La eficiencia energética de los edificios, y en general su grado de sostenibilidad, depende en gran medida de dos grupos de variables de diseño: las relacionadas con la configuración arquitectónica y las relacionadas con sus sistemas mecánicos, especialmente los de climatización.
Lo primero que debemos optimizar es la parte arquitectónica, con el objeto de reducir las demandas energéticas al mínimo posible. Pero una vez hecho eso, es fundamental seleccionar y diseñar correctamente los sistemas de climatización, cuando estos son requeridos. Un edificio bien diseñado, pero con sistemas de climatización deficientes, equivale a un edificio mal diseñado, al menos desde el punto de vista energético.
Esa es precisamente la función del módulo HVAC de DesignBuilder, ayudarte a diseñar, configurar y optimizar los sistemas de climatización de los edificios. Con este módulo, también basado en el motor de cálculo de EnergyPlus, puedes hacer cosas como:
- Modelar un amplio rango de sistemas de calefacción, refrigeración y ventilación mecánica, especificando los detalles de sus componentes, sus mecanismos de control y sus fuentes de energía.
- Comparar diferentes sistemas de climatización, o diferentes configuraciones de un mismo sistema, para determinar las alternativas más eficientes en términos energéticos y ambientales.
- Evaluar el uso de energías renovables acopladas a los sistemas mecánicos del edificio: solar fotovoltaica, solar térmica, eólica, geotérmica.
- Desarrollar modelos conforme al estándar ASHRAE 90.1 para cumplir procesos de certificación ambiental y energética.
Una función importante de este módulo es que incluye una gran cantidad de plantillas de sistemas HVAC que se pueden cargar fácilmente en los modelos y luego personalizarlas de acuerdo con tus requerimientos. Esto, junto con las funciones de autodimensionado de muchos de los componentes y un efectivo mecanismo de agrupación de zonas, permite ahorrar mucho tiempo de trabajo, en comparación con otros programas similares.
Nota: El módulo incluye plantillas de los principales sistemas HVAC de EnergyPlus, así como todos los sistemas HVAC de referencia del estándar ASHRAE 90.1, usados en esquemas de certificación como LEED.
Ejemplos de uso del módulo HVAC
A continuación te mostraremos algunos ejemplos de aplicación del módulo HVAC. Esto te dará una idea más clara de lo que puedes hacer con él. Si aun tienes dudas sobre alguna de sus funciones, contáctanos.
El primer ejemplo ilustra el modelado, evaluación y comparación de varios sistemas todo-aire, es decir, en los que el aire es el único fluido que transporta energía térmica desde los equipos centrales (UTA’s) hasta las zonas acondicionadas. De forma sintética, estos fueron los escenarios considerados:
Escenario 01. Sistema unitario calor-frío con refrigeración DX y calefacción a gas. Sin enfriamiento gratuito, recuperación de calor ni ventilación controlada por demanda.
Escenario 02. Sistema unitario calor-frío con calefacción mediante batería de agua caliente. Sin enfriamiento gratuito, recuperación de calor ni ventilación controlada por demanda.
Escenario 03a. Sistema unitario bomba de calor aire-aire. Sin enfriamiento gratuito, recuperación de calor ni ventilación controlada por demanda.
Escenario 03b. Sistema unitario bomba de calor aire-aire, con economizador (enfriamiento gratuito). Sin recuperación de calor ni ventilación controlada por demanda.
Escenario 03c. Sistema unitario bomba de calor aire-aire, con enfriamiento gratuito y recuperación de calor. Sin ventilación controlada por demanda.
Escenario 03d. Sistema unitario bomba de calor aire-aire, con enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación controlada por demanda.
La primera figura muestra el diagrama de configuración general de cada sistema, mientras que la segunda muestra las gráficas comparativas de consumos energéticos y horas anuales de disconfort. Los resultados muestran de manera clara la mejora en el desempeño que ofrecen los sistemas de bomba de calor aire-aire, sobre todo cuando se acompañan de medidas de ahorro energético como el enfriamiento gratuito (EG), la recuperación de calor (RC) y la ventilación controlada por demanda (DCV).
El segundo ejemplo ilustra el modelado, evaluación y comparación de varios sistemas todo-agua, en los que el agua es el único fluido que transporta energía térmica desde las plantas centrales hasta las zonas acondicionadas. De forma sintética, los siguientes fueron los escenarios considerados:
Escenario 01a. Fan-Coils con caldera de condensación y enfriadora con torre de refrigeración. La ventilación mecánica, a través de las propias unidades FC, se considera constante.
Escenario 01b. Fan-Coils con caldera de condensación y enfriadora con torre de refrigeración. Ventilación constante, cómo en el escenario anterior, pero calibrada para lograr solo un nivel mínimo de calidad del aire.
Escenario 01c. Fan-Coils con caldera de condensación y enfriadora con torre de refrigeración. La ventilación se considera variable, de acuerdo con los requerimientos de calefacción y refrigeración.
Escenario 02a. Suelo calefactado con caldera de condensación y techo frío con enfriadora y torre de refrigeración. Con ventilación natural.
Escenario 02b. Suelo calefactado con solar térmica y caldera, techo frío con enfriadora y torre de refrigeración. Con ventilación natural.
Escenario 03. Suelo calefactado y techo frío con bomba de calor agua-agua con intercambiador geotérmico. Con ventilación natural.
La primera figura muestra el diagrama de configuración general de cada sistema, mientras que la segunda muestra las gráficas comparativas de consumos energéticos y horas anuales de disconfort. En este caso el Escenario 01c ofrece bajos consumos energéticos y un buen nivel de confort térmico, pero la ventilación mecánica de caudal variable no consigue una buena calidad del aire (dato no mostrado aquí), dadas las limitaciones de las unidades FC. Por otro lado, los escenarios con suelo calefactado y techo frío, en los que la ventilación se consigue de manera natural (apertura de ventanas), logran un buen desempeño energético pero no son capaces de reducir las horas de disconfort anuales por debajo de 300. Podemos decir que el Escenario 02b es el mejor, aunque no es óptimo.
Nota: En los escenarios con ventilación natural se empleó un Script para controlar la apertura de las ventanas de acuerdo con los requerimientos de aire fresco, con el objeto de mantener adecuados niveles de CO2.
Este ejemplo ilustra el modelado, evaluación y comparación de un sistema todo-aire, cuatro sistemas HVAC aire-agua y un sistema de caudal de refrigerante variable (VRV), con diferentes configuraciones y prestaciones. En resumen, estos fueron los escenarios considerados:
Escenario 01. Sistema todo aire de volumen de aire constante. Con enfriamiento gratuito y recuperación de calor.
Escenario 02. Sistema de volumen de aire constante con batería de recalentamiento. Con enfriamiento gratuito y recuperación de calor.
Escenario 03. Sistema de volumen de aire variable con batería de recalentamiento. Con enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación controlada por demanda.
Escenario 04. DOAS + Fan-Coils / Bomba de calor aire-agua. VAV con enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación controlada por demanda.
Escenario 05. DOAS-VAV + Superficie radiante. Bomba de calor agua-agua geotérmica. Enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación controlada por demanda.
Escenario 06. DOAS-VAV+VRV_EG-RC-VCD. DOAS-VAV + Volumen de Refrigerante Variable. VAV con enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación controlada por demanda.
La primera figura muestra el diagrama de configuración general de cada sistema, mientras que la segunda muestra las gráficas comparativas de consumos energéticos y horas anuales de disconfort. Se observa que el escenario 05 es en este caso el que ofrece el mejor desempeño global, aunque el escenario 04 tiene un desempeño bastante cercano.
Entre las características más importantes del módulo HVAC de DesignBuilder se encuentran las siguientes:
- El motor de EnergyPlus simula el edificio y sus sistemas de manera integrada y simultánea, mejorando la precisión de los cálculos respecto a otros programas que realizan cálculos secuenciales (como DOE2).
- Los sistemas HVAC se definen de manera gráfica, insertando y conectando componentes, como zonas térmicas, circuitos de agua, condensación y aire, y unidades terminales. Las conexiones entre los componentes se definen con la ayuda de guías de dibujo y referencias. El programa verifica automáticamente la integridad de los circuitos y la compatibilidad de las conexiones.
- Es posible agrupar zonas con sistemas HVAC similares, simplificando los diagramas de configuración y agilizando la especificación de datos.
- Se puede definir los sistemas HVAC a partir de un amplio rango de plantillas (con esquemas de principio predefinidos) o bien iniciarlos de cero. Se incluyen plantillas para todos los sistemas HVAC de referencia del estándar ASHRAE 90.1.
- Contiene una extensa biblioteca de componentes de EnergyPlus, incluyendo calderas, enfriadoras, baterías de frío y calor, ventiladores, bombas de calor, humidificadores, administradores de consigna y curvas de rendimiento. El usuario puede ampliar estas bibliotecas de acuerdo con sus propios requerimientos.
- Es posible generar cualquiera de los resultados proporcionados por EnergyPlus, incluyendo las temperaturas de los nodos del sistema, los caudales y los niveles de humedad en intervalos sub-horarios.
- Ofrece una gran variedad de sistemas de distribución de aire, incluyendo vigas frías, aire directo, volumen de aire constante y variable, con doble ducto, recalentamiento, ventilación auxiliar.
- Es posible modelar techos fríos y suelos radiantes, incluso junto con otros sistemas. Se modelan a detalle mediante tubos de agua embebidos en las capas de los cerramientos.
- Múltiples unidades de tratamiento de aire (UTA’s) con la posibilidad de combinar diversos componentes: ventiladores, humidificadores, baterías de calor y frío, entre otros.
- Múltiples calderas y enfriadoras en los circuitos de planta, con diversas posibilidades de administración de su funcionamiento a partir de cargas y programaciones.
- Los intercambiadores de calor pueden pasar energía térmica de un circuito a otro, lo que permite modelar una amplia gama de sistemas HVAC, incluso innovadores.
- Incluye unidades de aire forzado de zona, incluyendo sistemas fan coil, unidades paquete con bomba de calor y unidades paquete de aire acondicionado. Se pueden emplear en combinación con aire proveniente de UTA’s.
- Ofrece funciones de importación/exportación con las que el usuario puede crear y guardar sus propios sistemas personalizados en la biblioteca.
- Para modelar sistemas y controles más complejos y especializados, es posible usar las funciones del módulo Scripting, que incluye la herramienta EMS.
A continuación una lista con algunos de los sistemas incluidos en el módulo HVAC:
- Sistemas de caudal de aire variable (VAV) con controles avanzados, reajuste de consignas de aire y agua, enfriamiento gratuito y control por sensores de dióxido de carbono.
- Sistemas de flujo de refrigerante variable (VRF) con enfriamiento mediante aire o agua, incluyendo datos de fabricantes.
- Sistemas de ventilación híbrida, con control sincronizado de la ventilación natural y la mecánica.
- Climatizadoras de aire primario con apoyo zonal mediante componentes como fan coils, techos fríos y radiadores de agua.
- Sistemas de ventilación mecánica del tipo “aire exterior dedicado” (DOAS).
- Sistemas divididos de aire acondicionado.
- Diversos sistemas de enfriamiento evaporativo.
- Sistemas híbridos de agua/aire, suelos radiantes, techos refrescantes.
- Sistemas de difusión por suelo (UFAD) y desplazamiento (DV), incluyendo opciones para modelar estratificación, plumas y difusores de volumen constante o variable.
- Modelado detallado de bombas de calor geotérmicas, incluyendo intercambiadores verticales, superficiales o de pozo. Es posible importar datos detallados del sondeo desde las aplicaciones GLD y GLHEPRO.
- Colectores solares con acumulador. Pueden calentar el depósito de ACS o proporcionar calefacción mediante suelo radiante.
- Sistemas con losas alveolares.
- Sistemas de cogeneración y trigeneración.
- Sistemas de almacenamiento térmico de hielo.
