Modelado Térmico de Edificios II

1. Esta es la segunda presentación que trata con el modelado térmico de edificios. Ese segundo ejemplo modela el presupuesto termodinámico de la Biosfera 2, una instalación para la investigación localizada a 50 km en el norte de Tucson. Como la Biosfera 2 contiene plantas, es importante tomar en cuenta no solamente la temperatura en el edificio de la Biosfera 2 sino también su humedad. La burbuja entera se trató como un solo cuarto con una sola temperatura del aire. Los efectos del aire acondicionado se desatendieron. El modelo trata con las patrones meteorológicas del entorno. Modelado Térmico de Edificios II

2. Biosfera 2: Tareas originales Biosfera 2: Tareas revisadas Biosfera 2: Construcción Biosfera 2: Biomas El modelo conceptual El modelo usando gráficos de ligaduras Conducción, convección y radiación Evaporación y condensación El modelo de Dymola Los resultados de la simulación Contenido

3. La Biosfera 2 se construyó como un sistemaecológico cerrado. La meta original era la investigación de si es posible construir un sistema materialmente cerrado que intercambia solamente energía con su entorno. Un tal sistema sería muy útil para el suporte de naves espaciales. La Biosfera 2 contiene diferentes biomas que comunican uno con otro. El modelo solamente considera un solo bioma. Sin embargo, ese bioma modela la estructura entera. Flujos de aire y al aire a condicionado no se modelaron. Biosfera 2: Tareas Originales

4. Más tarde se usó la Biosfera 2 de otra manera. La estructura no se quedó materialmente cerrada. Experimentos incluyeron el análisis de los efectos de diferentes niveles de CO2 al crecimiento de las plantas. Sirvió para el estudio de los efectos de una composición mudada de la atmósfera de la Tierra al desarrollo sostenible. Desafortunadamente las investigaciones en la Biosfera 2 casi pararon en 2003 por falta de fondos. En 2007, la administración de la Biosfera 2 fue transferida a la Universidad de Arizona. Se espera que el cambio de la administración resultará en un renacimiento de la Biosfera 2 como una herramienta de la investigación experimental en las ciencias de vida. Biosfera 2: Tareas Revisadas

5. La Biosfera 2 se diseñó con una malla de barras de hierro. Las barras de hierro se cerraron con paneles de cristal bien aislados. Durante su uso en modo cerrado, la Biosfera 2 operó con una presión del aire interna un poco más alta que la presión del ambiente para evitar que entre aire desde fuera. La pérdida de aire por unidad de volumen era 10% de la pérdida del Space Shuttle! Biosfera 2: Construcción I

6. La estructura piramidal aloja el bioma de la selva. La estructura menos alta a la izquierda contiene el lago, los pantanos, la sabana y (al nivel más bajo) el desierto. Existe un bioma más que no puede verse en la foto que es el bioma de la agricultura. Biosfera 2: Construcción II

7. Los dos “pulmones” son responsables para mantener un valor constante de la presión del aire dentro de la Biosfera 2. Cada pulmón es equipado por un techo muy pesado de hormigón suspendido flexiblemente del tejado y aislado con una membrana de caucho. Si la temperatura dentro de la Biosfera 2 se aumenta, la presión del aire se aumenta también. Biosfera 2: Construcción III Entonces se alza el techo hasta que los valores de presión interna y externa se equilibren de nuevo. El peso de los dos techos está responsable para asegurar que la presión interna de la Biosfera 2 es un poco más alta que la externa.

8. Un lago profundo de agua salada de la Biosfera 2 mantiene un ecosistema marítimo bastante complejo. Detrás del lago se ven los pantanos de mangle. Se generan mareas artificiales para que la salud de los mangles se mantenga. A la derecha, por encima del risco se encuentra la sabana alta. Biosfera 2: Biomas I

9. Aquí se ve una parte de la sabana alta. Cada bioma usa su propia composición de tierra, a menudo importado, como en el caso de la jungla. La Biosfera 2 tiene instalada unos 1800 detectores para la monitorización del sistema. Valores de medidas se registran una vez cada 15 minutos por regla general. Biosfera 2: Biomas II

10. El bioma de la agricultura puede subdividirse en tres unidades separadas. El segundo pulmón se ve a la izquierda en el fondo. Biosfera 2: Biomas III

11. La biblioteca de la Biosfera 2 es localizada en la cima de una torre alta con una escalera helicoidal. Vivir en la Biosfera 2 La vista desde las ventanas de la biblioteca es preciosa.

12. Desde la central de control es posible controlar el clima de cada uno de los biomas por separado. Por ejemplo es fácil programar que se produzcan lluvias en la sabana a las 3 de la tarde durante unos 10 minutos. Produciendo Lluvias

13. La unidad de la climatización del aire (localizada bajo suelo) es muy impresionante. La Biosfera 2 representa uno de los más complejos sistemas de ingeniería construidos por seres humanos. Control del Clima I

14. Además del valor de la temperatura del aire es también importante controlar su humedad. Con este propósito debe deshumidificarse el aire constantemente. El agua extraído del aire corre hasta el punto más bajo de la estructura, localizado en uno de los dos pulmones, donde el agua está acumulado en un pequeño lago de agua dulce. De allá el agua se saca con bomba para que se use de nuevo en lluvias. Control del Clima II

15. Vista Nocturna

16. Google World

17. Un Mundo Fascinador

18. Un Mundo Fascinador II

19. Un Mundo Fascinador III

20. Un Mundo Fascinador IV

21. Un Mundo Fascinador V

22. El Modelo Conceptual

23. Temperatura Humedad Condensación Evaporación El Modelo de Gráficos de Ligaduras • Para la evaporación se necesita energía. Esa energía se toma del campo térmico. Se genera calor latente en el proceso. • Durante la condensación el calor latente se convierte de nuevo a calor sensible. • No se pueden desatender los efectos de la evaporación y de la condensación en el modelado de la Biosfera 2.

24. Estos elementos se modelaron en la manera presentado antes. Como el control del clima no fue simulado, la convección que ocurre no representa ningún flujo forzado, y por eso puede tratarse esencialmente igual que la conducción. Conducción, Convección y Radiación

25. La evaporación y la condensación pueden modelarse o usando resistores modulados no lineales o usando transformadores modulados no lineales. Sería probablemente más correcto modelar esos fenómenos usando transformadores porque no se trata de conversiones irreversibles, pero en el modelo presentado aquí se modelaron usando resistores. Las leyes cubriendo la evaporación y la condensación se modelaron usando ecuaciones en lugar de modelarse por medio de modelos gráficos porque era un poco más simple hacerlo así. Evaporación y Condensación

26. El modelo “principal” encodado en Dymola se presenta a la izquierda. El icono del nivel más alto se representó por una foto de la Biosfera 2. El Modelo de Dymola I

27. Temperatura del cielo nocturno Temperatura del ambiente Temperatura de la burbuja Temperatura del aire Temperatura de las plantas Humedad del aire Temperatura de la tierra Temperatura del lago El Modelo de DymolaII

28. Convección solar Radiación del cielo nocturno Radiación solar Convección Evaporación y condensación El Modelo de DymolaIII

29. e2 e1  Gth = G / T T T = e1+ e2 La Convección Rth = R · T

30. e1  Gth = G · T 2 e1 T = e1 La Radiación Rth = R / T 2

31. Tenemos que empezar decidiendo cuales son las variables que usaremos para los esfuerzos y los flujos de la humedad. Una selección natural sería usar el flujo de masa de la evaporación para el flujo y la entalpía específicade la evaporación para el esfuerzo. Desafortunadamente eso no funciona en nuestro modelo porque no estamos modelando el flujo de masas. No nos damos cuenta cuanta agua está acumulada en el lago o cuanta agua se almacena en las hojas de las plantas. Simplemente suponemos que siempre hay bastante agua para que la evaporación pueda ocurrir si las condiciones lo permiten. Evaporación y Condensación II

32. Decidimos usar la proporción de la humedad para la variable del esfuerzo. Se expresa en kg_agua / kg_aire. Es la decisión única que podemos tomar. Las unidades de los flujos tiene que determinarse de la ecuación e·f = P. En este modelo no se usan unidades estándar SI. La unidad del tiempo aquí es la hora, y la potencia se expresa en kJ/h. Por consecuencia tenemos que expresar la variable del flujo en kJ·kg_aire/(h·kg_agua). Evaporación y Condensación III

33. Las unidades de la resistencia lineal se obtienen de la ley de Ohm: e = R·f. Entonces debe expresarse la resistencia lineal en h·kg_agua2/(kJ·kg_aire2). Similarmente se obtienen las unidades de la capacidad lineal de la ley: f = C·der(e). Por lo tanto tiene que expresarse la capacidad lineal en kJ·kg_aire2/kg_agua2. El producto R·C es una constante del tiempo medida en h. Evaporación y Condensación IV

34. Comparando estas unidades con la literatura, nos damos cuenta que las unidades de R y C son un poco diferentes. Puede verse que en la literatura se expresa la resistencia de la humedad, Rhum, en h·kg_agua/(kJ·kg_aire) y la capacidad de la humedad, Chum, en kJ·kg_aire/kg_agua. Aparentemente se aplica al campo de la humedad el mismo tipo de no linealidad que ya encontramos en el campo térmico: R = Rhum·e y C = Chum/e. Evaporación y Condensación V

35. Campo térmico Campo de humedad Programado por ecuaciones Ley de Teten } Calor sensible de entrada = calor latente de salida Evaporación del Lago

36. Programado por ecuaciones Si la temperatura cae bajo e punto de rocío se producen nieblas. Condensación en la Atmósfera

37. Temperatura del Ambiente • En este ejemplo se guardan los valores de la temperatura en una tabla grande. • Los valores son registrados en grados de Fahrenheit. • Antes de usarlos se tienen que convertirse a Kelvin.

38. Temperatura del Cielo Nocturno

39. Temperatura del Cielo Nocturno II

40. Radiación Solar y Velocidad del Viento

41. Absorción, Reflexión y Transmisión Como los paneles de cristal son orientadas en muchas direcciones sería demasiado duro modelar con mucha precisión la física de la absorción, reflexión y transmisión, como lo hicimos en el último ejemplo. En su lugar, la radiación solar se reparte en proporciones.

42. Distribución de la Radiación Absorbida La radiación absorbida se reparte entre los diferentes recibidores dentro de la estructura de la Biosfera 2.

43. Cuadernos de Traducción y Simulación

44. El programa trabaja con datos meteorológicos que registran la temperatura, la radiación, la humedad, la velocidad del viento y la capa de nubes de un año entero. Sin control del clima, la temperatura dentro de la burbuja sigue la temperatura externa. Hay una acumulación adicional dentro de la estructura a causa de la convección reducida y a causa de la humedad más alta. Resultados de la Simulación I Temperatura del aire dentro de la Biosfera 2 sin aire acondicionado enero 1 – diciembre 31, 1995

45. Como el agua tiene una capacidad térmica más alta que el aire, las variaciones diarias en la temperatura del lago son más pequeñas que las de la temperatura del aire. Sin embargo la temperatura media del lago todavía es la misma que la del ambiente. Resultados de la Simulación II Temperatura del agua dentro de la Biosfera 2 sin aire acondicionado enero 1 – diciembre 31, 1995

46. La humedad es mucho más alta durante los meses del verano, porque la presión de saturación de vapor crece con la temperatura. Por consecuencia hay menos condensación (nieblas) durante el verano. De veras se pudo observar frecuentemente durante las horas del ocaso de las primaveras y otoños que aparecieron bandas de nieblas sobre la sabana alta que subsecuentemente migraron a la jungla que pronto se llenó de la bruma densa de Londres. Resultados de la Simulación III Humedad del aire dentro de la Biosfera 2 sin aire acondicionado enero 1 – diciembre 31, 1995

47. Variaciones diarias de la temperatura del aire durante los meses del verano. La temperatura del aire dentro de la burbuja de la Biosfera 2 variaría aproximadamente por 10oC durante el día, si no se efectuaría ningún control del clima. Resultados de la Simulación IV Variaciones diarias de la temperatura durante los meses del verano

48. Variaciones de la temperatura durante los meses del invierno. También durante el invierno cambiaría la temperatura aproximadamente por 10oC durante el día sin aire acondicionado. Resultados de la Simulación V • La humedad baja con la temperatura media. Durante las horas del día la humedad es más alta que durante las horas de la noche.

49. La humedadrelativa se calcula por el cociente de la humedad real y la humedad de saturación de vapor. La atmósfera se queda casi siempre saturada. Solamente durante las horas de la mañana, cuando la temperatura sube rápidamente, las nieblas se disuelven de tal manera que el sol puede lucir brevemente. Sin embargo, la humedad relativa jamás se disminuye a un valor bajo 94%. Solamente el control del clima (no incluido en ese modelo) hace la vida dentro de la Biosfera 2 soportable. Resultados de la Simulación VI Humedad relativa durante tres días consecutivos en el invierno temprano.

50. En un sistema cerrado, como es la Biosfera 2, la evaporación necesariamente produce un aumento de la humedad. Sin embargo, el aire húmedo no tiene ningún mecanismo para secarse de nuevo salvo por medio de refrescarse. Por consecuencia, el sistema opera casi siempre en la proximidad de 100% humedad relativa. El control del clima toma eso en cuenta. El aire extraído de la burbuja se refresca por primero a 10oC para permitir que el agua se condense, y solamente después, el aire se calienta de nuevo al valor deseado de 20oC. Sin embargo no fue simulado aquí el control del clima. Resultados de la Simulación VII