En el presente artículo se pretenden aclarar conceptos básicos muy importantes en la simulación térmica de edificios y realizar una descripción sencilla de cómo EnergyPlus es capaz de calcular la demanda térmica y el consumo de energía de un edificio y de qué factores depende.

La física de un edificio y de sus instalaciones es muy compleja. Entre la envolvente del edificio y los elementos interiores se producen intercambio de flujos energéticos que definen el comportamiento térmico y ambiental del edificio. A la energía que entra en una zona se le denomina ganancia térmica, y a la potencia que hay que introducir o extraer de una zona para mantener unas determinadas condiciones de confort de temperatura y humedad se le denomina carga térmica. La suma de las diferentes cargas térmicas positivas o negativas del edificio a lo largo de un periodo de tiempo corresponde con la demanda térmica del edificio. Las ganancias térmicas pueden no convertirse instantáneamente en cargas térmicas, ya que debido a la inercia térmica del edificio esta conversión puede tardar un tiempo.

La razón fundamental por la que se utilizan métodos de simulación para el cálculo de la demanda es que en la práctica es muy costoso y difícil medir la demanda real de climatización, ya que se tienen que independizar cada flujo de calor y analizar la posibilidad de reducirlos, por lo que se utilizan modelos que estiman la demanda teórica de climatización.

Los balances energéticos que se producen en el edificio dependen tanto de parámetros climáticos como del propio edificio. La acción combinada y simultánea de los parámetros climáticos como la radiación solar, la temperatura del aire, la humedad, el viento, etc. provocan la respuesta térmica del edificio. Esta respuesta depende a su vez de la envolvente y la estructura interna del edificio, como son la forma del edificio, la orientación, superficie, aperturas al exterior, el tipo de muros, los materiales de los cerramientos, etc.

En la figura 1 se muestra el esquema que se lleva a cabo en los métodos generales de simulación energética en edificios. De forma general, el modelo necesita que se le alimente con una serie de parámetros y entradas, para finalmente, obtener la demanda y consumo de energía del edificio. Entre los más importantes destacan los siguientes:

  • Configuración. Localización, orientación y la influencia de las sombras exteriores.

  • Características del edificio. Materiales de construcción, color de la superficie exterior y la influencia de los voladizos y aleros.

  • Condiciones exteriores. Las condiciones climáticas a los que está expuesto el edificio.

  • Condiciones interiores. Temperatura de bulbo seco interior, humedad relativa y grado de ventilación.

  • Datos de los locales.Ganancias de calor internas y planificación operativa: luces, ocupación, equipos.

  • Datos de los sistemas de climatización. Los diferentes equipos de climatización instalados en el edificio.

En cuanto al cálculo del consumo de energía en un edificio es posible obtenerlos a partir del análisis de las facturas eléctricas y de combustibles. El propósito de utilizar los métodos de simulación para el cálculo del consumo es que a partir de los datos medidos no se pueden distinguir qué parte del consumo se debe a la demanda y cual al rendimiento de los sistemas, por lo tanto impide determinar las causas de un posible excesivo consumo de energía en un edificio y poder proponer medidas de ahorro de energía. Los equipos de los sistemas de climatización varían sus prestaciones (rendimiento, COP, potencia útil...) con las condiciones ambientales y con la proporción de carga que compensan en un instante determinado sobre sus prestaciones nominales (carga parcial). Los métodos de simulación simulan el comportamiento de los sistemas de climatización mediante el modelado de cada uno de sus componentes.

Figura 1. Esquema del proceso de simulación

Particularmente, muchos programas de simulación de energía, como EnergyPlus, implementan en la actualidad los métodos de balance ya que éstos solucionan bastante bien los problemas del modelado térmico del edificio. La estimación de la carga la hacen realizando balances térmicos de conducción, convección y radiación a cada una de las superficies de cada zona y un balance convectivo al aire de la misma (ver figura 2).

Figura 2. Esquema Método del Balance.

Para entender los distintos balances que se muestran en la figura 2 se detallan los fenómenos de transferencia de calor y masa que intervienen en la interacción del edificio con su entorno y las ecuaciones generales que gobiernan cada uno de esos fenómenos. En la figura 3 se representan los principales fenómenos de transferencia de calor y masa que intervienen en el comportamiento térmico del edificio y que aparecerán en los distintos métodos de cálculo propuestos.

Figura 3. Fenómenos de transferencia de calor y masa en edificios.

A continuación se describen los diferentes flujos de energía representados en la figura:

  • Radiación solar o radiación de longitud de onda corta.

Incide sobre los cerramientos exteriores y los vidrios. Puede reflejarse o penetrar a través de los cerramientos semitransparentes. En latitudes mediterráneas la radiación solar constituye una de las aportaciones más importantes. Para modelar el efecto sobre el edificio será necesario conocer las propiedades ópticas de fachadas y vidrios, así como la orientación, la inclinación y las posibles sombras de cada superficie expuesta al sol.

  • Conducción a través de los cerramientos.

Se produce por diferencia de temperaturas entre las superficies exterior e interior y responde a la ley de Fourier,

, dónde k es la conductividad térmica de los materiales que componen el cerramiento y que podrá cambiar, en principio, a lo largo de la sección y transversalmente. Un caso particular es la conducción con el terreno (pérdida de calor en el suelo). Cabe reseñar que los cerramientos tienen una inercia térmica, significa que su respuesta ante una excitación térmica no es instantánea, sino que aparece retardada en el tiempo.

  • Convección entre las superficies y el aire.

Se produce a ambos lados de los cerramientos. Viene inducida por la diferencia de temperaturas entre la superficie sólida (Tsurf) y el aire (Tair).  Se modela mediante la ley de enfriamiento de Newton:

, dónde h es el coeficiente convectivo de transferencia de calor, que depende de la diferencia de temperaturas, de la posición de la superficie y del tipo de movimiento de fluido, por lo que cambian de una posición a otra del edificio y en el tiempo.

  • Radiación de larga longitud de onda.

Se produce entre las superficies interiores, si se encuentran en sus respectivos ángulo de visión y están a diferente temperatura. El mismo fenómeno también se produce entre las superficies exteriores y las superficies que puedan "ver" el medio circundante. Estas superficies se agrupan en la bóveda celeste (cielo), cuya temperatura (Tcielo) se mide experimentalmente o se calcula mediante modelos, y las superficies del entorno (suelo) que suelen superponerse a la temperatura ambiente. Los modelos de radiación se basan en la ley de Stephan-Boltzman que afirma que la radiación que emite un cuerpo negro es proporcional a su temperatura a la cuarta.

  • Ganancias internas.

La iluminación, las personas y los equipos también intercambian calor de forma convectiva, radiante de larga longitud de onda y de corta en el caso de las luminarias. Los ocupantes, a su vez, implican una carga latente en el recinto debido al aporte de humedad a través de la respiración y la sudoración.

  • Infiltración.

Es la entrada de aire no deseada que se produce a través de las rendijas que quedan en puertas, ventanas u otras aperturas, por diferencia de presión entre el exterior y el interior.

  • Ventilación.

Es debido a la diferencia de las condiciones psicrométricas entre el aire que entra de forma deseada y el que existe en la zona. Tiene componente sensible y componente latente.

  • Flujo de aire entre zonas.

Se produce por diferencias de presiones entre las distintas zonas internas del edificio y entre el interior y el exterior a través de las aperturas.

  • Energía introducida por el sistema de climatización.
  • Transferencia de masa.

Generalmente agua, en forma líquida o vapor a través de los sólidos. Se produce por diferencia de presiones parciales y se puede modelar a partir de la Ley de Fick, aunque generalmente se desprecia su efecto.


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