Radiación solar y ganancias solares

7. Debido a que diva-for-Grasshopper no calcula el esquema

DAv, es necesario procesar las métricas del punto anterior mediante hojas de cálculo para obtener las 4 áreas DAv [139].

El concepto de iluminación natural no sólo influencia el uso de energía para la iluminación artificial sino también el acondicionamiento térmico en los edificios. Esto se debe a que la luz natural siempre está acompañada de ganancias solares.

Modelo energético y zona térmica

El modelo 3D se construye con Rhinoceros y consiste en una caja construida con superficies planas, tal como se muestra en la figura 5.11. Sobre la superficie de la fachada principal se añade otra correspondiente a la ventana, según el tamaño que corresponda. Cinco superficies planas se sobreponen sobre la caja, para representar superficies adiabáticas. Este modelo energético se importa en Archsim, donde a cada superficie se le asigna el material de muro, techo, piso o vidrio. La caracterización de las propiedades térmicas de los materiales constructivos se resume en la tabla 5.7.

Con la finalidad de enfocarse en el estudio del rendimiento lumínico y térmico de la luz natural a través de las ventanas, el efecto térmico a través de muros, techo y piso se establece como adiabático. Únicamente se exceptúa la fachada donde se ubicará la ventana, por lo que para este paramento se establece un material con transmitancia térmica de 2.3 W/m2K. Esto considerando que este valor se mantendrá fijo, pues la finalidad de este estudio no es la comparación de los materiales constructivos utilizados en las diferentes regiones climáticas. Por ende, su fijación permitirá reducir su influencia en los resultados obtenidos. La ventana se especifica con un vidrio simple claro de 6 milímetros de espesor, con valor U de 2.785W/m2K y shgc de 0.703. La fachada acristalada se rotará hacia las cuatro orientaciones de estudio.

Figura 5.11. Modelos A y B en perspectiva, construidos con Rhinoceros, para el cálculo energético por zona.

Consultar la versión a color en anexo 4.

Tabla 5.7. Propiedades de los componentes edilicios del modelo y del acristalamiento.

Componente

Muros Fachada Techo

Piso

Acristalamiento Adiabático

Transmitancia térmica Adiabático Adiabático

Propiedad

Factor U Coeficiente de ganancia solar, shgc Transmitancia térmica 2.3 W/m2K

5.894 W/m2K 0.905 2.785 W/m2K

La tabla 5.8 enlista las cargas internas, ocupación y equipamiento del modelo, según estándares de espacios habitables [131-133, 140]. La zona de cálculo se establece como simple. Al terreno se le asigna una temperatura de 14° y una reflectancia del 20%.

Tabla 5.8. Cargas consideradas en las simulaciones energéticas.

Cargas internas

Acondicionamiento

Ocupación Personas/m2 Calendario 0.05 Completa durante las noches y parcial durante el día (figura 5.12)

Equipamiento W/m2 Calendario 7.3 Parcial según patrones identificados en viviendas (figura 5.13) [140]

Iluminación W/m2 Objetivo (lux) Calendario

Calefacción Temperatura (°C) Calendario Refrigeración Temperatura (°C) Calendario

Ventilación por ventana Área operable (0-1) Coeficiente de descarga (0-1) Temperatura (°C) Calendario 12 250 Horario de 6:00 a 22:00 horas, según el perfil de uso de iluminación eléctrica (diva), específico para cada ventana (figura 5.14). 20 Según la ocupación 24 Según la ocupación 0.5 0.65 20 Según la ocupación

Figura 5.12. Patrón de ocupación de los usuarios, considerado en los cálculos energéticos.

Figura 5.13. Patrón de utilización del equipamiento en una vivienda [140].

Figura 5.14. Ejemplos de perfiles anuales del uso de la iluminación eléctrica, para dos tamaños de ventanas: wwr100% y wwr10%. Generados de los cálculos lumínicos con diva y procesados para incluir un horario de 6:00 a 22:00 horas dentro de los cálculos con EnergyPlus.

Archivos climáticos

Este estudio se enfoca en tres ciudades mexicanas; por tanto, se utilizan los siguientes tres archivos climáticos: • Región cálida seca MEX_NLE_Monterrey-Escobedo.Intl. AP.763943_TMYx.2003-2017 • Región cálida subhúmeda MEX_YUC_Merida-Rejon.Intl. AP.766440_TMYx.2003-2017 • Región templada MEX_PUE_Puebla-Serdan.Intl. Ap.766850_TMYx-2003-2017

Programas de cálculo

Las simulaciones térmicas dinámicas se realizan con el programa EnergyPlus V.8.4.0, un motor de cálculo que no posee una interfaz de usuario amigable, por lo que usualmente se utilizan otros programas como su interfaz gráfica. Entre éstos, Archsim ha sido desarrollado para configurar y ejecutar modelos energéticos rápidamente. Archsim utiliza los archivos nativos idf de EnergyPlus y, por tanto, no realiza ningún pre o post procesado sobre los algoritmos del motor de cálculo. Esto significa que los estudios de validación realizados para EnergyPlus puedan extenderse a Archsim. El proceso para las simulaciones con estos programas es Rhinoceros-Grasshoper-Archsim. Una ventaja de utilizar Archsim dentro de la interfaz de Grasshopper es que es posible interconectar los cálculos energéticos con los análisis lumínicos (a través de los perfiles de uso de iluminación eléctrica derivados de diva).

Los parámetros de simulación y los algoritmos de cálculo con EnergyPlus se establecen en la tabla 5.9. Una descripción más detallada sobre estos parámetros de simulación puede encontrarse gratuitamente en la documentación de la instalación de EnergyPlus V.8.4.0 [95]. El periodo de simulación se establece desde el 1 de enero hasta el 31 de diciembre, con una resolución horaria.

Tabla 5.9. Parámetros de simulación con EnergyPlus.

Radiación solar

Balance de calor

Método de cálculo Cálculo de distribución solar

Frecuencia del cálculo de sombreado Traslape del cálculo de sombreado Frecuencia promedio diaria Completa interior y exterior con reflexiones 20

15000

Intervalos de tiempo por hora Algoritmo Discretización del espacio 4 Función de la transferencia de calor 3

Indicadores del rendimiento energético

Las variables de salida de EnergyPlus requeridas en los cálculos energéticos son las siguientes:

• Energía de radiación solar transmitida a través del acristalamiento de la zona (joules, J). Cantidad de radiación solar de onda corta transmitida a través de las ventanas exteriores de la zona. Esta radiación incluye la luz solar directa que atraviesa el vidriado, la radiación difusa reflejada desde el exterior de la ventana y la radiación difusa que atraviesa el vidriado desde el exterior de la ventana. • Energía de iluminación eléctrica de la zona (J). Consumo eléctrico en iluminación para todas las luces de la zona, incluidos los balastros si están presentes. Estos cálculos utilizan la información de cada perfil anual del uso de la iluminación eléctrica generado con Radiance, mediante diva. Estos perfiles horarios son un archivo de entrada para el cálculo de la energía de iluminación eléctrica de la zona con Energy-

Plus. Se establecen como un sistema de control manual para una fuente de iluminación artificial en el centro de la segunda

mitad más profunda del espacio. Estos calendarios horarios son utilizados en lugar de los cálculos de iluminación natural preestablecidos en EnergyPlus que utilizan el método de flujo dividido (SplitFlux) que es menos preciso que el de Radiance.

Esto también ayuda a obtener resultados más sensibles y evitar los inconvenientes ya reportados con respecto a la precisión del software EnergyPlus en la predicción de la luz natural disponible en un espacio, especialmente a medida que aumenta la distancia a la fachada [141]. • Energía de calefacción total de la zona (J). Energía de calefacción total (sensible y latente) suplida por zona. • Energía de refrigeración total de la zona (J). Es la energía de refrigeración total (sensible y latente) suplida por zona.

Con el enfoque de estudiar el rendimiento energético de las ventanas, se evita modelar un sistema hvac específico. Por tanto, se selecciona la opción del programa EnergyPlus «Sistema ideal hvac» que provee un modelo ideal que suple la calefacción y refrigeración en suficiente cantidad para alcanzar la carga de la zona o hasta sus límites [95]. Las condiciones de este modelo hvac ideal son controladas según las especificaciones de la tabla 5.8. Una vez establecidos todos estos parámetros, se procede a realizar las simulaciones. Los resultados se obtienen en Joules (J), por lo que es preciso realizar su conversión a kWh con el factor:

Al finalizar los cálculos, se obtienen los indicadores para describir el rendimiento térmico de las ventanas que corresponden a la ganancia solar y a los consumos de energía anual en iluminación, calefacción, refrigeración y total. Éstos se resumen en la tabla 5.10.