Effect of Sky Discretization for Shading Device Calculation on Building Energy Performance Simulations

The calculation of sunlit surfaces in a building has always been a relevant aspect in building energy simulation programs. Due to the high computational cost, some programs use algorithms for shading calculation for certain solar positions after discretization of hemispherical sky. The influence of the level of discretization on the estimation of incident direct radiation on building surfaces, as well as on the required computational times, are studied in this work. The direct solar energy on a window for a year, with simulation time steps of five minutes, has been simulated by using an algorithm based on Projection and Clipping Methods. A total of 6144 simulations have been carried out, varying window sizes, window orientations, typologies of shading devices, latitudes and discretization levels of the hemispherical sky. In terms of annual incident solar energy, the results show that maximum error values are about 5% for a low level of angular discretization. Errors up to 22% in hourly incident solar energy have been estimated for some of the configurations analysed. Furthermore, a great number of configurations show errors of shading factor on a window of up to 30%, which could be most relevant in studies of natural lighting. The study also shows that the improvement achieved by the most accurate discretization level implies an increase in computational cost of about 30 times

Experimental adjustment of the turbulent Schmidt number to model the evaporation rate of swimming pools in CFD programmes

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Water evaporation rate is among the most significant parameters to design and select air con- ditioning systems in buildings with indoor swimming pools. Experimental correlations are today widely used to estimate water evaporation rate, although discrepancies of up to 80% among existing correlations have been shown. An alternative to these empirical methods is the calcu- lation of evaporation rate through computer fluid dynamics techniques. One of the most signif- icant parameters to solve the mass transfer at the air-water interface in these models is the value of the turbulent Schmidt number. Although this value depends on air and water conditions (i.e., temperatures, velocities, and vapour pressure, among others), commercial computer fluid dy- namics programmes set a fixed value by default. This study presents a new value through an experimental adjustment. A total of 40 experimental tests have been performed in a wind tunnel under typical conditions in indoor swimming pools. Afterwards, the adjustment was validated with data from 145 experimental tests reported in the scientific literature. The mean relative error in the evaporation rate using the turbulent Schmidt number was 7%, as against 25% using the value by default. The maximum error was reduced from 35% to 15% in forced convection regime

Metodología para el cálculo de la tasa de evaporación en piscinas cubiertas mediante CFD

El consumo de los sistemas de climatización, según la IEA, supone un 36% en el sector de la edificación a nivel mundial. En edificios, como gimnasios o spas, donde la generación de humedad debida a la evaporación de agua de piscinas es importante, el consumo de los equipos de deshumectación cobra una mayor importancia. El diseño eficiente de estos sistemas debe incluir tanto la correcta selección del equipo de deshumectación, como la adecuada distribución de aire en el recinto. Uno de los factores más determinantes en el proceso de selección del equipo de deshumectación es la tasa de evaporación. Actualmente existen tres teorías que describen la física del fenómeno, las conocidas KTG, SRT y NET. Aunque estas teorías pueden describir la evaporación hasta un nivel molecular, en la práctica son complejas de aplicar debido a la incertidumbre existente en la interface líquido-gas. Por ello, algunos autores proponen la aplicación de estas teorías utilizando valores medios de aire y agua, y corregidas con coeficientes experimentales. Otros autores, en cambio, proponen el uso de correlaciones experimentales, que normalmente son función de parámetros medios de las condiciones del agua y del aire del recinto. Aunque los resultados de estas últimas pueden llegar a ser precisos, el ámbito de aplicación se limita a las geometrías y distribuciones de aire en las cuales fueron obtenidas. Por otro lado, el estudio preciso de la influencia de la distribución del aire en el recinto requiere de la resolución de las ecuaciones de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento del fluido así como del modelo turbulento. Este análisis puede llegar a ser complejo, por ello, algunos autores recurren a las metodologías CFD para su resolución. Además, se hace necesario el acoplamiento del modelo CFD con la tasa de evaporación. En los trabajos revisados este acoplamiento se realiza introduciendo un flujo de vapor cuyo valor se obtiene a partir de correlaciones experimentales. En la revisión realizada no se encuentran metodologías para el cálculo directo de la tasa de evaporación acoplada con el movimiento del aire, que permitan calcular de forma precisa la correcta distribución de temperaturas y humedades en el mismo. En el presente trabajo se describe una metodología basada en CFD, utilizando el software ANSYS CFX, para el cálculo de la tasa de evaporación, así como su validación

Método explícito vs. implícito en la resolución del intercambio radiante de onda larga en simulación térmica de edificios

Los programas de simulación térmica de edificios no sólo constituyen una herramienta de gran utilidad al servicio de profesionales del sector energético sino que su uso, a raíz de los últimos cambios normativos en materia de ahorro y eficiencia energética, se han convertido en una de las vías obligatorias para comprobar el cumplimiento de las limitaciones impuestas por dichas normas [1]. Actualmente, dado el alto grado de conocimiento existente en el modelado térmico de edificios, la precisión alcanzada por los programas de simulación está prácticamente encomendada a la información climática y al conocimiento de las condiciones de operación, y por tanto, el desarrollo de nuevos modelos está principalmente asociado a nuevas soluciones constructivas o de sistemas de climatización. Sin embargo, la extensión de su utilización al ámbito profesional, junto con la tendencia a simular en pasos de tiempos inferiores a una hora [2], ha motivado la revisión de los algoritmos utilizados con el objeto de valorar la relación entre su precisión y los tiempos empleados de CPU. En este sentido, uno de los algoritmos presentes en dichos programas de simulación es aquel destinado a resolver el intercambio radiante de onda larga en el interior del edificio, de especial interés en espacios con acceso solar. La formulación de dicho fenómeno dependerá del tipo de esquema de resolución general elegido para resolver el conjunto de ecuaciones que gobiernan la energética del edificio. Así, podemos encontrar esquemas de resolución denominados “implícitos” [2, 3] que necesitan de procesos iterativos o de inversión de matrices, costosos computacionalmente; o los “explícitos” [4], que establecen hipótesis para evitar dichos procesos, como asumir temperaturas de instantes anteriores. En el presente artículo se propone una nueva formulación para la integración del fenómeno del intercambio radiante de onda larga en un esquema de resolución explícito. Así mismo, se expondrán los resultados de la validación del método en términos de precisión (flujos de calor y temperaturas superficiales) y tiempos de CPU, empleando como referencia un esquema de resolución implícito