Simulación de modelos energéticos de instalaciones térmicas de edificios mediante herramientas informáticas de diferencias finitasgrado de exactitud y convergencia

Resumen

Aunque el almacenamiento de energía térmica, en sí mismo, no ahorra energía, bien concebido es a menudo el máximo responsable del éxito de un sistema térmico en donde se ingresan y extraen flujos de energía desfasados en el tiempo, sin coincidencia simultánea entre producción y consumo. Esta situación, que es típica en la mayoría de sistemas térmicos, es especialmente cierta en edificios, donde la variabilidad de las solicitaciones energéticas es continua. Así, excitaciones como la radiación solar, ganancias internas de calor por ocupación, equipamiento o iluminación, infiltraciones, etc., son de completa naturaleza irregular e intermitente. De las diversas formas y tecnologías posibles para almacenar energía térmica en edificios, una de las más eficientes es mediante el empleo de materiales de cambio de fase (PCM). Esto es debido a la alta capacidad de absorción o cesión de calor (latente), asociada a pequeñas variaciones de temperatura, cuando el material se encuentra en un proceso de cambio de fase (habitualmente sólido <----> líquido). Estas excepcionales propiedades termofísicas (alta densidad energética casi isoterma) plenamente explotadas, pueden ser el componente clave en la consecución de edificios de muy reducida demanda, consumo energético y/o emisiones contaminantes, de ahí el creciente interés en su estudio y uso, para mejorar en el conocimiento de su correcta aplicación en edificios convencionales y singulares. Una de las mayores dificultades siempre presente en el diseño y simulación de edificios con PCMs, tanto si se decide su incorporación en la propia arquitectura del edificio (embebido de forma pasiva en la construcción), como si participa en forma de componente en el sistema de climatización, radica en el adecuado modelado térmico del PCM, sin olvidar su posterior integración en esquemas de simulación de más alto nivel (instalaciones térmicas, sistemas de climatización, edificios, etc.). Ello es debido a la complejidad de retener en los modelos energéticos, fenómenos presentes en la transferencia de calor con PCMs, tales como, histéresis, subenfriamiento, zonas blandas en el material con transporte convectivo, inuencia del encapsulamiento, etc., capaces de modificar, en ocasiones de forma apreciable, las características y eficiencia del intercambio térmico. Si se pretenden reflejar todos estos fenómenos de una forma fiel y precisa, debe emplearse un modelo detallado del sistema que contiene el PCM. Estos modelos detallados son complejos, al basarse en un tratamiento ad hoc de cada situación en la que participa un PCM, solicitan un número elevado de parámetros de entrada en su caracterización, y por tanto, sólo son viables si se dispone de un alto y completo conocimiento no sólo del propio PCM, sino además de las características y configuración del sistema en el que éste interviene, de ahí que su uso se limite a muy escasas situaciones, habitualmente reservadas para las últimas y finales etapas de diseño, donde la incertidumbre en la definición del edificio o instalación de climatización con PCM a diseñar, dimensionar o simular, sea muy reducida. Como contrapartida a esta situación, debe indicarse que cada paso andado en el proceso de diseño de cualquier sistema, reduce de forma significativa el impacto de las decisiones tomadas, de ahí que en ocasiones sea de mayor interés el uso de un modelo simplificado en una etapa inicial y preliminar de diseño, aún asumiendo una mayor incertidumbre en sus resultados, al empleo de complejos modelos detallados en etapas posteriores. De igual manera, debe destacarse que el uso de un modelo detallado, en sí mismo, no asegura una elevada precisión de resultados si no se dispone de la completa información del sistema, como completo conocimiento de las propiedades termofísicas (conductividad térmica, densidad, calor específico y viscosidad) del PCM en función de la temperatura, distinguiendo entre el proceso de calentamiento y enfriamiento cuando no exista simetría en las evoluciones, características del intercambio de calor entre el PCM y el fluido de trabajo, etc.. Esta situación, puede considerarse que se encuentra lejos de la práctica habitual como de muy rara e infrecuente. En el extremo opuesto, los modelos simplificados requieren de un nivel muy inferior de información del sistema con PCM, grado de conocimiento que en algunas ocasiones se limita a los parámetros más relevantes y habitualmente disponibles por cualquier fabricante o distribuidor de PCM (temperatura y calor de cambio de fase, un único valor para toda la fase líquida o sólida de conductividad térmica, calor específico, densidad, etc.). Esta tesis doctoral aporta varios ejemplos de modelado térmico simplificado de PCMs para su integración en envolventes edificatorias e instalaciones térmicas de climatización. Los modelos simplificados presentados tienen validez de uso en etapas iniciales de diseño, donde el impacto de las decisiones tomadas es la mayor. Las simulaciones han sido llevadas a cabo mediante las herramientas informáticas: MATLABr y TRNSYSr [Klein et al., 2010], realizándose en un caso una co-simulación (simulación acoplada) entre ambos programas.