisión, se encuentran en las alcobas y la zona común “sala” como

se muestra en la siguiente ilustración..

Ilustración No. 8. Sistema de Comunicaciones piso 2 y 3.

5.3.CONTROL INTELIGENTE

44

5.3.1. Control de Iluminación Dimerizable

El módulo de dimerización permite realizar la variación de intensidad lumínica de una

luminaria de tipo incandescente, este proceso se realiza mediante el método de control de

regulación por ángulo de fase. La regulación por ángulo de fase se basa en “recortar” la onda

sinusoidal de manera sincronizada en sectores más pequeños, obteniendo un aumento o

disminución constante sobre la potencia aplicada a la carga. Para llevar a cabo el proceso de

control por ángulo de fase es necesario realizar la sincronización de la señal de disparo del

elemento de control con la señal de potencia proporcionada a la carga.

Este sistema se puede realizar con una aplicación Android con App Inventor para el control

de iluminación a distancia, estas luminarias están conectadas a un módulo Arduino uno R3

comunicadas a través de Bluetooth. Luego de registrarse se crea un nuevo proyecto en App

inventor, “Gestor de Proyectos”, después se construye el diseño de la App. En el centro se

tiene la visualización de una pantalla de un dispositivo Android donde se ponen todos los

componentes que se quiera usar, estos componentes se encuentran en la izquierda y se tienen

desde botones, etiquetas, sliders, etc. También se puede encontrar el hardware del dispositivo

Android como la cámara, GPS, acelerómetro, sonido, etc. Esto es muy útil ya que se tiene la

posibilidad de usar sensores del dispositivo Android junto a Arduino para un proyecto de tal

manera que el usuario lo pueda diseñar de manera sencilla a través de un asesor en el tema.

Ilustración No. 9. Interfaz móvil de control de iluminación, dimerizable como on/off

Esta interfaz tiene, botón de control de iluminación On/Off, botón deslizable para

iluminación e icono de retorno a la pantalla Home.

5.3.2. Control de Cortinas

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Para el diseño de control de cortinas se tiene en cuenta las características de los motores

encontrados comercialmente, para el control de este sistema se requiere una fase de subida y

una de bajada, además debe contar con tres relevos, permitiendo la integración de dos

cortinas motorizadas, una con pro y otra con control solo de apertura y de cierre.

Ilustración No. 10. Interfaz móvil para control de cortinas

Esta interfaz muestra el control de cortinas, apertura, parada y cierre de estás para realizar el

control de dos motores.

Tabla 16 Matriz de seguridad

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6. CONCLUSIONES

Se diseñaron todos los sistemas propuestos, presentando la integración de todos los

subsistemas eléctricos, de comunicaciones y energéticos que se detallaron en los capítulos

anteriores con el fin de tener en cuenta en este estudio los resultados finales y generar la

inquietud a los futuros diseñadores, de tener presente, condiciones de espacio, clima,

economía, confort, calidad de vida e integración de sistemas realizando dinamismo en un

proyecto final.

Se identificó y caracterizo 4 alternativas de suministro de energía con las necesidades y

requerimientos del edificio inteligente – caso de estudio, obteniendo como resultado la

alimentación por energía solar fotovoltaica teniendo en cuenta condiciones de espacio, clima,

localización geográfica y tipo de carga.

Se propusieron las alternativas de diseño teniendo en cuenta que los usuarios no pierdan

espacio en la cubierta, que el sentido de los paneles solares sea el más óptimo, cumpliendo

técnicas de auto limpieza, fácil mantenimiento y aprovechando los recursos energéticos al

máximo con el fin de avanzar en el confort y calidad de vida de los usuarios.

Se cumple con los entregables de todos los diseños (eléctricos, comunicaciones, seguridad y

energético) junto con los análisis y memorias de cálculo correspondiente de acuerdo a los

lineamientos propuestos en cada fase de la metodología propuesta orientándolos a un

concepto de Smart Building.

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7. BIBLIOGRAFÍA

[1] S. B. Lissabet, Una guía introductoria a los sistemas de CCTV analógicos.

[2] J. Pulgarin, Funcionamiento de un sistema de alarmas.

[3] J. C. E. Campo Avila, Consola digital de citófono, Santander: Universidad Industrial

de Santander, 2005.

[4] Codigo Eléctrico Colombiano NTC2050, Bogotá: ICONTEC.

[5] Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas, Bogotá, 2013.

[6] G. H. -. S. Velásquez, «Vivienda y Calidad de Vida Medición del hábitat social en el

México Occidental,» Universidad Panamericana, Guadalajara, 2010.

[7] A. C. Solé, Energías Renovables, Barcelona: C.L. EDICIONES CEYSA, 2009.

[8] B. M. -. J. P. -. R. Schmalensee, Electricidad verde energías renovables y sistemas

eléctricos, España: MARCIAL PONS, 2010.

[9] M. P. Aparicio, Radiación solar y sus aprovechamientos energéticos, nuevas energías,

Barcelona: S.A. MARCOMBO, 2010.

[10] J. R. Viloria, Instalaciones Solares Fotovoltaicas, S.A. EDICIONES PARANINFO,

2010.

[11] M. V. A. Labouret, Energía solar fotovoltaica manual práctico, Editor Anotino Madrid

Vicente, 2008.

[12] A. M. Vicente, Curso de energía solar fotovoltaica, térmica y termoeléctrica, Madrid:

Editor Antonio Madrid Vicente, 2009.

[13] O. G. Solís, Energías renovables una perspectiva ingenieril, Trillas, 2004.

[14] J. F. Salgado, Tecnologías de las energías renovables, Madrid: Editor Antonio Madrid

Vicente, 2009.

[15] J. G. Velasco, Energías Renovables, Madrid, 2009.

[16] T. P. Benito, Guía del instalador de energías renovables, LIMUSA, 2006.

[17] D. solar, «Especificaciones técnicas de DMC solar,» imaginamos.com, 2018. [En

línea]. Available: http://dmcsolar.co/store/paneles-solares.

[18] S. Garzon, «Renewable Energy solar electricity - worksheet 3,» Universidad de la Salle,

Bogotá, 2016.

[19] IDEAM, «Atlas de radiación solar, ultraviolet y ozono de Colombia,» [En línea].

Available: http://Atlas.ideam.gov.co. [Último acceso: 2017].

48

[20] A. Madrid, Energías renovables (Fundamentos, Tecnologías y Aplicaciones), Madrid:

Editor Antonio Madrid Vicente, 2009.

[21] J. F. Piñon, Energías Renovables, la unica solución, DE LA SALLE EDICIONES,

2014.

[22] J. Roa, «Control de iluminación y seguridad a través de un dispositivo móvil para una

vivienda,» Universidad de la Salle, Bogotá, 2015.

[23] S. Rivera, «Control de iluminación de forma inalámbrica con arduino y android,»

Universidad Tecnologica de Pereira, Pereira, 2015.

[24] B. X. Gálvez, «Diseño de edificios verdes e inteligentes,» Universidad Autónoma de

México, 2010.

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8. ANEXO - PLANIMETRIA

- Diseño eléctrico

- Diagrama unifilar

- Diseño energético

- Diseño de comunicaciones y seguridad