Optimized monitoring techniques and data analysis development for in-situ characterization of the building envelope's real energetic behaviour

Abstract

[ES]Aunque la eficiencia energética de los edificios ha mejorado durante los últimos años, todavía se encuentra una importante "brecha de rendimiento" entre su diseño y el consumo real de energía. Esta brecha de rendimiento tiene tres fuentes principales: el comportamiento del usuario del edificio, el rendimiento real de los sistemas del edificio y el rendimiento energético real de la envoltura del edificio. Los resultados de la tesis tienen como objetivo avanzar en la fiabilidad de la comprensión y la cuantificación de la brecha de rendimiento debido al rendimiento energético en uso de la envoltura del edificio. El valor del Coeficiente de Pérdida de Calor de Diseño (HLC) de la envolvente del edificio suele estar disponible en los Certificados de Rendimiento Energético para los edificios nuevos o reformados, pero todavía existen problemas de fiabilidad en los métodos que permiten estimar el HLC de los edificios en uso. La HLC es la pérdida total de calor de un edificio que resulta de la transferencia de calor a través de la envolvente (UA) y de la infiltración y/o ventilación (Cv) por °C de diferencia de temperatura entre el interior y el exterior en W/°C.La tesis comienza analizando y presentando en detalle dos métodos para la estimación de la HLC. El conocido Método de Co-calentamiento, que está cerca de ser un estándar para medir la HLC de las envolventes de edificios desocupados. Mientras que el Método de Promedio permite la estimación de la HLC de las envolventes de edificios en uso. El Método de Promedio se basa principalmente en los ya extendidos sistemas de monitorización de edificios donde se miden los parámetros asociados al confort interior y calidad del aire, consumos de energía de los sistemas de edificios y datos meteorológicos. Además, utilizando CO2 antropogénico, como gas trazador, y los datos de monitorización del sistema de ventilación, se expone el método para la estimación de Cv. De esta forma, el la estimación del HLC de la envolvente del edificio en uso HLC, podría ser desacoplada por una simple sustracción HLC = UA + Cv .El objetivo general de este proyecto de tesis doctoral es avanzar en la fiabilidad y optimización de los Sistemas de Monitorización y Control para la estimación y el desacoplamiento del HLC, para en el futuro, poder definir un mínimo Kit de Monitorización energético para edificios residenciales o terciarios. Estos Kits de Monitorización deben ser lo más discretos posible y deben permitir monitorizar de forma fiable la mínima cantidad de datos que, junto con un análisis correcto, deben permitir caracterizar el comportamiento real de la envolvente del edificio. Así pues, después de presentar los métodos existentes para estimar y desacoplar de HLC en uso, se realiza el análisis del estado del arte sobre el uso los Sistemas de Monitorización y Control para la caracterización energética de la envolvente de los edificios en uso. Gracias a este análisis sobre los Sistemas de Monitorización y Control, se ha comprobado que, en la bibliografía existente, la incertidumbre general de la temperatura interior y exterior (cuando se presenta) se considera siempre como la precisión del fabricante. Utilizar sólo la precisión del fabricante como la incertidumbre global para estas dos importantes mediciones, que son necesarias para la estimación de las HLC de edificios en uso, podría conducir a una fuerte subestimación de su incertidumbre real y esta subestimación se propagaría en el valor estimado del HLC. Para analizar en profundidad este tema, que podría generar serios problemas de fiabilidad en los valores HLC, se ha diseñado e implementado unos sistemas de monitorización tridimensional en las oficinas de un edificio terciario. Para analizar la incertidumbre general de la medición de la temperatura del aire interior, se han monitorizado cuatro zonas térmicas del edificio terciario con un enfoque tridimensional. Para analizar la incertidumbre general de la medición de la temperatura del aire exterior, también se ha aplicado un enfoque de monitorización tridimensional alrededor de la envolvente del edificio.Los resultados de este análisis han permitido identificar la mejor ubicación de los sensores de temperatura interior y exterior en el edificio monitorizado. Igualmente, se han analizado las discrepancias entre el valor de la precisión del sensor dado por el fabricante y el valor experimental de la precisión del sensor más el sistema de Monitorización y Control. En este análisis se encuentra la principal contribución de esta tesis: donde se ha desarrollado una metodología para cuantificar de la incertidumbre global de medida de variables intensivas en los edificios en uso, como lo son la temperatura del aire interior y la temperatura del aire exterior. Esta metodología no sólo permite obtener el valor global de la incertidumbre de las medidas (denominada Incertidumbre de Medida), la cual contiene todas las fuentes de incertidumbre, sino que también permite desacoplar dicha incertidumbre en de la incertidumbre asociada a los errores aleatorios y los errores sistemáticos. Este desacoplamiento separa el valor de la varianza asociada a la incertidumbre global (Incertidumbre de Medida) en la suma de dos varianzas, una asociada a los errores sistemáticos (denominada en el estudio, Incertidumbre Medición del Sensor) y otra asociada a los errores aleatorios (denominada en el estudio, Incertidumbre Espacial de Medida).Por otro lado, a partir del análisis del Método de Co-Heating y del Método Promedio para estimar el HLC, se ha diseñado e implementado un sistema de Sistema de Monitorización y Control extremadamente detallado en un edificio residencial. El objetivo de este sistema de monitorización es poder analizar cuál es el conjunto mínimo de sensores necesarios para estimar y desacoplar los valores del HLC de un edificio en uso con una fiabilidad suficiente. Los sensores seleccionados tienen la mayor precisión posible que se podría encontrar para la aplicación en el sector de la construcción. También se incluye un análisis económico detallado para este Sistema de Monitorización y Control. Debido al COVID-19, no ha sido posible obtener suficientes datos de este sistema implementado para realizar el análisis previsto. Aun así, se presentan las directrices sobre cómo analizar los datos de este Sistema de Monitorización y Control para obtener el número mínimo de sensores para la estimación y desacople del HLC en edificios en uso. La cuantificación de la diferencia entre el diseño y los HLC, UA y Cv en uso no sólo es el primer paso para reducir el consumo de energía real de los edificios, sino que podría ser el comienzo de una nueva era para la certificación de edificios en uso, basada en los datos obtenidos del Sistema de Monitorización y Control.