Instituto de Investigación Investigación Mecánica-Electromecánica
PROGRAMA DE SIMULACIÓN TÉRMICA ENERGÉTICA PARA VIVIENDAS UNIFAMILIARES Y EN BLOQUE A PARTIR DEL PROGRAMA SITER VS 1.1 Dr. Ing. Edwin Víctor Lamas Sivila (1) Docente de Investigación Investigación de la Carrera Carrera de Ingeniería Mecánica, Mecánica, Ciudadela Universitaria, Universitaria, Zona sud Miembro del del Comité Científico Científico de de la Red en Energías Energías Renovables Renovables
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Resumen En el presente trabajo se mencionan consideraciones consideraciones técnicas de cara a la Eficiencia Eficiencia Térmica en la Edificación del del Altiplano Boliviano, a partir del programa SITER v 1.1, software que fue realizado realizado en la carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica dentro el p royecto de investigación “Tecnologías de Climatización Térmica en Edificios del Altiplano Boliviano” , las mejoras térmicas corresponden desde los conceptos de la arquitectura, la ubicación adecuada de las ventanas, el uso de aislante en las paredes, y mejora en la conductividad térmica de los vidrios. En el sistema de calefacción se mejora el rendimiento del equipo, usos horarios y la ventilación. ventilación. Las consideraciones consideraciones antes mencionadas se ejemplifican ejemplifican en una vivienda tipo de la construcción construcción en Oruro (vivienda unifamiliar), y como resultados se obtiene una disminución del consumo de energía en más del 40%, aspecto significativo de cara a administrar de manera eficiente los recursos energéticos y preservación del medio ambiente.
Palabras Claves: Eficiencia energética, Simulación térmica de Edificios, Demanda Térmica, Bajo carbono.
1.- Introducción La ingeniería y estudios dedicados a la climatización tienen los desafíos permanentes de mejorar las condiciones y estándares de vida de las personas, más aún, en lugares donde se tiene condiciones climatológicas desfavorables durante gran periodo del año. En el altiplano boliviano la temperatura seca exterior promedio mensual es de 9 a 12ºC y la humedad relativa está entre el 20 al 40 %, en esas condiciones los valores térmicos de las viviendas se encontraran por debajo de las recomendaciones realizadas por normas internacionales, ASHARE 2007, por ello la necesidad necesidad de implementar implementar para nuestro medio herramientas herramientas de evaluación evaluación y recomendaciones térmicas en los edificios, de manera que se adopte criterios técnicos fundamentados. En el presente trabajo se presenta los criterios de eficiencia energética en la edificación a partir de la herramienta de simulación térmica de edificio SITER vs 1.1, software que utiliza un modelo de cálculo dinámico del edificio, considerando: la climatología de las ciudades, datos meteorológicos de las ciudades La Paz y Oruro, conteniendo, la temperatura seca, temperatura húmeda, radiación total, radiación directa y difusa; inercia térmica de las soluciones constructivas de la arquitectura (paredes, techos, suelos y ventanas), cargas internas, equipos e iluminación, uso del edificio, ventilación (número de renovaciones hora), por otro lado las características técnicas del sistema de calefacción (curvas de funcionamiento entre otros), y como resultados el programa evalúa el consumo de energía del edificio realizando la simulación durante un año tipo 8760 hrs, producto de la simulación registra la demanda de energía mes a mes, sí el termostato en encuentra definido en 18ºC (set point). El método de cálculo empleado en el desarrollo de la herramienta son los factores de respuesta RTS donde se evalúa (en la zona térmica) todas las ganancias y cargas de las diferentes aportaciones (condiciones meteorológicas, ocupación, ventilación, iluminación, envolvente del edificio y puentes térmicos) energía aportada de forma radiante, convectiva y conducción. El método disgrega todas las energías aportadas de forma convectiva y energía radiantes. La energía convectiva incide directamente al aire de la zona térmica y las energías radiantes inciden y se acumulan en el piso, muebles y paredes, 1
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se evalúan en periodos de 24 horas donde se determinara la cantidad de energía devuelta hora- hora de forma convectiva. Conducción Condiciones Meteorológicas Ocupación Ventilación Iluminación Características constructivas de la vivienda Puentes térmicos Sistemas de acondicionamiento
ZONA TÉRMICA
Conducción
T ambiente
Convección
(Energía convectiva)
Radiación Ener ía Radiante
Figura 1: Secuencia de cálculo
A continuación se resume el motor de cálculo basado en el método RTS.
2.
Motor de Cálculo
La cantidad de energía que se transfiere a un local, cuando se mantiene a una temperatura constante, compone de los siguientes términos:
2.1 Transferencia de Calor en Cerramientos Opacos Existen varios procedimientos para determinar la transmisión de calor en régimen transitorio a través de un cerramiento cuando se conoce la evolución de la temperatura en ambas caras, en el programa se ha utilizado la metodología de los factores de respuesta. Cuando a una parte del mismo realizamos una evolución de la temperatura de forma triangular (de altura un grado y amplitud 2h), como se ve en la figura siguiente. El calor transferido al recinto por la cara interior de un cerramiento utilizando factores de respuesta se puede expresar mediante la siguiente expresión:
Figura 2: Factores de Respuestas ante excitaciones interior y exterior en un cerramiento
Nota: Los factores con subíndice “N” se refiere a un cerramiento tomado como estándar o normalizado. G simboliza la ganancia. Carga simboliza la carga.
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Donde: Tsa(n - j) temperatura sol aire a la hora “n – j”; Tsx(n-j) temperatura equivalente del local a la hora “n- j” . Y N(j) flujo de calor en la hora “j” ; X N(j) flujo de calor en la hora “j” ; Z N(j) flujo de calor en la hora “j”, los cuatro últimos térmicos corresponden a los factores de respuesta, producto de una exitación triángulo ya sea interior o exterior, sobre un cerramiento normalizado o estándar. Ucerr_real coeficiente global de transferencia de calor del cerramiento real del proyecto (Ucerr_real=Y(j) = -Z(j) = X(j)). U Norm coeficiente global de transferencia de calor del cerramiento normalizado. (U Norm =Y(j) = -Z(j) = X(j)). Realizando una descomposición con la temperatura de 22,5 ºC como temperatura interior, se tiene:
∑ ∑
Siendo
depende del valor actual de (T sx) depende de valores anteriores de (T sx)
Además: GCerrhOrient(n) es la ganancia de calor por ese cerramiento (U = 1) suponiendo una temperatura interior constante de 22.5ºC (igual de las paredes y el aire), valores obtenidos a partir del programa vpCLIMA. Tsx debe representar la temperatura equivalente al traspaso de energía por el cerramiento. Influye el efecto de la temperatura del aire (T aire) y el resto de las paredes (T superficie) . Z N (j) = ZN(j)x U cerr;real /U Norm
2.2 Transferencia por Puentes Térmicos En los puentes térmicos, no se considera la inercia térmica de los mismos. La ganancia de calor se determina a partir de la siguiente ecuación:
[]
La ganancia total de los puentes térmicos se puede expresar como un término que depende de la temperatura equivalente en ese instante y otra que depende del instante considerado. Donde:
Para evaluar la carga se aplica el método RTS.
2.3Transferencia por huecos La cantidad de calor transferida por un hueco (ventana, puerta o claraboya) tiene tres componentes, radiación, conducción e infiltración.
2.3.1 Conducción Esta componente no tiene inercia térmica y se trata de forma análoga al caso de puentes térmicos. Por tanto se puede expresar como un término que depende de la temperatura equivalente en ese instante y otra que depende del instante considerado.
Donde:
Para evaluar la carga se aplica el método RTS
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2.3.2 Radiación Cuando incide radiación sobre una superficie acristalada en parte es reflejada ( ), en parte absorbida () y el resto es transmitida ( ) a través de dicha superficie. El coeficiente de transmisión depende fuertemente del ángulo de incidencia de la radiación solar, como se muestra en la figura siguiente, pudiendo expresar la dependencia angular (independientemente del tipo de cristal) como:
Donde: o coeficiente de transmisión con incidencia normal a la ventana i ángulo de incidencia de los rayos solares respecto a la normal de la ventana La radiación incidente tiene dos componentes, radiación directa con un ángulo ( i) y la radiación difusa (igual intensidad en todas las direcciones), pudiendo evaluar el coeficiente de transmisión difusa como un valor promedio a partir de:
La radiación absorbida por el cristal en parte se irá por convección al interior y en parte al exterior. Se asume (debido a los diferentes coeficientes de convección exterior e interior) que hacia el interior se transfiere el 35%.
Este hecho hace que la energía transferida sea en forma radiante (mr) y en forma convectiva (1-mr), siendo:
Para vidrios transparentes (utilizados en edificios residenciales) el valor de mr=0.97, es decir prácticamente toda la energía transferida se puede considerar radiante. Se define el factor solar de un vidrio como la energía transferida respecto a la incidencia es decir:
La posible existencia de accesorios en el hueco tales como cortinas, persianas, etc., se particulariza por modificar tanto el factor solar (FS) como el factor radiante (mr). Por último podríamos discernir entre un factor solar para radiación directa y uno diferente para radiación difusa, en función del accesorio utilizado, en general no suele ser practico. Así podemos distinguir:
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Figura 3: Comportamiento de la radiación directa y difusa en la zona térmica
Toda la ganancia radiante indirecta incide sobre los suelos (algunos autores proponen un 50% de suelo y un 50% de muebles), donde es absorbida y devuelta a la zona térmica, pudiendo estimar la cantidad de energía devuelta en un instante (n) como:
∑
A esta ganancia se aplica la metodología RTS, metodología que ayuda a cuantificar la ganancia convertida en carga en el mismo instante e instantes posteriores, así como se muestra en la figura anterior.
2.4 Transferencia por infiltración La situación de la ventana respecto a la zona neutra es un dato no solicitado, por lo tanto consideramos que a velocidad del viento nula la infiltración es también nula, es decir no consideramos infiltraciones por efecto chimenea en el edificio. Finalmente la carga asociada a ese caudal tiene una componente sensible y otra latente: Qinf Sen V inf (1 1,805W e )T se T sL
Qinf Lat V inf (2501 1,805T se )We e We L Vinf Caudal de infiltración en [m3/h] (en residencial el cálculo está en función del número de renovaciones hora y el volumen del local). Wee Humedad específica exterior [Kg./kgas]. WeL Humedad específica interior [Kg./kgas].
2.5 Transferencia por ocupación La demanda de ocupación ha sido fijada por defecto, así se conoce la ocupación hora a hora y la energía por metro cuadrado de superficie acondicionada. La cantidad de energía que de forma sensible y latente es transferida al aire se puede obtener mediante: ( j ) Z mr PT sen (n j ) 0,3 Z suelo ( j ) 0,3 Z techo ( j ) 0,4 pa red Q sen n PT sen ( n) 100 hci ,techo hci , pa red j 0 hci, suelo Qlat n PT lat n
Donde: PTsen(n) mr hci
Potencia total aportada por los ocupantes. Porcentaje de energía que es en forma de radiación [%] Coeficiente convección interior. 5
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Z(j) Coeficiente “j” de la función de transferencia “Z” para cada cerramiento. La estimación del calor sensible, podemos suponer de forma bastante aproximada que la energía radiante se encuentra en un 40 a 50% del total sensible por persona. Resta asignar una terminación de los cerramientos interiores (Z/hc) y una distribución de la carga a través de los mismos (30% suelos, 30% techos y 40% paredes), para estimar la demanda, se utilizó el programa vpClima de UPV para obtener los valores por unidad de superficie acondicionada:
2.6 Transferencia por iluminación Se puede señalar lo mismo que en la anterior carga, resaltando que en este caso es sólo calor sensible y que el tipo de iluminaria es incandescente, lo que supone que el tanto por cien de energía en forma radiante es del 80% (mr). Qilu.Sen n Aacond qilu.Sen (n)
2.7 Transferencia por equipos En este caso se supone que el calor sensible es todo del tipo convectivo, es decir no existe porcentaje radiante, por lo tanto no existe almacenamiento, y no existe aporte latente, por lo tanto es simplemente la energía estimada directamente con la distribución asignada en edificios residenciales. Qequi.Sen n Aacond qequ.Sen n
2.8 Transferencia por ventilación En este caso el valor a determinar es el número de renovaciones hora, que multiplicando por el volumen del local obtenemos el caudal (m3/h) de aire de ventilación, y con las anteriores expresiones la demanda sensible por la ventilación. En el programa el caudal de aire de renovación deberá ser proporcionado por el usuario o bien determinar en función a estándares establecidos, se determina a partir de: QventilaSen nr V acond 1,805 T se T sL
QventLat nr V acond 2541We e We L Positivo si la temperatura exterior es mayor que la del local (el calor se comunica al aire).
2.9 Variación de energía interna del aire del local
[]
La variación de la energía interna del aire será:
donde: MAire masa de aire de los locales habitables (kg). CvAire calor específico del aire a volumen constantes (kJ=kgºC). EAire variación de energía interna del local (kJ).
2.10 Balance de Energía En este balance vamos a considera idénticas la temperatura equivalente interior T sx y la temperatura seca interior T sL, está aproximación es válida cuando la temperatura regulada por el termostato se encuentra constante, pudiendo presentarse diferencias ante variaciones grandes en el termostato o cuando existe mucha ventilación (en estos casos sería aproximada). Todas las contribuciones anteriormente descritas se pueden resumir en una ecuación agrupada en dos términos: uno que contiene toda la información sobre los datos de la temperatura y condiciones previas AA y el otro está multiplicado por la temperatura actual del aire en la zona térmica. Factorizando y considerando que en primera instancia no hay equipo de aire acondicionado, se despeja la temperatura del local en esa hora y es igual a:
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[] [ ] [ ] ( )
Considerando el equipo de aire acondicionado el balance es igual a:
Donde: Qsitema representa la energía compensada por los sistemas de climatización AA y BB es igual a:
El proceso de cálculo y las consideraciones que se realiza al balance en cada hora para determinar las demandas de calefacción y refrigeración en relación a las condiciones definidas.
3.-Criterios de Eficiencia Energética En la asunción de los criterios técnicos de cara a la eficiencia térmica en los edificios, se incorpora una vivienda unifamiliar modelo (ver figura siguiente), situada en la ciudad de Oruro cuya superficie 2 3 construida es de 102.73 m y 308.2 m de volumen acondicionado. La evaluación de reducción de la demanda energética se realiza a través del análisis de simulación, herramienta incorporada en el programa que presenta un diagnostico de demanda energética asociada a los elementos constructivos, ventilación y otras cargas, información que es de gran ayuda en la proyección de un edificio y/o vivienda unifamiliar.
Figura 4: Modelo de vivienda unifamiliar.
Ítem
Superficie [m2]
Pared al exterior Cubierta al exterior Suelo al exterior Suelo en contacto al terreno Ventanas Puerta Volumen acondicionado [m3] Suelo acondicionado [m2]
Uglobal [W/m2ºC]
178,3
1,89
54,9
2,92
7,1
2,92
47,8
3,1
9,1
5,7
2
4
P ar ed ex te rior
Cubie rta e xte rior
Sue lo ex te rior
Suelo al terreno
Ventanas
Puertas
3% 1% 16%
2%
18%
60%
308,2 102,73
Fi ura 5: Datos constructivos de la vivienda uni amiliar
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Concluida la simulación, la demanda anual de energía en condiciones iniciales de construcción de la vivienda es 51,288.00 [kWh/año], siendo julio el mes de mayor energía demandada, representado el 20% del total anual. En la figura 4, se muestra el análisis de la simulación representada en la demanda de energía asociada a los elementos constructivos, ventilación y otras cargas, donde los cerramientos opacos y cerramientos transparentes y la ventilación son los elementos que mayores ratios de demanda de energía requieren.
Fi ura 6: Demanda de ener ía asociada a los elementos constructivos.
A partir de la información mostrada se determina mejorar la conductividad térmica U global en: los muros al exterior en sus diferentes orientaciones, el suelo y los vidrios, bajo el siguiente criterio: 2 Muro al exterior, U global actual 1,89 [W/m ºC] se incrementa a la solución constructiva polietileno de 5 cm de espesor cambiando el U global a 0,98 [W/m2ºC] (aislante ubicado en la parte media del cerramiento). Suelo en contacto con el terreno de U global 3,01[W/m2 ºC] actual, se mejora el terreno y la impermeabilización del mismo cambiando U global 2 [W/m2 ºC]. Vidrios, actualmente la vivienda tiene un vidrio simple y de pésimas características térmicas, la mejora consiste en emplear 2 vidrios en vez de uno (distancia de separación entre vidrios de 5 [mm] mejorando la conductividad térmica de 5,7 a 2 2,8 [W/m ºC]. Finalmente se mejora el rendimiento del sistema en un 15% (de 75 a 90%) y se reduce el número de renovaciones hora (nr ) de 1,2 a 0,6 aceptable para este tipo de viviendas. Los resultados de la simulación denotan una reducción considerable en la demanda de energía en el segundo caso (ver figura 5), la diferencia del mes de julio de -3208 [kWh/mes] respecto al estado
Figura.7 : Simulación de la demanda de energía en los dos casos de análisis.
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inicial de construcción, logrando reducir de forma significativa el consumo de energía. Considerando la utilización de energía eléctrica para los servicios de calefacción en la vivienda simulada, en la tabla siguiente se enseñan los ahorros económicos que representa la utilización de soluciones constructivas tradicionales en la construcción local versus la implementación de nuevos criterios técnicos constructivos más la inclusión de un mejor sistema y la reducción de nr . Determinando un ahorro económico anual del 41% y en el caso del mes de julio del 46 %.
Tabla nº 1 Ahorros en el consumo de energía Vivienda Vivienda con convencional mejoras
Diferencia
% Ahorro
Factura por consumo de energía eléctrica anual
40.481,62 Bs.
16.501,11 Bs.
23.980,51 Bs.
41%
Factura por consumo de energía eléctrica mes de Julio
7.207,52 Bs.
3.346,94 Bs.
3.860,58 Bs.
46%
Construcción de Viviendas Sociales Consumo de energía por servicio de calefacción Anual
120 4.857.794,21 Bs.
1.980.132,70 Bs.
2.877.661,51 Bs.
Si el mismo análisis se extrapola a la construcción de viviendas sociales en un número de 120 viviendas, el ahorro económico representa 2,877,661.51 Bs.
3.- Conclusiones
La implementación de un programa de simulación energética para nuestro medio, es un avance futurista, con ello se puede obtener, predecir y realizar trabajos de mejora en el edificio o sistema, a partir de un modelo validado. Se ha implementado un programa de manejo muy sencillo y de rápida respuesta de resultados y además predictivo en funciones de las necesidades del usuario. Referente al ahorro energético con la herramienta podemos conceptualizar y profundizar criterios del ahorro energético a partir de variar los diferentes parámetros y/o variables de las soluciones constructivas, orientación y sistemas de calefacción, etc., lo que permite la reducción de emanación de CO2 por el inadecuado consumo de la energía primaria y energía final en el uso de los sistemas de climatización. Evaluar y justificar los criterios técnicos en la proyección arquitectónica, principalmente en la adecuada selección y ubicación de las soluciones constructivas; la evaluación de demanda de energía ya sea eléctrica, gas natural y/o otro combustible líquido o sólido. De cara a la administración es importante sentar bases técnicas para la generación de la Normativa Boliviana de la Construcción en el Altiplano Boliviano. Finalmente del punto de vista de eficiencia energética permite evaluar aspecto significativo en administrar de manera eficiente los recursos energéticos y de esa manera preservar del medio ambiente.
Referencias 1) Bereket A. Nigusse, Improvements to the Radiant Time Series Method Cooling Load Calculation Procedure, Oklahoma State University, December (2007)
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2) Centro Meteorológico de la Carrera de Ingeniería Mecánica Facultad Nacional de Ingeniería. 3) Edwin V. Lamas, V. M. Soto E.J. Sarabia, Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector field. application to Spanish climates. Solar Energy 85 (2108-2121), 2011. 4) Edwin Víctor Lamas Sivila. Análisis y Propuesta de un Nuevo Método de Simulación Abreviado para la Certificación Energética en Edificios Residenciales, PhD. Thesis, Universitat Politècnica de València., Mayo 2011. 5) Ip Seng Lu, Experimental Validation of the Radiant Time Series Method Cooling Load Calculation Procedure, Oklahoma State University, December (2007) 6) Pinazo Ojer J,M, Manual de Climatización, Tomo II: SPUPV, Valencia 1996.
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