Este documento describe la simulación energética de una celda de prueba al exterior utilizando los programas eQuest y Trnsys y su validación con datos medidos en la celda. Se realizaron mediciones de temperatura en la celda durante 16 días y se simularon las temperaturas exteriores de las paredes con los dos programas. Los resultados mostraron una buena correlación entre los valores simulados y medidos, con un promedio de imprecisión absoluta diaria de 2,05°C en eQuest y 2,33°C en Trnsys. Ambos programas funcion

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Resumen— Las celdas de ensayo al exterior concebidas
como un instrumento para la evaluación en exteriores de las
características termofísicas de muestras a escala real de
componentes para la construcción son un instrumento
importante para tal fin. El centro CEA desarrollo este tipo de
celda y en su proceso de experimentación, puesta a punto y
entrenamiento se realizan diferentes ensayos.
La simulación energética es una herramienta válida para
determinar la eficiencia energética de un edificio, por ejemplo
utilizando programas como eQuest o Trnsys. En este trabajo
se muestra la simulación realizada de la Celda de Prueba al
exterior con los dos programas eQuest y Trnsys, con el objeto
de: validar el comportamiento de la simulación con los valores
reales medidos de temperatura sobre las paredes de la celda y
utilizar como archivos climáticos, los generados y convertidos
al formato que solicitan los programas, a partir de datos
climáticos locales obtenidos de la estación meteorológica con
que cuenta el Centro CEA. El resultando de la experiencia es
que existe una buena correlación entre los valores simulados y
los medidos El promedio de la Imprecisión absoluta diaria en
°C, para todos los valores de temperatura, fue en eQuest de
2,05 y en Trnsys de 2,33.
Palabras clave—Validación, Simulación, Imprecisión, Celda
de Prueba, Datos climáticos locales.
I. INTRODUCCIÓN
La Celda de Ensayos al Exterior Delta,” CEED”, es una
celda diseñada por el centro CEA, similar a las fabricadas
en serie en el proyecto PASSYS, [1] [2] concebida como un
instrumento para la evaluación en exteriores de las
características termofísicas de muestras a escala real de
componentes para la construcción. [3] Estos ensayos debían
ser capaces de caracterizar muros (el valor del coeficiente
global de transmisión del calor UA) y ventanas (el valor
UA más el valor de ganancia solar g) bajo condiciones
reales de exposición o funcionamiento. La Celda se
encuentra a una altura de 8 m, sobre la parte superior del
edificio del Centro CEA. Ubicación geográfica: Latitud: -
54,178 Longitud:-58,961 como se observa en la Fig.1.
La Celda está compuesta por una cámara ubicada dentro de
otra cámara, concepto de DOBLE ENVOLVENTE
ATEMPERADA. Fig.2. A la cámara interior la llamamos
Zona de Ensayo (ZE) y al espacio entre la cámara interior y
la cámara exterior lo llamamos Zona de Guarda (ZG), la
cual esta climatizada por un equipo frío–calor del tipo
Rooftop de 3TR. Fig.3. Ambas cámaras comparten una cara
común que es la cara norte. Fig. 5 y 6. La celda fue
totalmente construida en paneles prefabricados de chapa
galvanizada prepintada y corazón de poliuretano. La cara
norte es la cara en la cual se coloca el elemento a ensayar,
contando con dos zonas una central para pequeños
componentes y otra de mayor tamaño que abarca toda la
superficie al norte. Fig. 6.
Fig.1: Celda CEED sobre el Fig.2: Cámara interior zona de
edificio del Centro CEA guarda (ZG)
Fig.3: Equipo de climatización de la Fig.4: Interior de celda,
Zona de Guarda data loguer y PC
La celda simulada con los programas permite realizar
el análisis previo del comportamiento de componentes para
la edificación como si se encontraran colocados en la
Celda. De esta forma se puede predecir el comportamiento
del componente y luego al realizar el ensayo real
determinar el valor buscado de UA o g en caso de
componentes pasivos o el de algún otro elemento puesto en
su cara norte como por ejemplo un sistema de cortinas, un
equipamiento de energías renovables solar, fotovoltaico o
térmico
Simulación energética de una celda de prueba
al exterior con los programas eQuest y Trnsys
y su validación con los datos medidos en la
celda.
María Elena Soldatti, Ángel Andrés Carballo, Norberto S. Odobez, Carlos Godoy
Centro CEA (Centro de I + D en Energía y Ambiente. Facultad Regional Delta; Universidad
Tecnológica Nacional, soldattm@frd.utn.edu.ar
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Fig.5: Esquema cara Norte. Fig.6: Cara norte y este, puntos de
Detalle de construcción medición de temperatura.
II. DESARROLLO
La experiencia consistió en simular la celda en ambos
programas eQuest y Trnsys y obtener de dichas
simulaciones los valores de temperaturas exteriores en las
tres caras más representativas de la celda: este, oeste y
norte.
La generación del archivo climático se realizó partiendo de
un archivo climático TM2 de Buenos Aires y respetando su
formato base, se reemplazaron las variables utilizadas por
eQuest y Trnsys por los datos obtenidos en la estación
meteorológica.[4]
Estas variables son: Temperatura de bulbo seco, punto de
rocío, humedad relativa, radiación global, radiación difusa
[6], velocidad y dirección del viento, estas tres últimas
mediante un procesamiento especifico. El archivo TM2
modificado se usó directamente en la simulación en Trnsys,
mientras que para su uso en eQuest fue necesaria una nueva
conversión. Se convirtió desde el formato TM2 al formato
EPW, mediante la aplicación de Energy Plus ‘’Weather
Statistics and Conversions’’ y posteriormente en formato
.BIN mediante la aplicación ‘’eQ_WthProc.exe’’
proveniente del eQuest.
A. Simulación de la celda en trnsys16
Para la simulación se utilizaron los siguientes componentes:
Fig. 7: Esquema de componentes utilizados en Trnsys
Type109: Weather data Reading and processing: Módulo
en donde se cargan los archivos TM2
Type69b: Calculate cloudiness factor: Módulo que
calcula la temperatura de cielo ficticia.
Type33e: Dry bulb and relative humidity known:
Módulo que calcula la temperatura de bulbo seco y la
humedad relativa.
Type 65d Online graphical plotter: Módulo que grafica
de manera online los resultados de la simulación.
Type25a: Printer: Módulo que registra los valores
horarios y los guarda en un archivo.
Type56a: Multizone building: Módulo en donde se
cargan las características de la edificación a simular.
En este último se cargaron todos los datos constructivos de
la celda y de la edificación que se encuentra debajo de la
misma: dimensiones; características térmicas de los
materiales, y el valor asignado a la climatización de la zona
de guarda (ZG) que es de 24ºC. [7][8].
B. Simulación de la celda en eQuest 3-70
Como lo solicita el eQuest se cargan las propiedades de los
materiales utilizados en la construcción, con ellos se
generan las paredes, techos, pisos y aberturas. Se configuró
el programa para los días que se realizaron las mediciones y
se aplicó la climatización a la zona de guarda. Un esquema
de la construcción simulada se visualiza en la Fig. 8.
Fig. 8: Esquema de la construcción simulada en eQuest
C. Mediciones
Se realizaron las mediciones en puntos exteriores de la
celda, uno sobre la cara este, otro sobre la cara oeste y dos
sobre la cara norte, uno sobre la placa central de madera de
la cara norte que está en contacto con la zona de ensayo
(ZE) y otro sobre el borde exterior placa metálica de la cara
norte en contacto con la zona de guarda (ZG), como se
observa en los puntos marcados a, b, c y d en la Fig. 6. Se
utilizaron sensores de temperatura superficial PT100 los
cuales fueron registrados en un data loguer AGILENT
34980A Fig.4.
La zona de guarda ZG se mantuvo a una temperatura
constante de 24ºC por medio del equipo de climatización, lo
que permitió que luego de un periodo previo al inicio del
ensayo la zona de ensayo (ZE) interior de la celda se
mantuviera también en esa temperatura.
El período de ensayo fue de 16 días, del 3 al 18 de
diciembre de 2016, con una frecuencia de medición horaria
III. RESULTADOS
Con las mediciones de temperatura realizadas sobre las
superficiales exteriores de las paredes más relevantes de la
celda y con los valores de las temperaturas generadas por
los programas eQuest y Trnsys para las mismas paredes de
la celda simulada, se realizó el análisis aplicando los
siguientes indicadores estadísticos:
Imprecisión absoluta diaria: Es una medida de la dispersión
de la simulación frente a los valores medidos
a
(este)
b
(norte)) c
Type25a:
horarios y los
Type56a:
cargan las car
En este último
la celda y de
misma: dime
d
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! =
"|(#$%&')*!+ , #&-!%!+.|
/0
Error absoluto diario: Describe el promedio de la diferencia
de los valores simulados y medidos
1*! =
"(#$%&')*!+ , #&-!%!+.
/0
Promedio de grados de error en exceso por día: Describe el
promedio de la cantidad de grados en exceso que tuvo la
simulación
°23456478 =
"(9:;<>?@AB , 9<CA;AB. D E
2FGHIJFJ3J43KFL8M473N87IHIK87
Promedio de grados de error en defecto por día: Describe el
promedio de la cantidad de grados en defecto que tuvo la
simulación
°O3defecto =
"(XPQRSTUVW , XRYVQVW. Z E
Oantidad3de3valores3negativo
Error relativo porcentual promedio diario:
1[ =
"
(#$%&')*!+ , #&-!%!+.
#&-!%!+
/0
× ]^^
Para el análisis final se tomaron en cuenta los indicadores
Imprecisión absoluta diaria y el Error relativo porcentual
promedio diario, comparando lo realizado por cada
programa y las temperaturas medidas, los cuales se
muestran de la fig. 9 a la 16.
Fig. 9: Comparación de la Imprecisión por día. Placa central cara Norte
Fig. 10: Comparación de la Imprecisión por día. Borde exterior cara Norte
Fig. 11: Comparación de la Imprecisión por día. Cara Este
Fig. 12: Comparación de la Imprecisión por día. Cara Oeste
De las figuras 9 a 12 surge que: En la mayoría de los
casos los picos de imprecisiones por día coinciden en
ambos simuladores.
En la placa central, la superficie Norte y la superficie
Oeste, el Trnsys tiene mayor imprecisión en la mayoría de
los días, en la cara Este por el contrario el eQuest tiene
mayor imprecisión aunque es muy parecida al de Trnsys.
La superficie Norte es en donde hay mayor diferencia de
imprecisiones mientras que la cara este, es donde hay
menor diferencia entre los dos software.
Fig.13: Comparación de error relativo Placa central cara Norte
Fig.14: Comparación de error relativo Borde exterior cara Norte
Fig.15: Comparación de error relativo Cara Este
Fig16: Comparación de error relativo Cara Oeste
Las gráficas de error relativo en función de los días
simulados son muy parecidas para ambos software en todas
las caras.
Salvo en algunos días puntuales y en ciertas superficies,
en la mayoría el error relativo es por defecto, es decir los
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softwares simularon menos temperatura que la medida
realmente.
Además se realizó la comparación de todos los
indicadores mencionados para analizar sus máximas
diferencias como se muestran en la TABLA I.
TABLA I
COMPARACIÓN DE LOS VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS EN CADA
SUPERFICIE DE CADA INDICADOR ANALIZADO
La máxima imprecisión absoluta diaria, el mayor error
absoluto diario, la mayor diferencia en defecto y el mayor
error relativo porcentual se observaron en la simulación de
eQuest en la cara Este, como se observa en la Tabla I.
La mayor diferencia por exceso se observó en la
simulación de Trnsys de la cara Norte.
La máxima impresión absoluta diaria, el error absoluto
diario, la máxima diferencia por defecto y el error relativo
máximo son mayores en Trnsys que en eQuest, salvo en la
cara este, donde es mayor el eQuest.
IV. CONCLUSIONES
El trabajo tenía dos propósitos, validar el funcionamiento
de los programas entre sí y compararlos con datos reales
medidos experimentalmente.
Podríamos dividir las variables que el usuario carga en la
simulación en tres grupos:
· Datos de los materiales constructivos del edificio
· Datos climáticos
· Modelo matemático de la simulación
El hecho de que las imprecisiones y los errores relativos
de ambos programas sean tan parecidos nos hace suponer
que ambos funcionaron de manera similar, es decir los 3
grupos de variables fueron cargados de manera idéntica.
La incorporación y adecuación de datos meteorológicos
medidos y registrados localmente por la estación
meteorológica de la facultad fue satisfactoria en ambos
programas dada la escasa diferencia en los resultados y la
similitud entre los mismos.
Se corrobora que ambos programas reaccionan de igual
manera a los datos climáticos modificados, considerando
que tienen distintos algoritmos de cálculo y utilizan
variables climáticas distintas.
Se validan los resultados de la simulación de la celda en
Trnsys y eQuest en lo que respecta a temperaturas
superficiales externas. Si se reemplazara la placa de la cara
Norte por un componente que se desee estudiar, se puede
obtener un valor inicial simulado de UA o g de dicho
componente previo a su ensayo sobre la celda.
El resultando de la experiencia es que existe una buena
correlación entre los valores simulados y los medidos, dado
que el promedio de la Imprecisión absoluta diaria en °C,
para todos los valores de temperatura, fue en eQuest de
2,05 y en Trnsys de 2,33.
V. TRABAJOS FUTUROS
En futuros trabajos se comparará, además de las
temperaturas, el flujo de calor de la celda con el medio y el
consumo eléctrico del equipo climatizador de la zona de
guarda como una manera de revalidar el comportamiento de
los simuladores con los valores obtenidos en las
mediciones.
REFERENCIAS
[1] Hahne E. y Pfluger R. (1996). Improvements on passys test cells”
Solar Energy Vol 58 Nº4-6 pp.239-246.
[2] Leal V. Maldonado E. (2008). The role of the PASLINK test cell in
the modelling and integrated simulation of innovative window.
Building and Enviroment . Vol 43. pp.217-227.
[3] Baker PH. HAL van Dijk. (2008) “PASLINK and dynamic outdoor
testing of building components” Building and Enviroment. Vol 43.
pp.143-151.
[4] M. E. Soldatti, A. Carballo, N. S. Odobez y C. Godoy, “Validación
de la incorporación de datos climáticos locales al programa eQuest
y Trnsys mediante la comparación de la simulación energética”.
IBPSA
[5] eQuest versión 3-70
[6] Solar Engineering of Thermal Processes Fourth Edition John A.
Duffie William A. Beckman
[7] Manual de Trnsys 16 Solar Energy Laboratory, Univ. of Wisconsin-
Madison
[8] http://sel.me.wisc.edu/trnsys
Max Imp. abs diaria max Errorabs diario Max Dif + max Dif - Errorrelativo % max
Central 2,70 -2,70 1,90 -2,70 -12,06
Norte 3,33 -2,99 3,57 -3,23 -13,52
Este 4,34 -4,14 2,61 -4,71 -15,32
Oeste 2,73 -2,63 1,73 -2,96 -8,69
Central 2,28 -1,90 3,36 -1,90 -8,31
Norte 2,51 -1,92 2,85 -2,58 -10,81
Este 4,91 -4,72 2,23 -5,63 -16,09
Oeste 2,29 -2,12 1,14 -3,22 -5,67
Trnsys
eQuest
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