Análisis de incertidumbre y sensibilidad - Tutorial avanzado

Este tutorial te guiará por un análisis más realista de incertidumbre y sensibilidad para una aplicación posterior a la ocupación.

Problema: Identificar los factores más influyentes en el consumo de calefacción de un edificio de oficinas comparando la incertidumbre del comportamiento de los ocupantes y de la calidad de construcción.

Explicación: El ejemplo se basa en estas hipótesis:

1. las principales incertidumbres del comportamiento de los ocupantes pueden analizarse variando la consigna de calefacción y el funcionamiento de los equipos interiores, y
2. la incertidumbre de calidad de construcción puede representarse variando el comportamiento de la envolvente: valores U de muros, ventanas y cubierta e infiltración por sellado desconocido.

Se aplicarán estas variaciones a las dos categorías:

* Los límites inferiores representan casos en que se cuidó mucho la calidad de construcción y se superaron los objetivos. Es menos probable y en la práctica normal el exceso no sería muy alto. Los límites superiores representan casos de poco cuidado en que no se alcanzaron los objetivos. Es más probable y la desviación puede ser significativa.

** Los valores U de muros, cubierta y acristalamiento no son entradas directas de EnergyPlus, por lo que su variación debe representarse creando una secuencia de componentes de cerramiento con incrementos fijos de valor U. Después pueden usarse distribuciones discretas para representar la variación.

Paso 1 - Crear un modelo base

Crea un archivo nuevo situado en London Gatwick y añade al emplazamiento un edificio con un bloque rectangular sencillo de 30m x 20m, como se muestra abajo. Usa las opciones de modelo y plantillas predeterminadas. DesignBuilder utiliza por defecto un sistema HVAC Simple de ventiloconvectores. Para este ejemplo, asegúrate de seleccionar calefacción y refrigeración sin ventilación natural, como en un modelo nuevo con un sistema HVAC de FCU seleccionado.

Paso 2 - Ejecutar una simulación estándar

Haz clic en la pestaña Simulación y ejecuta una simulación anual base. Como el modelo es sencillo, puedes seleccionar resultados horarios. Selecciona también resultados mensuales, necesarios para la optimización. Comprueba los resultados horarios y que el modelo se comporte como esperas, incluidas temperaturas y períodos de funcionamiento. Si no, ajusta el modelo y repite el paso hasta que los resultados sean satisfactorios. Los resultados mensuales deberían parecerse a la captura siguiente.

Paso 3 - Definir el problema en el diálogo de ajustes de incertidumbre y sensibilidad

Cuando entiendas bien el funcionamiento del modelo base, puedes iniciar el análisis de incertidumbre y sensibilidad. Para ello haz clic en la pestaña Optimización + UA/SA de la pantalla Simulación. Como aún no tienes resultados, se muestra el diálogo Ajustes paramétricos .

Tipo de análisis

Cambia el tipo de análisis a 3-Incertidumbre/sensibilidad como se muestra abajo.

Esto configura las demás pestañas y permite definir el problema: qué deseas obtener del estudio de incertidumbre y sensibilidad.

Usa estos ajustes para identificar:

1. La incertidumbre del consumo de calefacción del edificio debida a la incertidumbre de varias entradas (análisis de incertidumbre).
2. Las entradas más influyentes en el consumo de calefacción (análisis de sensibilidad).

Salida

Añade una salida mediante la herramienta Añadir salida para acceder al diálogo Editar salidas de análisis . El procedimiento para seleccionar la salida Calefacción (electricidad) se muestra abajo.

Al terminar, el diálogo de salida de análisis de Calefacción (electricidad) debería tener este aspecto:

Al cerrar el diálogo, la tabla de salidas debería tener este aspecto:

Variables de diseño

Ve a la pestaña Variables de diseño . Hay tres variables de diseño predefinidas. Para este tutorial debemos eliminar la variable % ventana/muro , modificar las variables de consigna de calefacción y refrigeración y añadir 5 variables nuevas.

1. Para eliminar las variables % ventana/muro y Consigna de refrigeración , sigue estos pasos:

2. Edita la variable existente Temperatura de consigna de calefacción siguiendo estos pasos:

• Haz clic en el enlace Editar variable del panel de información.
• Cambia la desviación estándar a 1.00.
• Cambia el límite superior de truncamiento a 21.00.
• Pulsa Crear/actualizar gráfico para visualizar el gráfico.
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

4. Añade una nueva variable de densidad de potencia de equipos siguiendo estos pasos:

• Selecciona Añadir variable en la pestaña Variables de diseño para abrir el diálogo Editar variables de diseño .
• Selecciona Tipo de variable y en la lista derecha busca la variable Densidad de potencia de equipos en la carpeta Ganancias internas/Iluminación . Selecciónala.
• Establece la curva de distribución en 18-Triangular.
• Cambia el valor modal a 13.00, el valor mínimo a 10.00 y el valor máximo a 20.00.
• Pulsa el botón Crear/actualizar gráfico para visualizar la distribución.
  
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

5. Añade una nueva variable Infiltración (ac/h) siguiendo estos pasos:

• Selecciona Añadir variable en la pestaña Variables de diseño para abrir el diálogo Editar variables de diseño .
• Selecciona Tipo de variable y busca la variable Infiltración (ac/h) en la carpeta Ventilación natural/Infiltración de la lista derecha. Selecciónala.
• Cambia la curva de distribución a 18-Triangular.
• Cambia el valor modal a 0.25, el valor mínimo a 0.22 y el valor máximo a 0.35.
• Pulsa el botón Crear/actualizar gráfico para visualizar la distribución.
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

6. Añade una nueva variable Cerramiento de muro exterior siguiendo estos pasos:

• Selecciona Añadir variable en la pestaña Variables de diseño para abrir el diálogo Editar variables de diseño .
• Selecciona Tipo de variable y busca la variable Cerramiento de muro exterior en la carpeta Cerramientos de la lista derecha. Selecciónala.

• Haz clic en la lista de opciones y sigue estos pasos:

• Haz clic en el botón de exploración:

• Añade un cerramiento nuevo con valor U de 0.30 W/m2K. Ejemplo abajo:

Nota: Puedes usar la herramienta Establecer valor U del panel de información para obtener un valor U específico.

• Del mismo modo, crea 9 cerramientos de muro exterior con valores U de 0.25 W/m2K a 0.45 W/m2K en incrementos de 0.025 W/m2K.
  
  

• Configura la lista de opciones en orden creciente de valor U y pulsa Aceptar para cerrar el diálogo:
  
  

• Cambia la curva de distribución a 3-Binomial.
• Cambia la probabilidad a 0.40.
• Pulsa el botón Crear/actualizar gráfico para visualizar la distribución.
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

7. Del mismo modo añade una nueva variable Tipo de acristalamiento siguiendo estos pasos:

• Selecciona Añadir variable en la pestaña Variables de diseño para abrir el diálogo Editar variables de diseño .
• Selecciona Tipo de variable y busca la variable Tipo de acristalamiento en la carpeta Acristalamiento/Sombreado de la lista derecha. Selecciónala.
• Sigue los pasos anteriores para Cerramiento de muro exterior y crea una lista de componentes de acristalamiento ordenados por valor U creciente. Crea y selecciona 11 tipos de acristalamiento con valores U de 1.90 W/m2K a 2.40 W/m2K en incrementos de 0.05 W/m2K.

Nota: Usa el método de definición de acristalamiento 2-Simple , donde puedes introducir directamente el valor U.

• Cambia la curva de distribución a 3-Binomial.
• Cambia la probabilidad a 0.40.

• Pulsa el botón Crear/actualizar gráfico para visualizar la distribución.
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

8. Del mismo modo añade una nueva variable Cerramiento de cubierta plana .

• Selecciona Añadir variable en la pestaña Variables de diseño para abrir el diálogo Editar variables de diseño .
• Selecciona Tipo de variable y busca la variable Cerramiento de cubierta plana en la carpeta Cerramientos de la lista derecha. Selecciónala.
• Usa los pasos definidos para Cerramiento de muro exterior para crear y configurar una lista de opciones ordenada por valor U creciente. Crea y selecciona 9 cerramientos de cubierta plana con valores U de 0.16 W/m2K a 0.30 W/m2K en incrementos de 0.02 W/m2K.

• Cambia la curva de distribución a 3-Binomial.
• Cambia la probabilidad a 0.40.

• Pulsa el botón Crear/actualizar gráfico para visualizar la distribución.
• Pulsa el botón Cerrar para guardar los datos y cerrar el diálogo.

9. La lista final de variables de diseño debería tener este aspecto:

Paso 4 - Abrir el diálogo Opciones de cálculo

Tras confirmar las opciones de incertidumbre y sensibilidad, abre Opciones de cálculo. Cambia el número de ejecuciones a 500 para este análisis detallado y deja los demás ajustes predeterminados.

Paso 5 - Iniciar el análisis de incertidumbre y sensibilidad

Cuando hayas revisado las opciones, pulsa el botón Iniciar en la esquina inferior derecha. El proceso ejecutará muchas simulaciones. Con los ajustes recomendados habrá 500 ejecuciones, representadas en lotes de 20 y actualizando el histograma al terminar cada lote. ¡Eso supone 25 lotes! Para el edificio de oficinas sencillo no debería llevar mucho tiempo con el gestor ejecutando simulaciones en paralelo. Si el tiempo es un problema, suele convenir empezar con menos ejecuciones.

Durante las ejecuciones, las salidas de incertidumbre se representan al final de cada lote.

Nota: Aunque es posible detener las simulaciones antes de completar UA/SA, no se recomienda: los resultados de incertidumbre podrían ser incorrectos y no se crearían resultados de sensibilidad.

Cuando terminen todas las ejecuciones aparece un aviso como el de la captura. Pulsa Aceptar para cerrarlo y después pulsa Cerrar para volver a la pestaña Optimización +UA/SA de la pantalla Simulación y analizar los resultados.

Paso 6 - Analizar los resultados

Resultados del análisis de incertidumbre

Mantén el tipo de análisis predeterminado 1-Análisis de incertidumbre en el panel Opciones de visualización para ver primero los resultados UA. El histograma y las estadísticas del panel derecho del gráfico deberían mostrar que:

• La energía total de calefacción presenta gran variabilidad, desde un mínimo de 1494 kWh hasta un máximo de 7296 kWh.
• Aunque algunos datos son atípicos, el consumo medio de energía de calefacción es 3915 kWh con desviación estándar de ±1149 kWh.

Resultados del análisis de sensibilidad

Para visualizar los resultados de sensibilidad, cambia el tipo de análisis a 2-Análisis de sensibilidad.

Los resultados de sensibilidad se muestran por defecto en orden decreciente de importancia. El valor negro y en negrita sobre cada barra es el coeficiente de regresión estandarizado (SRC), que indica la importancia relativa de cada entrada. En verde, a la derecha de cada SRC, aparece el valor p. En este ejemplo deberías ver que el valor p de todas las entradas es 0. Un valor p bajo (<0.05) indica alta confianza en el resultado de esa variable.

• El análisis revela que, para este edificio y los intervalos de incertidumbre definidos, el comportamiento de los ocupantes contribuye más a la incertidumbre del consumo de calefacción que el comportamiento de la envolvente. Esto se deduce de que la consigna de calefacción y la densidad de potencia de equipos tienen un SRC mayor que cualquier parámetro de la envolvente.
• La infiltración es el tercer parámetro más influyente y, entre las variables de la envolvente, su sellado es el factor más crítico para el consumo de calefacción. Como era de esperar, el SRC positivo indica una relación directa: más infiltración aumenta el consumo de calefacción.
• El acristalamiento tiene el intervalo de valor U más amplio (1.9 W/m2K a 2.4 W/m2K) entre los elementos de envolvente (muros y cubierta van de 0.25 W/m2K a 0.45 W/m2K y de 0.16 W/m2K a 0.30 W/m2K). Sin embargo, la cubierta influye más en la calefacción por su mayor área expuesta.
• La densidad de potencia de equipos tiene una relación inversa con el consumo de calefacción. Al aumentar la carga de equipos aumentan las ganancias internas, reduciendo el consumo de calefacción.
• El análisis sugiere que gestionar el comportamiento de los ocupantes debe ser una prioridad durante la operación del edificio para minimizar la variabilidad de rendimiento.
• Las dos medidas más importantes en construcción para mejorar el consumo de calefacción son a) un sellado adecuado de la envolvente y b) un aislamiento correcto de cubierta. También puede interpretarse que medir estas dos variables con mayor precisión reduce la incertidumbre de las predicciones.