Modelling heat transfer for energy effiency assessment of buildingsidentification of physical parameters

Resumen

La eficiencia energética es uno de los pilares para disminuir el uso de energías no renovables, junto a la utilización de energías renovables. En particular, los edificios son fundamentales para la política de eficiencia energética de la UE, puesto que casi el 40% del consumo final de energía tiene lugar en casas, oficinas, tiendas y otros edificios. Por tanto, el sector de la construcción tiene un papel clave en el potencial de ahorro de energía de la sociedad actual. Para explotar ese potencial de ahorro de energía se necesita una metodología que estime la eficiencia energética de edificios nuevos y rehabilitados. La metodología internacionalmente reconocida para la estimación de la eficiencia energética viene dada por el protocolo internacional para la medición y verificación del rendimiento energético (IPMVP) emitido por la “Efficiency Valuation Organization” (EVO). El punto clave para la estimación del ahorro energético es desarrollar un método reproducible para estimar la eficiencia energética. Este método debe suprimir la principal barrera tecnológica para la estimación de la eficiencia energética, es decir, separar por mediciones objetivas el comportamiento intrínseco del edificio de las condiciones meteorológicas y del comportamiento del usuario. Por tanto, un primer objetivo es construir un modelo matemático con significado físico considerando sólo el comportamiento intrínseco del edificio. Para este propósito, los edificios pueden ser considerados como sistemas dinámicos y la transferencia de calor entre ellos y su entorno puede representarse utilizando modelos dinámicos. En este trabajo, la transferencia de calor en edificios es descrita por redes térmicas obtenidas utilizando la teoría de grafos y la termodinámica, y se muestra además que pueden ser deducidas de la ecuación del calor. Las redes térmicas se pueden expresar como un sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas (DAE), el cual puede ser transformado al espacio de estados para obtener después una función de transferencia de la que obtener un modelo autorregresivo con variables exógenas (ARX). Las distintas estructuras de modelos pueden ser utilizadas para la identificación de los parámetros físicos de la red térmica, por lo que esta metodología puede facilitar la estimación de la eficiencia energética de los edificios dentro de un marco reproducible que permita la comparación entre diferentes soluciones constructivas. Las principales contribuciones originales de esta tesis son: 1) la red térmica se expresa a partir de la teoría de grafos y de la termodinámica sin utilizar la analogía termo-eléctrica; 2) la ecuación del calor clásica se transforma en un sistema de DAE (red térmica) utilizando elementos finitos; 3) las transformaciones para deducir diferentes modelos de transferencia de calor con significado físico son presentadas conjuntamente en una cadena iniciada en la ecuación del calor clásica; 4) las transformaciones entre modelos son mostradas desde las redes térmicas hasta modelos autorregresivos con variables exógenas (ARX) y viceversa; y 5) un criterio para la selección del orden del modelo utilizando un análisis de frecuencia de las mediciones es presentado.