modelaciÓn tÉrmica de un mÓdulo … · climáticas extremas, tal como existen en el perú. ......

XXIV Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIV- SPES), Huaraz 13-17.11. 2017

MODELACIÓN TÉRMICA DE UN MÓDULO EXPERIMENTAL DE

VIVIENDA ALTO ANDINA UTILIZANDO OPENSTUDIO Y ENERGYPLUS

Juan Omar Molina Fuertes – [email protected]

Manfred Horn Mutschler – [email protected]

Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ciencias, Lima, Perú

Jorge Rojas Menéndez – [email protected]

Angel Aranda Morales – [email protected]

Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Energías Renovables, Morelos, México

Resumen. Muchos cálculos para determinar el comportamiento térmico de edificaciones consideran solamente la

transfencia de calor en estado estacionario mediante el cálculo de la resistencia térmica de las diferentes partes de la

envoltura de la edificación. Estos cálculos no consideran el calor acumulado en los materiales de construcción, que

depende del tiempo, por lo cuál estos cálculos no son de todo confiable, especialmente si son aplicados en zonas

climáticas extremas, tal como existen en el Perú.

En el presente trabajo se presenta la aplicación de programas de simulación térmica del comportamiento de

edificaciones que consideran la transferencia de calor en función del tiempo. La ventaja de utilizar estas herramientas

previo al diseño, construcción o modificación de una edificación, van a coadyuvar en el ahorro de tiempos y costos,

además, permiten tomar decisiones en cuanto a elegir determinada estrategia y técnica bioclimática a implementar en

el diseño de una edificación sustentable con eficiencia energética que mejore las condiciones de confort térmico y

habitabilidad.

En los países desarrollados, son comunes estas aplicaciones que incluso algunos son de código abierto y uso gratuito

como el OpenStudio o el Energyplus que trabajan con un plug in para Google SketchUp como herramienta de diseño

en 3D.

En el presente trabajo se demuestra estas simulaciones aplicadas a un módulo experimental de vivienda alto andina,

MEV, a 3700 msnm, en Raymina, Ayacucho, y se compara con las mediciones reales realizadas en este módulo de

vivienda. Los resultados muestran un buen acuerdo entre la simulación y los datos experimentales, con un una

diferencia de temperatura promedio entre lo medido y simulado de 0.28°C. Asi mismo, el uso de un modelo adaptativo

de confort térmico para emplazamiento del MEV reduce la demanda energética en calefacción en un 50% en

comparación a los modelos de confort estandarizados para climas fríos.

Palabras-clave: OpenStudio, SketchUp, EnergyPlus, Análisis Térmico, Confort Térmico.

1. INTRODUCCIÓN

Cuando se habla de confort térmico en una edificación, las propiedades de los materiales de construcción cumplen un

rol fundamental a la hora de tomar las decisiones cuales de ellos se debe elegir. Lógicamente que esto también depende

mucho de la economía. Ante esta problemática y con el objetivo de implementar edificaciones sustentables, muchos

países cuentan con reglamentos o normas en pos de una construcción sustentable que a la vez contribuya al ahorro

energético y brinde comodidad térmica a sus ocupantes. En ese sentido, el Perú cuenta con la norma técnica EM.110

“Confort Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética “ (MVCS, 2014), cuyo objetivo es que las paredes, techos y

pisos de una edificación ubicada en cualquiera de las nueve zonas climáticas que comprende el Perú, cumplan ciertos

valores mínimos de transmitancia térmica en cada uno de sus elementos constructivos.

Estos indicadores de transmitancia térmica, o su inverso la resistencia térmica (R), usados para definir el aislamiento en

una edificación, no son del todo correctos, porque según ello, una envolvente tendrá mejor desempeño térmico si

mayor sea su valor de R. Este indicador es muy fácil de usar, sólo requiere del conocimiento de la conductividad

térmica de los materiales y del espesor de cada capa, y de los coeficientes de película al exterior y al interior, que en

general se consideran fijos. Este indicador está basado en un análisis de la transferencia de calor en estado estacionario

(i.e. independiente del tiempo). Para climas con oscilaciones térmicas considerables y radiación solar importante, se

debe realizar un análisis de transferencia de calor dependiente del tiempo para seleccionar el sistema constructivo que

más contribuye a las condiciones de confort térmico del edificio sin el uso de sistemas de calefacción o aire

acondicionado, o usandolo, pero , con consumo mínimo de energía (Barrios et al., 2014).

Realizar un análisis de transferencia de calor dependiente del tiempo requiere de cálculos numéricos complejos y para

ello se cuenta con herramientas numéricas computacionales como los softwares de simulación térmica energética, que

durante las últimas dos décadas se han convertido en una característica estándar en el diseño de edificios a nivel

mundial (Mateus et al., 2014). Softwares de código abierto como el EnergyPlus que realizan simulaciónes de edificios y

cuya autoria pertenence al Departamento de Energía de los Estados Unidos, promovido a través del Programa de


Construcción y Tecnología de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, son herramientas generalizadas

y aceptadas en la comunidad científica que hace análisis de energía del edificio en todo el mundo (Fumo et al., 2010).

EnergyPlus se apoya en OpenStudio que es una interfaz gráfica que cuenta con un plug-in para SketchUp que van a

permitir realizar diseños en 3D, ambos softwares también son de código abierto y uso gratuito. El uso de estos softwares

de simulaciones energéticas permite ahorrar costos y tiempo al momento del diseño y construccion de una edificación.

Finalmente, EnergyPlus, la herramienta de simulación térmica de un edificio de código abierto, se utiliza para predecir

las temperaturas del aire cuyo resultado es ajustado y validado con los datos reales medidos en campo, obteniendose el

porcentaje de error y diferencia de temperaturas entre lo real y lo simulado.

El presente trabajo incluye el resultado de la realización de una estancia académica en el Instituto de Energias

Renovables de la Universidad Nacional Autónoma de Mexico, en Temixco, Morelos. Este Instituto, entre sus áreas de

investigación, cuenta con el Grupo de Energía en Edificaciones donde realizan investigación básica con el objetivo de

entender los fenómenos de transporte de calor y masa que afectan el comportamiento térmico de una edificación.

Tambien realizan investigación aplicada con el objetivo de mejorar las condiciones de confort térmico al interior de las

edificaciones con el fín de reducir el uso de la energía para su calentamiento o enfriamiento (Rojas et al., 2010).

2. MODELACIÓN EN OPENSTUDIO Y ENERGYPLUS

La necesidad de abordar el diseño de edificios y la mejora de su rendimiento térmico aumentó la necesidad de

utilizar los programas de simulación energética para estimar el consumo energético de un edificio y modificar

prácticamente la estructura y el material de construcción. El software Energy Plus del Departamento de Energía de los

Estados Unidos introdujo un plug-in para el software de dibujo de Google SketchUp conocido como Open Studio. Esta

herramienta puede ser considerada como una herramienta de simulación potente de licencias gratuitas disponible para

estimar y modificar el consumo de energía de los edificios (Al-Zubaydi, 2013). En este trabajo presentamos un resumen

del procedimiento de simulación para explicar la capacidad del software y fomentar el uso de esta herramienta de

cálculo para los interesados en cálculos de eficiencia energética.

OpenStudio es un programa de simulación que facilita la entrada proveniente del Google SketchUp al Energyplus para

apoyar la modelización energética de todo el edificio. Este software también permite lanzar simulaciones con el

Energyplus.

La figura 1 representa el diagrama de flujo de trabajo de cada uno de los programas utilizados para la modelización y

simulación de una edificación donde para ello, hay que seguir algunos pasos para una correcta simulación y construir un

modelo tipo linea base.

a) Utilización del plugin de OpenStudio para SketchUp para realizar el diseño del edifício en 3D.

b) Simulación con OpenStudio de la demanda energética de un edifício.

c) Verificación y validación de los resultados.

d) Análisis de los resultados.

Figura 1. Diagrama de flujo de trabajo para modelar y simular el problema.

Adaptado de Alghoul et al., 2017.

La simulación por computadora es aplicado en el diseño de nuevos edifícios o en la remodelación de otros y puede

cubrir múltiples procesos de tareas, incluyendo capas de construcción de muros y techos, tipos de ventanas y puertas,


selección de cargas y equipos, selección de la estrategia de control, estimación de cargas y cálculo de períodos de

recuperación para el sistema sugerido o modificaciones de edificios.

3. Caso de Estudio: Módulo Experimental de Vivienda (MEV), Ayacucho 3700msnm.

Se simulará un módulo experimental de vivienda ubicado en la comunidad de San Francisco de Raymina, distrito

Huambalpa, provincia Vilcashuamán, al Sur de la región Ayacucho. Altura 3700msnm, Latitud 13°45’40’’ Sur y

longitud 73°51’26’’ Oeste. La situación climática presenta una temperatura media anual de 9.34°C, con una

oscilación térmica cercana a los 15°C. La energía solar es típica de las zonas alto andinas con un promedio anual

de alrededor 6kWh/(m2día).

La construcción y evaluación térmica inicial del MEV fue el trabajo de una tesis de maestría (Espinoza R., 2014).

Posteriormente el MEV fue modificado por el autor del presente trabajo, incluyendo varias mejoras y variantes de

su operación, y los datos experimentales reportados aquí, como la simulación respectiva, corresponden al MEV

actual.

El MEV consta de una sola planta o piso, con dos ambientes independientes de 3mx3m de área interior y 2.20m de

altura. Su envolvente ha sido implementado con técnicas arquitectónicas de aislamiento pasivo, el piso, lleva de

abajo hacia arriba, plástico de polietileno, entramado de madera con espacio de aire, y planchas de poliuretano

expandido de 0.04m de espesor (U=0.61W/m2°C). El techo es de metal a dos agua con cielo raso o falso techo de

planchas de poliuretano similares al piso (U=0.66W/m2°C). Las paredes vistas del exterior al interior están

conformadadas por una capa de barro de 0.02m de espesor y adobes de 0.40m de espesor (U=2.41W/m2°C). Cada

ambiente lleva una puerta principal que a 0.65m interior a ella, lleva otra puerta que conforma con la primera, un

espacio que hace una especie de esclusa interior que evita que al ingresar, también ingrese repentinamente aire frío

y remueva el aire caliente atrapado en los ambientes interiores. Cada ambiente, cuenta con dos ventanas de doble

vidrio y marco de madera orientadas al este y oeste, además de coberturas de madera solida (U=1.70W/m2°C) que

son colocadas a las 6:00pm y retiradas a las 6:00am del día siguiente para evitar que por las noches el calor

atrapado escape por el vidrio. Asi mismo, cada ambiente alberga un sistema calefactor activo con energia solar

denominados muro y tubo radiante que utilizan colectores solares para captar la radiación solar y como medio

acumulador de energia por calor sensible, agua.

Tabla 1. Promedios diarios y horarios de parámetros metorológicos exteriores de San Francisco de Raymina.

Del 05.07.16 al 28.02.17 Temperatura

(°C)

Humedad

Relativa (%)

Irradiancia Solar

(W/m2)

Promedio diario máximo 16.85 86.94 1091.29

Promedio diario mínimo 2.59 42.29 0.52

Promedio diario 9.34 69.15 480.68

Máximo horario extremo 24.12 93.49 1279.26

Mínimo horario extremo -7.09 10.23 --------

Figura 2. (Izq.) gráfica de energía solar acumulada por mes; (Der.) promedio de energía solar por mes.

0

2

4

6

8

JUL AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB

Ene

rgía

so

lar

(kW

h/(

m2

))

Meses

Energía solar acumulada por mes Mes

Energía Solar (kWh/m2)

JUL 5.70

AGO 5.92

SEP 5.85

OCT 6.62

NOV 6.89

DIC 6.21

ENE 5.42

FEB 5.20

Promedio 5.98


Figura 3. Vista del MEV con sus componentes de aislamiento térmico arquitectónico y sistemas

de calefacción solar activos instalados.

Se creó un modelo de simulación detallado utilizando EnergyPlus v.8.4. La geometría de la casa se creo con Google

SketchUp v.6 según el plano del MEV y luego se convirtió en un archivo de entreda a EnergyPlus utilizando la interfaz

o plug-in OpenStudio v.1.12.0.

4. METODOLOGÍA EN EL USO DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN ENERGÉTICA OPENSTUDIO Y

ENERGYPLUS

Es importante tener en cuenta que el modelo OpenStudio es un tipo de archivo .OSM. Esto no es reconocible por

EnergyPlus por lo tanto debe ser exportado como un tipo de archivo .IDF primero para superar los problemas de

compatibilidad.

4.1. Planificación

- Obtener información de la localización y datos meteorológicos de la región donde se construirá el edificio.

- Obtener información de la construcción del edificio, planos.

- Obtener información del uso del edificio para especificar tiempos de iluminación, equipos y número de personas.

- Obtener información de la operación de los sistemas de climatización para su programación.

4.2 Determinación de zonas térmicas

Una zona térmica es un volumen de aire con una determinada temperatura . Se crea mediante superficies que se inician

en el piso y terminan en el techo o falso techo. En una zona térmica las superficies que encierran el volumen son de

transferencia de calor.

Las divisiones interiores que no encierran ninguna volumen no pueden considerarse como zona térmica, estas

superficies se consideran como almacenadores de calor.

4.3 Determinacion de espacios por tipo de superficies, condición de frontera, tipo de construccion y zona

térmica

El plug-in OpenStudio para SketchUp cuenta con una barra de herramientas que permiten visualizar los modelos

geométricos de los espacios. La herramienta:

- “Render By Surface Type” asigna un color por tipo de superficie

- “Render By Boundary Condition” asigna un color por condición de frontera

- “Render By Thermal Zone” asigna un color diferente por zona térmica

- “Render By Construction” asigna un color por tipo de construcción

.

(a) (b) (c) (d)

Figura 4. (a) color por tipo de superficie, (b) color por tipo de frontera, (c) color por numero de zonas térmicas, (d)

color por tipo de construcción.


5. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO DE LA EDIFICACIÓN UTILIZANDO EL SKETCHUP CON EL

PLUG-IN DE OPENSTUDIO

Se considera la construcción de un módulo experimental de vivienda construido en la comunidad de San Francisco

de Raymina a 3700msnm en la región Ayacucho.

Figura 5. (Izq.) Dimensiones del MEV, (Der.) zonas térmicas.

4.1 Creación de espacios y superficies

Se dibujan las áreas para después generar sobre ellos los espacios o recintos. Para el MEV tenemos dos espacios

de 3.4x3.4, se sombrean, y se utiliza la herramienta “Crear plantas en espacios”, esta herramienta nos pedirá la

altura de los espacios y número de plantas (pisos o techos).

Figura 6. (izq.) diagrama del piso del MEV, (der.) vista de las superficies creadas.

4.2 Creación de subsuperficies

Para crear ventanas o puertas, se selecciona el espacio y superficie donde se desea construir estos elementos. Hay

que ayudarse de la herramienta medir para ubicar exactamente dichos elementos y después utilizar la herramienta

“rectángulo”. En la imagen se pueden apreciar los colores característicos para las puertas y ventanas.

Figura 7. Creación de subsuperficies, puertas y ventanas del MEV.

4.3 Intersección de superficies (Surface Matching)

Una vez dibujadas las puertas y ventanas es necesario interceptar las superficies interiores si las hubiese para que

la transferencia de calor en las zonas adyacentes no sean afectadas dado que si no se interceptan el programa

considera dichas superficies como distintas. Para ello, solo se da clic en la herramienta “Surface Matching”.


4.4 Herramienta OpenStudio “Inspector”

Se utiliza para dotar de atributos a las superficies y espacios creados. Permite dar nombres a las zonas y espacios

para su mejor identificación dado a que por defecto el programa los identifica con códigos numéricos que

complican su lectura o identificación.

En lo que sigue, se utilizará el OpenStudio para determinar los requerimientos de cargas térmicas en calefacción y

refrigeración del MEV para mantener sus ambientes interiores a una temperatura referencial constante de 20°C (se toma

esta valor por encontrarse en los rangos de confort estandarizados). Así mismo, se determinará los requerimientos de

cargas térmicas para el promedio de la temperatura de neutralidad de San Francisco de Raymina (16.86°C), valor

determinado utilizando la correlación matemática del modelo adaptativo de Humphreys (Gómez Azpeita et al., 2007).

Se analizarán ambos resultados de requerimientos de cargas térmicas para corroborar que cuando se utiliza rangos de

confort estandarizados (la zona de confort se encuentra en el rango de 20.5°C a 26.7°C como es el caso para los Estados

Unidos) (Brooks, 1976), estaríamos sobreestimando la demanda energética en calefacción o refrigeración.

Tn=0.534xTm+11.9 (1)

Donde Tm es la temperatura exterior media mensual para San Francisco de Raymina.

4.5 Entrada de horarios en OpenStudio

Se crea el horario “calentamiento” y “enfriamiento” para todo el año de medida. Se ingresa a la pestaña

“Schedule”, se le da un nombre al horario, las fechas para su ejecución, y el tipo de variable a ingresar en este caso

es el de temperatura.

Figura 8. Creación de horario manteniendo la temperatura a 20°C.

4.6 Creación de elementos constructivos

Se ingresa dando clic en la pestaña “Construction” y despues en “Materials”, se cargan todos los materiales que

intervienen en la construcción para las superficies creadas en SketchUp editando sus propiedades físicas de

conductividad térmica, densidad y calor específico.

Figura 9. Ventana de pestaña "Materials" para ingresar materiales y sus propiedades físicas.


Se ingresa a la pestaña “Construction” y se crean los elementos constructivos que conforman la envolvente del MEV

con los materiales ingresados.

Figura 10. Ventana de la pestaña "Construction" para crear los elementos constructivos que componen el MEV.

4.7 Zonas térmicas

Se ingresa a la opción “Thermal Zones” y en ella, a la opcion “HVAC System”, posteriormente en esta misma ventana

se ubica la opcion “My Model” en la columna que aparece a la derecha, en ella, ubicamos la opcion “Ruleset Schedule”

y se encontrarán los horarios creados anteriormente. Se jalan dichos horarios a la zona térmica que se desea aplicar, en

este caso a la columna Cooling Thermostat Schedule y Heating Thermostat Schedule según corresponda, y queda listo

la aplicación de dicho sistema de climatización.

Figura 11. Ventana para introducir los horarios a las zonas térmicas.

6. EJECUCIÓN DE LA SIMULACIÓN

Finalmente se corre el programa y se puede observar los resultados en ”Result Summary” y clic en “HVAC Load

Profiles”. Asimismo se pueden exportar los datos para la salida de resultados en extension CSV para la realizacion

de gráficos personalizados tal como se muestra en la figura 12 (a) y (b).


(a) (b)

Figura 12. Gráfica de los requerimientos de calefacción y refrigeración para mantener el MEV a, (a) 20°C, y

(b)16.86°C (temperatura de neutralidad o de confort).

De la gráfica 12 (a) se infiere que el MEV requiere en calefacción un acumulado anual de 3363.64kWh para mantener

la temperatura interior en 20°C mientras que, para mantener una temperatura de neutralidad o de confort de 16.86°C

figura 12 (b) , se requiere un acumulado anual de 1696.47kWh ahorrando un total de energía de aproximadamente el

50% utilizando el modelo adaptativo de Humphreys. Según el modelo adaptativo utilizado para san Francisco de

Raymina la zona de confort se encuentra en el rango de 13.86°C a 19.86°C.

7. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DE DATOS OBTENIDOS CON EL ENERGYPLUS

Para la verificación y validación de datos se compararán las temperaturas interiores medidas y las obtenidas con la

simulación en el EnergyPlus. Se comparan los resultados de las temperaturas interiores para el caso del MEV sin el uso

de las contraventanas, sin contrapuertas, sin sistemas de calefacción, y sin pernoctación ni actividad humana las 24

horas para las fechas del 15 al 21 de octubre del 2016.

Contando con el archivo de extensión .osm del OpenStudio donde se tiene ingresado el archivo de clima, los materiales,

los sistemas constructivos, y la definición de superficies y zonas térmicas, exportamos el archivo en formato .idf para el

uso del energyplus y ejecutar el programa.

Se abre el archivo idf y se verifica que el archivo de trabajo ya está cargado así como el archivo de clima, se ingresa al

editor IDF para corrobar que los datos estén cargados correctamente y adicionar otros que desde el OpenStudio no

pueden ingresarse como en este caso la temperatura del suelo.

Para la simulación del caso en mención, se trabajara con herramientas específicas dado la gran variedad y potencialidad

de herramientas con las que cuenta el EnergyPlus. Solo por nombrar algunas entradas de datos de detallan los mismos:

a) El control de la simulación es mediante el uso de un archivo de clima.

Figura 13. Campo para el ingreso del tipo de periodo a simular.

b) Se usa el algoritmo TARP basado en un coeficiente de convección natural variable según diferencias de

temperatura entre el medio y el edificio. Para interiores y exteriores.

Figura 14. Campo para el ingreso del tipo de algoritmo a utilizar para los cálculos de transferencia de calor.

c) La localización del edificio.

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ra (°C

)

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Requerimiento de calefacción y enfriamiento

del MEV a Ti=20°C

Enfriamiento Calefacción Temp. Ext.

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E F M A M J J A S O N D

Tem

per

atu

ra (°C

)

kW

h

Requerimiento de calefacción y enfriamiento del

MEV a Ti=16.86°C

Enfriamiento Calefacción Temp. Ext.


Figura 15. Campo para el ingreso de la localizacion del edificio o vivienda.

d) Periodo o tiempo de ejecución de la simulación.

Figura 16. Campo para el ingreso del periodo de simulación.

e) Cámaras de aire

Figura 17. Campo para el ingreso de las cámaras de aire existentes en la edificación.

f) Variables de salida.

Figura 18. Campo para la elección del tipo de variable de salida de la simulación.

8. RESULTADOS

Ejecutando el programa para comparar la temperatura interior simulada y la medida experimentalmente se obtiene

las gráficas siguientes para el ambiente Sur y Norte.

Figura 19. Gráficas de la temperatura interior medida y simulada, y la temperatura exterior, (izq.) ambiente Sur, (der.)

ambiente Norte.

De ambas gráficas se verifica que el programa está leyendo correctamente los datos ingresados dado el comportamiento

de las temperaturas interiores entre lo real medido, lo simulado y la temperatura exterior.

-30369

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0

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0

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0

01:0

0

13:0

0

Tem

per

atu

ra (°C

)

Temperatura real, simulada y exterior

para el ambiente Sur

Ti S (°C) Ti S Sim. (°C) Text. (°C)

-30369

1215182124

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0

11:0

0

22:0

0

Tem

per

atu

ra (°C

)

Temperatura real, simulada y exterior para

el ambiente Norte

Ti N (°C) Ti N Sim. (°C) Text. (°C)


Por lo general lo medido con lo simulado no necesariamente deben ser iguales dado a que el programa considera la

creación de elementos constructivos por capas homogéneas herméticas y en lo real no es así. Siempre existirá alguna

infiltración o puente térmico mínimo que repercuta en los resultados simulados. Por ejemplo los pisos o vanos de

puertas y ventanas no son del todo herméticos pero al ingresar al programa si tienen ese comportamiento ideal.

Ante ello, se generaría la pregunta, ¿hasta qué valor de diferencia de temperatura entre lo real y simulado puede

considerarse aceptable para validar el software?, según la experiencia de investigadores del grupo en “Energía en

Edificaciones” del Instituto de Energías Renovables de la UNAM (Rojas et al., 2016), una diferencia de temperaturas

entre lo real y simulado de hasta 2°C es aceptable. En nuestro caso en promedio para la etapa de medida es una

diferencia es de 0.09°C en el ambiente Sur, y 0.47°C en el ambiente Norte. Con un porcentaje de error promedio de

11%.

El porcentaje de error se calcula normalizando la diferencia entre la temperatura de medición y las temperaturas

simuladas usando la variación total de la temperatura durante el período de medición (Mateus et al., 2014).

n

i mínmáx

ii

TmedTmed

TmedTsim

nErrorom

1

%100(%).Pr (2)

De entre las muchas variables de salida que facilita el EnergyPlus está la cantidad de radiación solar incidente por

metro cuadrado de superfície exterior tal como se apreciar en la figura 20 (a). La pared Este y Oeste son las que reciben

mayor radiación solar directa durante el día, por tal motivo, es conveniente colocar las ventanas y habitaciones en

dichas orientaciones para calentar los ambientes interiores acumulando calor en su masa para posteriormente durante las

noches, devolverlas al ambiente. Asimismo, por las noches se tienen que colocar las contraventanas para evitar que el

calor acumulado se pierda por el vidrio de las ventanas. La figura 20 (b), es la representación porcentual de la radiación

solar por metro cuadrado que ingresa por las ventanas e incide sobre las superfícies interiores. El total de radiación solar

incidente sobre las superfícies interiores es de 2061.14W/m2, con el piso recibiendo sobre su superfície el 58% de dicha

radiación solar incidente.

(a) (b)

Figura 20. (a) radiación solar incidente por m2 de superficie exterior, (b) porcentaje de radiación solar incidente por m

2

de superficie interior.

Para el caso del MEV con el funcionamento de los sistemas de calefacción, manejo de contraventanas, uso de cocina a

gas, pernoctación y actividad humana, se ingresan los siguientes campos al EnergyPlus para el período del 24 al 28 de

febrero del 2017.

a) horario

Figura 21. Campo para crear horarios.

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300

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23

:00

W/m

2

Radiación solar incidente por m2 de superficie exterior

Pared E Pared O Pared N Pared S

3% 23%

16% 58%

Radiación Solar incidente por m2 de superficie interior

Pared O

Pared E

Vent E

Piso


b) Personas

Figura 22. Campo para ingresar la cantidad de personas y horario de actividad.

c) Equipos a gas

Figura 23. Campo para el ingreso de la cocina a gas.

d) Otros equipos

Figura 24. Campo para el ingreso de datos de los sistemas de calefacción muro y tubo radiante.

Figura 25. Gráficas de la temperatura interior medida y simulada, y temperatura exterior, (izq.) ambiente Sur, (der.)

ambiente Norte.

De la figura 25, los picos altos tanto en lo medido como simulado, son debido al encendido de la cocina a gas por una

hora en ambos ambientes del MEV, a la misma hora y procurando que el consumo de gas sea el mismo.

De la tabla 2 de ganancias y pérdidas de energía por el control de las contraventanas (CV), se aprecia de los resultados

que el manejo de las mismas colocándola a las 6pm y retirándola a las 6am al día siguiente, contribuye a una mayor

ganancia de energía en el día (20%), y menores pérdidas por las noches (9%). Lo que no conviene es mantener las

contraventanas puestas las 24 horas del día.

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°C)

Temperatura medida, simulada y exterior para el ambiente Sur

Ti S Sim. (°C) Ti S (°C) T ext (°C)

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Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Temperatura medida, simulada y exterior para el ambiente Norte

Ti N Sim. (°C) Ti N (°C) T ext (°C)


Tabla 2. Ganancias y pérdidas de energía por control de contraventanas (CV).

Figura 26. Gráfica porcentual de ganancias y pérdidas de energía por ventanas.

La figura 27 es la representación gráfica de los aportes energéticos en el MEV por elementos internas como, personas,

sistemas de calefacción, y cocina a gas. Dichos elementos aportan en mayor medida en el ambiente Norte (4.21kWh)

que en el Sur (1.88kWh) dado a que en dicho ambiente hubo pernoctación y un mayor aporte de la cocina a gas. El

aporte de la cocina a gas por hora y día es de 1.7kWh en el ambiente Norte, y 1.4kWh en el ambiente Sur. La

pernoctación de tres personas aporta 0.22kWh, por nueve horas de ocupación diaria aportaran, 1.98kWh.

Figura 27. Gráfica del aporte de energía por elementos internos en los ambientes interiores del MEV.

9. CONCLUSIONES

- La diferencia de temperaturas promedio entre lo real y simulado asi como el porcentaje de error promedio

encontrado (11%), validan el modelo y se asegura la confiabilidad del programa como uso de herramienta del

cálculo térmico en edificaciones.

- Los softwares de simulación utilizados dado el acceso libre a ellos, podrían utilizarse como referencias tal vez

en la norma peruana EM.110 para la realización del análisis térmico y eficiencia energética en edificaciones.

- El interfaz OpenStudio es un programa amigable al usuario, su comprensión asi como del EnergyPlus, deberían

impartirse en el ámbito académico dada la modernidad en el uso de los múltiples programas de simulación

existentes en las diferentes ramas de la ciencia.

Agradecimientos

Este trabajo de investigación ha sido financiado parcialmente por Cienciactiva del CONCYTEC por medio del

Convenio de Financiamiento N° 024-2016-FONDECYT.

20%

20%

20%

20%

10% 10%

Ganancias de energía por ventanas

Gan.En. AmbS

c_Control CV

Gan.En. AmbN

c_Control CV

Gan.En. AmbS sin

CV24h

Gan.En. AmbN sin

CV24h

Gan.En. AmbS con

CV24h

Gan.En. AmbN con

CV24h

11%

13%

26% 30%

9%

11%

Pérdidas de energía por ventanas

Pérd.En. AmbS

c_Control CV

Pérd.En. AmbN

c_Control CV

Pérd.En. AmbS sin

CV24h

Pérd.En. AmbN sin

CV24h

Pérd.En. AmbS con

CV24h

Pérd.En. AmbN con

CV24h

0

1

2

3

4

5

24/02/2017 25/02/2017 26/02/2017 27/02/2017

kW

h

Total de energía de calentamiento del MEV

Amb S Amb N


REFERENCIAS

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Rojas, J., Huelsz, G., Tovar, R., Barrios, G., Lira-Oliver, A., Castillo, A., 2010. Energía y confort en edificaciones 11.

Abstract. Many calculations to determine the thermal behavior of buildings consider only the heat transfer in steady

state by calculating the thermal resistance of the different parts of the building envelope. These calculations do not

consider the heat accumulated in the construction materials, which depends on time, so these calculations are not

reliable, especially if they are applied in extreme climactic zones, as they exist in Peru.

In the present work we present the application of thermal simulation programs of buildings that consider heat transfer as

a function of time. The advantage of using these tools prior to the design, construction or modification of a building,

will help save time and costs, also allows to make decisions in terms of choosing a certain strategy and bioclimatic

technique to be implemented in the design of a sustainable building with energy efficiency that improves the conditions

of thermal comfort and habitability.

In developed countries, these applications are common, some of which are open source and free to use, such as

OpenStudio or Energyplus, which work with a plug-in for Google SketchUp as a 3D design tool.

In the present work, we apply these simulations to a high Andean housing experimental module, MEV, at 3700 m asl, in

Raymina, Ayacucho, and compare it with the real measurements made in this housing module. The results show a good

agreement between the simulation and the experimental data, with an average temperature difference between the

measured and simulated of 0.28 °C. Likewise, the use of an adaptive model of thermal comfort for the location of the

MEV reduces the energy demand in heating by 50%, compared to standardized comfort models for cold climates.

Key words: OpenStudio, SketchUp, EnergyPlus, Thermal comfort, Thermal simulation.

modelaciÓn tÉrmica de un mÓdulo … · climáticas extremas, tal como existen en el perú. ......

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