Intro IV - EnergyPlus Modeling Assumptions

Los modelos energéticos son abstracciones de la realidad. Esta sección tiene como objetivo guiar a los diseñadores para que puedan comprender cómo la geometría utilizada en un modelo energético es interpretada por el motor de cálculo. Esto es importante para modelar un nivel apropiado de detalle, así como para asegurar que los resultados de la simulación sean relevantes.

Para conseguir esto, nos asomaremos bajo el capó de Honeybee y entenderemos el funcionamiento de EnergyPlus. Honeybee utiliza el motor de cálculo EnergyPlus, por lo que los modelos energéticos creados con Honeybee dependen directamente de los métodos de cálculo disponibles en EnergyPlus. Estos métodos son simplificaciones analíticas para caracterizar todos los fenómenos involucrados en la transferencia de energía entre los espacios modelados durante el periodo de cálculo. Estas simplificaciones son extremadamente susceptibles al contexto de cada instancia, por lo que es importante comprender cómo el motor de cálculo genera cada estimación en la transferencia de energía.

Históricamente, los métodos fundamentales de cálculo empleados por EnergyPlus fueron desarrollados dentro de distintos programas rudimentarios para el dimensionamiento de equipos de calefacción, ventilación y acondicionamiento del aire (HVAC, por sus siglas en inglés). La eficiencia energética no era inicialmente un objetivo de estos predecesores de EnergyPlus, estando simplemente enfocados en determinar el tamaño de los equipos HVAC que serían necesarios en una aplicación.

Con el paso del tiempo, el Departamento de Energía de los Estados Unidos desarrolló EnergyPlus como una manera de consolidar estos métodos de cálculo enfocándolos a la eficiencia energética. Posteriormente, EnergyPlus continuó siendo desarrollado no solamente por el gobierno Estados Unidos sino por diversas instituciones de investigación científica y su enfoque fue expandiéndose más allá de los sistemas mecánicos para abarcar el comportamiento térmico de todo un edificio.

En la actualidad, EnergyPlus está compuesto por el trabajo colectivo de miles de investigadores alrededor del mundo que continúan aportando sus conocimientos para el desarrollo de mejores métodos para modelar el consumo energético y los fenómenos térmicos en los edificios.

Cada fenómeno físico que es calculado EnergyPlus, es evaluado utilizando un módulo analítico que fue desarrollado específicamente para la aplicación en cuestión, por lo que los parámetros empleados son altamente dependientes del contexto. Por ejemplo, la trasnferencia de calor en un cuarto ventilado únicamente por una sola ventana utiliza un módulo de cálculo distinto al que se emplea al calcular la ventilación cruzada en un espacio. Si deseas informarte más acerca de la estructura detallada de cada uno de los módulos analíticos de EnergyPlus, puedes consultar directamente en el sitio: https://energyplus.net/.

Con el fin de proporcionar a los usuarios de Honeybee una manera sencilla de entender los principios básicos de EnergyPlus, a continuación se presenta una lista abreviada de los supuestos inherentes más importantes en EnergyPlus.

• Un cuarto como unidad básica de resolución. Históricamente, EnergyPlus fue desarrollado para averiguar cuánto aire acondicionado necesitaría cada cuarto en un edificio. Todo lo que exista en una escala menor es trasladado a su ipacto promedio sobre las condiciones del cuarto donde se ubique. Por ejemplo, si quisieras cuantificar la conducción térmica a través de un muro compuesto de un bastidor estructural y colchoneta de aislante térmico, ésta estaría representada por un solo número: la conducción promedio por unidad de área. Si tu objetivo es simular detalladamente un detalle de una ventana y compararlo con otro, te recomendamos analizar THERM, que es un motor de cálculo enfocado en el análisis de transferencia bi-dimensional de calor.

• Movimiento preciso del sol, pero resolución reducida. La trayectoria del sol es calculada de manera precisa en Honeybee para cada hora del día, pero para reducir el tiempo de cálculo se utiliza la misma trayectoria para conjuntos de 30 días.

• Una zona, una temperatura. A medida que se ejecuta la simulación a través de cada paso de tiempo, Honeybee registra y almacena el valor de la temperatura del aire de cada zona. Esto quiere decir que se asume que cada zona completa se encuentra a una sola temperatura. Si tienes una zona con una tetera de agua hirviendo en un extremo y una colosal pila de hielo en el otro, EnergyPlus registrará únicamente la temperatura promedio e indicará que el espacio presenta una tendencia a enfriarse.

• Una superficie, una temperatura. A medida que se ejecuta la simulación a través de cada paso de tiempo, Honeybee registra y almacena un valor para la temperatura de cada zona. De esta manera, es posible hacer notar que los muros orientados hacia el oriente están más calientes durante la mañana que aquellos orientados al poniente. Sin embargo, solamente será posible saber qué parte de un muro está más caliente que otra si se divide tal muro en sub-superficies.

• El flujo de aire es un número. EnergyPlus modela el flujo de aire de una manera muy simplificada. Quizás hayas visto en alguna ocasión complejas simulaciones de Dinámica Computacional de Fluídos (CFD) con flechas danzando en 3D mostrando cada contorno detallando hasta el estornudo de cada ocupante de un edificio. Esto no es EnergyPlus. EnergyPlus analiza el flujo de aire de una manera cuantitativa. El flujo de aire es un solo número que puede ser positivo, para aire entrando a un cuarto o negativo para el aire saliendo de un cuarto.

• El flujo de aire no toma en cuenta la dirección del viento. La ventilación en EnergyPlus funciona parecido un interruptor de encendido/apagado en EnergyPlus, contrario al viento "real" cuyos efectos pueden ser amplificados o reducidos con la orientación, la dirección de incidencia o con el contexto que rodea al edificio. Es particularmente importante comprender este concepto en lo que concierne a la ventilación cruzada, debido a que EnergyPlus no realiza ajustes para considerar el bloqueo del viento por edificios circundantes, de la misma manera en que no se hacen ajustes basándose en la orientación de cada ventana relativa a la dirección en que sople el viento. En EnergyPlus la ventilación cruzada existe o no existe, así de simple. No obstante, es posible especificar horarios detallados en los que ésta exista o no.

• Los puentes térmicos son unidimensionales. EnergyPlus reduce la conducción térmica de los sistemas constructivos más complejos a un solo valor asignado a cada muro. Por ejemplo, para un muro compuesto por un bastidor estructural con colchoneta aislante en las cavidades, los puentes térmicos generados por al presencia del bastidor son simplificados a un solo valor que representa la transferencia de calor por unidad de superficie para la totalidad del muro.

• El aire se mueve en una sola dirección durante cada paso de tiempo. EnergyPlus es muy bueno para modelar flujos de aire que viajan en una sola dirección, como la ventilación cruzada a través de ventanas en los lados opuestos de un cuarto. Existen también muy buenos métodos para estimar de manera cuantitativa ventilación parcial con ventanas y/o aperturas de un solo lado de un cuarto. EnergyPlus puede también describir el flujo de aire a través de una chimenea boyante. No obstante, el proceso de describir cuartos con corrientes convectivas de aire todavía es algo impreciso. Para estas aplicaciones, el cálculo en CFD es necesario. Para aclarar el punto, EnergyPlus es un motor de cálculo state of the art y estas limitaciones representan las limitaciones inherentes actualmente a todas las herramientas disponibles, no son limitaciones de Honeybee o Ladybug.

  +No se simulan efectos complejos de iluminación o sombreado. EnergyPlus arroja como resultados tablas de números separados por comas, de manera que todos los efectos de la iluminación son reducidos a su efectos cuantitativos en la transferencia de calor. No deben simularse elementos de sombreado altamente detallados en EnergyPlus, pero sí pueden simularse de manera confiable los efectos del sombreado proyectado por estructuras mayores circundantes. Un elemento de sombreado que tenga el objetivo de bloquear la radiación en momentos muy particulares del año podría de hecho ser mejor modelado como un elemento muy simple con un horario detallado de encendido/apagado. De esta manera, cuando se diseñe la geometría de un elemento de sombreado, deberá asegurarse que se comporta de la misma manera que su horario detallado de operación.