Modelización energética de sistemas completos

(7ª PARTE de Modelización de sistemas energéticos en detalle)

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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 t_bal de un edificio se define como el valor de la temperatura exterior t_o a la cual, para un valor especificado de la temperatura interior t_i, la pérdida de calor total q_gain es igual a la ganancia de calor del sol, ocupantes, iluminación, y así sucesivamente.

Donde K_tot 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 t_o cae por debajo de t_bal. La tasa del consumo de energía del sistema de calefacción es:

Donde η_h 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 t_bal, K_tot, 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 DD_h(t_bal) 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 t_bal, reflejando los papeles de t_i, 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 t_bal 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 q_i, K_tot, y t_i 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 K_tot 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 t_max. 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.