(7ª PARTE de Modelización de sistemas energéticos en detalle)
Ver 6ª PARTE
En el desarrollo de un modelo de
simulación para construir predicciones de energía, deben considerarse dos
asuntos básicos: (1) Componentes de modelización o subsistemas y (2)
estrategias de modelización total. Los componentes de modelización comprenden
una serie de ecuaciones describiendo los componentes individuales. La
estrategia de modelización total se refiere a la secuencia de procedimientos
usados para solventar estas ecuaciones. La exactitud de resultados y recursos
computerizados para alcanzar estos resultados se depende de la estrategia de
modelización.
En la mayoría de los programas de
energía de los edificios, los modelos de carga se ejecutan para cada espacio
por cada hora de periodo simulado. El modelo de carga es seguido por el modelo
de funcionamiento de cada sistema secundario para cada hora de simulación.
Finalmente, el modelo de simulación de planta se ejecuta de nuevo en el periodo
completo.
Debido a la secuencia
cargas-sistemas-plantas, ciertos fenómenos no pueden modelarse con precisión.
Por ejemplo, si se usa el método de equilibrio térmico para computar cargas, y
algún componente en el modelo de simulación del sistema no puede cumplirse con
la carga. En la actualidad, la temperatura del espacio se reajustaría hasta que
la carga se acopla con la capacidad del equipo, pero esto no puede modelarse
debido a que las cargas tienen que ser precalculadas y fijadas.
MÉTODO GRADOS-DÍA
Los métodos de grados días son
los más simples para análisis de energía y son apropiados si el edificio usa un
equipo HVAC eficiente y constante. Donde la eficiencia o condiciones de uso
varían con la temperatura exterior, el consumo puede calcularse por diferentes
valores de temperatura exterior y multiplicando por el número correspondiente
de horas; esta aproximación se usa en varios bin methods. Cuando se permite que
la temperatura exterior fluctúe o cuando las ganancias interiores varían, no
deben usarse modelos simples de estado estacionario.
Aunque los computadores pueden
calcular fácilmente el consumo energético de un edificio, los conceptos de
grado-día y temperatura del punto de equilibrio son herramientas valiosas. La
severidad del clima puede ser caracterizado concisamente en términos de
grado-día. También, el método de grado-día y su generalización puede
proporcionar una estimación simple de cargas anuales, que pueden ser exactas si
la temperatura interior y las ganancias internas son relativamente constantes y
si los sistemas de calefacción o enfriamiento operan durante una estación
completa.
Temperatura
del punto de equilibrio
La temperatura del punto de
equilibrio tbal de un
edificio se define como el valor de la temperatura exterior to a la cual, para un valor
especificado de la temperatura interior ti,
la pérdida de calor total qgain
es igual a la ganancia de calor del sol, ocupantes, iluminación, y así
sucesivamente.
Donde Ktot es el
coeficiente de pérdidas de calor total del edificio en W/K. Para cualquier
método de estado estacionario descrito en esta sección, la ganancia de calor
debe ser el promedio para el periodo en cuestión, no para los valores pico. En
particular, la radiación debe basarse en promedios, no en valores pico. La
temperatura del punto de equilibrio es por lo tanto:
Se necesita un calentamiento solo
cuando to cae por debajo de tbal. La tasa del consumo de
energía del sistema de calefacción es:
Donde ηh es la
eficiencia de los sistemas de calefacción, también designado en una base anual
como la eficiencia de uso de combustible anual (AFUE), θ es el tiempo, y el
signo más encima del paréntesis indica que solamente se cuentan valores
positivos. Si tbal, Ktot, y ηh son constantes, el
consumo de calentamiento anual puede escribirse como una integral:
Esta integral de la diferencia de
temperatura convenientemente resume el efecto de las temperaturas exteriores en
el edificio. En la práctica, esto se aproxima sumando promedios sobre
intervalos de tiempo cortos (días u horas); los resultados son llamados
grados-día o grados-hora.
Método
del grado-día anual
Grados-día
anuales: Si se usa el valor promedio diario de la temperatura
exterior para evaluar la integral, los grados día para calentamiento se
obtienen DDh(tbal)
como:
Con dimensiones de kelvin x día.
Aquí la suma se extiende en todo el año o sobre la estación de calentamiento.
Es una función de tbal, reflejando los papeles de ti,
ganancia de calor, y coeficiente de pérdidas. En términos de grado-día, el
consumo de calefacción anual es:
Los grados días de calefacción o
grados-hora para una temperatura del punto de equilibrio de 18,3 ºC han sido
ampliamente tabuladas (esta temperatura representa condiciones promedio en
construcciones típicas en el pasado). La base de 18.3 ºC se asume cuando tbal no se indica
explícitamente.
Los grados día de enfriamiento
pueden calculares usando una ecuación similar a los grados día de calefacción:
Aunque la definición de la
temperatura del punto de equilibrio es la misma que para la calefacción, en un
edificio dado su valor numérico para enfriamiento es generalmente diferente del
de calefacción debido a que qi, Ktot, y ti
pueden ser diferentes.
El cálculo del consumo de energía
de enfriamiento usando grados-día es más difícil que el calentamiento. Para
enfriamiento la ecuación es
Para una construcción con Ktot
estática. Esa asunción se acepta generalmente durante la estación de
calentamiento, cuando las ventanas se cierran y la tasa de intercambio del aire
es bastante constante. Sin embargo, durante la estación fría o intermedia, la
ganancia de calor puede eliminarse, y el comienzo del enfriamiento mecánico
puede postponerse abriendo ventanas o incrementando la ventilación. (En
edificios con ventilación mecánica, a esto se llama modo economizador). El
acondicionado de aire mecánico se necesita solamente cuando la temperatura del
exterior exceda el umbral tmax. Este umbral es dado por la siguiente
ecuación:
Kmax varía
considerablemente con la velocidad del viento, pero un valor constante puede
asumirse para los casos simples.
Palabras clave: Weighting-factor methods,
thermal-network method, energy simulation program, overall transfer coefficient
UA, transfer rate under various
operating conditions, energy analysis program.
Bibliografía
·
ASHRAE. 2009 Fundamentals.
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