Metodología para la simulación energética de un edificio terciario empleando la herramienta Energy Plus

Abstract

Uno de los puntos clave en el futuro desarrollo de la ingeniería es la mejora en las técnicas de gestión de la energía. En la actualidad, el uso de energías no renovables es mucho mayor que el de energías renovables, y el peligro de que algún día estas desaparezcan está muy latente. Por ello una de los objetivos a alcanzar en el futuro es la gestión eficiente de los recursos energéticos, tanto en el desarrollo de nuevas formas de generación, la reducción de pérdidas en su transporte, o, en la parte que atañe a este proyecto, la regulación del consumo de energía.
Existen varios métodos para conseguir optimizar la regulación del consumo y en los últimos años se ha hecho especial hincapié en la implantación de estos métodos como obligatorios con la redacción de determinadas normativas desde organismos como el Ministerio de Energía y Turismo o el Parlamento Europeo. Uno de estos métodos es el certificado energético, que impone una serie de requisitos a cualquier edificio construido o en construcción. Dependiendo de los requisitos que cumpla, el edificio recibirá una calificación de eficiencia en el consumo de energía. Una de las partes más importantes del procedimiento de certificación energética es la simulación por ordenador de un modelo completo del mismo, con el objetivo de obtener los consumos de todas las instalaciones y la emisión de CO2 que estas producen.
La simulación energética consiste en un cálculo de los flujos de calor circulantes entre las zonas térmicas del edificio. Para que se pueda realizar es necesario que previamente se introduzca las variables que definan el edificio como son las paredes que lo forman, los equipos climáticos que contiene, los materiales que componen cada fachada… La definición de estas variables y la obtención de resultados cambian según el programa que se emplee para realizar la simulación. En este proyecto se ha decidido estudiar cómo funcionan estos procesos para el programa de cálculo Energy Plus y en concreto para una simulación de la demanda energética en la residencia infantil Ronald McDonald.
Energy Plus no es uno de los métodos de simulación reconocidos oficialmente en la normativa actual española, por lo que su uso es muy reducido en este país, mientras que es el programa de referencia en los Estados Unidos, donde fue desarrollado por el DOE. El programa de referencia en el marco de la certificación es la herramienta unificada LIDER-CALENER. Precisamente, la residencia ya se había simulado previamente con esta herramienta, por lo que resulta sencillo analizar las diferencias entre el uso de ambos programas.
Este proyecto se debe considerar como un estudio de las capacidades de Energy Plus como herramienta para la simulación en una certificación energética. Debido a la falta de material de investigación sobre el procedimiento para realizar un proyecto de este estilo, se ha enfocado gran parte del estudio a explicar detalladamente qué pasos se han ido realizando y qué decisiones se han ido tomando para que la simulación resultase lo más próxima a la realidad posible.
Las partes en las que se ha dividido el estudio son las siguientes:
I. Introducción a la simulación energética, la normativa actual y los programas que se emplean en proyectos similares.
II. Resumen de la situación actual del mercado de la eficiencia energética.
III. Explicación del caso y exposición de los datos iniciales.
IV. Estudio previo al diseño del funcionamiento de Energy Plus como interfaz para la introducción de datos.
V. Metodología empleada para la simulación de la demanda del edificio.
VI. Salida y análisis de resultados y conclusiones.
VII. Otras observaciones

El material y herramientas con las que se contó a lo largo de la tarea fueron un conjunto de planos de planta superior que recogían los distintos pisos que formaban el complejo (en formato PDF y AutoCAD), una memoria que contenía tanto el funcionamiento general de los sistemas de climatización, como las características de los equipos empleados; y un modelo CYPE del diseño sin instalaciones convertido desde el programa LIDER-CALENER que sirvió como guía del procedimiento final.
Inicialmente se ha querido comprobar cómo se manejaban en Energy Plus las variables presentes en el modelo. Por ello antes de empezar a diseñar se ha analizado el archivo CYPE convertido a Energy Plus para obtener una primera visión de la disposición de las cargas térmicas en cada espacio y observar las relaciones entre variables. Aunque no se introducirán directamente las instalaciones aquí, servirá para futuros pasos del proyecto.
En cuanto a la metodología empleada para hacer una simulación integral, se ha organizado en tres partes según el programa que se ha utilizado en cada momento. Se comenzó con el software de diseño gráfico Sketch Up, con el que se construyeron todos los elementos geométricos primarios y secundarios y se introdujo la organización en espacios de la residencia. A continuación se empleó el programa Open Studio, con el que se añadieron las características de los objetos interiores al diseño ya construido, dejando el modelo preparado para ser simulado. Finalmente se recurrió al programa Energy Plus para que actuara como último corrector del modelo y motor de cálculo para obtener los resultados.
Como se puede apreciar este trabajo está más enfocado a la parte de manejo de software de simulación que al marco técnico de las ecuaciones que sustentan los cálculos virtuales, provenientes de algoritmos TARP y DOE-2. Por tanto, no se ha necesitado aplicar los conocimientos adquiridos en el campo de la transferencia de calor de forma práctica para obtener los consumos del sistema, lo que sería prácticamente imposible por la complejidad de este, pero si para comprender el funcionamiento de estos sistemas.
Las simulaciones realizadas con este programa buscaban mostrar cómo se realiza la salida de resultados en Open Studio y Energy Plus. Para ello se han lanzado cálculos de la demanda energética del edificio, además de cálculos del edificio libre de climatización. Por último se ha probado también la simulación del sistema ACS del edificio, para estudiar los cálculos en los consumos de agua y gas.
Tras haber explicado el procedimiento de trabajo con los programas de simulación, se ha hecho una revisión de los resultados, así como un análisis de las particularidades de Energy Plus respecto a otros programas de simulación. Además de las conclusiones, se ha realizado una valoración cualitativa de los impactos producidos a lo largo del proyecto y de las posibles líneas de investigación que pueden ampliar este proyecto.
Con este proyecto se han querido alcanzar una serie de objetivos formativos y de investigación técnica:
o Comprender el concepto de certificación energética y las bases de su procedimiento
o Manejar los programas requeridos para realizar este proyecto integral de simulación
o Aplicar conocimientos de termotecnia para la comprensión del lenguaje interno del programa.
o Definir las ventajas y desventajas que presenta Energy Plus tanto en proceso como en salida de datos