Evaluación energética teórica mediante simulación. simulación SILVIA SOUTULLO CASTRO
U id d d Unidad de Eficiencia Efi i i Energética E éti en la l Edificación. Edifi ió CIEMAT. I JORNADAS RESULTADOS ESTRATEGIAS PASIVAS EN DEMOSTRADORES VIRTUALES. Cáceres 13 Abril 2010 PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
UIE3 Objetivo: Análisis energético del edificio. Investigación y Desarrollo en técnicas naturales de acondicionamiento de edificios para reducir la demanda energética. Parámetros de Partida: Temperaturas Medias 30 25 ºC
20
Climatología del lugar
15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
Meses INM
Junta Andalucia
CTE
UAL
Componentes del edificio (pasivos y activos)
Emplazamiento del mismo
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Evaluación teórica
La evaluación energética teórica de un edificio se realiza mediante programas de simulación.
El modelado del edificio se hace mediante simplificaciones del sistema real, regido por los mecanismos de transferencia de calor, bajo d t determinadas i d condiciones di i d contorno de t ( li (clima, geometría,…).
El modelo queda caracterizado por un sistema de ecuaciones matemáticas. Salidas de los programas:
Consumos energéticos y térmicos. térmicos Análisis de sensibilidad. Optimización sistemas pasivos y activos.
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Esquema Simulación
CLIMATOLOGÍA. Í Análisis y selección de datos climáticos. Estudio psicrométrico p y previsión p de estrategias. g
DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO. Entorno. Descripción de la envolvente. envolvente Elementos característicos.
SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO. ENERGÉTICO
Metodología. Zonificación térmica del edificio. Condiciones de contorno. Modelización de componente y usos.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES. PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Esquema Simulación Sistema Real: Edificio
Modelo: mecanismos transferencia de calor
Programa de Simulación Modificaciones
Resultados PROYECTO EDEA
Problema Inverso P
Problema Directo
Validación Modelo: Monitorización Cáceres 13-04-2010
Sistema Real
El edificio es un sistema complejo cuyas componentes: t muros, sistemas de acondicionamiento,... d fi definen l elementos los l t y las propiedades que lo caracterizan. El entorno t ((clima li y llos obstáculos circundantes al edificio) difi i ) es ell medio di ambiente que lo rodea.
PROYECTO EDEA
EDIFICIO
Cáceres 13-04-2010
Programas Simulación
Dependiendo del nivel de complejidad y de la manera de resolver el sistema de ecuaciones, se ha dividido a los programas de simulación en tres tipos:
Métodos Estáticos. Refrigeración
Métodos de Correlación. Métodos Dinámicos. Calefacción
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Simulación EDEA
Baterías de simulaciones paramétricas realizadas con el software dinámico TRNSYS. TRNSYS
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Simulación EDEA
Base de datos horaria de la climatología de Cáceres: CTE.
Inviernos frescos y húmedos. V Veranos calurosos l y secos. Oscilaciones día día-noche: noche:
Verano: 12-14ºC. Invierno: 7-9ºC.
35
33.9
33.2 30.9
30
29.5 26.1 25.4
25 Tª((ºC)
Temperaturas Medias 40
23.1
20
23.6 22.2 19.9 99
18.7
17.9
18.2 16.6
15
16.4
14.3
13.2
8.8
8.8
8.6
9.2 7.8
16.5
12.0
11.4
11.7
10
17.4
13.3
13.0
12.6
23.2
19.5
7.1 5.7
5
5.7
4.4
0 0
2
Maximas
4
6 Meses Medias
8
10
12
Minimas
Vientos predominantes: orientación i t ió S Sur. PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Simulación EDEA
IIntroducción t d ió geometría t í y elementos constructivos. Modelización de las zonas térmicas del edificio EDEA.
Planta baja. Planta primera. Sótano. Escalera Escalera. Casetón.
Introducción elementos sombreamiento.
PB Norte
PB Escaleras
PB Sur
de
P1 Norte
P1 Escaleras
P1 Sur
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Simulación EDEA
Definición de las temperaturas de consigna establecidas para verano e invierno: 21ºC en invierno. 26ºC en verano.
Análisis el edificio en evolución libre: Si Sin cargas internas i t d personas. de Sin equipos eléctricos o equipos de iluminación. Horario y uso de vivienda.
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Simulación CB
Simulación del Caso Base (Caso definido por la Junta de Extremadura). Cálculo demanda refrigeración.
horaria
de
calefacción
y
Baterías de simulaciones paramétricas. Obtención de ahorros energéticos en función del caso base. D Demanda d refrigeración. fi ió Caso C base b
0.030
0.030
0.025
0.025
2
Energia (kWh h/m )
2
Energia (kWh/m )
Demanda calefacción calefacción. Caso base
0.020
0.015
0.010
0.020
0.015
0.010
0.005
0.005
0 000 0.000
0.000 0
1000
2000
3000
4000
5000
Hora del año
PROYECTO EDEA
6000
7000
8000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Hora del año
Cáceres 13-04-2010
Baterías simulaciones
Simulaciones paramétricas Variación del tipo de aislamiento. Variación aislamiento en fachadas: 9 Convencionales. 9 Ventiladas.
Variación espesor ladrillo en fachada convencional. Variación aislamiento en solera y forjados. Variación aislamiento en cubiertas: 9 Planas. 9 Ventiladas.
Variación tipo de vidrio. Variación % huecos. Variación del factor de sombra en: 9 Fachada sur. sur 9 Cubierta.
Variación del giro del edificio. Variación ventilación (ren/h).
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Baterías simulaciones
Simulaciones multiparamétricas V Variación i ió d dell tipo ti y espesor de d aislamiento i l i t en fachada convencional. Variación espesor aislamiento y espesor ladrillo en fachadas: fachadas 9 Convencionales. 9 Ventiladas.
Variación i ió espesor y tipo i d de aislamiento i l i en cubierta. bi Variación % huecos, tipo vidrio y espesor aislamiento en fachadas convencionales.
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación tipo aislamiento en fachada. Para un mismo espesor p de aislamiento,, las mayores reducciones energéticas se obtienen cuanto más bajo sea el valor de conductividad del material. Variación tipo de aislamiento en el Caso Base 69.0 0.148
0.144 68.5
Energía a Total ( kWh/m2)
0.138 68.0 0.133 0.128 67.5 0.122
67.0 0.118 66 5 66.5 0.111
66.0 0.108 65.5 0.1
65.0 0.1
0.105
0.11
0.115
0.12
0.125
0.13
0.135
0.14
0.145
0.15
Conductividad (kJ/hmK) XPS
PROYECTO EDEA
PUR
LR
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas
Variación espesor aislamiento en fachada convencional con respecto al caso base. Mayor influencia en la variación del aislamiento en la fachada norte que en la sur . Caso base. Sensibilidad al espesor de aislamiento en fachada norte
Caso base. Sensibilidad al espesor del aislamiento en fachada sur. 3
7
Po orcentaje de ahorro (% %)
Po orcentaje de ahorro (%)
6 2
1
0
-1 1
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 3 -4 -5
-2 0.03
0.054
0.078
0.102
0.126
0.15
0.03
0.054
ahorro ref (%)
ahorro cal (%)
PROYECTO EDEA
0.078
0.102
0.126
0.15
Espesor aislamiento a norte (m)
Espesor aislamiento a sur (m) ahorro total (%)
ahorro ref (%)
ahorro cal (%)
ahorro total (%)
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas
Variación ó espesor aislamiento en fachada ventilada con respecto al caso base. Porcentajes P t j d de ahorro h t t l totales anuales l con respecto al Caso Base: 3.2% en la fachada sur y 5.7% en la fachada norte. Variación del Aislamiento en fachada norte
Variación del Aislamiento en fachada sur 61.5
61.5 61.0
61 0 61.0
En nergía (kWh/m2año)
Energía (kWh/m2año) E
60.5 60.5
60.0
59.5
59.0
60.0 59.5 59.0 58.5 58 0 58.0 57.5
58.5
57.0 58.0 0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
Espesor (m)
LR
PUR
0.16
56.5 0.04
0.06
0.1
0.12
0.14
Espesor (m)
XPS
LR
PROYECTO EDEA
0.08
PUR
XPS
Cáceres 13-04-2010
0.16
Paramétricas
Variación V i ió espesor ladrillo l d ill en ffachada h d convencional con respecto al caso Base. Influencia sobre la demanda anual integrada inferior al 1% para ambas fachadas (sur y norte).
Sensibilidad al espesor de la masa en fachada sur.
Sensibilidad al espesor de la masa en fachada norte.
65
65
60
60 55
50
Enerrgía (kWh/m año)
45 40
50 45
2
Ene ergía (kWh/m2año)
55
35 30 25 20 15 10
40 35 30 25 20 15 10
5
5
0 0.115
0.23
0 0.115
Espesor ladrillo (m) ahorro ref (%)
ahorro cal (%)
PROYECTO EDEA
0.23
Espesor ladrillo (m) ahorro total (%)
Qcool
Qheat
Qtot
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación espesor aislamiento en solera/forjados con respecto al caso Base. Caso base. Sensibilidad al espesor de aislamiento en forjado 15
Porcentaje e de ahorro(%)
10
5
0 0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
-5
-10
-15
Espesor aislamiento en forjado (m) ahorro ref (%)
PROYECTO EDEA
ahorro cal (%)
ahorro total (%)
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación tipo de vidrio con respecto al caso Base. C Caso b base: D bl Claro Doble Cl
C Caso M j Mejorado: d Doble D bl Bajo B j Emisivo E i i
Ahorro demanda anual integrada con respecto al caso base: próximo 11%. 11% Sensibilidad al tipo de vidrio 67 62 57
Energía (kWh/m2año)
52 47 42 37 32 27 22 17 12 7 D bl Cl Doble Claro
D bl B Doble Bajo j E Emis i
Tipo de vidrio Qcool
PROYECTO EDEA
Qheat
Qtot
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas
Variación ó porcentaje de hueco en fachada.
Sensibilidad al porcentaje de hueco en la fachada sur. 70
50
2
Energía ((kWh/m año)
60
40
30
20
10
Sensibilidad al porcentaje de hueco en la fachada norte.
0 0.2
0.4
0.6
0.8 70
Hueco (tanto por uno) 60
Qheat
Energía ((kWh/m2año)
Qcool
50
40
30
20
10
0 0.2
0.4
0.6
0.8
Hueco (tanto por uno) Qcool
PROYECTO EDEA
Qheat
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas
Variación ó del factor de sombra en fachada sur.
Sensibilidad calefacción al sombreamiento en fachada sur 70
60
55
50
Sensibilidad refrigeración al sombreamiento en fachada sur 45
35
20% hueco
40% hueco
60% hueco
80% hueco 30
Sin sombra
40cm sombra
80cm sombra 25
2
Qcool (kW Wh/m año)
2
Qheat (kWh/m m año)
65
20
15
10
5
0
20% h hueco eco Sin sombra
PROYECTO EDEA
40% h hueco eco
60% h hueco eco
40cm sombra
80% h hueco eco 80cm sombra
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación V i ió del d l factor f t de d sombra b sobre b una cubierta plana. Ahorro demanda anual integrada: 3.6% 3 6% Sensibilidad al sombreamiento de la cubierta 65 60 55
Energía (kWh//m2año)
50 45 40 35 30 25 20 15
Sin Sombra
Qcool
PROYECTO EDEA
Con Sombra
Qheat
Qtot
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación V i ió del d l giro i del d l edificio difi i con respecto t al Caso Base (eje sur-norte). Sensibilidad al giro de la fachada sur
Porcentaje de ahorro (%)
10 5 0 -5 10 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80
45º Sur 45
Este
ahorro ref (%)
PROYECTO EDEA
45º Este 45
45º Norte 45
ahorro cal (%)
Oeste
45º Oeste 45
ahorro total (%)
Cáceres 13-04-2010
Paramétricas Variación V i ió del d l número ú d renovaciones de i a la l hora para realizar una ventilación natural. Opciones: ventilación diurna y nocturna. nocturna Mejor ventilación natural nocturna. Sensibilidad a la ventilación natural durante el verano Porcen ntaje Ahorro Reffrigeración (%)
30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
Renovaciones/hora Ventilacion diurna
PROYECTO EDEA
Ventilacion nocturna
Cáceres 13-04-2010
MultiParamétricas
Variación V i ió ti tipo & espesor fachada convencional.
aislamiento i l i t
V i ió Tipo Variación Ti Aislamiento Ai l i t & Espesor. E Fachada F h d Sur S 72
70 69 68 67
Variación Tipo Aislamiento & Espesor. Fachada norte
66 65
74
64 0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Espesor de aislamiento a sur (m) FN 0.06, XPS, Cnd 0.122 FN 0.06, PUR, Cnd 0.111 FN 0.06, LR, Cnd 0.118
FN 0.06, XPS, Cnd 0.144 FN 0.06, PUR, Cnd 0.133 FN 0.06, LR, Cnd 0.148
FN 0.06, XPS, Cnd 0.162 FN 0.06, PUR, Cnd 0.144 FN 0.06, LR, Cnd 0.158
0.2
72
2
0
Energía (kWh/m año) E
Energía (kWh//m2año)
71
70
68
66
64
62 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Espesor de aislamiento a norte (m) FS 0.06, XPS, Cnd 0.122 FS 0.06,, PUR,, Cnd 0.111 FS 0.06, LR, Cnd 0.118
PROYECTO EDEA
FS 0.06, XPS, Cnd 0.144 FS 0.06,, PUR,, Cnd 0.133 FS 0.06, LR, Cnd 0.148
FS 0.06, XPS, Cnd 0.162 FS 0.06,, PUR,, Cnd 0.144 FS 0.06, LR, Cnd 0.158
Cáceres 13-04-2010
0.2
MultiParamétricas
Variación V i ió espesor aislamiento i l i t & espesor ladrillo fachada convencional. Ahorro h d demanda d anuall integrada d en ambas b fachadas con respecto al Caso Base: 6%
Variación espesor & inercia. Fachada sur
Variación espesor & inercia. Fachada norte 8
Ahorro demanda enerrgía total anual (%)
Ahorro demanda energía total anual (%)
8 6 4 2 0 -2 -4 -6 0.02
6 4 2 0 -2 -4 -6 0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.16
Espesor aislamiuento norte (m)
Espesor aislamiento sur (m) FN 0.03, MN/MS 0.115
FN 0.05, MN/MS 0.115
FN 0.08, MN/MS 0.115
FN 0.15, MN/MS 0.115
FS 0.03, MN/MS 0.115
FS 0.05, MN/MS 0.115
FS 0.08, MN/MS 0.115
FS 0.15, MN/MS 0.115
FN 0.03, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.05, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.08, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.15, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.03, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.05, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.08, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.15, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.03, MN/MS 0.23
FN 0.05, MN/MS 0.23
FN 0.08, MN/MS 0.23
FN 0.15, MN/MS 0.23
FS 0.03, MN/MS 0.23
FS 0.05, MN/MS 0.23
FS 0.08, MN/MS 0.23
FS 0.15, MN/MS 0.23
FN 0.03, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.05, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.08, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.15, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.03, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.05, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.08, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.15, MN/MS 0.115/0.23
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
MultiParamétricas
Variación V i ió espesor aislamiento i l i t & espesor ladrillo fachada ventilada. Ahorro demanda anual integrada en ambas fachadas con respecto al Caso Base: 7%
Variación espesor & inercia. Fachada ventilada sur
Variación espesor & inercia. Fachada ventilada norte 8
Ahorro energía total an nual (%)
Ahorro energía total an nual (%)
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.05
0.07
0.09
0.11
0.13
0.15
7 6 5 4 3 2 1 0 0.05
0.07
Espesor aislante a sur (m)
0.09
0.11
0.13
0.15
Espesor aislante a norte (m)
FN 0.05, MN/MS 0.115
FN 0.08, MN/MS 0.115
FN 0.13, MN/MS 0.115
FN 0.15, MN/MS 0.115
FS 0.05, MN/MS 0.115
FS 0.08, MN/MS 0.115
FS 0.13, MN/MS 0.115
FS 0.15, MN/MS 0.115
FN 0.05, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.08, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.13, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.15, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.05, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.08, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.13, MN/MS 0.23/0.115
FS 0.15, MN/MS 0.23/0.115
FN 0.05, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.08, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.13, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.15, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.05, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.08, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.13, MN/MS 0.115/0.23
FS 0.15, MN/MS 0.115/0.23
FN 0.05, MN/MS 0.23
FN 0.08, MN/MS 0.23
FN 0.13, MN/MS 0.23
FN 0.15, MN/MS 0.23
FS 0.05, MN/MS 0.23
FS 0.08, MN/MS 0.23
FS 0.13, MN/MS 0.23
FS 0.15, MN/MS 0.23
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
MultiParamétricas Variación espesor & tipo aislamiento en cubierta. Ahorro demanda anual integrada con respecto al Caso Base : Poliuretano : 7.5% Lana Roca : 7% Poliestireno : 6.5% Variación Tipo Aislamiento en Cubierta
64 62
Energía (kWh h/m2año)
60 58 56 54 52 50 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Espesor (m)
XPS
PROYECTO EDEA
PUR
LR
Cáceres 13-04-2010
MultiParamétricas
Variación porcentaje hueco, hueco tipo vidrio y espesor aislamiento en fachada convencional.
Variación % Hueco & Tipo Vidrio y espesor aislamiento. Fachada sur 80
Variación % Hueco & Tipo Vidrio y espesor aislamiento. Fachada norte
70
80 65
75
2
60
Energía (kWh/m año)
Energía (kWh/m2año)
75
55
50 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
% Hueco VD,FS 0.05
VDE,FS 0.05
VD,FS 0.08
VDE,FS 0.10
VD,FS 0.15
VDE,FS 0.15
VDE,FS 0.08
VD,FS 0.10
0.9
70
65
60
55
50 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
% Hueco
PROYECTO EDEA
VD,FN 0.05
VDE,FN 0.05
VD,FN 0.08
VDE,FN 0.10
VD,FN 0.15
VDE,FN 0.15
VDE,FN 0.08
VD,FN 0.10
Cáceres 13-04-2010
0.9
Referencias
Curso Energía Solar en la Edificación. Serie de Ponencias. Varios Autores. Editorial Ciemat. Madrid 2004. Curso de la Caracterización Solar como Recurso Energético. Serie de Ponencias. Ponencias Varios Autores Autores. Editorial Ciemat. Ciemat Madrid 2008. 2008 Roof Solutions for Natural Cooling (RoofSol). Final Report. European Commission: D.G. XII for Science Research and Development. Código Técnico de la Edificación (CTE) (CTE). Ministerio de Vivienda del Gobierno de España. Marzo 2006. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). Ministerio de Medio Ambiente del Gobierno de España. Programa de Calificación Energética de Edificios (CALENER). (CALENER) Ministerio de Industria, Turismo y Comercio del Gobierno de España. Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja p Tabla de radiación solar ((Fuente: Censolar). ) Instituto Temperatura. para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) perteneciente al Ministerio de Industria, Turismo y Comercio del Gobierno de España. Proyecto Arfrisol: www.arfrisol.es
PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010
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PROYECTO EDEA
Cáceres 13-04-2010