Las simulaciones energéticas estándar nos dan información muy valiosa sobre el desempeño energético de los edificios, y sobre factores ambientales como la temperatura y el nivel de humedad. Sobre estos últimos, sin embargo, es importante tener en cuenta que representan valores únicos para cada una de las zonas térmicas, y por lo tanto no nos permite saber qué es lo que sucede en regiones específicas del espacio.
Cuando requerimos información más detallada sobre las condiciones ambientales conseguidas en los edificios, el método más completo es la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Se trata de una disciplina que estudia el comportamiento de los fluidos, como los líquidos y los gases, mediante métodos numéricos y algoritmos computacionales. Suena muy complicado, pero DesignBuilder te facilita su aplicación sin tener muchos conocimientos al respecto.
En resumen, el módulo CFD es una herramienta que te permite evaluar con detalle las condiciones ambientales en los edificios, considerando aspectos como el movimiento del aire, la distribución de temperaturas y el disconfort local. Una de sus características más importantes es que emplea el mismo modelo geométrico usado en el resto de los análisis, y además permite importar los resultados de las simulaciones con EnergyPlus para definir las condiciones de límite.
Entre otras cosas, este módulo se puede emplear para:
- Analizar el impacto del viento en las fachadas del edificio y en los espacios abiertos aledaños, con el objeto de evaluar situaciones de riesgo, optimizar la posición de las aberturas para potenciar la ventilación cruzada y garantizar el confort y seguridad de los peatones.
- Optimizar la ubicación y tamaño de las aberturas para mejorar las estrategias de ventilación natural en los espacios interiores. De manera similar, se puede emplear para optimizar la posición de las rejillas de impulsión y extracción de aire de los sistemas de ventilación mecánica.
- Optimizar la posición y características de los componentes de climatización radiantes, como los radiadores/convectores, los suelos calefactados y los techos fríos.
- Estudiar los niveles de confort conseguidos en cada región espacial, mediante indicadores como el Voto Medio Previsto y el Porcentaje de Personas en Disconfort. Eso permite evitar situaciones conflictivas, como superficies acristaladas demasiado frías o calientes.
- Evaluar la calidad del aire mediante el cálculo de la Antigüedad Media del Aire (LMA) y la Tasa Efectiva de Renovación (ACE).
Ejemplos de uso del módulo CFD
Abajo puedes ver algunos ejemplos de aplicación del módulo CFD, lo que te dará una idea más clara de lo que puedes hacer con él. Si aun tienes dudas sobre sus funciones, contáctanos.
En este ejemplo se usó el módulo CFD de DesignBuilder para evaluar una serie de medidas enfocadas en mejorar las condiciones ambientales de un antiguo mercado en la ciudad de Barcelona, sobre todo durante la temporada invernal. Se había planeado la implementación de un suelo radiante para mejorar las condiciones en la región del espacio ocupada por los usuarios, sin tener que climatizar el enorme volumen de aire, pero preocupaba el hecho de que en el edifico actual la ventilación se conseguía dejando abiertos los accesos.
Las imágenes de la siguiente gráfica muestran las velocidades del aire en el edificio original y en la propuesta de mejora, en la que se controla el ingreso de aire a través de los accesos y se permite la ventilación natural mediante rejillas ubicadas por encima de estos. Se observa que en el edificio original se dan corrientes de aire intensas, sobre todo en los corredores centrales, mientras que en la propuesta esas corrientes se reducen significativamente.
La siguiente gráfica, por otro lado, muestra las temperaturas operativas ante las mismas condiciones anteriores. Es notorio como, al reducir las corrientes de aire frío a la altura de los ocupantes, se evitan temperaturas operativas muy bajas y se logran unas condiciones de confort razonables (teniendo en cuenta el uso del edificio).
El siguiente ejemplo ilustra el uso del módulo CFD para evaluar y comparar de manera detallada las condiciones de confort conseguidas con cuatro escenarios de climatización. Los escenarios 01 y 02 representan sistemas de calefacción mediante radiadores. En el primer caso los radiadores se ubican en la parte posterior del espacio, mientras que en el segundo se ubican justo debajo de las ventanas exteriores. El escenario 03 corresponde al uso de suelo radiante. Finalmente, el escenario 04 corresponde a un sistema típico de impulsión de aire (no hay radiadores).
Las gráficas de la figura de abajo muestran la distribución de valores de Voto Medio Previsto en los cuatro escenarios, durante un momento típico con bajas temperaturas exteriores. Se observa que el escenario 03, con suelo radiante, es el que ofrece mejores y más homogéneas condiciones de confort. En los escenarios 01 y 02 se aprecia un contraste importante entre zonas cálidas y frías, aunque el último es un poco mejor. El escenario 04 también ofrece buenas condiciones de confort, al menos en las zonas de trabajo, pero no alcanza la calidad y homogeneidad del escenario 03.
Este ejemplo ilustra el uso del módulo CFD para analizar y mejorar los patrones de movimiento de aire en una nave industrial, en la que resultaba crítico mantener velocidades adecuadas justo en la región del techo de algunos espacios, para evitar la acumulación de polvo y partículas. Para ello, se consideró la implementación de rejillas de entrada de aire, extractores y ventiladores interiores.
La gráfica de abajo corresponde a la solución final. Incluye un conjunto de secciones longitudinales que atraviesan todo el edificio y muestran los valores de velocidad del aire mediante una escala de colores. En general, se observa que se consiguen velocidades de aire adecuadas en la cercanía de los techos, especialmente en los espacios atravesados por las secciones C y D, que eran los más críticos.
Entre las especificaciones más importantes del módulo CFD de DesignBuilder se encuentran las siguientes:
- Las mallas tridimensionales CFD se generan automáticamente a partir de la geometría del modelo y las condiciones de límite, empleando algoritmos que buscan una convergencia óptima.
- El sistema de cálculo ha sido desarrollado en torno al algoritmo SIMPLER, que pertenece a una de las familias de solución CFD más empleadas. La turbulencia se puede simular mediante el modelo k-e, el cual ha sido ampliamente investigado y documentado.
- La interfaz incorpora herramientas para simular un amplio rango de condiciones de límite: difusores de suministro, extractores, zonas de temperaturas, entre otras. También se provee una biblioteca de componentes que permite incluir elementos como radiadores, unidades fan-coil, muebles y ocupantes en cualquier punto del modelo, incorporándolos al análisis.
- Las condiciones de límite pueden importarse automáticamente a partir de una simulación previa con EnergyPlus, incluyendo las temperaturas y los caudales de aire. También es posible definir las condiciones de límite de manera manual, sin necesidad de usar el módulo Simulación.
- Los resultados 2D y 3D se muestran mediante el sistema de gráficos OpenGL de DesignBuilder, proporcionando imágenes atractivas y de fácil lectura: vectores de velocidad, contornos de temperatura e iso-superficies, etc.
- La simulación CFD aprovecha el modelo 3D de DesignBuilder, incluyendo los espesores de muros y suelos. El dominio espacial se genera automáticamente de forma precisa, sin requerir modificaciones adicionales.
- La Antigüedad Media del Aire (LMA) y la Tasa Efectiva de Ventilación (ACE) se calculan conforme a las normativas ASHRAE 62.1 y Green Star.
- Desde la versión 4 del programa está disponible un componente de Ventilador de circulación, que se puede usar, por ejemplo, para modelar ventiladores de techo o de pedestal.
Nota: El módulo CFD de DesignBuilder ha sido contrastado con el programa Phoenics, uno de los paquetes genéricos de CFD más usados y reconocidos, mediante un estudio independiente desarrollado por la Universidad de Northumbria. Dicho estudio muestra que, considerando los mismos datos de entrada, DesignBuilder produce resultados muy cercanos a los de Phoenics. Si deseas conocer el estudio (en inglés), puedes descargarlo en esta sección.
