La modelización de sistemas energéticos vista en detalle (2ª PARTE)

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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.

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