Distribución de radiación solar

Este tema resume los métodos de cálculo de radiación solar de EnergyPlus.

Modelo de Radiance del cielo

En EnergyPlus, el cálculo de radiación solar difusa del cielo incidente en una superficie exterior tiene en cuenta la distribución anisótropa o no uniforme de la radiancia del cielo. Para esta distribución, la irradiancia difusa sobre una superficie viene dada por:

AnisoSkyMult * DifSolarRad

donde:

DifSolarRad es la irradiancia solar difusa del cielo sobre el terreno y AnisoSkyMult se determina según la orientación de la superficie y la distribución de radiancia del cielo, y tiene en cuenta el sombreado de la radiación difusa por superficies como voladizos. No incluye la reflexión de esa radiación por las superficies de sombra.

La distribución se basa en un modelo empírico de mediciones de cielos reales descrito por Perez et al., 1990. La radiancia del cielo se determina mediante tres distribuciones superpuestas (véase la figura 33):

1. Una distribución isotrópica que cubre toda la bóveda celeste;
2. Un brillo circumsolar centrado en la posición del sol;
3. Un brillo del horizonte.

Vista esquemática del cielo con la radiancia solar como superposición de tres componentes: bóveda isotrópica, brillo circumsolar representado por una fuente puntual en el sol y brillo del horizonte como fuente lineal.

Las proporciones dependen del estado del cielo, caracterizado por los factores de claridad y brillo definidos abajo a partir de la posición solar y los datos solares del archivo meteorológico.

El brillo circumsolar se supone concentrado en una fuente puntual en el centro del sol, aunque en realidad comienza en la periferia del disco solar y disminuye en intensidad al aumentar la distancia angular desde ella.

El brillo del horizonte se supone una fuente lineal en el horizonte independiente del acimut. En realidad, con cielo despejado alcanza el máximo en el horizonte y disminuye al alejarse. Con cielo cubierto tiene valor negativo, ya que la radiancia aumenta en lugar de disminuir al alejarse del horizonte.

Sombreado de la radiación de onda larga del cielo

EnergyPlus calcula la radiación de onda larga del cielo incidente en superficies exteriores suponiendo una distribución isotrópica. Si hay obstáculos como voladizos, la radiación incidente se multiplica por un factor de sombreado isotrópico. La radiación de onda larga de los obstáculos se añade a la del terreno; se supone que ambos están a la temperatura del aire exterior y tienen emisividad 0.9.

Ganancias solares

La ganancia solar total de una superficie exterior combina la absorción de radiación directa y difusa dada por

donde:

a =absortividad solar de la superficie

A =ángulo de incidencia de los rayos solares

S =área de la superficie

Ss = área soleada

Ib =intensidad de radiación directa

Is =intensidad de radiación difusa del cielo

Ig =intensidad de radiación difusa reflejada por el terreno

Fss = factor angular entre la superficie y el cielo

Fsg = factor angular entre la superficie y el terreno

Si la superficie está sombreada, el programa modifica Fss mediante un factor que tiene en cuenta la distribución de radiancia del cielo (véase «Sombreado de radiación solar difusa del cielo»). El programa no calcula el sombreado de la radiación difusa del terreno. El usuario debe estimar su efecto y modificar Fsg en consecuencia.

Distribución solar

Como se explica en las opciones del modelo solar, la Distribución solar determina cómo trata EnergyPlus la radiación solar directa que entra en una zona por ventanas exteriores. Las tres opciones: 1-Sombreado mínimo, 2-Exterior completo y 3-Interior y exterior completo se explican en el tema Opciones solares .

EnergyPlus calcula la distribución de radiación de onda corta en el interior de cada zona térmica. Comprende radiación solar directa y difusa y radiación de onda corta de iluminación eléctrica. El programa determina la cantidad (1) absorbida en la cara interior de superficies opacas, (2) absorbida por las capas de vidrio y sombreado de ventanas exteriores e interiores, (3) transmitida a zonas adyacentes por ventanas interiores y (4) transmitida de nuevo al exterior. Se tienen en cuenta los dispositivos de sombra móviles de ventanas exteriores.

Distribución inicial de radiación solar difusa transmitida por ventanas exteriores e interiores

El tratamiento de radiación difusa transmitida primero por ventanas exteriores y después interiores se ha mejorado. La radiación difusa del cielo y terreno transmitida por ventanas exteriores se distribuye primero a las superficies interiores de transferencia térmica de la zona, mediante los factores de vista aproximados descritos en «Intercambio de radiación LW entre superficies de zona». Se calcula la cantidad absorbida por cada superficie y capa de ventana y se añade después a los valores de radiación de onda corta absorbida. La cantidad reflejada se acumula por zona y se redistribuye uniformemente a las demás superficies. La transmitida por ventanas interiores a zonas adyacentes se distribuye inicialmente a sus superficies interiores de transferencia térmica de la misma manera.

Este tratamiento pretende contabilizar con mayor precisión la absorción, transmisión y reflexión iniciales de onda corta antes de la distribución uniforme descrita en la Engineering reference.

Reflectancia superficial del terreno

Los valores de reflectancia del terreno se utilizan para calcular la radiación solar reflejada por el terreno. Esta fracción, introducida mensualmente, se utiliza en la ecuación siguiente:

GroundReflectedSolar = (BeamSolar x COS(SunZenithAngle) + DiffuseSolar) x GroundReflectance

La radiación solar reflejada por el terreno nunca puede ser negativa. Snow Ground Reflectance Modifier puede modificar la reflectancia cuando hay nieve. Si se introduce 0.0 para cada mes, no se utiliza radiación solar reflejada por el terreno.

Reflectancias del terreno (nieve)

Cuando hay nieve en el terreno, las reflectancias pueden cambiar. El usuario puede especificar dos valores, modificador de radiación solar reflejada por nieve y modificador de luz natural reflejada por nieve.

Modificador de radiación solar reflejada por nieve

Número entre 0.0 y 10.0 que modifica la reflectancia básica del terreno cuando está nevado. El valor de GroundReflectanceUsed (abajo) debe ser <=1.

GroundReflectanceUsed  = GroundReflectance x ModifierSnow

Durante la simulación, el terreno se considera nevado cuando SnowDepth en el archivo meteorológico horario es > 0.

Modificador de luz natural reflejada por nieve

Número entre 0.0 y 10.0 que modifica la reflectancia básica del terreno cuando está nevado. El valor de DaylightingGroundReflectanceUsed (abajo) debe ser <=1.

DaylightingGroundReflectanceUsed  = GroundReflectance x ModifierSnow

Durante la simulación, el terreno se considera nevado cuando SnowDepth en el archivo meteorológico horario es > 0.  

Distribución directa

Si la opción de distribución solar es Sombreado mínimo o Exterior completo, se supone que toda la radiación directa de ventanas exteriores cae en el suelo. Si es Interior y exterior completo , el programa sigue dónde cae la radiación directa dentro de la zona y tanto muros como suelos pueden recibirla.

Distribución difusa

La radiación solar difusa transmitida por ventanas exteriores e interiores se distribuye según factores de vista aproximados entre la ventana transmisora y las demás superficies de transferencia térmica de la zona. Esta variable es la cantidad inicialmente absorbida en el interior de cada superficie. La parte reflejada por todas las superficies se redistribuye uniformemente a ellas junto con la radiación directa reflejada interior y la onda corta de iluminación. La radiación total absorbida se indica en la siguiente variable.

Radiación solar reflejada por superficies exteriores

EnergyPlus tiene una opción para calcular la radiación directa y del cielo reflejada por superficies exteriores que llega al edificio. En zonas con iluminación natural detallada, estas reflexiones también se consideran en los cálculos de iluminancia. Las superficies reflectantes se dividen en tres categorías:

1. Superficies de sombra. Son superficies como voladizos, bloques componentes o superficies del edificio. Hay ejemplos en Opciones solares. Pueden tener reflectancia difusa o especular (directa a directa), especificada según las propiedades superficiales del material.
2. Superficies exteriores del edificio. Una sección del edificio refleja radiación solar hacia otra y viceversa. Véase la figura 47. Las superficies opacas, como muros, se suponen reflectantes difusas; ventanas y puertas de vidrio, especulares. El programa calcula la reflectancia opaca a partir de Absorptance:Solar y Absorptance:Visible de la capa exterior del cerramiento. Para ventanas y puertas de vidrio usa las propiedades de las capas individuales, suponiendo que no hay dispositivo de sombra y considerando las reflexiones entre capas.
3. Superficie del terreno. La reflexión directa y del cielo desde el terreno se calcula incluso sin la opción Reflexiones, que es el caso predeterminado. Entonces se considera el terreno sin obstáculos y se ignora su sombreado por el edificio o bloques componentes. Solo se tiene en cuenta con Reflexiones activada; en ese caso no se utiliza el factor de vista del terreno calculado por DesignBuilder.

Consulta Opciones solares,

Reflexión difusa de radiación solar directa y del cielo

Se utiliza trazado de rayos para calcular la radiación directa y del cielo reflejada de forma difusa hacia cada superficie exterior del edificio, como muros, cubiertas, ventanas y puertas, denominada «receptora». Se genera un conjunto de rayos hacia el hemisferio exterior desde cada punto receptor y se determina si alcanzan cielo, terreno u obstáculo. Se calcula la radiancia reflejada en cada impacto y su contribución a la superficie, sumada a las demás y promediada entre puntos receptores. Se calculan por separado las reflexiones directa a difusa y del cielo de obstáculos y terreno. Para reflexión directa a directa véase Radiación solar directa reflejada especularmente por obstáculos abajo.

Rayos

Se envían 90 rayos al hemisferio exterior desde cada punto receptor. Un rayo ascendente puede alcanzar un obstáculo o el cielo; uno descendente puede alcanzar un obstáculo o el terreno. Véase el diagrama.

Esquema bidimensional de rayos salientes desde un punto receptor. Los rayos 1-6 alcanzan el terreno, 7-11 un obstáculo y 12-15 el cielo.

Radiación solar del cielo reflejada de forma difusa por el terreno

Si un rayo descendente alcanza el terreno, por ejemplo 1-6 en el diagrama, se calcula la radiancia en el punto de impacto debida a la radiación difusa del cielo. Para ello se envían rayos ascendentes y se determina cuáles llegan al cielo sin obstáculos, por ejemplo 6-10. Se supone radiancia uniforme del cielo.

Esquema bidimensional de rayos ascendentes desde un punto de impacto en el terreno.

Radiación solar directa reflejada especularmente por obstáculos

El diagrama muestra esquemáticamente cómo se calcula la reflexión especular de un obstáculo.

Esquema bidimensional de reflexión especular de un obstáculo, como una fachada acristalada vecina. El punto receptor recibe radiación directa reflejada si (1) DB atraviesa la superficie reflectante EF, (2) CD no alcanza obstáculos como RS y (3) AC no alcanza obstáculos como PQ.

Encontrarás más información en el documento EnergyPlus EngineeringReference.pdf .