Modelización de los sistemas energéticos vista en detalle (3ª PARTE)

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TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE EL SUELO

El rendimiento térmico desde las cimentaciones del edificio ha sido en gran medida ignorado. Sin embargo, a comienzos de los años 70 se estimó que el 10 % de la energía usada en las casas de Estados Unidos se atribuía a la transferencia de calor a través de sus cimentaciones. Desde entonces, el rendimiento térmico de los elementos del edificio por encima del nivel del suelo ha mejorado significativamente, por lo que la contribución del calor desde el suelo representa un porcentaje superior. Un estudio llevado a cabo en 1983 estimó que la transferencia de calor desde unas cimentaciones no aisladas en Ohio, podía representar hasta el 67 % de la carga térmica de la envolvente del edificio.

Método de cálculo simplificado

La herramienta para calcular pérdidas de calor a través de las cimentaciones fue diseñada por Krarti y Chuangchid (1999). La herramienta de diseño es fácil de usar y ello requiere los parámetros de entrada correctos con valores variables continuamente, incluyendo tamaño de la cimentación, valores R de aislamiento, propiedades térmicas del suelo, y temperaturas de interior y exterior. El método simplificado proporciona una serie de ecuaciones convenientes para estimar las pérdidas de calor estacional y anual de una losa o cimentación como una función de un amplio rango de variables.

Cuando la temperatura interior del edificio se mantiene constante, la transferencia de calor acoplada al suelo q(θ) varía con el tiempo de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde:

q_mean= Pérdida de calor media anual /ganancia, W

q_mean= Pérdida de calor/amplitud de ganancia, W

θ = tiempo, s

ω = frecuencia angular anual (ω=1.992 x 10^-7 rad/s)

ϕ = retraso de fase entre pérdida de calor de placa total

COMPONENTES DEL SISTEMA SECUNDARIO

Los sistemas HVAC secundarios incluyen todos los elementos del sistema de energía del edificio entre un calentador central y una planta de enfriamiento y las zonas del edificio. La definición precisa depende profundamente del diseño del edificio. Un sistema secundario típicamente incluye equipos de manejo de aire; sistemas de distribución de aire con conductos asociados; trampillas; ventiladores; y calefacción, enfriamiento, y equipo de acondicionamiento de humedad. También incluye sistemas de distribución de líquidos entre la planta central y la zona y equipo de manejo de aire, incluyendo tuberías, válvulas y bombas.

Aunque el diseño exacto de sistemas secundarios varía dramáticamente entre los edificios, realmente están compuestos de un número genérico de componentes HVAC. Estos componentes incluyen componentes de distribución (ej. bombas/ventiladores, tuberías/conductos, válvulas/trampillas, cabezales/plenums, accesorios) y componentes de transferencia de masa y calor (ej., serpentines de calefacción, refrigeración, serpentines de deshumidificación, intercambiadores de calor de líquidos, intercambiadores de calor de aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). La mayoría de los sistemas secundarios pueden describirse simplemente conectando estos componentes para formar el sistema completo.

La estimación de energía a través de la simulación del computador a menudo imita la construcción modular de los sistemas secundarios usando elementos de simulación modular. En la extensión que el sistema secundario consume energía y transfiere energía entre el edificio y la planta central, puede realizarse un análisis de energía caracterizando el consumo de energía de los componentes individuales y la energía transferida entre los componentes del sistema. En realidad, pocos componentes secundarios consumen energía directamente, excepto ventiladores, bombas, hornos, paquetes de aire acondicionado de expansión directa con calentadores a gas y calentadores en linea. Los componentes secundarios se dividen en dos categorías: componentes de distribución y componentes de transferencia de masa y calor.

Sistemas de ventiladores, bombas y distribución

 El sistema de distribución de un sistema HVAC afecta la consumición de energía de dos formas. Primero, ventiladores y bombas consumen energía eléctrica directamente, basándose en el caudal y presión bajo la cual el dispositivo opera. Conductos y trampillas, o tuberías y válvulas, y las estrategias de control del sistema afectan al caudal y la presión en el ventilador o bomba. Segundo, la energía térmica a menudo se transfiere a (o del fluido) por (1) transferencia de calor a través de tuberías y conductos y (2) entrada eléctrica a ventiladores y bombas. El análisis de los componentes de un sistema, por lo tanto, tendría en cuenta tanto el consumo de energía eléctrica como la transferencia de energía térmica.

El análisis detallado de un sistema requiere el equilibrio de presión y caudal entre los componentes, pero casi todos los métodos de análisis de energía disponibles aproximan el efecto de las interacciones con curvas de rendimiento de carga parcial. Esto elimina la necesidad de calcular la caída de presión a través del sistema de distribución en condiciones fuera de diseño. Las curvas de carga parcial se expresan a menudo en términos de ratio de entrada de potencia (power input ratio o PIR) como una función del ratio de carga parcial, definido como el ratio de caudal con carga parcial respecto al caudal de diseño:

Donde

PIR = Ratio de entrada de potencia

W = Potencia del motor de ventilador a carga parcial, W

W_full = Potencia del motor del ventilador a plena carga, W

Q = Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm

Q_full =Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm

f_plr = Función de regresión, típicamente polinómica

La forma exacta de la curva de carga parcial depende del efecto del control de caudal en la presión y la eficiencia del ventilador y puede calcularse usando un análisis detallado o datos de mediciones de campo. Se obtienen curvas representadas por ecuaciones de regresión polinómica.

Componentes de transferencia de masa y calor

Los sistemas de HVAC secundarios comprenden los componentes de transferencia de masa y calor (ej. serpentines de calentamiento de aire basados en vapor, enfriamiento por agua fría y serpentines de des humidificación, intercambiadores de calor de líquido de tubo y carcasa, intercambiadores de calor aire-aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). Aunque estos componentes no consumen energía directamente, su rendimiento térmico dicta interacciones entre cargas del edificio y componentes primarios consumidores de energía (ej. enfriadoras, calderas). En particular, el rendimiento de componentes secundarios determina las condiciones del fluido entrante para los componentes primarios, los cuales determinan las eficiencias de energía del equipo primario. Los cálculos de energía exactos no pueden realizarse sin modelos apropiados del calor del sistema y componentes de transferencia de calor.

Por ejemplo, la carga en una enfriadora se describe típicamente como la suma de las cargas latentes y sensibles de zona, más cualquier ganancia de calor de los conductos, plenums, ventiladores, bombas, y tuberías. Sin embargo, el consumo de energía viene determinado no solamente por la carga sino también por la temperatura y el caudal del agua de retorno. La condición del agua de retorno viene determinada por el rendimiento del serpentín de enfriamiento y por la estrategia de operación de carga parcial del sistema de distribución de agua y aire. El serpentín de enfriamiento puede típicamente controlarse para mantener una temperatura de aire constante modulando el flujo del caudal de agua a través del serpentín. En tal escenario, el modelo del serpentín de enfriamiento debe ser capaz de calcular la humedad del aire, la temperatura del agua, y el caudal de agua dado según las características de diseño del serpentín de enfriamiento y temperatura de aire entrante y humedad, caudal, y temperatura del agua.

Virtualmente todos los programas incluyen, y requieren, modelos de componentes de transferencia de masa y calor. Estos modelos son generalmente relativamente simples. Mientras que un diseñador puede usar un análisis tubo-a-tubo detallado de transferencia de calor por conducción y convección en las superficies de las aletas para desarrollar una combinación de geometría de aletas y tubos, un análisis de energía está más interesado en determinar cambios en el estado de los fluidos conforme las condiciones de operación varían durante el año. Adicionalmente, el análisis de energía es probable que haya limitado los datos de diseño en el equipo y, por lo tanto, requiere un modelo con muy pocos parámetros que dependen de la geometría del equipo y características de diseño detallado.

Una aproximación típica para modelar los componentes de transferencia de masa y calor para los cálculos de energía se basan en un effectiveness-NTU heat exchanger model.

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