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PROGRAMA AUDITCAD PARA EL ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO EDILICIO BASADO EN AUDITORÍAS ENERGÉTICAS Y DE CONFORT.

Jorge Czajkowski

IDEHAB, Instituto de Estudios del Hábitat. Facultad de Arquitectura y Urbanismo. Universidad Nacional de La Plata. Calle 47 Nro 162 (1900) La Plata, Argentina. Email: czajko@ing.unlp.edu.ar

Trabajo expuesto y publicado en actas del V Encontro de Conforto no Ambiente Construido. 6 págs. CD.  Fortaleza, Brasil, 1999.

RESUMEN: El conocimiento del comportamiento edilicio respecto del confort y el uso de energía puede realizarse mediante la implementación de auditorías. Para modelizar ese comportamiento deben evaluarse muchos casos. Se desarrolló un programa cuyo objetivo consiste en reducir la mayor cantidad de etapas reservando tiempo al diseño. Es una personalización para Autocad 14 que integra bases de datos de sistemas constructivos y bioclimáticos. Permite predecir las necesidades de energía para mantener las condiciones medidas de confort, los aportes de energía inferidos de las mediciones totales y discriminados por vectores energéticos (combustibles, ocupación e insolación), el grado de ajuste de la auditoría, etc. Posee como antecedente al EnergoCAD que permitía diseñar un edificio de complejidad variable, evaluando su comportamiento energético en múltiples escenarios tecnológicos y bioclimáticos a lo largo de un año, mensualmente. Se exponen las características del sistema, el modelo bioclimático y ejemplos de aplicación.

ABSTRACT: Building behavior knowledge in relation to the comfort and the energy use can be carried out through audits implementation. To modelize that behavior many cases should be evaluated. A program was developed whose objective consists in reducing the number of stages reserving time to the design. It is a personalization for Autocad 14 that integrates constructive systems and bioclimatics databases. It allows to predict the energy necessities to maintain the comfort measured conditions, the inferred energy contributions of the total and discriminated mensurations by energy vectors (fuels, occupation and insolation), the audit´s degree adjustment, etc. It has as antecedent the EnergoCAD that allowed to design a building of variable complexity, evaluating their energy behavior in multiple technological and bioclimatics stages along one year, monthly. The system´s characteristics, the bioclimatic model and aplication examples are exposed.

 

1. Introducción

Cuando se desea ampliar el nivel de conocimientos sobre la relación Hábitat – Energía en el sector edilicio: residencial, educativo, hospitalario, comercial, etc.; debemos pensar en proyectos de investigación que incluyan un plan de auditorías ambientales. Utilizando las técnicas de auditoría para determinar el comportamiento edilicio respecto del confort y el uso de la energía.

Si se desea obtener algún grado de representatividad estadística se deberá pensar en auditar varios centenares de casos. Esto implica una gran movilización de recursos económicos, instrumentales y humanos.

Posteriormente se deberá procesar y analizar una cantidad de datos realmente grande que demandará muchas horas/hombre.

El proceso es relativamente largo y tedioso ya que se debe procesar la información dimensional y tecnológica del edificio, realizar un balance térmico con el fin de conocer la demanda de energía y compararlo con la energía consumida obtenida de la auditoría. Luego verificar el ajuste entre calculado y medido.

De querer plantearse un mejoramiento en la envolvente para lograr ahorros de energía o mejoras en el confort se debe reiniciar el proceso variando parámetros. Todo este proceso puede mejorarse integrando, automatizando y simplificando etapas en un entorno de diseño asistido por computadora.

Es así que se desarrolló un programa cuyo objetivo consiste en reducir la mayor cantidad de etapas reservando tiempo al diseño.

Posee como antecedente al sistema EnergoCAD1 , desarrollado a principios de los 90, que permitía diseñar un edificio de complejidad variable y evaluar su comportamiento energético en múltiples escenarios tecnológicos y bioclimáticos a lo largo de un año, mensualmente.

2. Características del programa

La arquitectura del sistema se encuentra dividida en tres partes: a. Unidad de Preprocesamiento gráfico; b. Unidad de Exportación y clasificación y c. Unidad de Procesamiento y análisis.

  1. Unidad de Preprocesamiento gráfico: Esta unidad es una personalización del Autocad 14 que integra en un entorno de diseño las características dimensionales del edificio analizado con bases de datos de sistemas constructivos y cuadros de diálogo para el ingreso de datos provenientes de la auditoría.
  2. Este entorno se desarrolló como un menú específico, facilmente intercambiable que no afecta al funcionamiento del Autocad, sinó que lo amplía y complementa.

    El entorno AuditCAD permite el manejo de múltiples variables: dimensionales, orientación, sistemas constructivos, temperaturas en cada local y exterior, grado de ocupación de locales, grados de exposición, grados de protección en aberturas (diurno y nocturno), horas medición consumo energía, consumos de energía, etc.

    Prácticamente toda la gestión de información propia del edificio se realiza dentro del entorno. Si se desea analizar alternativas arquitectónicas o variaciones en la orientación solo debemos realizar una copia del edificio a un lado y continuar con el análisis.

    La selección de un objeto constructivo, por ejemplo un muro, es simple y solo deberemos seleccionarlo de un menú gráfico (ver figura).

    La edición del objeto que guarda la información de las condiciones ambientales exteriores al edificio (temperatura, horas de medición, consumo de energía y albedo del entorno) es simple y solo bastará con seleccionarlo (ver figura)

 

  1. Unidad de Exportación y clasificación: Esta unidad permite luego de seleccionados los locales a evaluar, exportar y ordenar los datos en un formato compatible con el programa AudCAD. Este asigna un código a la base de datos exportada (ver figuras).

  1. Unidad de Procesamiento y análisis: Esta unidad permite seleccionar el escenario bioclimático, a partir del cual determinará las necesidades de energía para mantener las condiciones medidas de confort, los aportes de energía inferidos de las mediciones totales y discriminados por vectores energéticos (combustibles, ocupación e insolación), el grado de ajuste de la auditoría, etc.

 

Las figuras muestran una secuencia de trabajo con el módulo AudCAD donde se puede observar que los únicos datos adicionales que deberemos ingresar son: el código del edificio, la localidad donde deseemos evaluarlo, la cantidad de renovaciones de aire estimadas para el período frío del año, la temperatura base de calefacción y la de enfriamiento.

Estos últimos datos se consideran arbitrarios y deberán ser adoptados por el profesional que realice la evaluación energética. En cuanto a la elección de las temperaturas de confort no existen tantos problemas y en las normas que se utilicen como referencia se las puede encontrar. Pero con las renovaciones de aire es diferente ya que si desearamos calcularlas nos encontraríamos con que son pocas las normas que nos proveen de un procedimiento. En el caso de las normas argentinas (IRAM 11604/99) se decidió eliminar el procedimiento de cálculo utilizado por más de 15 años ya por una parte era inexacto y por otra sumamente engorrosa en su determinación.

La principal razón es que debe contarse con carpinterías que se encuentren homologadas y se conozca su permeabilidad al aire para varias velocidades de viento. Por ahora esto es casi un imposible en nuestros países. En función de esto se decidió adoptar un solo valor para las renovaciones de aire= 2.

El programa AuditCAD 1.0/99 cuenta con bases de datos de más de 80 localidades del país conteniendo datos medios mensuales de temperaturas (máximas, medias y mínimas), humedad (relativa y tensión de vapor), velocidad del viento, índice de claridad atmosférica KT y radiación solar sobre el plano horizontal.

El módulo en función de esta información calcula las temperaturas de diseño, los grados día de calefacción y enfriamiento (ver figura)

El modelo bioclimático sobre el cual trabaja el programa es un análisis energético en estado estacionario.

Para la determinación de las ganancias solares por ventanas se realiza un análisis horario a lo largo de un año basado en el modelo de Liu y Jordan con arreglos de Orgill y Holland en la radiación difusa.

3. Un ejemplo de aplicación:

El ejemplo que se presenta es una vivienda unifamiliar auditada en invierno y verano de la ciudad de La Plata. Posee una superficie de 115 m² y residen 6 personas. Se la auditó durante 168 hs, durante las cuales se consumieron 46.2 m3 de gas natural y 89.3 Kw/h de electricidad. El área y volúmen calefaccionados fueron 62.6 m2 y 342.3 m3 respectivamente. En la siguiente figura puede verse que las necesidades de energía calculadas por balance fueron de 2046 MJ, mientras que de las mediciones surge que se han aportado 2211 MJ. Esto representa una diferencia de 7.46% entre calculado y medido. Los aportes discriminados son: 55% en gas natural, 14.5% en electricidad, 7.4% por ocupación y 23.1% debidos ganancias solares. Las técnicas de auditoría y el instrumental utilizado se tratan en otro trabajo.

En las siguientes figuras pueden verse las otras salidas del programa: a. Asignación porcentual de pérdidas térmicas por partes de la envolvente junto a indicadores dimen-sionales, energéticos y de calidad térmica del edificio; b. Demanda de energía mensual en calefacción para tres tipos de combustible con y sin aporte solar y c. Carga térmica men-sual en refrigeración basado en el discutido modelo de grado días de enfriamiento.

En la figura del punto a puede observarse que las pérdidas debidas a las renovaciones de aire significan un 27.1%, esto hace que ese valor adoptado al comienzo de RA=2 posea un gran peso relativo en el balance térmico. Mínimas variaciones en las renovaciones del aire causan importantes va-riaciones en las deman-das de energía.

 

La calidad térmica del edificio es relativamente buena con un G = 2.6 W/m3°C y un UA= 627 W/°C.

El aporte potencial de energía por ganancia directa en los meses fríos es del 33 al 41 %. Esto en condiciones ideales, ya que el modelo supone que todos los días del mes son claros. Mientras que se ha medido que el 75% de los días invernales en La Plata se encuentran con el cielo parcial o totalmente cubierto. En función de esto se trabaja en un arreglo que considere días tipo (si se poseen datos) que permita un menor error en el diagnóstico mensual y anual.

4. Conclusión:

El desarrollo de esta herramienta significó una importante ayuda para el tratamiento del centenar de casos auditados por los proyectos UREAM y REDES que llevan adelante el grupo de investigación. Las mayores inestabilidades e inconsistencias del modelo bioclimático desarrollado para el programa AuditCAD son de dificil control. Como ser la obtención de datos experimentales de: infiltraciones de aire por carpinterías y conductos, variaciones en la resistencia térmica superficial interior de los locales, una mejor discriminación de los aportes de energía (calor sensible y calor latente), características de las superficies transparentes, efectos del entorno (sombras cercanas y lejanas), rendimientos de los artefactos, calidad de los combustibles, etc. A pesar de lo mencionado no debemos olvidar que la diferencia entre calculado y medido se encuentra en un valor cercano al 10%. Sobre algunos de estos temas se esta trabajando con el fin de obtener en el corto y mediano plazo valores experimentales que permitan un mayor ajuste en la evaluación energética, que serán presentados oportunamente para su discusión.

5. Referencias:

Czajkowski Jorge. Sistema Informatizado en ambiente CAD EnergoCAD para el diseño bioclimático y diagnóstico energético energético de edificios en múltiples escenarios. Anais III Encontro Nacional ANTAC. Conforto no ambiente Construído. Gramado, 1995. Págs. 366-370. (Nota: el trabajo fue mal compilado en las actas y no se lo consigno en el indice)

Una versión de prueba del programa AuditCAD 1,0/99 puede descargarse en la dirección: http://pagina.de/auditcad o en http://idehab_fau_unlp.tripod.com/auditcad/

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Idea, diagramación y actualización:  Arq. Jorge Daniel Czajkowski
Copyright ©1998 J.D.C. All rights reserved. La Plata, Argentina. 31 de Marzo del 2000