modelamiento energetico a través de herramientas computacionales

8/11/2019 Modelamiento Energetico a Travs de Herramientas Computacionales.

1/210

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERAFACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS Y

ADMINISTRACIN

DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE OBRAS CIVILES

MODELAMIENTO ENERGTICO A TRAVS DE HERRAMIENTASCOMPUTACIONALES

TRABAJO DE TTULO PARA OPTAR AL TTULO DEINGENIERO CONSTRUCTOR

Profesor Gua : Juan Pablo Crdenas Ramrez

CRISTIAN MARCELO QUIIIR PINO2010


2/210

AGRADECIMIENTOS

Quisiera comenzar agradeciendo a las personas que hicieron posible

alcanzar esta meta, mis padres Fernando e Iris. Gracias a su apoyo

incondicional y cario entregado en los momentos difciles vividos durante este

proceso y gracias a que me inculcaron que el esfuerzo es lo nico que se

requiere para lograr los objetivos, es que esto es realidad ahora.

Agradecer tambin a mis hermanos Fernando y Mauricio, amigos y a

aquellas personas que siempre confiaron en que esto era posible y expresaron

su apoyo a lo largo de esta etapa.

Finalmente agradecer a Elizabeth, que lleg a mi vida para guiarme en

este ltimo paso, el ltimo esfuerzo para conseguir definitivamente esta meta.

Gracias por acompaarme y quererme, por las palabras de aliento entregadas,

y por el apoyo incondicional


3/210

Es en la crisis quenace la inventiva, los

descubrimientos y lasgrandes estrategias.

Quien supera la crisis sesupera a s mismo sin

quedar superado

Albert Einstein


4/210

INDICE DE CONTENIDOS

CAPITULO 1: INTRODUCCIN ..................................................................1

1.1. Exposicin general del problema........................................................ 2

1.2. Nivel actual del problema. ................................................................. 2

1.3. Objetivos ........................................................................................... 3

1.3.1 Objetivo general. ............................................................................. 3

1.3.2 Objetivos especificos. ...................................................................... 3

CAPITULO 2: TERMODINMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR...............4

2.1. Introduccin ...................................................................................... 5

2.2.

Transferencia de calor: ...................................................................... 5

2.2.1 Transferencia de calor por conduccin: ........................................... 5

2.2.2 Transferencia de calor por conveccin............................................. 7

2.2.3 Transferencia de calor por radiacin: .............................................. 8

2.2.4 Estados de transferencia trmica .................................................. 10

2.3. Conceptos de Termodinmica Aplicada ............................................ 13

2.3.1 Resistencia trmica (R): ................................................................ 13

2.3.2 Transmitancia Trmica (U):........................................................... 14

2.3.3 Conductividad trmica ( ............................................................ 15

2.3.4 Admitancia Trmica ...................................................................... 15

2.3.5 Ventilacin e infiltracin ............................................................... 16

CAPITULO 3: METODOLOGA DE ESTUDIO ............................................ 18

3.1. Introduccin .................................................................................... 19

3.2. Tipo de Estudio ............................................................................... 19

3.3. Pasos a Seguir ................................................................................. 19

3.3.1 Definicin de las caractersticas constructivas de la vivienda ........ 20

3.3.2 Tipo de uso y tiempos de ocupacin .............................................. 21


5/210

3.3.3 Modelacin de la Edificacin ......................................................... 22

3.3.4 Anlisis y comparacin de Resultados Obtenidos .......................... 22

CAPITULO 4: DESARROLLO ................................................................... 25

4.1. Introduccin .................................................................................... 26

4.2. Definicin de las caractersticas constructivas de la vivienda ........... 26

4.3. Tipo de uso y tiempos de ocupacin ................................................. 31

4.4. Modelacin de los Edificios .............................................................. 38

4.4.1 DesignBuilder............................................................................... 38

4.4.2 Ecotect ......................................................................................... 48

4.4.3 EnergyPlus ................................................................................... 53

CAPITULO 5: ANALISIS Y COMPARACIN DE RESULTADOS .................. 64

5.1. Introduccin .................................................................................... 65

5.2. Comparacin de demanda energtica por programa para cada etapa

de estudio................................................................................................... 65

5.3. Anlisis por mtodo Taguchi para el modelo en DesignBuilder ......... 67

5.3.1 Anlisis de Varianza ..................................................................... 68

5.4. Anlisis por mtodo Taguchi para el modelo en Ecotect ................... 76

5.4.1 Anlisis de Varianza ..................................................................... 76

CAPITULO 6: CONCLUSIONES Y COMENTARIOS .................................... 86

BIBLIOGRAFA ............................................................................ ............ 89

ANEXO A: MANUAL DE MODELAMIENTO EN ENERGYPLUS 91


6/210

INDICE DE TABLAS

CAPITULO 2: TERMODINMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR

Tabla 2.1. Conductividad trmica de algunos materiales. ................................. 7

CAPITULO 3: METODOLOGA DE ESTUDIO

Tabla 3.1. Tabla tipo de registro de soluciones constructivas.......................... 21

Tabla 3.2. cuadro de variables y niveles. ........................................................ 23

Tabla 3.3. Matriz de Tacguchi. ....................................................................... 24

CAPITULO 4: DESARROLLO

Tabla 4.1. Caractersticas de la solucin constructiva 1.1.M.A1.2. ................. 28 Tabla 4.2. Caractersticas de la solucin constructiva para techumbre. .......... 28

Tabla 4.3. Caractersticas de la Solucin constructiva 1.2.M.B2. .................... 30

Tabla 4.4. Caractersticas Solucin constructiva de Piso. ............................... 30

Tabla 4.5. Horario mensual/semanal de ocupacin de la zona_nica........... 32

Tabla 4.6. Horario de iluminacin para la zona_nica. ................................ 36

Tabla 4.7. Horario de Calefaccin para la zona_nica. ................................. 37

Tabla 4.8. Ganancia trmica para ocupantes en ambientes acondicionados ... 50

CAPITULO 5: ANALISIS Y COMPARACIN DE RESULTADOS

Tabla 5.1. Demanda energtica modelaciones (kWh/m2-ao) ......................... 66

Tabla 5.2. Tabla de combinaciones. ............................................................... 67

Tabla 5.3. Totales por nivel de factor etapas 1, 2 y 3 en kWh/ao. ................. 68

Tabla 5.4. Demanda promedio por nivel de cada factor en etapa1 .................. 69

Tabla 5.5. Demanda promedio por nivel de cada factor en etapa 2 ................. 69


Tabla 5.7. Totales por nivel de factor etapas 1, 2 y 3 en kWh/ao. ................. 77


Tabla 5.9. Demanda promedio por nivel de cada factor en etapa 2 ................. 78

Tabla 5.10. Demanda promedio por nivel de cada factor en etapa3 ................ 79


7/210

INDICE DE FIGURAS


Figura 2.1. Direccin del flujo de calor. ............................................................ 6

Figura 2.2. Placa expuesta a enfriamiento convectivo. ...................................... 8

Figura 2.3. Amortiguacin de la onda trmica. ............................................... 12


Figura 4.1. Planta de vivienda a modelar........................................................ 27

Figura 4.2. Esquema Solucin Constructiva complejo de Temchumbre. ......... 29

Figura 4.3. Grfico de ocupacin para das de semana. .................................. 32

Figura 4.4. Grfico de ocupacin para das de fin de semana. ........................ 33

Figura 4.5. Grfico de ocupacin de iluminacin da de semana durante horariode Invierno. ................................................................................................... 34

Figura 4.6. Grfico de ocupacin de iluminacin da de semana durante horario

de Verano. ..................................................................................................... 34

Figura 4.7. Grfico de ocupacin de iluminacin fin de semana durante horario

de Invierno. ................................................................................................... 35


de Verano. ..................................................................................................... 35

Figura 4.9. Grfico de ocupacin de Calefaccin da de semana Epoca-Fra. .. 36

Figura 4.10. Grfico de ocupacin de Calefaccin fn de semana Epoca-Fra. . 37

Figura 4.11. Captura modelo 3D de vivienda en DesignBuilder. .................. 39

Figura 4.12. Captura Cracin Horario de Ocupacin Vivienda. ....................... 40

Figura 4.13. Captura seccin Activity. ............................................................ 41

Figura 4.14. Captura seccin Construction . .................................................... 42

Figura 4.15. Captura Creacin de Solucin 1.2.M.B2 Z5 para muros. ............ 43

Figura 4.16. Captura Seccin Iluminacin. .................................................... 45

Figura 4.17. Captura distribucin horaria de Iluminacin. ............................. 46

Figura 4.18. Tipos de iluminarias definidas en DesignBuilder. .................... 46

Figura 4.19. Distribucin horaria de Calefaccin. .......................................... 47

Figura 4.20. Captura de la vivienda en modo 3D editor. ................................. 48

Figura 4.21. Captura del Editor de capas del elemento (Solucin 1.2.M.B2). .. 49


8/210

Figura 4.22. Captura Configuraciones Grales en ventana del administrador de

Zonas. ........................................................................................................... 51

Figura 4.23. Captura Propiedades Trmicas en ventana del administrador de

Zonas. ........................................................................................................... 52

Figura 4.24. Captura modelamiento 3d en Sketchup. .................................... 53

Figura 4.25. Ingresando informacin de la Localizacin del lugar. .................. 54

Figura 4.26. Captura del objeto Building y sus parmetros. ........................... 55

Figura 4.27. Especificacin de la Geometra Global. ....................................... 56

Figura 4.28. Configuracin de la zona de la vivienda. ..................................... 57

Figura 4.29. Captura del Grupo Internal Gains , definiendo la clase people. ..... 58

Figura 4.30. Horario de ocupacin de vivienda por mes en EP. ....................... 59

Figura 4.31. Horario de ocupacin en EP para das de semana. ..................... 60

Figura 4.32. Clase material, donde se crea cada uno de los materiales

componentes. ................................................................................................ 61

Figura 4.33. Solucin 1.2.M.B2 Z5 ingresada a EP. ........................................ 62

Figura 4.34. Definiendo caractersticas de la iluminacin General. ................. 63

CAPITULO 5: ANLISIS Y COMPARACIN DE RESULTADOS

Figura 5.1 Paralelo de la demanda obtenida por cada programa en las tres

etapas ........................................................................................................... 66

Figura 5.2. Efecto de la Aislacin de muro en el clculo calefaccin. .............. 71

Figura 5.3. Efecto de la Aislacin de cielo en la determinacion de demanda

energtica para cada etapa. ........................................................................... 71

Figura 5.4. Efecto de la infiltracin en la determinacion de demanda energtica

para cada etapa. ............................................................................................ 72

Figura 5.5 Efecto de la ocupacin en la determinacion de demanda energtica

para cada etapa ............................................................................................. 73

Figura 5.6. Tabla ANOVA para etapa1 ............................................................ 74

Figura 5.7. Tabla ANOVA para etapa 2 ........................................................... 74

Figura 5.8. Tabla ANOVA para etapa 3 ........................................................... 75

Figura 5.9. Paralelo de significancias por etapa .............................................. 75


9/210

Figura 5.10. Efecto de la Aislacin de muro en la determinacion de demanda

energtica ...................................................................................................... 79

Figura 5.11. Efecto de la Aislacin de cielo en la determinacion de demanda

energtica ...................................................................................................... 80

Figura 5.12. Efecto de la infiltracin en la determinacion de demandaenergtica ...................................................................................................... 81


..................................................................................................................... 82

Figura 5.14. Tabla ANOVA para etapa1 .......................................................... 83

Figura 5.15. Tabla ANOVA para etapa 2 ......................................................... 83

Figura 5.16. Tabla ANOVA para etapa 3 ......................................................... 84

Figura 5.17. Paralelo de significancias por etapa ............................................ 85


10/210

INTRODUCCIN


11/210

Capitulo 1: Introduccin

MODELAMIENTO ENERGTICO A TRAVS DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES2

1.1. Exposicin general del problema.

La ciudad de Temuco presenta en su clima marcadas oscilaciones

estacionales definindose meses fros, templados y clidos, con extremas

absolutas de temperatura que varan entre -5C y 37C. Estas variacionesestn presentes en las temperaturas, la humedad, la lluvia y el viento.

Una vivienda debe ser la principal fuente aislante de las condiciones

climticas, es por eso que se hace necesario un adecuado estudio de su

comportamiento trmico. De esta manera se puede establecer un aislamiento

ptimo, confort y un equilibrio trmico adecuado para sus habitantes. Esto es

posible lograrlo a travs de un acabado y correcto estudio de los sistemas

constructivos empleados para su construccin.

Una forma de facilitar el estudio y diseo de estas estructuras que

conforman la envolvente, es mediante la implementacin de programas

computacionales los que al ingresar los datos requeridos; tales como humedad

y temperatura ambiente, transmitancia de elementos, etc. realizan un clculo

trmico dinmico el cual nos entrega, entre otros antecedentes, el gasto

energtico y demanda energtica de la edificacin.

1.2. Nivel actual del problema.

Dada la evolucin que ha tenido el entendimiento del Confort Trmico en

Chile, y con la progresiva implementacin de la nueva normativa trmica

chilena, intentando alcanzar la importancia que se le debera dar a la eficiencia

de la energa en viviendas. Para el estudio y diseo del comportamiento

energtico de la envolvente trmica, de viviendas y edificios, en la actualidad seutilizan programas computacionales que facilitan su clculo. Uno de estos

programas es el desarrollado por el Ministerio de Vivienda y Urbanismo en

colaboracin con el Departamento de Ingeniera Energtica de la Asociacin

para la Investigacin y Cooperacin Industrial de Andaluca de la Universidad


12/210


13/210

CAPITULO 2: TERMODINMICA YTRANSFERENCIA DE CALOR


14/210


MODELAMIENTO ENERGTICO A TRAVS DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES 5

2.1 Introduccin

Para lograr comprender de mejor manera el comportamiento trmico de

los materiales frente a las transferencias de calor, de acuerdo a la variacin de

las temperaturas, es necesario, tener a lo menos un conocimiento primario de

los conceptos de termodinmica que involucra la transmisin de calor a travs

de los elementos constructivos de un edificio.

2.2 Transferencia de calor:

La ASHRAE la define como la energa transferida producto de una

diferencia de temperatura. Esta energa se mueve desde una regin de mayor

temperatura hacia una regin de menor temperatura por una o ms de los tres

mecanismos siguientes: conduccin, radiacin y conveccin.

2.2.1 Transferencia de calor por conduccin:

El fenmeno de transferencia de claro por conduccin constituye unproceso de propagacin de energa en un medio slido, lquido o gaseoso

mediante la comunicacin molecular directa cuando existe un gradiente detemperatura. Se dice que la energa se ha transferido por conduccin y que el

flujo de calor por unidad de rea es proporcional al gradiente normal de

temperatura.

~

Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:

= (2.1)


15/210



La Ecuacin (2.1) se llama Ley de Fourier de la conduccin , donde q es el

flujo de calor y T/ x es el gradiente de temperatura en la direccin del flujo de

calor. La constante positiva k se llama conductividad trmica del material, y

se coloca el signo negativo para satisfacer el segundo principio de la

termodinmica; esto es, el calor debe fluir hacia las temperaturas decrecientes,

indicado en la Figura 2.1.

Figura 2.1. Direccin del flujo de calor.

Cuando los materiales tienen una alta conductividad trmica en un

cuerpo poroso, como lo son muchos materiales de la construccin, el calor es

transmitido en parte a travs del agua o el aire que llena los microporos, si la

superficie de los materiales se encuentra seca o hmeda.


16/210



Tabla 2.1. Conductividad trmica de algunos materiales.

Material k ,W/mC

Poliestireno rgido 0,027Fibra de vidrio 0,036

Aire 0,0263

Agua 0,613

Ladrillo comn 0,72

Acero AISI 302 15,1

Acero AISI 1010 63,9

Aluminio Puro 237

Cobre Puro 401

2.2.2 Transferencia de calor por conveccin

El fenmeno de transferencia de calor por conveccin es un proceso detransporte de energa que se lleva a cabo como consecuencia del movimiento de

un fluido (lquido o gas) alrededor de una superficie, y est ntimamente

relacionado con el movimiento. Para entender mejor este fenmeno

consideremos una placa cuya superficie se encuentra expuesta a una

temperatura t s (Imagen 2.2) y que disipa calor hacia un fluido a temperatura t .

La ley de enfriamiento de Newton Ecuacin (2.2) expresa la razn de la

transferencia de calor desde la superficie de rea A s como:

= ( ) (2.2)


17/210



Donde h c es el coeficiente de transferencia de calor y tiene unidades de

W/m 2C. Si t >t s , la transferencia de calor se produce desde el fluido hacia la

superficie, y q es escrito como q=h c A s (t -t s ).

Para la transferencia de calor se debe considerar la conveccin, el fluidoen contacto con la superficie debe estar en movimiento; de lo contrario, el modo

de transferencia de calor sera conduccin. Si el movimiento del fluido es

causado por una fuerza externa (por ejemplo, ventilador, bomba, viento), se

trata de conveccin forzada . Si el movimiento del fluido resulta de fuerzasboyantes causadas por superficies ms fras o calientes que el fluido, se trata

de conveccin libre (o natural )

Figura 2.2. Placa expuesta a enfriamiento convectivo.

2.2.3 Transferencia de calor por radiacin:

En comparacin con los mecanismos de la conduccin y conveccin,

donde la transferencia de energa involucra un medio material, el calor puedetambin transferirse a travs de zonas en las que exista un vaco perfecto. En

este caso el mecanismo es la radiacin electromagntica. El fenmeno se

conoce como Radiacin Trmica.


18/210



Consideraciones termodinmicas muestran que un radiador trmico

ideal, o cuerpo negro, emitir energa de forma proporcional a la cuarta

potencia de la temperatura absoluta del cuerpo y directamente proporcional al

rea de su superficie:

h emitido = AT 4 (2.3)

Donde es la constante de proporcionalidad y se denomina constante de

Stefan-Boltzmann, que tiene un valor de 5,669x10 -8 W/(m 2K4) [~ 0,036

W/(m 2 C 4 ) ]. La Ecuacin (2.3) se denomina ley de la radiacin de Stefan-Boltzmann y se aplica exclusivamente a cuerpos negros.

Esta rige solo para la radiacin emitida por un cuerpo negro. El

intercambio de radiacin entre dos superficies ser proporcional a la diferencia

de las temperaturas absolutas elevadas a la cuarta potencia, como se muestra

en la Ecuacin (2.4)

q intercambio netoA

(T14 T 2

4 ) (2.4)

Por otra parte, la radiacin emitida por un cuerpo real a una temperatura

absoluta T 1 hacia una envolvente de rea A 2>>A1 y a temperatura T 2, puede

calcularse ahora con la expresin.


19/210



2.2.4 Estados de transferencia trmica

La transferencia de calor, al igual que otros procesos fsicos, puede ser

variable en el tiempo, es decir, al existir un desequilibrio en el sistema, este

tratar de llegar al equilibrio, usualmente al principio el proceso es ms biendesordenado con respuestas variables, luego se torna ordenado con

respuestas constantes, es por esta razn que se define un estado esttico de

transferencia de calor y otro dinmico o transiente.

Esta transferencia de calor ocurre a travs del muro, entre el interior y el

exterior de la vivienda, por lo tanto sucede mediante conduccin. La ecuacin

general que rige el gradiente de temperatura es:

= CT

t = 2 T (2.5)

Donde:

= Densidad [kg/m3]

C = Calor especfico [kcal/kgC]

l = Conductividad [W/mC] T = Funcin tmporo-espacial de temperatura, T=T(x(t), y(t), z(t),t) [C]

Como el caso analizado es el del muro, slo interesa la

transferencia de calor unidireccional perpendicular al plano del muro,

modificando la Ecuacin (2.5) queda:

T

t =

C

2 T

x 2 (2.6)


20/210



Estado esttico

Este estado se produce, idealmente, cuando las temperaturas del interior y

exterior del cerramiento permanecen casi constantes, es decir, no existe una

variacin temporal de temperatura.

T

t = 0

Reemplazando en Ecuacin (2.6) 2 T

x 2 (2.7)

De esta forma el gradiente de temperatura del elemento es lineal a travs del

espesor, consecuencia de haber alcanzado el equilibrio entre las ganancias y las

prdidas calricas.

Como se observa en este estado lo nico que hace hostil el paso del calor es

la resistencia trmica, por lo tanto en un estado estacionario el diseo se puede

realizar solamente controlando dicho parmetro.

Este estado de transferencia trmica se considera vlido para condiciones

climticas de invierno, debido a la baja amplitud trmica y a la baja radiacin

que incide en los cerramientos, haciendo que la temperatura ambiente se

pueda considerar constante. Por otra parte la temperatura interior de lasviviendas se mantiene alrededor de los 22C (considerando que el 95% de las

personas est a gusto entre 18C y 23C). Por esto se puede decir que tanto la

temperatura interior como exterior permanecen casi constantes, haciendo que

el muro se mueva en estados cercanos al equilibrio, estableciendo un estado

esttico de transferencia de calor.

Estado dinmico

Este estado se produce cuando se presentan variaciones temporales

importantes de temperatura entre las caras del cerramiento, por lo tanto la

ecuacin que rige esta transmisin de calor es la ecuacin (2.6)


21/210



De la ecuacin (2.6) se desprende que para el anlisis de los cerramientos enrgimen dinmico es necesaria la inclusin del calor especfico y de la densidad

del material, es decir, la inclusin de la inercia trmica. Haciendo

preponderante la cantidad de calor que puede guardar el muro, ayudando a un

amortiguamiento de la onda como se observa en la Figura 2.3.

Figura 2.3. Amortiguacin de la onda trmica.

Como se puede apreciar, adems de existir un amortiguamiento de la

onda se presenta una temperatura media ms prxima al peak superior que al

peak inferior, esto se debe a que en un estado dinmico el muro guarda calor,

cedindolo al interior en las horas fras, se puede decir que el muro es una pila

de calor, que se carga durante los periodos de calor y se descarga durante los

periodos de fro.

Este estado se logra bajo condiciones de verano, debido a la importante

ganancia calrica que presentan los muros perimetrales por radiacin solar

directa, generando importantes gradientes de temperatura en funcin del


22/210



tiempo entre las caras del muro. El diseo en estado dinmico condicin de

verano contempla ganancias calricas (por radiacin solar) diferentes a las

prdidas, es decir, cierta cantidad de energa queda alojada en el muro y se

encarga de elevar y mantener el gradiente trmico existente en l. Por otro lado

las prdidas que se producen ocurren tanto hacia el exterior como hacia el

interior de la vivienda (TMuro> TExterior y TMuro> TInterior), produciendo

esto que la obtencin de la respuesta trmica terica necesite procesos ms

complejos en su anlisis.

2.3 Conceptos de Termodinmica Aplicada

2.3.1 Resistencia trmica (R):

Este parmetro se utiliza para caracterizar las propiedades trmicas de un

material, representa la oposicin al paso del calor que presentan los elementos

de construccin. Se pueden distinguir los siguientes casos:

Resistencia trmica de una capa material, R:

Para una capa de caras planas y paralelas de espesor e, conformado por

un material homogneo de conductividad trmica , la resistenciatrmica, R, queda dada por la ecuacin (2.5):

R = e

(2.8)

y se expresa en m 2K/W.


23/210



Resistencia trmica total de un elemento compuesto, RT:

Inverso de la transmitancia trmica del elemento. Suma de las

resistencias de cada capa del elemento:

RT = 1

U (2,9)


Resistencia trmica de una cmara de aire no ventilada, Rg:

Resistencia trmica que presenta una masa de aire confinado (cmara de

aire). Se determina experimentalmente por medio de la norma NCh 851 y

se expresa en m 2K/W.

Resistencia trmica de superficie, Rs:

Inverso del coeficiente superficial de transferencia trmica h, es decir:

Rs = 1

h (2.10)


Mientras ms elevados son los valores de la resistencia trmica, ms alto

ser el aislamiento. Al revs, resistencias trmicas bajas implican falta de

aislamiento.

2.3.2 Transmitancia Trmica (U):

Flujo de calor que pasa por unidad de superficie del elemento y por grado

de diferencia de temperatura entre los dos ambientes separados por dicho

elemento. Corresponde al inverso de la resistencia trmica total RT de un

elemento y se expresa en W/m 2K. Se determina experimentalmente segn la

norma NCh 851 o bien mediante su expresin matemtica:


24/210



U =

e=

1

RT (2.11)

Coeficientes de transmitancia trmica muy bajos indican aislamientos

elevados

2.3.3 Conductividad trmica ( ):

Es el parmetro usado para caracterizar a los materiales en lo que hace

referencia a la capacidad para transmitir el calor, representa la facilidad con

que un material conduce el calor.

Es la cantidad de calor que en condiciones estacionarias pasa en la

unidad de tiempo a travs de la unidad de rea de una muestra de material

homogneo de extensin infinita, de caras planas y paralelas y de espesor

unitario, cuando se establece una diferencia de temperatura unitaria entre sus

caras. Se expresa en W/mK. Se determina experimentalmente segn la norma

NCh 850 o NCh 851

2.3.4 Admitancia Trmica

La admitancia trmica, tambin denominada coeficiente de acumulacin

trmica, es un parmetro calculable para cada una de las capas de material

que forman un muro. Se define la admitancia como la proporcin de flujo de

calor entre la superficie interna de la construccin y la temperatura del espacio,

para cada grado de oscilacin en la temperatura del espacio sobre su valor

medio. Vendra a ser un valor de U cclico para el flujo de calor entre el espacio y los muros. En construcciones multicapa, la admitancia se determina

principalmente mediante las caractersticas de los materiales de las capas

cercanas a la superficie interna. El efecto de una capa en el interior o por la

parte externa de un cerramiento tendr muy poco o ningn efecto sobre la

admitancia.


25/210



La Norma EN ISO 13786 prescribe utilizar el smbolo Ym para

representar la admitancia de un muro (en donde m representa la cara sobre la

que se desea dar el valor, normalmente la cara interior o exterior del muro). Se

expresa en W/m 2K.

2.3.5 Ventilacin e infiltracin

El intercambio de aire del exterior con el aire en el interior de la

edificacin puede ser dividida en dos clasificaciones generales: ventilacin e

infiltracin.

Ventilacin:

Es la introduccin intencional de aire desde el exterior hacia elinterior del edificio; se subdivide entre ventilacin natural y mecnica. Laventilacin natural es el flujo de aire a travs de ventanas, puertas,rejillas, y otras penetraciones previstas en la envolvente del edificio, y son

conducidas natural y/o artificialmente por diferencias de presin. La ventilacin Mecnica (o forzada ) es el movimiento intencional de airedentro y fuera de una edificacin utilizando ventiladores y ventilaciones

de admisin y escape. Infiltracin:

Es el flujo de aire exterior al interior del edificio a travs grietas y

otras aberturas no intencionales y a travs del uso normal de puertas

exteriores para entradas y salidas. Las infiltraciones son tambin

conocidas como fugas de aire hacia el interior del edificio. La exfiltracin es la fuga del aire interior hacia el exterior de la edificacin a travs de

similares tipos de aberturas. Como la ventilacin natural, infiltraciones yexfiltraciones son conducidas natural y/o artificialmente por diferencias

de presin.

Tasa de intercambio de aire:La tasa de intercambio de aire (I) compara el flujo de aire con el volumen

de aire, definido por la ecuacin (2.12):


26/210



= (2.12)

Donde:Q= Tasa de flujo volumtrico de aire en el espacio (m 3/s)

V= Volumen interior del espacio, (m 3)

La tasa de intercambio de aire tiene unidades de l/tiempo,

usualmente h -1, cuando el tiempo es en horas, la tasa de intercambio de

aire es tambin llamado air changes per hour (ach) .


27/210

CAPITULO 3: METODOLOGA DEESTUDIO


28/210



3.1 Introduccin

El presente capitulo muestra la estructura metodolgica que gua el

trabajo realizado. Esta etapa dentro de la propuesta de trabajo se considera

fundamental, ya que de sta depende el eventual xito que tengan las metas

trazadas. Por este motivo se entregan los pasos a seguir y las medidas

concretas que se han adoptado para la ejecucin.

3.2 Tipo de Estudio

El estudio realizado se clasifica como exploratorio y descriptivo.

Exploratoria debido a que inicialmente la investigacin se centra en la

bsqueda de informacin acerca de la teora bsica que involucra la

determinacin de demanda energtica e informacin sobre de los programas

computacionales utilizados para las modelaciones ya sea para el diseo 3d,

entendimiento de las variables y parmetros ingresados, y simulacin .

Descriptivo, ya que se busca visualizar las variaciones en los resultados

obtenidos, a travs de los programas computacionales, de demanda energticade las viviendas y establecer niveles de comparacin de dichas variaciones.

Adems de establecer antecedentes interpretativos que permitan generar

conclusiones que aporten a la construccin de nuevo conocimiento.

3.3 Pasos a Seguir

Para lograr los objetivos trazados anteriormente se deben hacer una serie

de pasos, los que sistemticamente buscan desarrollar la propuesta de formaeficiente.

En primera instancia se inicia una etapa de definicin de las

caractersticas constructivas de la vivienda, horarios de ocupacin de zonas,


29/210



iluminacin, calefaccin y ventilacin; con el fin de generar una simulacin lo

ms apegada a la realidad.

En una segunda etapa, de acuerdo a las caractersticas definidas

previamente se confeccionan los modelos de la vivienda en cada uno de losprogramas computacionales, indicados en los objetivos planteados, para ser

sometidos a simulacin en base al clima local.

Una tercera etapa considera los resultados obtenidos en las simulaciones

para ser procesados y de esta forma en una ltima etapa ser analizados.

El anlisis de los resultados, como ltima etapa, consiste en comparar

los resultados obtenidos entre los tres programas computacionales utilizadospara la simulacin de la vivienda, dimensionando la diferencia entre los

resultados asignando porcentajes de variacin.

3.3.1 Definicin de las caractersticas constructivas de la vivienda

Para la seleccin de los edificios a estudiar es necesario contar con

informacin trmica y constructiva fidedigna de los materiales que conformarn

la vivienda a estudiar. Para este efecto, se recopila informacin tanto de la

normativa vigente como de proveedores de materiales, como tambin de bases

de datos de otros programas computacionales del rea.

Una vez recolectada toda la informacin necesaria, se tabula para luego

ser procesadas a los diferentes programas computacionales.

A continuacin se muestra una tabla tipo, utilizada para el registro de

soluciones constructivas, sus componentes y caractersticas.


30/210



Tabla 3.1. Tabla tipo de registro de soluciones constructivas.

Nombre SolucinDescripcin

Informacin constructiva Informacin Trmica

Materialescomponentes

Espesor(m)

Conductividad(W/m-K)

Densidad(Kg/m 3)

CalorEspecifico(J/Kg-K)

Resistencia(m2-K/W)

Material 1

Material 2

Material 3

Espesor total (m)Transmitancia (U)

3.3.2 Tipo de uso y tiempos de ocupacin

En esta etapa es necesario definir la cantidad de personas, uso y tiempos

de ocupacin, iluminacin, calefaccin y ventilacin de las zonas involucradas.

Para los horarios solo se considerar un horario para das de semana y fin desemana, diferenciando nicamente entre verano comprendida entre los meses

de Octubre y Marzo e invierno comprendida entre los meses de Abril y

Septiembre.

Debido a que los programas consideran mtodos diferentes para el

ingreso de los horarios, y con el fin de ingresar datos homogneos, se trabaja

nicamente con horas completas, es decir, cada 60 minutos. Por ejemplo, si el

horario de ocupacin de una zona est comprendido entre las 07:50hrs y las

20:50hrs. sta se considerar como 8:00hrs hasta 21:00hrs


31/210



3.3.3 Modelacin de la Edificacin

En esta etapa se considera fundamental la modelacin y anlisis

energitrmico de los edificios, para esto se utilizan los programas

computacionales DesignBuilder bajo una licencia comercial, Ecotect 10.0bajo una licencia de carcter educacional Autodesk Ecotect y EnergyPlus

v5.0 bajo una licencia gratuita.

Con respecto al desarrollo de la modelacin, para la vivienda se deben

crear tres modelos, uno en DesignBuilder (extensin .dsd), Ecotect (extensin

.eco) y EnergyPlus (extensin .idf) para su modelamiento y posterior anlisis.

Los modelos se desarrollarn de acuerdo a las caractersticaspreviamente definidas en los puntos 4.2 y 4.3 del Captulo 4: Desarrollo.

3.3.4 Anlisis y comparacin de Resultados Obtenidos

Esta ltima etapa de la metodologa tiene como finalidad establecer

niveles de comparacin entre los resultados obtenidos a travs de los diferentesprogramas computacionales para la edificacin definida. Se contrastan los

resultados obtenidos, identificando las diferencias de magnitud entre cada uno

de ellos, y luego transformando esta diferencia a porcentajes.

Por otra parte, se realiza un anlisis de la variacin de resultados al

modificar parmetros especficos, esto con el fin de visualizar el grado de

sensibilidad que presenta el clculo de la demanda energtica frente a la

modificacin de cada parmetro. ste anlisis se realizar mediante la

aplicacin del mtodo Taguchi, el que a travs de clculos estadsticos

determina el porcentaje de importancia de cada parmetro ingresado.

Para realizar el anlisis de variables se definen tres etapas, una primera

etapa que consiste en modelar nicamente la envolvente de la vivienda sin


32/210



aberturas ni zona de techumbre (no acondicionada), una segunda etapa

consiste en realizar el mismo modelo de la envolvente pero incluyendo en ste

caso aberturas como puertas y ventanas exteriores. Luego, una tercera y ltima

etapa considera un modelo completo, es decir, la envolvente de la vivienda

considerando aberturas y techumbre.

Luego de definidas las tres etapas, se establecen tres niveles de magnitud

para cuatro variables, las que son participes en el proceso de clculo de la

demanda energtica de una vivienda. Arbitrariamente se definen stas como

aislacin de muro , aislacin de cielo , infiltracin y ocupacin 70w.

En la tabla 3.2 se muestran las cuatro variables, o factores, cada uno con

sus tres niveles respectivos.

Tabla 3.2. Cuadro de variables y niveles.

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Uni

Aislacin Muro 0 10 20 [mm]

Aislante cielo 20 120 220 [mm]

Infiltracin 1 1.5 2 [ACH]

Ocupacin 70Watts 1 2 3 [l/s]

Definidos los tres niveles para cada uno de los cuatro factores

seleccionados, estos se ingresan a una matriz que define las combinaciones

entre estos niveles para cada factor, y de esta manera formar nueve modelos

diferentes. En la tabla 3.3 se muestra la matriz a utilizar en el estudio.


33/210



Tabla 3.3. Matriz de Tacguchi.

PuntoDiseo

AislacinMuro

Aislantecielo

Infiltracin ocupacin70W

[mm] [mm] [ACH] [Pers]

1 N1 N1 N1 N1

2 N1 N2 N2 N2

3 N1 N3 N3 N3

4 N2 N1 N2 N3

5 N2 N2 N3 N1

6 N2 N3 N1 N2

7 N3 N1 N3 N2

8 N3 N2 N1 N3

9 N3 N3 N2 N1

Con estas nueve combinaciones se confeccionan nueve diferentes

modelos, los resultados de demanda energtica obtenidos de ellos sern

estudiados mediante un anlisis de varianza, el que en definitiva determina el

porcentaje de incidencia que presenta cada factor en la determinacin de dicha

demanda.


34/210



35/210



4.1 Introduccin

En este captulo se describen los pasos realizados durante el desarrollo

de este Trabajo de Ttulo. Se definen las caractersticas de la vivienda a

estudiar, la forma de estimar la ocupacin y el tipo de uso para las zonas queconforman la vivienda. Se incluye una descripcin de las caractersticas

generales de la construccin. Adems, se muestran los modelos ingresados a

los programas computacionales y la informacin tanto en el programa

DesignBuilder, Ecotect.y EnergyPlus.

4.2 Definicin de las caractersticas constructivas de la vivienda

Para simplificar la etapa de diseo en los programas de modelamiento sedefine una estructura simple de 4,0m de ancho por 5,0m de largo y una altura

de muros de 2,30m., el espesor de estos es de 0,16m establecidos por la

sumatoria de cada uno de los espesores de los materiales que los componen.

Para este modelo se considera slo una puerta de 2,0m x 0,8m y una

ventana de 1,0m x 1,0m., de acuerdo a la planta que se muestra en la Figura

4.1.

Para definir la materialidad de la vivienda, se decide utilizar alguna de

las soluciones propuestas en el Listado Oficial de Soluciones Constructivas para

Acondicionamiento Trmico del Ministerio de Vivienda y Urbanismo . Las

soluciones constructivas indicadas en l han sido elaboradas mediante

certificado de ensaye otorgado por un Laboratorio de Control Tcnico de

Calidad de la Construccin, o por una memoria de clculo realizada de acuerdo

a lo sealado en la norma NCh 853/ OF 91.


36/210



0 , 5

0 , 8

1

1

0 , 7

4

4,7 0,15

Figura 4.1. Planta de vivienda a modelar.

Dentro de las soluciones constructivas para complejos de cielo y muros

perimetrales se elige, arbitrariamente, una solucin de acuerdo a la zona

trmica correspondiente a la ciudad de Temuco, establecida en la zonificacin

de grados da a nivel comunal (Zona Trmica 5 o Z5).

Para el complejo de cielo se elige la Solucin 1.1.M.A1.2 Poliestirenoexpandido (sobre listoneado de cielo) esquematizao en la Figura 4.2 y detallado

en la Tabla 4.1.

Cabe mencionar que en la Tabla 4.1 se especifican los materiales

componentes desde la capa ms externa hasta la ms interna.

Por otra parte esta solucin constructiva cumple con la normativa

trmica, al tener una transmitancia trmica (U) de 0,316 W/m 2K < 0,33 W/m 2Kexigido para la Zona 5.

Para efectos de modelamiento energtico es necesario desglosar el

complejo de techumbre entre la cubierta de la vivienda y cielo.


37/210



Tabla 4.1. Caractersticas de la solucin constructiva 1.1.M.A1.2.

Nombre Solucin POLIESTIRENO EXPANDIDO (SOBRE LISTONEADO DE CIELO)


Materiales Espesor(m)Densidad(Kg/m 3)


Calor Especifico(J/Kg-K)

Resistencia(m2-K/W)

Poliestireno Exp. 0,117 10,00 0,043 1.200,00 --

C.A hor. No/vent. 0,05 -- -- -- 0,140

Yeso-Cartn 0,01 700,00 0,260 840,00 --

Espesor total (m) 0,177

Transmitancia (U) 0,316

Tabla 4.2. Caractersticas de la solucin constructiva para techumbre.

Nombre Solucin TECHUMBRE CUBIERTA DE ZINC + FIELTRO 15LB





Resistencia(m2-K/W)

Zinc 0,018 7.200,00 110,000 380,00 --

Papel Fieltro 0,0001 960,00 0,190 837,00 --




38/210



Figura 4.2. Esquema Solucin Constructiva complejo de Temchumbre.

La solucin constructiva escogida, arbitrariamente, para el complejo de

techumbre es la Solucin 1.2.M.B2 Muro Albailera (29cm x 14cm x 7,1cm de

espesor) con placa Poligyp adherida. A continuacin se detalla esta solucin en

la Tabla 4.3.

Al tener una transmitancia trmica (U) de 1,316 W/m 2K < 1,60 W/m 2K

exigido para la Zona 5, esta solucin cumple con la normativa trmica vigente.

Para la solucin constructiva de piso no se considera una solucin listada

en la normativa trmica vigente, para simplificar la modelacin 3D de la

vivienda por lo que se considera para el estudio una cama de grava chancada

sobre la que se coloca un radier de 7cm de espesor y sobre el que se considera

un pavimento interior de cermico.


39/210



Tabla 4.3. Caractersticas de la Solucin constructiva 1.2.M.B2.

Nombre Solucin MURO ALBAILERA (29X14X7,1CM) C/PLACA POLIGYP ADHERIDA





Resistencia(m2-K/W)

Ladrillo Titn 0,14 1.000,00 0,460 750,00 --

Poliestireno Exp. 0,10 15,00 0,041 1200,00 --

Gyplac ST BR 0,01 650,00 0,240 840,00 --



Tabla 4.4. Caractersticas Solucin constructiva de Piso.

Nombre Solucin Cama de grava + 7cm radier + cermica





Resistencia(m2-K/W)

Cama de grava 0,07 1.840,00 0,360 840,00 --

Radier de H 0,07 2.400,00 1,350 1.000,00 --

Cermica 0,01 2.000,00 1,000 800,00 --



Como consecuencia de no considerar soluciones constructivas de piso en

base a radier de hormign sobre capas de arena en la normativa vigente es

posible establecer dos hiptesis. Una primera, asumiendo que esta solucin es,

por si sola, eficiente energticamente; ya sea porque no cuenta con cmara de

aire de ninguna naturaleza o porque se encuentra en contacto directo, y

confinado, con el terreno natural por lo que no requiere ser normada. O bien


40/210



una segunda hiptesis, suponiendo que esta solucin no cumple, de ninguna

manera, la normativa vigente debido a su naturaleza y/o composicin

intrnseca.

4.3 Tipo de uso y tiempos de ocupacin

La asignacin de los horarios de ocupacin es posible definirla

arbitrariamente debido a que para este estudio es necesario que los horarios

sean reales, aunque si se considera que sean aproximados, puesto que para

todos los modelos se utilizar el mismo. En el horario se establece que la

edificacin ser ocupada los 365 das del ao y nicamente diferenciando entre

das de semana y fin de semana, adems de Verano e Invierno para los horarios

de calefaccin e Iluminacin.

Considerando lo anterior se asume que las personas que habitan esta

edificacin salen al trabajo desde las 8:00hrs y llegan a las 18:00hrs, con un

horario de almuerzo desde las 14:00hrs hasta las 15:00hrs. y que los fines de

semana no salen de ella. A continuacin se muestra en la Tabla 4.5 el horario

de ocupacin para los 365 das del ao.

Para hacer ms legible el horario, en este documento, se asignar uncolor a cada horario, tal como se muestra en la Figura 4.3.y 4.4


41/210


42/210



100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Figura 4.4. Grfico de ocupacin para das de fin de semana.

Adems de los horarios de ocupacin de la zona dentro de la vivienda, serequiere la determinacin del uso de los espacios y con ste su respectivo

coeficiente metablico. Solamente para este estudio se considerar que la zona

zona_nica, que conforma la vivienda, ser destinada para comer ; en

desmedro de las otras actividades metablicas que en dicha rea se pueden

ejecutar, tales como dormir, estudiar, conversar, jugar, etc. por ser la nica

zona de la vivienda.

Por otra parte, un factor que incide dentro de las ganancias internas de

la vivienda es la iluminacin (adems de los equipos electrnicos), y se

encuentra dentro de los parmetros solicitados por los programas.

En consecuencia se confecciona un horario de iluminacin para la

zona_nica de la vivienda. De igual manera que los horarios de ocupacin de

sta, se definen colores para los horarios de da de semana y fin de semana. Se

grafican en las Figuras 4.5-4.6-4.7-4.8 y Tabla 4.6.


43/210



100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Figura 4.5. Grfico de ocupacin de iluminacin da de semana durantehorario de Invierno.

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Figura 4.6. Grfico de ocupacin de iluminacin da de semana durantehorario de Verano.


44/210



100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23


de Invierno.

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23


de Verano.


45/210



Tabla 4.6. Horario de iluminacin para la zona_nica.

Al igual que los horarios para iluminacin, es necesario definir los

horarios en los que el sistema de calefaccin utilizado, en la zona definida como

zona_nica, funciona.

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Figura 4.9. Grfico de ocupacin de Calefaccin da de semana Epoca-Fra.

Lunes Martes Mircoles Jueves Viernes Sbado Domingo

Enero

FebreroMarzoAbrilMayoJunioJulioAgostoSeptiembreOctubreNoviembreDiciembre


46/210


47/210



4.4 Modelacin de los Edificios

Esta fase es la ms larga e importante del estudio, ya que se ingresa toda

la informacin recopilada, mencionada anteriormente en los puntos 4.2 y 4.3, a

los programas computacionales.

En los apartados siguientes de ste punto se describen los procesos para

la modelacin de la vivienda completa para cada unos de los tres programas

computacionales utilizados en base a los aspectos definidos en los apartados

4.2 y 4.3.

4.4.1 DesignBuilder

Para comenzar la modelacin, en primer lugar, se crea la envolvente de la

vivienda y en seguida sus componentes como ventanas y puertas. No se

consideran divisiones interiores para simplificar el diseo 3D de la vivienda y el

estudio de las condiciones internas.

Cabe mencionar que el norte de la edificacin coincide con el norte real.

A continuacin se muestra el proceso general del modelamiento en el

programa DesignBuilder.

Tal como se indica en el primer prrafo, de ste tem, se confecciona la

envolvente de la vivienda, y nuestro modelo queda como se muestra en la figura

4.12.


48/210



Figura 4.11. Captura modelo 3D de vivienda en DesignBuilder.

Luego de la conformacin de la envolvente de la vivienda es posible

definir la actividad, para esto nos dirigimos a la etiqueta Activity , (ver Figura

4.14). En esta seccin se solicita ingresar la densidad de la zona expresada en

personas por metro cuadrado (pers/m 2), arbitrariamente se establece una

ocupacin de 4 personas en toda la vivienda, y considerando una superficie

total de la vivienda de 20m 2, resulta una densidad de 0,2 pers/m 2. Luego de

ingresada la densidad de la zona se requiere ingresar el horario de ocupacin

de sta, horario definido en el punto anterior.


49/210



Figura 4.12. Captura Cracin Horario de Ocupacin Vivienda.

Ingresado el horario de ocupacin de la zona se define la actividad de sta

como Eating/Drinking (de acuerdo a lo establecido en la metodologa de

estudio) , por lo que el factor de metabolismo correspondiente es 0,95W.


50/210


51/210



previamente descritas. Soluciones constructivas para muro, cielo, cubierta y

piso no ventilado.

Figura 4.14. Captura seccin Construction .

La primera solucin constructiva solicitada es la de External Walls , que

corresponde a los muros conformantes del permetro de la vivienda. De acuerdoa la solucin planteada, en el punto 4.2 de este captulo, se ingresa a la

biblioteca los materiales necesarios para conformar la solucin 1.2.M.B2 Z5

Muro de albailera (29cm x 14cm x 7,1cm) con placa de Poligyp adherida.


52/210



Figura 4.15. Captura Creacin de Solucin 1.2.M.B2 Z5 para muros.

De igual manera se ingresan las soluciones de techumbre, cielo y piso

(descritas en el punto 4.2) en los tems Pitched Roof (unoccupied), semi-exposed

ceiling y Ground floor respectivamente.

Por otra parte, en esta seccin se requiere ingresar el valor

correspondiente a la tasa de renovaciones de aire (ach), para esto se debe

marcar la casilla Model Infiltration . A este parmetro se le asigna

arbitrariamente el valor 1,5 ach.


53/210



Trabajando en la seccin de Openings , se define el tipo de vidriado

Glazing Type que se utilizar para las ventanas de la vivienda, para este

modelo se utilizar un vidriado simple de 3mm ( Sgl Clr 3mm )

Luego de definir el tipo de vidriado de la vivienda se procede a trabajar enla seccin de Lighting , donde se debe especificar el tipo de ampolletas utilizadas

para la iluminacin y la existencia de los diferentes tipos de iluminacin, tales

como iluminacin general, lmparas de escritorio y/o pantallas. Para el sistema

de iluminacin ( General Lighting ) se debe ingresar la potencia especfica

(Lighting Energy ), cuyo valor puede ser obtenido de acuerdo a la ecuacin (4.1)

la cantidad de W/m 2-100lux.

Pei = 100PES

(4.1)

Donde:

Pei: Potencia especifica de iluminacin (W/m 2-100lux)

P: Potencia instalada (watts)

S: Superficie total de la zona (m 2)

E: Iluminacin Horizontal sobre el plano de trabajo (Lux)

Para efecto de ste modelo se considera una potencia instalada de

240Watts, teniendo una superficie total a iluminar de 20m 2 y una iluminacin

horizontal de 100lux (de acuerdo a destino de la zona), se obtiene una potencia

especfica de 12W/m 2-100lux.


54/210


55/210



Figura 4.17. Captura distribucin horaria de Iluminacin.

Por ltimo, se listan 5 tipos de iluminarias, para ste modelo se utilizar

iluminacin montada sobre la superficie de cielo ( 2-Surface Mount ),

Figura 4.18. Tipos de iluminarias definidas en DesignBuilder.


56/210


57/210



Al considerar la ventilacin natural se debe ingresar un horario de

ventilacin, definido en el punto 4.3, para la zona nica de la vivienda.

4.4.2 Ecotect

El proceso de modelacin de la vivienda en este programa no se describe

detalladamente y slo se indican los pasos ms relevantes, esto debido a que la

tesis Estudio del comportamiento energtico de los edificios de la UFRO (primera

etapa) , del Departamento de Ingeniera de Obras Civiles, contiene un

instructivo paso a paso de cmo desarrollar un modelo para ser simulado.

Se elabora el modelo 3D de la vivienda, muros, cubierta, puerta y ventana

(vase Figura 4.30). Paso seguido, se agregan los materiales y solucionesconstructivas descritas en el punto 4.2, del presente Trabajo de Ttulo, a la

librera del programa computacional de modelamiento, como se representa en

la Figura 4.21.

Figura 4.20. Captura de la vivienda en modo 3D editor.


58/210



Figura 4.21. Captura del Editor de capas del elemento (Solucin 1.2.M.B2).

Luego de haber creado y asignado la materialidad a las distintas

componentes de la vivienda, se procede a la descripcin de las caractersticas

trmicas de la vivienda dentro del programa. Dentro de las caractersticas

ingresadas se encuentran las ya mencionadas Lighting Level con un valor de

100lux, Number of people and activity con un valor de 3 personas y actividad

Eating =0,95W respectivamente, Occupancy de acuerdo a los horarios

establecidos en el punto 4.3 del presente Capitulo. Se establecen parmetros

nuevo, que dependen del grado de actividad de la zona, el valor para estos dos

parmetros (ganancias sensibles y latentes) se obtienen de la tabla n18 de la

ASHRAE, mostrada a continuacin


59/210



Tabla 4.8. Ganancia trmica para ocupantes en ambientes acondicionados

Grado de actividadCalor sensible

(Watts)Calor latente

(Watts)

Sentado en reposo 60 40

Sentado, trabajo muy ligero deoficina

65 55

Sentado comiendo 75 95

Sentado, trabajo ligero,mecanografa

75 75

De pie, trabajo ligero o andandolentamente

90 95

Trabajo manual ligero 100 130

Andando 1,3 m/s trabajo maquinaligero

100 205

Lanzamiento 100 180

Baile moderado 120 255

Trabajo pesado, trabajo enmaquina pesada, elevacion

165 300

Trabajo pesado, atletismo 185 340


60/210



Figura 4.22. Captura Configuraciones Grales en ventana del administrador de

Zonas.

En la seccin Thermal Properties no es posible modificar el

coefficient of performance o coeficiente de rendimiento energtico (CoP o

CoDeRE) del sistema de calefaccin, por lo que se tendr presente al momento

del anlisis. Es decir, a la demanda de combustible obtenida se le debe dividir

por el CoP del sistema, de acuerdo a la ecuacin (4.2) y as obtener la energa

requerida para calefaccionar la zona.


61/210



Figura 4.23. Captura Propiedades Trmicas en ventana del administrador de

Zonas.

Habiendo ingresado todos los parmetros requeridos en esta ventana, es

posible iniciar el anlisis trmico de la vivienda.


62/210



4.4.3 EnergyPlus

Los pasos y detalles de esta modelacin se hacen en base al manual

incluido en el Capitulo 6: Manual de modelamiento energtico en EnergyPlus.

Para crear el modelo, se trabaja con el editor de archivos .idf , IDF-Editor.

El rea de trabajo del programa se divide en grupos, cada grupo se compone de

clases y cada clase se divide en tantos objetos como se requieran para la clase.

Antes de comenzar a modelar, se trabaja con el programa Stektchup, el

que mediante la instalacin de un Plug-in de EnergyPlus, llamado

OpenStudio, facilita el diseo 3D de nuestro modelo (ver Figura 4.24.).

Figura 4.24. Captura modelamiento 3d en Sketchup.

Luego de terminado el modelamiento 3D, el programa da la opcin de

crear un nuevo archivo de entrada para EnergyPlus (.idf). Posteriormente, para

abrir este archivo se utiliza el programa IDF Efitor , es necesario comenzar


63/210



ingresando la informacin de la ubicacin de la vivienda. Dentro la clase

Location and climate se crea un objeto de la clase Site:Location , es aqu donde

se especifica la longitud y latitud, la zona horaria y la elevacin por sobre (o

bajo) el nivel del mar. Esta informacin es obtenida del archivo climtico de la

ciudad de Temuco y se ingresa como se muestra a continuacin en la Figura4.25.

Figura 4.25. Ingresando informacin de la Localizacin del lugar.

Paso seguido, se definen las caractersticas del edificio, esto en la clase

Building ubicada en el grupo Simularion Parmeters . Se especifica el nombre del

edificio, el eje norte (establecido previamente en la direccin del norte real, esdecir 0), terreno (definido como Urban ), el valor de tolerancia de cargas

convergentes, el valor de tolerancia de temperaturas convergentes (para efectos

de ste modelo se acepta el valor por defecto), distribucin solar y nmero

mximo de das de calentamiento, como se muestra en la Figura 4.26.


64/210



Figura 4.26. Captura del objeto Building y sus parmetros.

Se especifica adems el vrtice inicial de nuestro modelo, se define como

upperLeftCorner (esquina superior izquierda). El siguiente campo es el Vertice

Entry Direction (Direccin del Vertice de Entrada), EnergyPlus lo utiliza para

determinar las caras exteriores normales de la superficie. Para este modelo se

define como CounterClockWise (Contra el sentido de las agujas del reloj) adems

de definir el sistema de coordenadas como absoluto (absoluto). Cabe mencionar

que stos parmetros son definidos automticamente por OpenStudio luego

de crear el modelo 3D.


65/210


66/210



Figura 4.28. Configuracin de la zona de la vivienda.

En la segunda clase se definen los vrtices (X, Y, Z) de los diferentes

componentes de la vivienda, ya sea muros, piso, cielo, techumbre a ingresar,

cada objeto debe ser especificado como Wall, Floor, Roof o Ceiling . (Muro, Piso,

Techumbre o cielo). Al igual que la clase anterior, estos parmetros sondeterminados automticamente a travs del programa Sketchup.

Luego de definir todos los parmetros geomtricos necesarios para la

correcta modelacin (de acuerdo al Capitulo 5: Manual de modelamiento en

EnergyPlus ), se procede a definir la ocupacin de la zona. La declaracin de las


67/210



personas es utilizada para modelar como afectan los ocupantes a las

condiciones del espacio. Aqu es donde se ingresa la densidad de las zonas

(zona nica y la zona desocupada de la techumbre), o bien la cantidad de

personas que la ocupan en los horarios a establecer posteriormente. Este

parmetro se define de acuerdo a lo sealado en la metodologa de estudio.

Figura 4.29. Captura del Grupo Internal Gains , definiendo la clase people.

Para definir los horarios de ocupacin, en primer lugar se deben definir

los tipos de horarios (o programas) en la clase ScheduletypeLimits , luego dehaber establecido los tipos de horarios ( y sus lmites, se pueden crear los

horarios Schedule:Day:Hourly , Schedule:Day:Interval , Schedule:Day:List ,:

Schedule:Day: Daily , Schedule:Year y finalmente el Schedule:Compact.


68/210


69/210


70/210



material que conforma una de las capas de la solucin 1.2.M.B2 Z5, ste y cada

uno de los materiales que la componen se ingresan a las layers en la clase

Construction , para de esta manera conformar la solucin mencionada (vase

Figura 4.32.

Figura 4.32. Clase material, donde se crea cada uno de los materiales

componentes.


71/210



Figura 4.33. Solucin 1.2.M.B2 Z5 ingresada a EP.

Terminado con la materialidad de la vivienda es posible continuar

definiendo el tipo de iluminacin y sus caractersticas, por ejemplo el horario de

iluminacin, tipo de sistema de lmpara (definido previamente como montado

sobre la superficie de cielo), por lo que la fraccin radiante equivale a un 72% y

cuya fraccin visible es de un 18% resultando una fraccin convectiva de 10%.

Por otra parte sta es capaz de ser reemplazada por la luz natural, en su

totalidad, por lo que el valor en Fraction replaceable es igual a uno (100%)


72/210



Figura 4.34. Definiendo caractersticas de la iluminacin General.


73/210

CAPITULO 5: ANALISIS YCOMPARACIN DE RESULTADOS


74/210


75/210



Tabla 5.1. Demanda energtica modelaciones (kWh/m2-ao)

EnergyPlus DesignBuilder Ecotect

Etapa 1 79.75 79.80 38.20

Etapa 2 82.14 84.70 43.80

Etapa 3 81.65 84.50 37.30

Es posible apreciar ( ver Figura 5.1 ) que las demandas obtenidas tanto por

el programa EnergyPlus como por el DesignBuilder son bastante similares en

magnitud, lo que presumiblemente puede deberse a que el programa

DesignBuilder trabaja con el motor de clculo de EnergyPlus para la

determinacin de demanda energtica en sus modelaciones.

Figura 5.1 Paralelo de la demanda obtenida por cada programa en las tresetapas

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

EnergyPlus DesignBuilder Ecotect

79.75 79.80

38.18

82.14 84.72

43.83

81.65 84.52

37.27


76/210



5.3 Anlisis por mtodo Taguchi para el modelo en DesignBuilder

Utilizando la Tabla 3.3 se determinan las combinaciones de niveles para

cada factor, llegando a producirse nueve combinaciones diferentes ( ver Tabla

5.2 ).

Tabla 5.2. Tabla de combinaciones.

PuntoDiseo

AislacinMuro

Aislantecielo

Infiltracin ocupacin70W

[mm] [mm] [ACH] [Pers]

1 0.0 20 1.0 1.0

2 0.0 120 1.5 2.0

3 0.0 220 2.0 3.0

4 10.00 20 1.5 3.0

5 10.00 120 2.0 1.0

6 10.00 220 1.0 2.0

7 20.00 20 2.0 2.0

8 20.00 120 1.0 3.0

9 20.00 220 1.5 1.0

Utilizando esta tabla se confeccionan de los veintisiete modelos (nueve

por cada etapa) para as, de acuerdo a lo establecido en la metodologa, obtener

las demandas energticas de cada uno de ellos.


77/210



5.3.1 Anlisis de Varianza

En primer lugar se obtienen los totales de demanda energtica, por factor

para cada uno de los niveles. Los resultados obtenidos en las etapas de

modelacin se muestran en la Tabla 5.3.

Tabla 5.3. Totales por nivel de factor etapas 1, 2 y 3 en kWh/ao.

Etapa 1 etapa 2 etapa 3

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

Aislacin

Muro14990 11067 10418 15289 11760 11259 15763 12288 11824

Aislante

cielo12413 12028 12035 13019 12643 12646 14644 12756 12475

Infiltracin 10688 11653.1 14134 11303 12281.1 14723 11786 12815.8 15272

Ocupacin

70W14029 11234 11212 14545 11889 11873 15017 12442 12415

De estos resultados se obtiene el promedio de demanda por cada nivel

para cada factor y etapa. Estas demandas promedio se muestran en las

siguientes tablas.


78/210


79/210



Tabla 5.6. Demanda promedio por nivel de cada factor en etapa3

Etapa 3

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

Aislacin Muro 5254.212 4095.957 3941.345

Aislante cielo 4881.243 4251.850 4158.421

Infiltracin 3928.753 4271.944 5090.818

Ocupacin 70w 5005.696 4147.411 4138.408

Como resultado de los anlisis se obtienen los efectos que los tres niveles,

de cada factor, producen en la determinacin de demanda energtica.

La aislacin de muro produce, en sus tres etapas, una disminucin de la

demanda energtica. Se observa que para las tres etapas, este factor, al pasar

del primer nivel (sin aislacin) al segundo nivel (aislacin de 10cm) produce una

disminucin relevante (en comparacin con la transicin del segundo nivel al

tercero) en la cantidad de energa-hora por unidad de rea al ao.


80/210



Figura 5.2. Efecto de la Aislacin de muro en el clculo calefaccin.

Figura 5.3. Efecto de la Aislacin de cielo en la determinacion de demandaenergtica por etapa.

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

010

20

4996.778

3688.994

3472.719

5096.31

3919.869

3752.859

5254.212

4095.957

3941.345

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

20120

220

4137.592

4009.3924011.507

4339.566

4214.242 4215.23

4881.242

4251.85

4158.421


81/210



La aislacin de cielo produce, en sus dos primeros niveles, una

disminucin de la demanda energtica salvo en la tercera etapa de modelacin,

que presenta una leve alza. En la tercera etapa se observa que para los tres

niveles la demanda energtica disminuye, marcndose una mayor variacin en

la transicin del primer al segundo nivel, que alcanza casi 5 veces la variacin

en las dos etapas previas.

Figura 5.4. Efecto de la infiltracin en la determinacion de demanda energticapara cada etapa.

El efecto que produce el factor infiltracin sobre la demanda energtica de

la vivienda sigue la misma tendencia para las tres etapas. Al aumentar el ratio

de infiltracin (ach) la demanda aumenta casi a la misma razn entre los dos

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

1 1.5 2

3562.618

3884.375

4711.499

3767.77

4093.69

4907.5793928.752

4271.9435090.818


82/210



primeros niveles, y de la misma manera ocurre entre los niveles segundo y

tercero.


para cada etapa

Para el factor ocupacin se observa una pronunciada disminucin de la

demanda promedio al pasar del primer nivel al segundo y una disminucin no

tan prominente al hacerlo del segundo al tercer nivel de magnitud

Luego de determinar el efecto de los factores sobre los resultados dedemanda energtica, se procede a determinar las sumas de cuadrados para

cada factor estudiado y se construye la tabla ANOVA para cada etapa.

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

12

3

4676.96

3744.66

3737.336

4848.288

3963.031

3957.72

5005.695

4147.41

4138.408


83/210



Figura 5.6. Tabla ANOVA para etapa1

La Figura 5.6 muestra la significancia de los factores denotando as que

el factor de mayor significancia en el clculo de la demanda energtica, para

este modelo, es la aislacin de muro con un 51.19% seguido de la infiltracincon un 26.44% y la ocupacin con un 21.96%; de esta manera la aislacin de

cielo es el factor de menor significancia en el clculo de la demanda energtica

de la vivienda en etapa 1, con tan solo un 0.45% de significancia.

Figura 5.7. Tabla ANOVA para etapa 2

Anlogamente la Figura 5.7 muestra la significancia de los factores en la

etapa 2, y al igual que en la primera etapa factor de mayor significancia en el

clculo de la demanda energtica, para este modelo, es la aislacin de muro

ahora con un 46.67% seguido de la infiltracin con un 30% y la ocupacin con

un 22.88%, siendo la aislacin de cielo el factor de menor significancia en el

clculo de la demanda energtica en etapa 2, con un 0.45% de significancia.


84/210



Figura 5.8. Tabla ANOVA para etapa 3

En los resultados del anlisis para la tercera etapa, Figura 5.3, es posible

observar que el factor de mayor significancia, para este modelo, es la aislacinde muro con un 40.41% seguido de la infiltracin con un 27.98% y la

ocupacin con un 19.48%, siendo la aislacin de cielo, con un 12.13% el factor

de menor influencia sobre los resultados.

Figura 5.9. Paralelo de significancias por etapa

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3

51.19% 46.67% 40.41%

0.41% 0.45% 12.13%

26.44% 30.00% 27.98%

21.96% 22.88%19.48%

Ocupacin 70W

Infiltracin

Aislacin Cielo

Aislacin Muro


85/210



En la figura 5.9 se hace un paralelo de las significancias por factor entre

las tres etapas de modelacin, observndose que la aislacin de cielo presenta

una mayor significancia en presencia de una zona no ocupada como el

entretecho sobre esta.

5.4 Anlisis por mtodo Taguchi para el modelo en Ecotect

Siguiendo el mismo procedimiento realizado en el anlisis para los

modelos realizados en el programa DesignBuilder, se analizan las demandas de

calefaccin obtenidas mediante el modelamiento en Ecotect

Utilizando la tabla 5.3 nuevamente se procede a la confeccin de losveintisiete modelos (nueve por cada etapa) ahora en Ecotect

Al igual que en el anlisis anterior, el ste se realiza utilizando el mtodo

de anlisis de varianza para cada una de las tres etapas de estudio por

separado, obteniendo finalmente la tabla Anova correspondiente a cada una de

stas.

5.4.1 Anlisis de Varianza

En primer lugar se obtienen los totales de las variables para cada uno de

los niveles. Los resultados obtenidos en las etapas de modelacin se muestran

en la Tabla 5.7.


86/210



Tabla 5.7. Totales por nivel de factor etapas 1, 2

modelamiento energetico a través de herramientas computacionales

Documents