Validación de simulación dinámica de sistema HVAC de aula docente mediante comparación con recinto real

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 342 15. Validación de simulación dinámica de sistema HVAC de aula docente mediante comparación con recinto real Campano, Miguel Ángel(1,*), Pinto, Armando(2), Acosta, Ignacio(1), Sendra, Juan J.(1) (1)(*) Instituto Universitario de Arquitectura y Ciencias de la Construcción, Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad de Sevilla (Sevilla). [email protected]s. 0034 954 55 95 17. (2) Núcleo de Acústica, Iluminação, Componentes e Instalações. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa (Portugal). Resumen Los centros docentes requieren confort térmico en su interior, pero existe cierta incertidumbre en cómo lo proporcionan los sistemas de climatización asociados, especialmente por las altas cargas internas y la ventilación mecánica. Por ello, se realizan modelos predictivos mediante dinámica de fluidos computacional (CFD); sin embargo, la fiabilidad de las herramientas de simulación ha de ser verificada, por lo que el objetivo principal de este trabajo es definir y desarrollar el proceso de validación de una herramienta de simulación térmica dinámica por comparación con un recinto real. Se ha definido un protocolo de validación para herramientas de simulación dinámica en espacios de tamaño medio con altas cargas internas mediante comparación con medidas de temperatura realizadas en un aula polivalente existente, cumpliendo con lo establecido en la norma ISO 7726. El aula seleccionada para dicha comparación pertenece al instituto “Eça de Queiros” de Lisboa (Portugal), utilizándose 80 sensores termopar para caracterizar el comportamiento térmico de su ambiente interior. Se obtiene una diferencia media absoluta de 0.21 ºC y una desviación estándar máxima de 0.47 ºC entre medición y simulación, inferior al límite de ± 0.5 ºC de dicha normativa La aplicación de esta metodología para validar el software Design Builder prueba la fiabilidad de la herramienta en este tipo de recintos. Palabras clave CFD, Validación software, Diseño HVAC, Eficiencia energética, Aulas. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 343 1 Introducción A la hora de seleccionar el sistema de climatización para resolver el acondicionamiento higrotérmico y de calidad del aire de los edificios, aparece la incertidumbre sobre cuál será el comportamiento real del sistema de difusión/emisión de energía en los recintos tratados, así como la eficiencia energética del mismo frente a otros sistemas alternativos de similares prestaciones. Aunque hay métodos predictivos para determinar el balance energético en locales genéricos a fin de dimensionar sus sistemas de climatización (HVAC), ya sea mediante mediciones o simulación nodal, existe también un cierto desconocimiento sobre si es correcto el uso de la energía del edificio, así como de la eficiencia de la difusión de aire en recintos habitables considerados como espacios tridimensionales, con ocupantes, mobiliario, equipos y otras fuentes de calor que intervienen activamente en el balance energético. Para poder predecir el comportamiento de la difusión de aire, es necesario recurrir a la simulación informática mediante dinámica de fluidos computacional (CFD), previa validación de la herramienta informática por comparación con mediciones en edificios ya existentes. Se plantea por tanto el aplicar este proceso de validación por comparación sobre un aula polivalente de centro docente, tanto por ser uno de los modelos de recintos con alta ocupación más comunes, como por las mayores necesidades de confort ambiental de sus ocupantes. 1.1 Estado de la cuestión Al realizar el proceso de simulación energética dinámica de recintos arquitectónicos, es posible solventarlo de forma completamente autónoma mediante técnicas CFD. Sin embargo, puede llegar a ser extremadamente largo y complejo, ya que habría que caracterizar de forma dinámica el balance térmico con el exterior y el resto de recintos del edificio a través de la envolvente y de los flujos de aire intercambiados. Por ello, este proceso se realiza habitualmente mediante acoplamiento (Negrão 1995), separándose en dos fases consecutivas, ya sean simulaciones de estado estacionario o dinámico (Zhai et al. 2002, 2004): • Cálculo nodal, donde se establece un balance térmico global del que se generan las condiciones de contorno. • Cálculo mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). A partir de las condiciones previas de contorno obtenidas del cálculo nodal, se realiza una caracterización detallada y exhaustiva del movimiento y variación térmica de las masas de aire en el interior de un recinto, así como de su interacción dinámica con el resto de elementos existentes en dicho local. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 344 Este tipo de procesos de simulación energética carecen de fiabilidad mientras no hayan sido validados por comparación. En este sentido, y como antecedentes que han servido de base para el presente estudio, cabe destacar especialmente el trabajo desarrollado por Karimipanah et al. (2007); este se centra en el análisis de la eficiencia de la distribución térmica tanto de sistemas de desplazamiento como de chorros confluentes a través de simulaciones CFD, siendo previamente calibradas con un conjunto de mediciones in situ realizadas en un modelo de aula real, construido en el interior de una cámara térmica. Asimismo, también son relevantes los trabajos de Yang et al. (2014) en el estudio en aulas alemanas, tanto de ventilación natural cruzada como de sistemas ventilación mecánica y sistemas de desplazamiento, además del trabajo de Conceição y Lúcio (2011) en aulas portuguesas tratadas con sistemas de superficie radiante y refrigerante. 1.2 Objetivos El objetivo de este estudio es la validación de la herramienta Design Builder como software de simulación CFD, aplicado para la caracterización del comportamiento térmico de recintos de tamaño medio con altas cargas internas y densidad de ocupación elevada. Para ello, se desarrolla un protocolo de validación en el que realiza la monitorización de la temperatura interior de un aula docente existente, utilizándose como elemento de comparación de los modelos predictivos de simulación a generar con dicho software. 2 Metodología Para establecer la metodología de trabajo de este estudio sobre validación de software, es preciso definir la muestra de estudio a usar como punto de comparación, eligiendo los parámetros objetivos que se usarán de referencia. Tras seleccionar la herramienta de simulación, se define el método de análisis comparativo con su marco normativo. 2.1 Selección de la muestra de estudio El modelo de trabajo elegido para este estudio de validación es el interior del aula 24 del centro docente “Escola Secundária Eça de Queirós”, siendo ejemplo representativo de aula polivalente de educación secundaria de la Península Ibérica. Este se ubica en la freguesia de Olivais, dentro del término municipal de Lisboa (Por- Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 345 tugal), ciudad considerada como zona Csa según el índice climático de Köppen (2006), y propiedad del ente público “Parque Escolar” del Gobierno de Portugal. Este centro fue realizado por el arquitecto Jorge Martins. El local se encuentra ubicado en la segunda planta del centro docente, en la esquina sur del mismo. Se encuentra en contacto con el exterior por sus paredes sureste y suroeste, así como por su cubierta. Su pared noroeste la separa del aula 23, y la noreste del pasillo de circulación y del aula 25. Por último, está situada sobre la sala de trabajo de profesores de la planta primera. Las dimensiones de dicho aula son 7 metros de largo, 7 metros de ancho y 3 metros de alto, contando en su interior con 31 pupitres y la mesa del profesor (Fig. 1). Su único acceso se encuentra en la pared en contacto con el pasillo, disponiendo de un aireador en su parte superior, con una superficie de admisión de 0.15 x 0.80 m. Fig. 1 Planta y sección del aula polivalente 24 del centro docente “Eça de Queirós” La clase está equipada con un PC de sobremesa situado en la mesa del docente, que cuenta con un proyector asociado en el centro del techo del recinto, El aula dispone de un sistema de iluminación colgado de 9 luminarias fluorescentes de 48 W cada una, organizadas en tres filas paralelas a la pared de la ventana, quedando enrasadas con el falso techo. La composición constructiva de la envolvente del aula se muestra en la tabla 1. Como sistema de HVAC, el centro docente cuenta con una producción térmica de tipo hidrónico, red a cuatro tubos y una Unidad de Tratamiento de Aire de tipo Todo-Aire Exterior por cada 4 aulas, localizadas en la cubierta, desde las que se abastece a todas las salas de cada agrupación de aulas a través de un sistema de conductos de impulsión individuales de chapa de diámetro 300 mm, los cuáles se localizan en cada aula encima de la ventana corrida. En este conducto se disponen Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 346 tres rejillas de impulsión a 45º respecto de la horizontal, realizándose la extracción a través de un aireador sobre la puerta. Así, la eficiencia de la ventilación en modo refrigeración es de 1.0, mientras que en calefacción es de 0.8 (CR 1752:1998). Las infiltraciones medidas en este recinto son de 0.51 ACH, pero estas se consideran nulas mientras el sistema DE HVAC esté operativo, dada la sobrepresión generada. Tabla 1 Tabla resumen de datos constructivos del centro docente “Eça de Queirós” (Lisboa) Elemento Composición U (W/(m2· K)) Cerramientos Mortero de cemento monocapa 1 cm; bloque hueco cerámico 14 cm; cámara de aire sin ventilar 1 cm; lana mineral (0.031 W/mK) 2 cm; 2x placa de yeso laminado 1 cm 0.69 Particiones 2x placa de yeso laminado 1 cm; cámara de aire sin ventilar 1 cm; Bloque hueco cerámico 14 cm; cámara de aire sin ventilar 1 cm; 2x placa de yeso laminado 1 cm 0.96 Forjados Linóleo 1 cm; mortero de cemento 2 cm; capa de arena 4 cm; forjado reticular hormigón 35 cm 2.4 Cubierta Capa de grava 5 cm; XPS extrusionado (0.034 W/mK) 5 cm; capa de mortero de cemento 1 cm; Lámina de betún 0.2 cm; capa de mortero de cemento 1 cm; hormigón con árido ligero 10 cm; forjado reticular hormigón 35 cm 0.55 Huecos Vidrio de 6 mm (vidrio simple) Carpintería de aluminio (2 cm) sin rotura de puente térmico Protección por estore interior opaco de color gris claro 5.8 5.9 Las condiciones climáticas del emplazamiento durante las mediciones in situ aparecen en la tabla 2, tomadas en la estación meteorológica del aeropuerto de Portela, a un kilómetro y medio al oeste del centro docente. Tabla 2 Tabla resumen de datos climáticos (estación meteorológica del aeropuerto de Portela) Localización: Lisboa (Portugal) Latitud/Longitud: 38.76º / -9.11º Zona horaria: GTM +0:00 Elevación: 114.0 m Exposición al viento: Normal Velocidad media del viento: 5.0 m/s Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 347 Fig. 2 Volumetría del aula 24 con la ubicación de las cuatro columnas de sensores termopar 2.2 Medida de parámetros objetivos Para realizar este proceso de validación CFD, el aula seleccionada fue monitorizada durante 5 días del mes de noviembre, durante los cuales se estudiaron de forma tan- to continua como esporádica las condiciones térmicas del interior del aula, con el objetivo de obtener tanto las condiciones de partida (condiciones de contorno) para las simulaciones como los valores de contraste para la validación. Toda esta información se obtuvo mediante el empleo de los siguientes equipos, dispuestos según se muestra en las figuras 2 y 3: • Medición continua en el tiempo (contraste para validación CFD): – 80 sensores termopar tipo J, distribuidos en 4 columnas con 20 sensores cada una (C1, C2, C3 y C4). – 3 sensores de hilo caliente TA5 Thermal Anemometer, asociados a las columnas C1 y C2. – 2 sensores de molinete Vane Sensor Anemometer AIRFLOW AV6 (35 mm para la impulsión del sistema HVAC y 100 mm para el exterior). – Data Loggers DT85 DataTaker y DT800 DataTaker. • Medición ocasional en el tiempo (condiciones de contorno): – Sensor conjunto Testo 810 para la temperatura radiante de los paramentos. – Sensor conjunto Testo 0635.1535 para la temperatura del aire y la velocidad del aire en el aireador de la puerta. Plantilla de datos climáticos: Portela_2012.swec Temperatura suelo en invierno: 8.8 ºC TA/HR verano (0.4%): 34.1 ºC / 29.5 % TA/HR invierno (99.6%): 4.1 ºC / 85 % Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 348 Los sensores termopar tipo J tienen un error de desviación de ±1.1 ºC, así como un error medio de 0.069 ºC y uno máximo de 0.207 ºC respecto del sensor de referencia Testo 0635.1535 utilizado, de tipo RTD PT-100 (Campano et al. 2015). El instante de medición seleccionado en este intervalo de tiempo es a las 9:25 del día 21/11/2012, por estar el aula a pleno rendimiento. Los datos de ocupación, iluminación, equipos informáticos, las condiciones interiores y los parámetros de funcionamiento del sistema de HVAC asociados a dicho instante de la medición quedan recogidos en la tabla 3. Fig. 3 Interior del aula 24 con la ubicación de las cuatro columnas de sensores termopar 2.3 Herramienta de simulación El software elegido para el cálculo de la distribución de energía en el interior es Design Builder 2.42.026, el cual trabaja mediante acoplamiento al incorporar un módulo CFD de bajo costo computacional de tipo “estado estacionario” (steadystate), permitiendo hacer capturas temporales del modelo analizado a partir de un conjunto de condiciones de contorno obtenidas de su módulo nodal de Energy Plus. Para este estudio, dado que se centra en validar el módulo CFD, estas se obtienen directamente a partir de las mediciones realizadas en el aula existente (tabla 3), correspondiéndose principalmente a la temperatura y velocidad media del aire en el interior del recinto, la temperatura radiante de sus superficies, la emisión térmica de los elementos existentes y los caudales de admisión/extracción de aire. Esta herramienta fue previamente validada tanto por la School of Built and Natural Environment de la Universidad de Northumbria (2011) como por Campano et al. (2015). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 349 Se seleccionó un modelo de turbulencia de dos ecuaciones (Standard k − ε), dado que es el más completo que incluye esta herramienta, a pesar de considerar la realidad como un flujo plenamente turbulento. Un modelo RNG podría resolver flujos laminares con mayor precisión, pero la desviación relativa entre los resultados de ambos modelos de turbulencia es aceptable para este tipo de ambientes interiores (Stamou and Katsiris 2006, Srebric et al. 2008). Asimismo, se ha tomado el modelo “Upwind” de discretización de segundo orden, ya que bajo condiciones no extremas, es más sencillo para el cálculo de casos con aire como único fluido de trabajo sin por ello tener un error significativo en los resultados esperados. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 350 Tabla 3 Condiciones interiores medidas, cargas internas y funcionamiento del sistema HVAC en el instante de medición Cargas internas Ocupación 22 estudiantes (16 años) y 1 profesor (tasa metabólica 1.20 met, 130 W) Iluminación 3 filas suspendidas de 3 luminarias fluorescentes de 48 W (40 % convectivo) Equipos Proyector EPSON EB85 275 W (45 % convectivo) PC desktop: 140 W (70 % convectivo) PC laptop: 140 W (70 % convectivo) Condiciones interiores medidas Temperatura media del aire (ºC) Temperatura del aire exterior (ºC) TR Pared interior lateral (ºC) TR Pared exterior trasera (ºC) TR techo (ºC) 19.6 ºC 16.2 ºC 19.4 ºC 19.1 ºC 19.6 ºC Temperatura media radiante (ºC) TR Pared interior frontal (ºC) TR Pared exterior lateral (ºC) TR suelo (ºC) TR ventana ºC 19.2 ºC 20.1 ºC 19.0 ºC 19.3 ºC 17.8 ºC HVAC Sistema Sistema hidrónico a cuatro tubos. Producción térmica mediante caldera y enfriadora. Tratamiento térmico mediante UTAE-TA multizona (22000 m3/h, 125 kW en frío) con recuperación de calor (60 kW). Distribución por conductos individuales hasta los recintos. Impulsión 1100 m3/h (3 x 366.67 m3/h) a 16.2 ºC (7.48 ACH). Tres rejillas de doble deflexión de 0.1 x 0.05 m dispuestas en conducto de chapa sobre la ventana con un ángulo de 45º. Extracción Aireador sobre puerta, dimensiones de 0.15 x 0.80 m Los ocupantes sentados se han modelado en esta herramienta mediante cuatro prismas, correspondientes a la cabeza, el torso (incluyendo los brazos) y las piernas flexionadas. Su superficie total es de 1.85 m2, lo cual corresponde con la superficie media de piel que posee un ser humano (ISO 7730:2005). Su emisión térmica es de 1.2 met, actividad de trabajo ligero sentado, equivalente a 130 W (ISO 8996:2004, ISO 7730:2005). La fracción convectiva para dicha actividad es del 30% (Novoselac, 2006).