Opciones de cálculo de simulación - Opciones de cálculo

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Pasos de tiempo por hora

El ajuste Pasos de tiempo por hora especifica el paso de tiempo general de la simulación. El valor introducido también se conoce como paso de tiempo de zona. Se utiliza en el cálculo del modelo de balance térmico de zona como paso de tiempo para los cálculos de transferencia de calor y cargas. El valor introducido es el número de pasos de tiempo por hora. Los pasos más largos corresponden a valores menores de Número de pasos de tiempo por hora. Por ejemplo, el valor 6 indica al programa que utilice un paso de zona de 10 minutos, mientras que el valor 60 corresponde a un paso de 1 minuto.

El número de pasos de tiempo por hora elegido debe ser un divisor exacto de 60. Las opciones permitidas son 1, 2, 4, 6, 10, 12, 30 y 60.

La elección de este campo tiene implicaciones importantes para la precisión del modelo y la duración total de la simulación. Tenga en cuenta lo siguiente:

• La técnica de solución de EnergyPlus se ha diseñado para ser estable con pasos de zona de hasta sesenta minutos (Number Timesteps in Hour = 1). Sin embargo, 60 minutos se considera un paso «largo» y solo debe utilizarse en casos excepcionales sin sistema HVAC, donde la precisión no sea importante y sean esenciales tiempos de ejecución cortos. No se recomiendan pasos tan largos porque los resultados son más precisos con pasos menores, por ejemplo de 10 minutos o menos (6 o más pasos por hora). Los pasos de zona más cortos mejoran la solución numérica del modelo de balance térmico de zona porque mejoran el acoplamiento de los modelos de temperatura superficial y de aire de zona. Los pasos más largos introducen más retardo y amortiguan más la respuesta dinámica.
• El tiempo de simulación aumenta con pasos más cortos o valores mayores de Número de pasos de tiempo por hora. El efecto varía según el modelo. Puedes probar distintos valores en tu modelo para conocer sus implicaciones. A veces los modelos grandes con sistemas HVAC multizona y de planta se ejecutan casi tan rápido con pasos de 15 minutos como con pasos de 60 minutos, porque el modelado del sistema requiere menos iteraciones cuando los resultados del paso anterior son próximos al resultado final del siguiente.
• Los archivos climáticos suelen contener datos de 60 minutos (u horarios). Sin embargo, no conviene utilizar esto como único criterio para elegir el paso de zona, porque:
  • EnergyPlus interpola cuidadosamente los datos climáticos entre puntos para utilizarlos en pasos más cortos.
  • Muchos aspectos de un modelo tienen escalas temporales distintas de las de los datos climáticos. Uno de los objetivos del modelado es predecir cómo responderá el edificio al clima. Sin embargo, la respuesta del edificio no depende de la escala temporal disponible de los datos climáticos, sino de las escalas temporales del comportamiento dinámico de la envolvente térmica y de los programas de ganancias internas, termostatos y disponibilidad de equipos.

• Si el modelo también se utiliza para calcular el coste de electricidad, tenga en cuenta que muchas tarifas eléctricas calculan los cargos a partir de intervalos de demanda de duración determinada. Si el número de pasos de tiempo por hora no es compatible con el intervalo de demanda, pueden obtenerse resultados inesperados. Para predecir razonablemente las tasas máximas de uso de electricidad al calcular cargos por demanda, la duración del paso de zona debe ser compatible con el intervalo de demanda de la tarifa. La siguiente tabla indica los valores compatibles con distintos intervalos.

EnergyPlus también utiliza un segundo tipo de paso de tiempo, denominado paso de sistema o HVAC. Es un paso de duración variable que rige el modelado de los sistemas HVAC y de planta. El usuario no puede controlarlo directamente, salvo mediante los datos de límites de convergencia. Cuando comienza la resolución de la parte HVAC para el paso de zona actual, se utiliza este como duración máxima y luego puede reducirse según sea necesario para mejorar la solución. Los detalles técnicos se explican en la documentación de ingeniería, en «Integrated Solution Manager».

Los usuarios avanzados de EnergyPlus pueden obtener y visualizar datos a los intervalos del paso HVAC utilizado si seleccionan la opción «detailed» en una variable de informe HVAC al trabajar directamente con datos IDF.

Aunque muchos edificios pueden simularse correctamente con 1 o 2 pasos por hora, EnergyPlus recomienda un mínimo de 4 para simulaciones sin HVAC y 6 para simulaciones con HVAC.

Al utilizar el método de solución por diferencias finitas, el mínimo es de 20 pasos de tiempo por hora.

Las simulaciones de cubierta vegetal también pueden requerir más pasos de tiempo.

Nota 1: En general, aumentar el número de pasos mejora la precisión, pero ralentiza la simulación y genera más datos si se solicita una salida a intervalos «sub-hourly».

Nota 2: Si utiliza 1 paso de tiempo por hora no podrá acceder a los resultados de distribución de temperaturas .

Control de temperatura

Los sistemas de calefacción y refrigeración controlan las temperaturas interiores para alcanzar las consignas especificadas en la pestaña Actividad. Estas consignas pueden interpretarse como temperatura del aire, temperatura operativa u otra fracción radiante. DesignBuilder proporciona las opciones correspondientes para que los sistemas HVAC se controlen mediante:

• 1-Temperatura del aire - controla las temperaturas medias del aire de la zona según las temperaturas de consigna de calefacción y refrigeración especificadas en la pestaña Actividad.
• 2-Temperatura operativa - controla la temperatura ambiente utilizando una fracción radiante de 0.5. Si piensa utilizar esta opción, consulte las notas sobre control por temperatura operativa más abajo.
• 3-Otro- permite introducir la fracción radiante de control de temperatura.
• 4-Confort Fanger - esta opción solo está disponible con HVAC Detallado. Permite controlar las condiciones de confort de la zona mediante consignas de confort PMV de Fanger para calefacción y refrigeración en lugar de las consignas de temperatura habituales. Los valores de consigna PMV se definen bajo el encabezado Control ambiental de la pestaña Actividad cuando se utiliza la opción predeterminada 1-HVAC Simple en Datos de actividad para HVAC detallado . Alternativamente, con la opción 2-HVAC Detallado en Datos de actividad para HVAC detallado , las consignas PMV variables en el tiempo para calefacción y refrigeración se definen mediante programas de confort PMV de Fanger seleccionados en el cuadro de zona HVAC.

Cuando se utiliza la opción 3-Otro , la fracción radiante debe ser menor que 0.9 y su mínimo es 0.0. Un valor de 0.0 equivale a controlar solo la temperatura del aire de la zona. Si la velocidad del aire es superior a 0.2 m/s, pueden aplicarse valores menores de la fracción radiante. Niu y Burnett (1998) citan la norma internacional ISO 77300 al recomendar los valores de esta fracción de la siguiente tabla.

Fracción radiante frente a velocidad del aire

Nota: Cuando se selecciona el 2-DesignBuilder método de dimensionamiento automático HVAC Simple , los ajustes de control de temperatura utilizados en el cálculo de calefacción y en el cálculo de refrigeración también se aplican a los cálculos de dimensionamiento automático de la simulación para los días de diseño de invierno y verano, respectivamente.

Referencia: J. Niu and J. Burnett. 1998. Integrating Radiant/Operative Temperature Controls into Building Energy Simulations. ASHRAE Transactions Vol. 104. Part 2. page 210. ASHRAE. Atlanta, GA.

La opción de control de temperatura puede interpretarse como:

• La fracción radiante percibida por el termostato de la habitación, o bien
• Dado un termostato que percibe principalmente la temperatura del aire, el grado de modificación automática de la temperatura de consigna para garantizar el confort de los ocupantes.

Nota: Esta opción queda anulada al utilizar sistemas de calefacción radiante por el ajuste de control del sistema de calefacción radiante.

Nota: Esta opción no afecta a las consignas de ventilación natural y mecánica , que siempre utilizan consignas de temperatura del aire .

Control por temperatura operativa frente a temperatura del aire: análisis avanzado

 

Durante años los especialistas en simulación han debatido cuánto deben incluirse los efectos radiantes en el termostato simulado. La mayoría de los termostatos reales probablemente no perciben más de aproximadamente 20% de transferencia de calor radiante: el sensor responde principalmente a la temperatura del aire cercano. Por ello podría parecer que el control por temperatura del aire o con 20% radiante es la mejor opción. Sin embargo, el control por temperatura operativa (radiant fraction = 0.5) puede ser útil para calcular de forma realista la energía de calefacción y refrigeración a partir de los requisitos de temperatura de verano e invierno publicados para las actividades de cada zona. Los sistemas HVAC regulados por temperatura operativa siguen acondicionando el edificio hasta alcanzar condiciones de confort, como sucede en edificios reales donde los ocupantes pueden ajustar los termostatos. Además, los valores predeterminados de consignas de temperatura de las plantillas de actividad proceden generalmente de fuentes que indican temperaturas operativas. Con el control por temperatura del aire, la temperatura del aire de la habitación se controla según la consigna, que puede no ser confortable en función de las temperaturas radiantes interiores.

 

El inconveniente del control por temperatura operativa es que las cargas de arranque pueden ser excesivamente altas debido al retardo de la respuesta térmica de paredes, suelo y techos. La lenta respuesta térmica de la envolvente condiciona en parte la respuesta del termostato operativo y, por tanto, el funcionamiento de los equipos de calefacción y refrigeración. Si este efecto domina, puede sobreestimarse la carga de diseño necesaria. Conviene conocer este problema antes de usar el control por temperatura operativa para dimensionar los equipos. Según nuestra experiencia, suele producir cargas punta significativamente mayores en los cálculos de diseño de calefacción y refrigeración y un mayor consumo energético en las simulaciones. Por ello, DesignBuilder utiliza control por temperatura del aire para las simulaciones de dimensionamiento automático de calefacción y refrigeración, incluso cuando se selecciona Operativa u Otra, para evitar capacidades excesivas. Esto puede provocar un dimensionamiento insuficiente y horas no satisfechas al ejecutar simulaciones ASHRAE 90.1. Una alternativa es aumentar adecuadamente los factores o ajustes de dimensionamiento HVAC. Puede ser necesario probar distintos valores.

Precaución: El control por temperatura operativa puede causar EnergyPlus Error 3 al utilizar HVAC Simple o cálculos de diseño de refrigeración con control operativo en zonas con fuertes ganancias de calor radiante que provocan temperaturas radiantes elevadas (por ejemplo, una cubierta sin aislamiento o una zona muy acristalada). El error se debe a que la temperatura fija de impulsión del aire es superior a la temperatura del aire de zona necesaria para alcanzar la consigna operativa (p. ej., 24°C). Una solución puede ser utilizar el control por temperatura del aire y gestionar las temperaturas radiantes elevadas mediante protección solar o aislamiento, según corresponda.

El control por temperatura del aire es más sencillo de utilizar, ya que no presenta ninguno de los problemas anteriores, pero puede dar lugar a equipos insuficientes para las cargas punta en los cálculos de diseño de calefacción y refrigeración si no se utiliza un factor de seguridad de diseño. Esto es especialmente cierto cuando las temperaturas radiantes difieren mucho de las del aire, por ejemplo, en edificios poco aislados, con grandes superficies acristaladas sin protección o tasas de ventilación elevadas. En general, el control por temperatura del aire en las simulaciones de estos edificios subestimará el consumo energético.

 

Dimensionamiento automático de sistemas convectivos HVAC Simple con control por temperatura operativa

Otro aspecto del control por temperatura operativa es que, en sistemas convectivos HVAC Simple, los sistemas de refrigeración dimensionados automáticamente utilizan otro algoritmo para calcular el caudal máximo de impulsión de aire utilizado en el sistema de EnergyPlus Ideal Loads . En sistemas convectivos se utiliza la ecuación:

 

DeltaT = ZoneCoolingSetPointTemperature - HVACCoolingCoilSetpointTemp (diferencia de temperatura entre el aire de zona y el aire de impulsión)

        

DesignSupplyAirFlowM3PerS = DesignMaxCoolingLoad / (Cp * DeltaT * AirDensity)

 

Esta ecuación funciona porque puede suponerse que la temperatura del aire de la zona es la consigna de refrigeración de la zona y, por tanto, existe una diferencia fija entre las temperaturas del aire de zona y de impulsión. Calcular así el caudal de impulsión de diseño para refrigeración no funciona con el control por temperatura operativa, porque las temperaturas del aire del espacio suelen ser mucho menores que la consigna de refrigeración de la zona y, en ocasiones, en zonas con temperaturas radiantes muy elevadas, la temperatura del aire de zona se aproxima a la de impulsión. En otras palabras, la diferencia de temperatura en el sistema simulado es muy pequeña y se necesitan caudales muy elevados para satisfacer las cargas de refrigeración.        

Consejo: Como regla general, conviene comprobar los niveles de confort del edificio cuando se utiliza control por temperatura del aire y el funcionamiento realista de la planta (equipos sobredimensionados, temperaturas de impulsión muy bajas) cuando se utiliza control por temperatura operativa.