INFLUENCIA DE PARMETROS DE DISEO DE APLICACIONES SOSTENIBLES SOBRE EL CONSUMO ENERGTICO EN LAS INSTALACIONES DEL QUINTO PISO DEL EDIFICIO DE INGENIERA ELCTRICA A PARTIR DE SIMULACIONES CON DESIGNBUILDER.

1SIMULACIN ENERGTICA DE EDIFICACIONES: CONCEPTOS FUNDAMENTALESJorge Luis Crdenas RangelIngeniero Electricista Grupo de Investigacin en sistemas de Energa Elctrica (GISEl)Universidad Industrial de Santanderjolucara22@gmail.com2CONTENIDOSIMULACIONES DE RENDIMIENTO ENERGTICO DE EDIFICACIONESPRINCIPIOS DE LAS SIMULACIONES DE RENDIMIENTO ENERGTICOEVALUACIN DE HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICO1233SIMULACIONES DE RENDIMIENTO ENERGTICO DE EDIFICACIONESHoy en da son empleados los programas de simulacin de edificaciones (BSP) por arquitectos e ingenieros en el proceso de diseo, antes de proceder a la construccin e instalacin.Los programas de simulacin energtica contribuyen a que las edificaciones sean ambientalmente amigables y saludables, y mejoran la eficiencia energtica de las mismas.Las simulaciones de rendimiento de edificaciones (BPS) usan modelos computacionales que tratan aspectos del rendimiento tal como consumo energtico y confort trmico en edificaciones.Estas herramientas (las BSP) posibilitan la realizacin de anlisis paramtricos que faciliten el desarrollo de nuevas tecnologas que propendan por un mayor ahorro energtico.

4OBJETIVOS DE LAS SIMULACIONES DE RENDIMIENTO ENERGTICOPermitir la toma de decisiones de diseo a partir de sus resultados. La interpretacin de dichos resultados requiere de usuarios profesionales con suficiente experticia y el conocimiento del mundo real. Las decisiones estn orientadas hacia la forma de la edificacin, la orientacin, ventanales, materiales de construccin entre otros.

Permitir el trabajo multidisciplinario de arquitectos, ingenieros civiles, ingenieros mecnicos y electricistas.

Certificacin energtica de la edificacin

5APLICACIONES DE LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICOCalculo de los valores pico y perfiles de carga de calefaccin y refrigeracin de edificios para la estimacin de los equipos de HVAC.

Anlisis anual de la demanda de energa y carga parcial, es posible realizar un diseo energtico eficiente, se pueden estimar costos de energa y realizar la evaluacin de estrategias de ahorro energtico.

Los programas de simulacin energtica permiten revisar el cumplimiento con estndar, cdigos y regulaciones.

Es posible realizar anlisis de costos efectivos de las estrategias de ahorro energtico.

Estudios de acciones pasivas de ahorro de energa.

Anlisis computacional de fluidos (CFD), esta herramienta es ampliamente usada en el estudio del calentamiento global, microclimas, ventilacin en las edificaciones, calidad del aire interior, anlisis de confort.

6CLASIFICACIN DE LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DE RENDIMINETO ENERGTICOLos programas de simulacin pueden ser agrupados en dos categoras:Herramientas de diseo (DTs) Programas de simulacin detalladas (DSPs). Los DTs son de propsito especfico y son usados en las fases de diseo temprano, debido a que requieren menores y simples datos de entrada.Los DSPs incorporan generalmente tcnicas computacionales tales con diferencias finitas, elementos finitos, espacio de estados, y funciones de transferencia para los clculos de las cargas de energa.

Se tienen en cuenta las interacciones dinmicas con el confort y el consumo energtico, incluyendo la envolvente del edificio, los sistemas HVAC y los sistemas de iluminacin, permiten obtener resultados hora a hora e incluso minuto a minuto y zona por zona.

Tambin se incluye la comparacin de resultados con estndares energticos.7La mayora de herramientas para simulacin energtica no estn diseadas para el uso en la fase de diseo, solo un pequeo porcentaje se emplea en este sentido. Se toman como base las herramientas referenciadas en el ao 2010. Por el sitio del departamento de energa de estados unidos DOE.USUARIOS DE LA HERRAMIENTAS DE SIMULACION DE RENDIMIENTO ENERGTICO

8CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIN DE UNA HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICOFactores para escoger BSP:Necesidad o propsito.Presupuesto (Costos)Facilidad de instalacin.Los costos de las herramientas se dividen en tres:Costo de la licencia.Costo de entrenamiento.Costo de tiempo en la preparacin de los archivos de entrada y el tiempo de simulacin.Capacidad de computoSe debe tener en cuenta la capacidad de computacin por atributos como: algoritmo ncleo, alcance de la aplicacin, velocidad de cmputo y exactitud, y extensibilidad de usuario.9

PRINCIPIOS DE UNA SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICO10CATEGORIAS DE SIMULACINProgramas de simulacin energtica11PROCESO DE SIMULACINRecoleccin de informacinAgrupacin de datosIdentificacin de los objetivos del modeladoModelado de la edificacinSimulacinCalibracin Optimizacin

Visualizacin de resultados

Interpretacin de resultados

Diseo de recomendaciones

12ENTRADAS Y SALIDAS DE UNA SIMULACIN ENERGTICAEntradas

Datos climticosGeometra de la edificacinTipo de materialesTipo de HVACInformacin de ocupacin (cantidad de usuarios, iluminacin, equipamiento, horarios de utilizacin) Salidas

Temperaturas del espacioTemperaturas de superficieNiveles de humedadConsumo energtico

13EJEMPLO DE SALIDAS DE SIMULACIN ENERGTICA

14VALIDACIN DE LAS SIMULACIONESLos mejores programas de simulacin han sido validados a travs de validaciones extensivas.Debido a que pueden realizarse suposiciones relacionadas con la operacin del edificio, las cuales pueden o no se verdad en la practica.Los usuarios de herramientas de simulacin deben presentar experiencia en la comparacin de sus resultados con los datos medidos.

15EXACTITUD EN LAS SIMULACIONES

Es imposible establecer un nivel optimo de exactitud.

Es importante diferenciar entre modelos simplificados y modelos complejos. 16ANLISIS DE ILUMINACIN NATURAL

Se deben considerar los tipos de luz natural presentes en el espacio, los cuales son simulados en los anlisis de iluminacin naturalSe tiene en cuenta la interaccin de la luz con las superficies del espacio analizado, as como las superficies de sombreamientoEl anlisis de la luz natural puede realizarse a travs de dos mtodos distintos: trazado de rayos y radiosidad.17METODO DEL TRAZADO DE RAYOS

Este mtodo traza rayos individuales partiendo de un punto especifico de vista, a travs de un nmero finito de puntos a travs de una rejilla virtual, cada rayo es dirigido hacia cierto objeto, la interaccin con las dems superficies se define de forma similar18METODO RADIOSIDAD

Este mtodo divide toda la superficie dentro de muchas sub-superficies (muchas ms de las mostradas) donde se calcula la cantidad de luz incidente entre todas las superficies.19SALIDAS DE LOS ANLISIS DE LUZ NATURAL

Mapa de niveles de iluminanciaRender de los niveles de iluminanciaLos resultados de las simulaciones de iluminacin natural, pueden ser mostrados como valores numricos, graficas de contorno, o imgenes de colores.20MODELADO FLUJOS DE AIRE EN MULTIZONAS

El modelado de flujos de aire en multizonas puede ser usado en una variedad de aplicaciones para el anlisis de los flujos de aire, diferencias de presin y transporte de contaminantes.El calculo de los flujos de aire es empleado en la determinacin de las tasas de renovacin de aire, ratas de flujo de aire entre zonas y comparacin de estrategias de ventilacin naturalRepresentacin grfica del concepto de modelado multizona con la imagen del software CONTAMW21MODELADO FLUJOS DE AIRE EN MULTIZONAS

El modelado de flujo de aire interzonal simula el flujo de aire y transporte de polucin a travs de varias zonas dentro del edificio, se incluyen los efectos del viento y presiones mecnicas por ventiladores.22

MODELADO FLUJOS DE AIRE EN MULTIZONASLas zonas son conectadas por varios recorridos de flujos de aire, formando una red de nodos y resistencias similares a redes elctricas Dichas redes reciben entradas externas (viento, presin, etc), se especifican modelos de ingeniera para las resistencias para solucionar posteriormente la red.Entradas:Definicin de zonas y recorridos (esquemtico)Resistencias de los recorridos.Viento y presiones de los ventiladoresFuentes de calorFuentes de polucin

Salidas:Tasas de flujos de aireConcentraciones de polucin23DINAMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS CFD

CFD simula un campo entero de flujo de aire a travs de un espacio, incluyendo velocidad del aire, direccin, y temperatura.El CFD es empleado para el anlisis de flujos de fluidos en aplicaciones de ingeniera a travs de muchas industrias y edificaciones. 24

DINAMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS CFDEn el anlisis CFD el dominio entero es dividido en pequeas celdas tridimensionales. A los cuales se les aplican las ecuaciones de masa, momento y balance de energa. La solucin de estas ecuaciones se realiza de manera iterativa.25DINAMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS CFD Entradas:Geometra de la edificacinFuentes de calor y polucinCondiciones de fronteraMalla

Salidas:TemperaturaVelocidad y direccinConcentracin de la polucinValores de campoCalculo de confort trmico26EVALUACIN DE LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICOLa comparacin de las herramientas para la fase de diseo temprana, se realiza considerando 5 caractersticas de cada una de las herramientas:

Usabilidad y administracin de la informacin en la interfazInteligencia e integracin del conocimiento baseInteroperabilidad del modelado de la edificacinExactitud de herramientas y habilidad de simular detallados y complejos componentes de edificaciones. Integracin en el proceso de diseo de las herramientaseQuestEcotectDesignBuilder Herramientas a evaluar:27Usabilidad (media): La interfaz de usuario es mayormente textual y tiene limitada apariencia visual. El asistente impide un uso flexible y navegacin. Los datos de entrada son primeramente textuales. La salida admite fcil comparacin de alternativas, que son fciles de usar en relacin a la toma de decisiones.

Inteligencia (baja): posee capacidades de comparacin de alternativas y valores por defecto configurados. Si algn usuario sin experiencia cambia algn valor por defecto, la herramienta destaca los cambios colorendolos en rojo. Esta herramienta no permite realizar anlisis de optimizacin. Permite un anlisis paramtrico restringido.

Interoperabilidad (Baja): es posible incorporar archivos CAD en 2D, permite el modelado multizonal, cubiertas inclinadas. No se pueden intercambiar modelo en 3D con CAD, BIM, gbXLM u otras herramientas de dibujo.

Proceso de adaptabilidad (Medio): la mayora de los parmetros de entrada se encuentran ms all del enfoque de las opciones de diseo arquitectnico, luego la herramienta se orienta principalmente al diseo esquemtico y detallado. Los ingenieros pueden utilizar esta herramienta en grandes edificaciones en etapas avanzadas de diseo.EVALUACIN DE eQUEST28EVALUACIN DE ECOTECTUsabilidad (alta):Posee una interfaz ms amigable con el usuario que permite realizar anlisis visualmente potentes. La ventana se encuentra estructurada en 5 pestaas distintas, pero su navegacin y uso se encuentra limitado por la gran cantidad de datos. Los resultados de los anlisis trmicos son difciles de interpretar, adems se genera una cantidad abrumadora de informacin.

Inteligencia (Medio): Puede mostrar y animar sombras y reflejos complejos, generar diagramas de la trayectoria del sol, clculo de la energa solar incidente y la radiacin solar sobre la superficie, calculo cargas trmicas mensuales y grficos de temperatura por hora para cualquier zona. Se realiza la asignacin de materiales por defecto y permite la creacin de nuevos materiales.

Interoperabilidad (Medio): herramientas de modelado en 3D facilitan la construccin del modelado 3D de la edificacin. Los modelos pueden ser importados en formato DXF, formato ampliamente usado en herramientas de software CAD.

Proceso adaptativo(Medio): No es adecuada para un diseo detallado, debido a que no soporta suficientes entradas de detalle.

Exactitud (Baja): Carece de opciones de anlisis de energa. Los resultados de simulaciones trmicas no son totalmente representativos de la realidad, esta es la mayor desventaja de Ecotect. Lo que se debe a las limitaciones de su motor de simulacin trmica, que se basa en el mtodo de la CIBSE. Ecotect usa este mtodo para el clculo de las cargas internas de las cargas internas de la temperatura y el calor.29EVALUACIN DE DESINGBUILDER Usabilidad (medio): Su interfaz est bien organizada en torno a varias vistas con fichas. Sin embargo bajo esta estructura el diseador se confronta con mucha informacin y muchas opciones impidiendo la facilidad de uso y navegacin. Ofrece muchas entradas, cada uno requiere diferentes niveles de detalle. Posee extensas plantillas y valores por defecto que generan una reduccin en sus datos de entrada, pero la introduccin de los datos es difcil. Permite la realizacin de anlisis de tipo paramtricos. La mayor parte de los grficos de salida son demasiado detallados para arquitectos y no son intuitivamente interpretables. Adems se genera una cantidad abrumadora de informacin, por lo que es difcil emplear los resultados para la toma de decisiones en la fase de diseo.

Inteligencia (medio): Posee una gama de fichas de entradas y de base de datos, incluyendo construcciones, controles de iluminacin natural y ventilacin natural, doble fachada, sombreado solar, confort interior y componentes de HVAC. Permite establecer el cumplimiento de los certificados de energa del Reino Unido, alternativa de la comparacin de anlisis paramtrico de diferentes alternativas de diseo.

Interoperabilidad (medio): Esta herramienta proporciona interoperabilidad con los modelos BIM a travs de su importacin gbXML. Adems, la geometra del edificio puede ser construido con el modelador 3D.

Proceso de adaptabilidad (medio): Soporta diferentes niveles de datos de entrada, renqueados desde lo general a lo detallado. Por tal motivo esta herramienta est en gran parte adaptada a diferentes fases y usuarios de la fase de diseo.

Exactitud (alta): Esta herramienta emplea como motor de simulacin a Energy Plus. 30CriterioeQuestEcotectDesignBuilderMETRICAXXXEnergaXXXAmbiental (CO2)XXEconmicoXXCriterioeQuestEcotectDesignBuilderCONFORT Y CLIMAXXXAnlisis climticoXXXConfort estticoXXXConfort adaptativoVisualizacin del confort XX31CriterioeQuestEcotectDesignBuilderTECNICAS PASIVASXXXIluminacin naturalXXVentilacin naturalXDispositivos de sombreadoXXXMasa trmicaXXCriterioeQuestEcotectDesignBuilderEFICIENCIA ENERGTICAXXXAislamiento de la envolventeXXXRendimiento de acristalamientoXXXIluminacin artificialXXCargasXXTasa de infiltracinXXVentilacin mecnica XSistema de refrigeracin y calefaccinXX32CriterioeQuestEcotectDesignBuilderENERGIAS RENOVABLESFotovoltaicaColectores trmicos solaresCriterioeQuestEcotectDesignBuilderSOLUCIONES INNOVADORAS Y TECNOLOGIASModelado de ventilacin mixtaAcristalamiento avanzadoXTechos verdesXTechos refrigeradosDoble fachadaXTubos solaresEJEMPLO DE SIMULACIN DE RENDIMIENTO ENERGTICO

Proyecto de grado: Influencia de parmetros de diseo de aplicaciones sostenibles sobre el consumo energtico en las instalaciones del quinto piso del edificio de ingeniera elctrica a partir de simulaciones con DesignBuilder.3334DESCRIPCIN DE LA INTERFAZ GRFICA

MenBarra de herramientasPanel de navegacinPestaas de Datos del modeloPantalla de edicinBarra de estatusPestaas de opciones35MODELADO GEOMETRICO

Obtencin de planos en formato DXFGeneracin de bloques tipo edificioTrazado de particiones internasModelado de aberturasModelado de detalles arquitectnicos36DATOS DEL MODELO54321

37DATOS ACTIVIDAD

Densidad de personasPrograma de operacin de ocupacin

38Condiciones de iluminacinDATOS ACTIVIDADParmetroValorCondiciones metablicas120 W/personaVestimentaVerano = 0,5 CloInvierno = 1CloFestivos20 das/aoTemperatura ideal de refrigeracin24 CAire mnimo por persona10 l/seg persona

Condiciones metablicas y control ambiental39GANANCIAS POR COMPUTADORES QUINTO PISO E3TZonaREA [m2]ComputadoresPotencia por computadores [W]Ganancias por computadores [W/m2]N pcN porttil200100Corredor de acceso81,20000,000Coordinacin de pregrado24,22150020,661Cuarto tcnico9,70000,000Escaleras190000,000Corredor secretara130000,000Oficina tipo modulares205,28319009,259Sala reuniones22,80000,000CCTV8,21050060,976Aseo2,20000,000Wc12,20000,000Wc23,40000,000Cafetera2,60000,000Direccin20,5102009,756W.C direccin40000,000DATOS ACTIVIDADGanancias trmica por computadores40DATOS DE CERRAMIENTOS

Muro exteriores

Muros interiores

Particiones modularesMuro exteriores (superboard)41DATOS DE CERRAMIENTOSPisos interiores

Cubierta plana

Puertas42DATOS DE ABERTURA

Elementos de proteccin solar

Marcos y divisiones43DATOS DE ILUMINACIN

Control continuo

Control escalonadoControl de iluminacin

Tipo de luminaria44DATOS DE ILUMINACIN QUINTO PISO E3TZona 2X28 W4X17 W1X26 WPotencia [W]rea [m2]Energa de iluminacin [W/m2]566826Corredor de acceso32030481,23,744Coordinacin de pregrado0106824,22,810Cuarto tcnico100569,75,773Escaleras10056192,947Corredor secretara10056134,308Oficina tipo modulares92312094205,210,205Sala reuniones04027222,811,930CCTV100568,26,829Aseo001262,211,818Wc1001262,211,818Wc2001263,47,647Cafetera001262,610,000Direccin04027220,513,268W.C direccin0012646,500TOTALES163463364418,28,043DATOS DE ILUMINACINEnerga de iluminacin45DATOS HVAC

Horario de funcionamiento de aires acondicionados

EspacioTipoCapacidad [Btu/h]Capacidad [KW]SotanoManejadora tipo Fancoil piso-techo360006Aula 13 (Piso 4)Manejadora tipo Fancoil casete + bomba de calor incorporada360006Aula 14 (Piso 4)Manejadora tipo Fancoil casete + bomba de calor incorporada360006Aula 15 (Piso 4)Manejadora tipo Fancoil casete + bomba de calor incorporada360006Aula 16 (Piso 4)Manejadora tipo Fancoil casete + bomba de calor incorporada360006CCTVMini Split tipo pared - Condensadora vertical SEER 13240002Sala de reunionesMini Split tipo pared - Condensadora vertical SEER 14120001Direccin E3TMini Split tipo pared - Condensadora vertical SEER 1590000,75Sistemas de aire acondicionado del Edificio46OPCIONES DE SIMULACINOPCIN DEL MODELOCONFIGURACINRango de anlisisNivel edificioNivel de cerramientos y acristalamientosGeneralModelado de ganancias internasGanancias simplificadasOpciones de sincronizacinProgramacionesSistema HVACCompacto: manualVentilacin naturalCalculada47RESULTADOS DE SIMULACIONES: CONSUMO ENERGTICO

48RESULTADOS DE SIMULACIONES: CONFORT TRMICO

49

RESULTADOS DE SIMULACIONES: COMPORTAMIENTO ENVOLVENTE50RESULTADOS DE SIMULACIONES: ANLISIS LUZ NATURAL

Anlisis de luz da con tubos solares de 25 cm de dimetro Anlisis de luz da con tubos solares de 35 cm de dimetro 51BIBLIOGRAFA[1] T. Hong, S.K. Chou and T.Y. Bong; Building simulation: an overview of developments and information sources; Building and environmen; Elsevier; 1999.[2] OVERVIEW OF SIMULATION: PRESENTATION FOR ENGINEERS; International Building Performance Simulation Association; 2006. [3] Christina Johanna Hopfe; Uncertainty and sensitivity analysis in building performance simulation for decision support and design optimization; Eindhoven University of Technology; 2009.[4] Timothy L Hemsath; Conceptual energy modeling for architecture, planning and design: impact of using building performance simulation in early design stages; 13th Conference of International Building Performance Simulation Association 2013.[5] Shady G. Attia and Andr De Herde; Early design simulation tools for net zero energy buildings: a comparison of ten tolos; 12th Conference of International Building Performance Simulation Association; 2011.[6] Shady Attia, Liliana Beltrn, Andr De Herde and Jan Hensen; Architect friendly: a comparison of ten different building performance simulation tools; Eleventh International IBPSA Conference; 2011.[7] G.A Anaya, C.A Avellaneda and J.L Crdenas; Influencia de parmetros de diseo de aplicaciones sostenibles sobre el consumo energtico en las instalaciones del quinto piso del edificio de ingeniera elctrica a partir de simulaciones con designbuilder, Universidad Industrial de Santander, 2013.52Gracias