miércoles, 14 de febrero de 2018

ENERGYPLUS-Programa de simulación térmica dinámica para edificaciones


EnergyPlus es un motor de cálculo que se basa en un análisis de transferencia de calor dependiente del tiempo para estimar la demanda de energía en una edificación y la obtención de diversas variables de salida como, la temperatura y humedad relativa interior, radiación solar por m2 de superficie exterior e interior, pérdidas y ganancias de energía por elementos constructivos de la envolvente, entre otras.

EnergyPlus es de propiedad del Departamento de Energía de los EE.UU, es de código abierto y uso gratuito, y que al ser una herramienta computacional, facilita los cálculos dinámicos que realizados manualmente resultan engorrosos.

Para el modelamiento y simulación utilizando el EnergyPlus, este se apoya en dos programas, el SketchUp (de propiedad de Trimble Navigation)  que es un programa de diseño gráfico en 3D, y el OpenStudio  (de propiedad del Laboratorio Nacional de Energías Renovables-NREL), que es un interfaz gráfica que usa las herramientas del SketchUp para el uso del EnergyPlus. Dichos programas son de uso gratuito y se pueden descargar de los siguientes enlaces:

  • SketchUp


En este programa se crea la geometría en 3D, se asignan tipos de espacio, se asigna las superficies, y se guarda el archivo con la extensión .idf para el uso del energyplus.



Fig.1. Vista de la ventana de trabajo del SketchUp.

  • OpenStudio


En este programa se ingresan los materiales con sus propiedades termofísicas, se crean las construcciones por capas, se crean los horarios, y se pueden ejecutar simulaciones visualizando sus resultados.

Fig.2. Vista de la ventana de trabajo del OpenStudio.

  • EnergyPlus


Es el motor de cálculo para estimar la demanda de energía y cargas térmicas (calefacción y refrigeración) en una vivienda o edificio que permitan  mantener el confort térmico interior. Cabe señalar que el comportamiento térmico de un edificio está influenciado ya sea por el clima, su forma, los materiales que constituyen su envolvente, su orientación que tiene que estar integrado al clima y las ventanas.

El EnergyPlus trabaja con el EP-Launch donde se carga el archivo de trabajo generado en el SketchUp y OpenStudio con extensión IDF, se carga el archivo de clima con extensión EPW, se ejecuta la simulación, se visualizan los errores de la simulación en caso lo hubiera, y se obtienen las variables de salida.

El otro subprograma por denominarlo así es el IDF Editor, donde se ingresan las variables de entrada de acuerdo a las características del edificio, su uso, controles, periodo de ejecución de la simulación, ubicación del edificio, horarios, entre otros.


Fig.3. Ventana del EP-Launch.

Fig.4. Ventana del IDF Editor.

La metodología de uso del EnergyPlus parte por:

  • Contar con un archivo de clima horario, para ello se tiene que instalar una estación meteorológica en el lugar de estudio donde se construirá la vivienda o en todo caso utilizar los datos meteorológicos de la estación más cercana. Los archivos de clima a cargar en el EnergyPlus van con extensión EPW. El EnergyPlus cuenta con 3 archivos de clima con dicha extensión, para Lima, Arequipa y Cusco los cuales se pueden descargar de los siguientes enlaces:
AREQUIPA

CUSCO

LIMA

  • Contar con los planos al detalle, puertas, ventanas, claraboyas,...
  • Contar con información sobre la operatividad del edificio para la creación de sus respectivos horarios de controles.
  • Contar con información del control de los sistemas de climatización (calefacción-refrigeración) para la creación de sus horarios de control.

Y entre las variables de entrada al Energyplus se tiene:

  • El control de la simulación (por días de diseño o archivos de clima)
  • Las características de ubicación del edificio
  • Los algoritmos de cálculo
  • La localización del edificio
  • Periodo de ejecución de la simulación
  • Temperatura del suelo
  • Los horarios o controles de uso del edificio, personas, equipos, iluminación, …
  • Materiales
  • Cámaras de aire
  • Materiales de ventanas
  • Tipo de gas en ventanas en caso de llevar doble vidrio
  • Construcción
  • Detalles de superficies del edificio
  • Detalles de puertas y ventanas
  • Control de sombras de ventanas
  • Infiltraciones
  • Intercambios de aire entre zonas
  • ….

Y las variables de salida como:
  • Temperatura interior
  • Humedad Relativa interior
  • Pérdidas de energía por elementos constructivos
  • Ganancias de energía por elementos constructivos
  • Radiación solar incidente por m2 de superficies exterior
  • Radiación solar incidente por m2 de superficie interior
  •  …..
Como referencia del uso de los programas mencionados para determinar las cargas térmicas y temperatura interior, les comparto un estudio de caso desarrollado sobre un módulo de vivienda experimental altoandina en Ayacucho.