Ver 1ª PARTE
ELIGIENDO
UN MÉTODO DE ANÁLISIS
El paso más importante para
seleccionar un método de análisis de energía es acoplar las capacidades del
método con los requerimientos del proyecto. El método debe ser capaz de evaluar
todas las opciones de diseño con suficiente exactitud para tomar las decisiones
correctas. Se aplican generalmente los siguientes factores:
· Exactitud:
El método será lo suficiente exacto como para permitir la elección correcta.
Debido a que muchos parámetros están implicados en la estimación de energía,
una predicción absolutamente exacta no es posible.
· Sensibilidad:
El método sería sensible a las opciones de diseño que se están considerando. La
diferencia en el uso de la energía entre dos elecciones debe ser adecuadamente
reflejada.
· Versatilidad:
El método permitiría un análisis de todas las opciones bajo consideración.
Cuando diferentes métodos deben ser usados para considerar distintas opciones,
no puede realizarse una estimación exacta de la energía diferencial.
· Velocidad y
coste: El tiempo total (recopilación de datos, preparación,
cálculos, y análisis de resultados) hará que el análisis sea apropiado a los
beneficios potenciales ganados. Con mayor velocidad, pueden considerarse más
opciones en un momento dado. El coste del análisis es en gran medida
determinado por el tiempo total del análisis.
· Reproducibilidad:
El método no permitirá elecciones vagamente definidas que hagan que diferentes
analistas obtengan resultados diferentes.
· Facilidad de
uso: Esto afecta tanto a la economía como al análisis y
reproducibilidad de resultados.
MODELIZACIÓN
DE CARGAS Y COMPONENTES
Cálculo
de las cargas sensibles del espacio
El cálculo de la carga sensible
del espacio instantáneo es un paso clave a cualquier simulación de la energía
de un edificio. Para estos cálculos se usan métodos de balance térmico y factor
de ponderación. Un tercer método, el método de red térmica no se usa mucho pero
es prometedor.
La carga sensible del espacio instantáneo
es la tasa de flujo de calor que entra en la masa de aire del espacio. La
cantidad, a veces llamada la carga de enfriamiento, difiere de la ganancia de
calor, que usualmente contiene un componente radiactivo a través del aire y es
absorbido por otra superficie dura. La carga sensible del espacio instantáneo
es enteramente convectiva; incluso cargas desde equipos internos, luz, y
entrada de aire por convección de la superficie que ha absorbido el componente
de energía emitida de estas fuentes. Sin embargo, se harán algunos ajustes
cuando los sistemas de calefacción y enfriamiento radiante son evaluados porque
algunas cargas del espacio se compensan directamente por transferencia radiante
sin transferencia convectiva a la masa de aire.
Sin embargo, la masa térmica (capacidad de calor) del aire en sí mismo
es ignorado en el análisis, así que se asume que está en equilibrio térmico.
Bajo estas asunciones, la carga sensible del espacio y la retirada de calor son
iguales en magnitud pero en signo opuesto.
Los métodos del factor de
ponderación y equilibrio térmico usan funciones de transferencia por conducción
(o sus equivalentes) para calcular la ganancia o pérdida de calor por
transmisión. La principal diferencia está en los métodos usados para calcular la
transferencia de calor interna en la habitación.
Método
de equilibrio térmico
Su desarrollo depende de la
primera ley de la termodinámica y los principios del álgebra de matrices.
Requiere menos asunciones que el método de factores ponderados, pero es más
flexible. Sin embargo requiere más cálculos en cada punto en el proceso de
simulación, por lo que requiere más tiempo de computación. Los factores de peso
usados son determinados con el procedimiento de equilibrio térmico. Aunque no
es necesario, se usa comúnmente linealización para simplificar la formulación
de transferencia radiativa.
El método de equilibrio térmico
permite calcular las cargas de enfriamiento y calentamiento sensible
instantáneo neto en la masa de aire del espacio.
Método
del factor ponderado
El método del factor ponderado de
calcular la carga sensible de un espacio es un compromiso entre métodos más
simples (ej. cálculos de estado estacionario) que ignoran la capacidad de la
masa del edificio de almacenar energía, y métodos más complejos (ej. cálculos
de equilibro energético completos). Con este método, la ganancia de calor del
espacio a una temperatura constante está determinada por la descripción física
del edificio, condiciones climáticas ambientales, y perfiles de carga interna.
Junto con las características y disponibilidad de los sistemas de calentamiento
y enfriamiento para los edificios, la ganancia de calor en el espacio se usa
para calcular las temperaturas del aire y las tasas de extracción de calor.
Esta discusión es en términos de ganancia de calor, cargas de enfriamiento, y
tasas de extracción de calor. Las pérdidas de calor, cargas de calentamiento, y
tasas de adición de calor son simplemente términos diferentes por la misma
cuestión, dependiendo de la dirección del caudal de calor.
Los factores de ponderación
representan funciones Z-transfer. La Z-transform es un método para solventar
ecuaciones diferenciales con datos discretos. Se usan dos grupos de factores de
ponderación: ganancia térmica y temperatura del aire.
Los
factores de ponderación de ganancia térmica representan funciones de transferencia que
relacionan la carga de enfriamiento del espacio a ganancias de calor
instantánea. Se calculan una serie de factores de ponderación para cada grupo
de fuentes de calor que difieren significativamente en la (1) cantidades
relativas de energía apareciendo energía como convección al aire respecto a
radiación, y (2) distribución de intensidades de energía en superficies
diferentes.
Los
factores de ponderación de la temperatura del aire representan una
función de transferencia que relaciona la temperatura del aire a la carga de
energía neta de la habitación. Los factores de ponderación para una fuente de
calor particular se determinan por la introducción de un pulso unitario de energía
desde a fuente en la red de la habitación. La red se configura con una serie de
ecuaciones que representan el balance térmico de la habitación. En cada
intervalo de tiempo (intervalos de una hora), incluyendo la introducción
inicial, el caudal de energía al aire de la habitación representa la cantidad
del pulso que llega a ser una carga de enfriamiento. De esa forma, puede
generarse una larga secuencia de cargas de enfriamiento, de las cuales se
calculan los pesos de ponderación. De esa forma, se generan una larga secuencia
de cargas de enfriamiento, en la que se calculan los factores de peso.
Se utiliza un proceso en dos
pasos para determinar la temperatura del aire y la tasa de extracción de una
zona de edificio o habitación para una serie de condiciones dadas. En primer
lugar, la temperatura del aire de la habitación se asume sea fija a un valor de
referencia, usualmente la temperatura del aire promedio esperada para la
habitación sobre el periodo de simulación. La ganancia de calor instantánea se calcula
basándose en esta temperatura de aire constante. Se consideran varios tipos de
ganancia de calor. Algunos, tales como la energía solar entrando a través de
una ventana o la energía de iluminación, personas, o equipos, son
independientes de la temperatura de referencia. Otros, tales como los
conductores a través de las paredes, dependen directamente de la temperatura de
referencia.
Una carga de enfriamiento
sensible del espacio para la habitación, se define como la tasa a la que la
energía se elimina de la habitación para mantener el valor de referencia de la
temperatura de aire, calculado para cada tipo de ganancia de calor instantánea
porque algo de energía es absorbida por paredes y muebles y almacenado para más
tarde ser liberado en el aire.
Los factores de ponderación son
una serie de parámetros que determinan cuanta energía que entra en una
habitación es almacenada y con cuanta rapidez la energía almacenada se libera
posteriormente. Matemáticamente, los factores ponderados son una función
Z-transfer relativa a la ganancia de calor a la carga de enfriamiento.
Los factores ponderados difieren
por distintas fuentes de ganancia térmica debido a las cantidades relativas de
energía convectiva y radiativa dejando varias fuentes diferentes y debido a que
la distribución de energía radiativa puede diferir. Los factores ponderados de
ganancia de calor también difieren entre habitaciones porque la construcción de
habitaciones afecta la cantidad de energía entrante almacenada por las paredes
o muebles y la tasa a la que se libera.
En el segundo paso, se usa la
carga de enfriamiento total para calcular la tasa de extracción de calor actual
y la temperatura del aire. La tasa de extracción de calor actual difiere de la
carga de enfriamiento (1) debido a que, en la práctica, la temperatura del aire
puede variar del valor de referencia usada para calcular la carga de
enfriamiento, o (2) por las características de los sistemas HVAC.
Dos asunciones se hacen en el método
de los factores ponderados. Primero, el proceso modelado es lineal. Esta
asunción es necesaria porque la ganancia desde varias fuentes se calcula
independientemente y se suma para obtener el resultado total (ej. se usa el
principio de superposición). Por lo tanto, los procesos no lineales tales como
radiación o convección natural deben ser aproximadamente lineales. Esta
asunción no es una limitación significativa debido a que estos procesos pueden
ser aproximadamente lineales con exactitud suficiente para la mayoría de los
cálculos. La segunda asunción es que las propiedades del sistema influenciando
los factores de ponderación son constantes (es decir, no son funciones de
tiempo). Esta asunción es necesaria porque sólo una serie de factores de
ponderación se usan durante el periodo de ponderación completa. Esta asunción
puede limitar el uso de factores de ponderación en situaciones donde
propiedades importantes de la habitación varían durante el cálculo (ej. la
distribución de radiación incidente solar en las paredes interiores de una
habitación, que pueden variar a lo largo del día, y los coeficientes de
transferencia de calor de la superficie interior).
Cuando se usa el método del
factor de ponderación, se usan coeficientes de transferencia de calor
convectivos/radiativos como coeficiente de transferencia de calor de la
superficie. Este valor se asume constante incluso aunque, en una habitación
real, (1) calor radiante transferido de una superficie depende de la
temperatura de otras superficies de habitación (no solamente en temperaturas de
aire de la habitación) y (2) el coeficiente de transferencia de calor combinado
no es constante. Bajo estas circunstancias, el valor promedio de la propiedad
debe usarse para determinar los factores de ponderación.
Métodos
de red térmica
Aunque las implementaciones de la
metodología de red térmica varían, tienen una discretización común en el
edificio en una red de nodos, con trayectorias de interconexión a través de la
cual fluye la energía. En muchos aspectos, los modelos de red térmica pueden
considerarse refinamientos del método de equilibrio de calor. Donde el modelo
de equilibrio de calor generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método
de la red térmica generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método de
red térmica puede usar múltiples nodos. Para cada elemento de transferencia de
calor (paredes, techo, suelo, etc.), el modelo de equilibrio de calor
generalmente tiene un nodo de superficie exterior e interior; el modelo de red
térmica puede incluir nodos adicionales. Los modelos de equilibrio térmico
generalmente usan métodos simples para distribuir la radiación de la luz; los
modelos de red térmica pueden modelar las lámparas, balastos, y carcasas de las
luminarias separadamente. Además, los modelos de redes térmicas dependen del
balance de calor en cada nodo para determinar la temperatura del nodo y el
flujo energético entre todos los nodos conectados. El flujo energético puede
incluir conducción, convección, y radiación de onda corta y larga.
Para cualquier modo de flujo de
energía, pueden usarse un rango de técnicas para modelar la energía entre dos
nodos. Tomando la transferencia de calor como un ejemplo, el modelo de red
térmica más simple sería resistente a la red de resistencia/capacitancia.
Refinando la discretización de la red, los modelos son modelos de diferencia
finita o volumen finito.
Ver 3ª PARTE
0 comentarios:
Publicar un comentario