CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE

Transcripción

1 CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE SISTEMAS DE REHABILITACIÓN. Monitorizaciones. Jon Terés Zubiaga. Área Térmica. Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación. Gobierno Vasco.

2 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Edificio Sin Rehabilitar Decisión Estrategias de Rehabilitación Proyecto de Rehabilitación Ejecución de rehabilitación Edificio Rehabilitado MEDIR CUANTIFICAR Para: - Evaluar el comportamiento térmico del edificio y utilizar esa información en la toma de decisiones de estrategias a seguir, para identificar las más idóneas. - Valorar, verificar y cuantificar la eficacia de la rehabilitación realizada.

3 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Formas de hacer esas mediciones: Por elementos, y adición de esos elementos. (Requisitos por elementos constructivos): U de la fachada, U de las ventanas Por edificio (o vivienda) global. Comportamiento térmico global, como resultado de las interacciones del conjunto de elementos. (Requisitos de Demanda)

4 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Qué medimos?: Ahorro Eficiencia Energética Ahorro : C2-C1. Comparando facturas, antes y después. Eficiencia energética: Condiciones interiores de confort Consumo,(Energético o económico) Sólo en caso de que P sea igual, podrá ser valorada la Eficiencia energética a través del ahorro, siendo inversamente proporcional a este.

5 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS ENFOQUE Técnicas constructivas Condiciones externas y Ubicación (micro)clima Relieve próximo Soleamiento Envolvente Térmica Instalaciones Fachada Opaca Ventanas Cubierta Diseño interior Ocupantes Distribuciones Orientaciones Actividad y uso Mantenimiento Condiciones interiores

6 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Influencia de las otras dos variables. Condiciones externas y Ubicación (micro)clima Relieve próximo Soleamiento El consumo dependerá de las condiciones exteriores (Temperatura, Radiación Solar, Viento ) Ocupantes Actividad y uso Mantenimiento Condiciones interiores Realmente influyen significativamente en el consumo? + Efecto Rebote Consumo medido en viviendas similares. van der Aa, A. (2012). Uncertainty in modelling the energy performance of buildings and the occupants. SIMUREX

7 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Es necesario fijar las dos variables para hacer comparaciones bajo las mismas condiciones. Ocupantes Actividad y uso Mantenimiento Condiciones interiores Que se comporten igual. Condiciones externas y Ubicación (micro)clima Relieve próximo Soleamiento Que se den las mismas condiciones meteorológicas. SOLUCIÓN: Desarrollar un modelo basado en los datos obtenidos de mediciones, y que permita ajustar y/o fijar las distintas variables que afectan al comportamiento del edificio para comparar y valorar distintas opciones en igualdad de condiciones.

8 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Modelo Una construcción que sirve para reproducir un aspecto de la realidad en el que se esté interesado. Los MODELOS DINÁMICOS describen en términos matemáticos, los cambios en el sistema, permiten expresar cuantitativamente su estado en cualquier momento (Penning de Vries, 1983), permiten conocer las variaciones experimentadas con el transcurso del tiempo (Baker y Curry, 1976; De Wit y Penning de Vries, 1982), y su relación con los factores externos (Krug, 1985).

9 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Modelo x f y Y=f(x) x: Inputs. Condiciones, entorno f: Estructura, características, parámetros y: Outputs.

10 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Tipos de modelos para la simulación dinámica de comportamiento térmico de edificios: BLACK BOX MODELS GREY BOX MODELS WHITE BOX MODELS Black Box: Basados en datos estadísticos. Entradas y salidas, sin atender a lo que ocurre. Requieren menos cantidad de datos. Ofrecen menos detalle. Grey Box: Basados en datos estadísticos, pero su formulación se basa en principios físicos (Modelos R-C). Requieren una mayor cantidad de datos. Ofrecen un detalle y flexibilidad mayor que los black Box. White Box: El modelo se basa en un cálculo de acuerdo a principios físicos. Requiere introducir un gran número de datos para definir el modelo. (TRNSYS)

11 REHABILITACIÓN ENERGÉTICA DE EDIFICIOS Selección del Modelo. El mejor entre dos modelos, es el más simple que satisfaga el objetivo deseado (C. Ghiaus) Ejemplo: Posición relativa del Sol y la Tierra - Sol moviéndose en el cielo: Calcular ganancias solares de un edificio - La tierra moviéndose alrededor del Sol: para calcular la posición de Planetas, satélites

12 02 OBJETIVOS

13 OBJETIVOS Describir y desarrollar una metodología para cuantificar la demanda de calor de una vivienda. Definir un modelo de comportamiento térmico de la vivienda Obtener, mediante la toma de medidas in situ, la transmitancia térmica de una vivienda representativa sin rehabilitar Modelar de la vivienda rehabilitada y calcular de la demanda energética Mediante el uso del modelo, se obtendrá: Estudio del efecto de las diferentes actuaciones de rehabilitación sobre la demanda energética

14 03 METODOLOGÍA

15 FASES DEL ESTUDIO Selección de la vivienda Selección del Modelo Diseño de la Monitorización Monitorización Análisis de los resultados Métodos de identificación de Parámetros Obtención de parámetros característicos Validación del Modelo Uso del modelo

16 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS CASO DE ESTUDIO METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES

17 CASO DE ESTUDIO

18 SELECCIÓN DEL MODELO Selección del Modelo. Características de estudio iniciales. Se cuenta con una vivienda disponible para medir durante un tiempo sin ser ocupada. Qué se quiere obtener. Comportamiento térmico global de la vivienda. Con cierto nivel de detalle. Tipo de modelo seleccionado. Modelo de Caja Gris, de Parámetros Concentrados

19 DEFINICIÓN DEL MODELO Proceso a seguir Conocido Directo. Simulación x, f(x) y Desconocido y=ax Inverso. Ident. Parámetros x, y f(x) A=y/x Control f(x), y x x=y/a Proceso compuesto: en primer lugar, identificación de Parámetros (para definir el modelo), y posteriormente, la simulación (para verificar y obtener información del modelo).

20 DEFINICIÓN DEL MODELO FLUJOS DE CALOR EN UN EDIFICIO

21 DEFINICIÓN DEL MODELO DEFINICIÓN DEL MODELO R-C

22 DEFINICIÓN DEL MODELO DEFINICIÓN DEL MODELO R-C

23 DEFINICIÓN DEL MODELO INPUT Condiciones meteorológicas Consigna y Potencia Calefacción Parámetros característicos R (h) y C OUTPUT consumo Temperaturas

24 04 MONITORIZACIÓN

25 DISEÑO DE LA TOMA DE DATOS

26 TOMA DE DATOS.

27 TOMA DE DATOS.

28 TOMA DE DATOS.

29 TOMA DE DATOS. Rutina de Ensayo - Duración: 4 meses. - Frecuencia de adquisición de datos de medida: 1 min. - Rutina R.O.L.B.S. (Randomly Ordered Logarithmically Binary Sequence) ; 5 calefactores de 400 w de potencia cada uno.

30 TRATAMIENTO DE DATOS Se obtienen datos de los sensores (1 min. time step) Comprobación de que datos en periodos diarios Se reducen el número de datos pasándolos a una frecuencia de 10 min. Se vuelven a comprobar coherencia de esos valores en periodos de 14 días

31 Transmitance [W/m 2 K] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES TRATAMIENTO DE DATOS RESULTADOS Coheating Test time [h] UA envolvente = 69 [W/K]

32 Temperature [ºC] Heat Flux [W/m 2 K] Tenperature [ºC] Heat power [W] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES TRATAMIENTO DE DATOS RESULTADOS Ti Text 600 Tc-int Tc-ext Tv1-int 400 Tv2-int Tm 200 Test P time [h] Ta 50 Gh time 16 [h] 20 24

33 Temperature [ºC] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES TRATAMIENTO DE DATOS RESULTADOS Temperatura de Aire Interior time [h] Ti Ta1 Ta2 Ta3 Ta4 Ta5 Ta6 Ta7 Ta8 DTi

34 Temperature [ºC] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES TRATAMIENTO DE DATOS RESULTADOS Temperatura Fachada. Supercie interior time [h] Tc-int Te11 Tm33 Tm41 Te41 DT

35 Temperature [ºC] Temperature [ºC] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES TRATAMIENTO DE DATOS RESULTADOS Temperatura Forjados time [h] Tm Tm12 Tm13 Tm21 Tm31 Tm32 Tm42 Tm62 Tm72 DTm time [h] Tfi Tfi1 Tfi2 Tfi3 Tfi4 Tfi5 DT

36 TRATAMIENTO DE DATOS Se obtiene el valor promedio de las distintas mediciones para cada Time-step Medidas en envolvente opaca Medidas en ventanas Medidas en estructura Se aplica un método de identificación de parámetros Se obtienen los parámetros característicos (R y C) del modelo

37 05 MODELO

38 OBTENCIÓN DE PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Estructura Ventanas - Envolvente Opaca C H [w/k] R [K/w] Hest,1 820 Rest,1 1/820 Hest, Rest,2 1/1191 Hest,3 1.8 Rest,3 1/1.8 Hv,1 305 Rv,1 1/305 Hv,2 255 Rv,2 1/255 Hc, Rc,1 1/1259 Hc,2 338 Rc,2 1/338 Hc,3 338 Rc,3 1/338 Hc, Rc,4 1/ Calefactor Hh, Rh,1 1/ Aire Int A1: 3.1 m 2 ; A2: 8.66 m 2

39 OBTENCIÓN DE PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Considerando que: - Área de Ventanas: 10 m 2 - Área de envolvente Opaca: m 2 (h:2.4) - Para el cálculo de U se utilizan valores de Norma: Rext=0.04 m 2 K/w; Rint=0.13 m 2 K/w R [K/w] R Elemento [m 2 K/w] U [w/m 2 K] Ventanas Rv,2 1/ Envolvente Opaca Rc,2 1/338 Rc,3 1/

40 Tenperature [ºC] Residuals [ºC] INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES VALIDACIÓN DEL MODELO Es la comparación de las predicciones de un modelo verificado con las observaciones experimentales distintas a las empleadas en la construcción y calibración del modelo, e identificación y corrección de errores en el modelo hasta que sea apropiado para los objetivos proyectados. (Whisler et al, 1986) Ti Ti-cal Residuals time [10min]

41 ACF INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES VALIDACIÓN DEL MODELO El análisis de los residuales nos indican que se trata de ruido blanco. ACF of residuals Cumulated Periodogram 1 1 0,6 0,8 0,2 0,6-0,2 0,4-0,6 0, Lag 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Frecuency

42 VALIDACIÓN DEL MODELO RESULTADOS El modelo permite obtener, de forma rápida, las repercusiones que tendría actuar sobre la envolvente por el interior o exterior (modificando los valores de resistencia obtenidos), en ventanas, aislando estructura Valores estimativos.

43 USO DEL MODELO Caso Inicial Tº Consigna [ºC] 19 ºC ºC ºC 159 CTE (*) 97 Consumo [kwh/m 2.año] (Potencia del sistema considerada: 3500W) (*)Tª Consigna CTE: Descrita en la propuesta de actualización del DB-HE en Apéndice C: 07.00h-23.00h= 20ºC 23.00h-07:00h=17ºC

44 kwh.año INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES USO DEL MODELO Consumo de Calefacción. Año tipo Bilbao CI CTE CI 19ºC CI 20ºC CI 22ºC

45 USO DEL MODELO Propuestas de rehabilitación. Propuesta 1. Rehabilitación por el interior con Lana de Roca (4 cm) -Calibel R: 1.1 m2k/w Propuesta 2. Sustitución de Ventanas - Vidrio Climalit 4(12)4 (aire) (U: 2,8 W/m2K) Ventanas Envolvente Opaca Rv R [K/w] R Elemento [m 2 K/w] U [w/m 2 K] (0.007) Rc,2 1/ Rc,3 1/338 (0.006) 0.357*(incluye Rsup) (0.04) 1.46 (0.366) 2.8 (4.76) 0.62 (1.87)

46 USO DEL MODELO Rehab. 1 Aislamiento Térmico Rehab. 2 Sustitución de Ventanas Tº Consigna [ºC] 19 ºC ºC ºC 112 CTE (*) ºC ºC ºC 75 CTE (*) 43 Consumo [kwh/m 2.año] (Potencia del sistema considerada: 3500W) (*)Tª Consigna CTE: Descrita en la propuesta de actualización del DB-HE en Apéndice C: 07.00h-23.00h= 20ºC 23.00h-07:00h=17ºC

47 kwh/m2.año INTRODUCCIÓN OBJETIVOS METODOLOGÍA MONITORIZACIÓN MODELO CONCLUSIONES USO DEL MODELO Demanda de calefacción Anual. CTE (*) 19 ºC 20 ºC 22 ºC CTE (*) 19 ºC 20 ºC 22 ºC Rehab. 1 Aislamiento Térmico Rehab. 2 Sustitución de Ventanas

48 USO DEL MODELO GN. Valores NaturGas Energía. Octubre 2012 Disponibilidad Alquiler de Equipos Alquiler de Instalaciones /kwh 4.28 /mes 1.18 /mes 2.39 /mes Electricidad. Valores Iberdrola. Octubre 2012 Pot. Contratada (4,4 kw) Alquiler equipos de medida Impuesto sobre la energía /kwh /kw.mes 0.83 /mes % IVA: 21% Rendimiento Sistema GN: 90% Rendimiento Sistema Eléctrico: 99%

49 USO DEL MODELO Tº Cons. Gasto Anual (GN) Caso Inicial 19 ºC ºC ºC CTE Mejora Aisl. 19 ºC ºC ºC CTE Mejora Vent 19 ºC ºC ºC CTE Gasto Anual (Elect)

50 MONITORIZACIÓN DE LA VIVIENDA REHABILITADA OBJETIVOS Verificar y validar el modelo anterior (Determinados parámetros, como el de fachadas, que no han sido cambiadas, deberán dar valores similares) Cuantificar, en una caso real, que ahorro real y medido supone la sustitución de ventanas. Valorar discrepancias con el valor teórico. Medida in situ de la transmitancia térmica de una vivienda de rehabilitación Modelado de la vivienda rehabilitada y cálculo de la demanda energética Medida in situ de la mejora en la transmitancia de la actuación de la mejora de rehabilitación

51 MONITORIZACIÓN DE LA VIVIENDA REHABILITADA

52 06 CONCLUSIONES

53 CONCLUSIONES Permite obtener de manera detallada un modelo del comportamiento real de una vivienda concreta. Puntos fuertes: -El nivel de detalle y precisión del comportamiento térmico que se puede obtener con el modelo. - Se obtiene información del comportamiento en las condiciones de uso (Humedad, temperaturas, orientaciones ) y teniendo en cuenta el comportamiento global del edificio. De interés, para un estudio en detalle, o para viviendas con alto nivel de repetición (constructiva, distribución, orientación )

54 CARACTERIZACIÓN TÉRMICA EN SISTEMAS DE REHABILITACIÓN MONITORIZACIONES Este estudio ha contado con la colaboración de Viviendas Municipales de Bilbao.

55 CARACTERIZACIÓN TÉRMICA EN SISTEMAS DE REHABILITACIÓN MONITORIZACIONES GRACIAS POR SU ATENCIÓN Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación Área Térmica Departamento de Vivienda, Obras Públicas y Transportes Gobierno Vasco termica@ej-gv.es Jon Terés Zubiaga jon.teres@ehu.es Grupo de Investigación ENEDI