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La Simulación
Maria. E. Soldatti
Carlos. A. García Ebbens, Norberto S. Odobez
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL DELTA
II TALLER DE LA RED GEESOS
SEMINARIO EFICIENCIA ENERGÉTICA
EN EDIFICACIONES
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El problema de la conservación de la
energía lo tienen los unos y los otros
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PRIMEROS PASOS
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Un Sistema
Los edificios en general son construidos para proteger yalbergar las actividades humanas. Su envolventeparticipa activamente para que en su interior puedandesarrollarse las actividades en un entorno de seguridad
y confort térmico, acústico y visual.Tanto la envolvente como los elementos interioresinfluyen sobre las diferencias entre el clima que segenera en el interior y el clima exterior. Todos loselementos arquitectónicos tradicionales o no, ofrecen suinfluencia en cuanto a la gestión térmica, produciéndosenumerosos fenómenos de intercambio de flujosenergéticos que definen el comportamiento térmico yambiental del mismo.
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Un Sistema
Son principalmente los elementos que pertenecen a la piellos que provocan el filtrado del clima exterior hacia elinterior, determinando efectos sobre un clima interiordistinto.
Esta transferencia de energía depende tanto del climacomo del propio edificio.
Es muy importante conocer todos los datos de construcción,
orientación, ubicación geográfica, clima, propiedadesgeométricas, usos finales, horarios, infiltración,ventilación, instalaciones de HVAC, equipos que generencalor y/o humedad, iluminación, cuya combinación con elclima exterior condicionan su comportamiento
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Un Sistema
Todas estas variables en combinación espacial ytemporal aportan continuamente ganancias ypérdidas, tanto directas como diferidas.
Sin pretender desarrollar la teoría sobremodelización de edificios, podemos inferir que sepueden plantear dos caminos para su elaboración.
Un método estático que supone que el régimen de lascondiciones climáticas exteriores es constanteimplicando que la temperatura interior también esconstante. O bien, más cercano a la realidadconsiderando el carácter dinámico de los fenómenos
térmicos en el edificio
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Un Sistema
Un sistema es un objeto físico en el cualdiferentes tipos de variables interactúan entresí y producen señales observables.
Las señales o resultados que son de nuestrointerés se denominan variables de salida(outputs).
El sistema está afectado de estímulos oexcitaciones externos. Los estímulos que puedenser controlados por el observador son lasvariables de entrada (inputs), los demás se
denominan interferencias o ruido.
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Un Sistema
Para poder interactuar con el sistema, se necesitaalgún concepto que describa cómo se relacionan susvariables entre sí. Este concepto entre señalesobservables se denomina:
MODELO DEL SISTEMA
Una de las maneras de construir un modelomatemático es dividir al sistema en subsistemas, cuyocomporta- miento físico y propiedades puedan quedarentendi- dos claramente. Estos subsistemas serelacionan luego matemáticamente entre sí y seobtienen un modelo de todo el sistema
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Un Modelo de Sistema
Una de las maneras de construir un modelomatemático es dividir al sistema en subsistemas, cuyocomportamiento físico y propiedades puedan quedar
entendidos claramente. Estos subsistemas serelacionan luego matemáticamente entre sí y seobtienen un modelo de todo el sistema.
El modelo que se usa para la simulación de un sistema
por ordenador es un programa. Este consta de unaserie de procesos y subrutinas interconectadas queprovocan resultados análogos a los del sistema real, apartir de los mismos datos.
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GENERACIONES
1° GENERACIÓN: Enfoque manual,sin acoplamiento de cálculos, fácilde aplicar, difícil de interpretar.
Se incorporan muchassimplificaciones para permitir suformulación. El enfoque no
representa fielmente el consumo.
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GENERACIONES
2° GENERACIÓN: A mediados delos 70´surgió una nueva generaciónde modelos. El aspecto temporal
del problema de la simulacióncomenzó a recibir atención.Soluciones analíticas a los llamados
factores de respuesta.
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GENERACIONES
3° GENERACIÓN: A mediados de los años 80, porprimera vez la tarea de simulación se considera unproblema de campo clásico en el que las variablesindependientes únicas y verdaderas son las
dimensiones del espacio y el tiempo. Todas lasdemás dependen de ellas, ningún proceso puederesolverse independientemente. El volumen finito
y la discretización es precedida por la generaciónde ecuaciones de conservación de masa, energía ocantidad de movimiento. Métodos avanzadosnuméricos son necesarios para resolver loscomplejos problemas del transitorio.
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Los padres de la simulación
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Que es la simulación?
Simulación permite estudiar un sistema sin tenerque realizar experimentación sobre el sistemareal.
La simulación es una técnica muy poderosa y
ampliamente usada en las ciencias para analizar yestudiar sistemas complejos. ROBERT SHANNON: La simulación es el diseñar y
desarrollar un modelo computarizado de un
sistema o proceso y conducir experimentalmentecon este modelo con el propósito de entender elcomportamiento del sistema del mundo real oevaluar varias estrategias con los cuales puedanoperar el sistema.
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En los últimos años, cientos de programassobre energía en los edificios han sidodesarrollados, mejorados y están en usoen la comunidad que estudia la eficienciaenergética en edificios. Las vedettes delas herramientas son las aplicaciones desimulación energética del edificio en su
totalidad
. Tales programas proveen alusuario las claves de perfomance deledificio tales como energías en juego,demandas, temperaturas, humedad, costos
entre otras.
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Rango de aplicaciones
En la práctica, las herramientas de simulaciónpueden utilizarse para las siguientes funciones:
Evaluar las opciones de diseño e investigar la
optimización del diseño. Facilitar la investigación de nuevas ideas. Controlar el cumplimiento o de los códigos de
energía de los edificios. Realizar análisis económicos para determinar el
impacto de las medidas de conservación.
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Limitaciones
La entrada del programa es voluminosa ydetallada científicamente, y se piden datos queno están disponibles
Los resultados del programa consisten en datos
que pueden confundir al usuario. Comprender einterpretar los resultados es difícil. Muchas herramientas de diseño detalladas están
orientadas a la investigación.
El software no permite a los usuarios laflexibilidad suficiente como para hacerprogramación que cumpla fácilmente lasnecesidades particulares.
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Problema a resolver
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Simuladores analizados
Energy 10 HAP TRNSYS Calener Heed
Energy Plus eQuest
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Energy 10
Es un programa fácil de usar para la etapainicial de diseño, integra la luz natural, lacalefacción solar pasiva.
Genera un edificio paralelo con todas lasestrategias de bajo consumo, y emite ungráfico indicando el grado de importanciaque tiene aplicar cada estrategia.
Estas estrategias predefinidas van desdela envolvente, opciones del sistema deHVAC, iluminación etc.
Edificios poco complejos.
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HAP
Es el programa de análisis horariode Carrier, dispone de dosherramientas de gran alcance en el
paquete del software. HAP clasifica según el tamaño los
sistemas HVAC para edificios
comerciales. También simula las 8760 horas
para evaluar la EE y los costos de
la energía.
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HAP
Produce informes tanto resumidos comodetallados, tanto de los sistemas comoacerca de la construcción del edificio.
Utiliza seis motores de cálculo para llevara cabo su trabajo. El motor de carga utiliza ASHRAE. Adecuado para una amplia gama de
diseños, nuevos o modernizaciones. Los datos generados con HAP son
aceptados para la presentación de
proyectos LEED.
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TRNSYS
Es un programa de simulación porexcelencia, que fue diseñado pararesolver cualquier sistema
energético, sobre todo los máscomplejos. TRNSYS divide elproblema en módulos pequeños, y los
ensambla en una interfaz llamadaSimulation Studio.
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TRNSYS
Puede trabajar con multizonas. Incluye módulos para simular
sistemas de energías renovables. Capacidad de desarrollar nuevos
componentes en gran variedad delenguajes.
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HEED
Herramienta muy sencilla de usar, muestrala cantidad de dinero que se puede ahorraral hacer cambios en su hogar.
También muestra la cantidad de gases deefecto invernadero que representa. Fue creado para California, pero puede usar
otros archivos de clima. Útil para los proyectos de remodelación o
nuevos. Genera dos edificios del caso base.
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Energy Plus
Es la nueva generación de programas de simulaciónque se basa en la características y capacidadesmás populares des BLAST y DOE-2.
Incluye capacidades innovadoras de simulación.
Informe de pre-calculado de factores de luznatural por hora. Modelado de las ventanas. Modelos simplificados de interacción entre la
ventilación mecánica, la infiltración y fugas de
conductos. Cuenta con una serie de productos adicionales que
se usan para mejorar la funcionalidad en general.
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eQuest
Es un programa sofisticado pero fácil deusar. Proporciona resultados a nivel profesional
con un nivel aceptable de esfuerzo. Es reconocido para presentar proyectosLEED.
Si bien cuenta con un asistente, luego se
puede trabajar en el modo edición. Amplia gama de planillas de resultados.
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Ejemplo de uso con ENERGY - 10
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Ventana de inicio del Proyecto
•Costos de energía
•Relación de aspecto•Librería que se utilizará.
•Y también se puede inspeccionar laconfiguración del edificio standard.
Aquí se define:•Ubicación geográfica
•Zona a evaluar
•Uso del edificio
•Sist. de calef. yrefrigeración.•Área del piso
•Nro de historias
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Ubicación Geográfica
Archivo de clima Elegimos el clima de una lista (a la
que se le puede agregar otrasciudades que no estén incluidas)
Ciudad (lo coloca el sistema) Estado (lo coloca el sistema)
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Definición de la zona de evaluación
Uso del edificio
Sistema decalefacción y
ventilación
Área del pisoNro. de historias
Precio de laenergía
Relación de aspecto
Librería a utilizarInspección de edificio estándar
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Relación de aspecto
AR es la relación de longitud con el ancho delplano del edificio. Por ejemplo, un edificio 45(este-oeste) por 30 (norte-sur) tiene unarelación de aspecto de 45/30= 1.5
O bien:AR= área/ (NS dimensión)2
AR=(EW dimensión)2/área
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Definición del edifico estándar
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1. Definiciones de la construcción
2. Altura de piso a piso
3. Días utilizados por semana
4. Días adicionales en el año
5. Carga de luces interiores y
exteriores6. Cantidad de personas por
unidad de superficie
7. Agua caliente
8. Otras cargas
9. Controles de Equipo deRefrigeración Calefacción
1. Margen horario
2. Ajuste de Temp.deRefrig.
3. Ajuste de Temp.de Calef.
Li d i l l ió
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Lista de materiales para la construcción
del edificio estándar
Paredo 2 x 4 frameo 2 x 4 partitiono 2 x 6 frameo 2 x 6 frame polyo 4in sipo 40in sipo 40in steelstudo 6in sipo 8in brick/foamo 8in cmuo concrete flooro r1000o steelstud 4
o steelstud 6 poly
Techoo Attic, r-30o Attic, r-60o Cathedral 2 x 10
o Concrete r-30o Flat, r-38o Flat noneo Flat, r-19o Flat, r-6o R1000
Ventanao Ningunao 3040 double, alumo 3040 double, low-
e
o 3040 double woodo 3040 super woodo 4060 double alumo 4060 double low-eo 4060 double woodo 4060 low-e al/bo 4060 r1000o 4060 scoo 4060 single, alumo 4060 super woodo 6060 double low-eo 8060 double low-eo 8060 double wood
o 8060 super woodo R1000 sco
Pisoo 2 x 10 frameo 2 x 4 frameo 2 x 10 w tile
o Carpeted slabo R1000o slab
Base Pisoo Basemento Crawl Spaceo Exposed to
Outsideo Slab on gradeo Unconditioned
space
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Tipos de vidrios - Descripciones asociadas
Tipo Nombre Descriptivo1000 Single Clear Glass1200 Single Bronze 1/8-inch Glass1201 Single Bronze ¼-inch Glass1203 Single Green Glass1204 Single Gray 1/80- in. Glass
1205 Single Gray ¼-inch Glass1412 Single Tinted Glass with Reflective surface1415 Single Clear with Reflective surface1602 Single Glass with Low E Coating2003 Double Clear Glass2200 Double Glass with Bronze 1/8-inch outer light
2203 Double Glass with Bronze ¼-inch outer light2209 Double Green Glass2212 Double Glass with Gray 1/8-inch outer light2215 Double Glass with Gray ¼-inch outer light2413 Double Glass with Reflective Coating on Tinted Light, SHGC <0.22416 Double Glass with Reflective Coating on Tinted Light, SHGC <0.3
2440 Double Clear Glass with Reflective Coating, SHGC <0.22443 Double Clear Glass with Reflective Coating, SHGC <0.3
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Tipos de vidrios - Descripciones asociadas
(continuación)
Tipo Nombre Descriptivo2470 Double Glass with Reflective Coating, SHGC >0.32613 Double Clear Glass with Low-E Coating2636 Double Glass with Tinted outer Light and Low-e
Coating
3001 Triple Clear Glass3641 Heat Mirror 88 film with clear Glass3651 Heat Mirror 77 film with clear Glass3661 Heat Mirror 66 film with clear Glass3663 Heat Mirror 66 film with tinted Glass3671 Heat Mirror 55 film with clear Glass
3673 Heat Mirror 55 film with tinted Glass3681 Heat Mirror 44 film with tinted Glass3691 Heat Mirror 33 film with tinted Glass4651 Double Heat Mirror films with clear Glass
D t ll d D t i i l d l difi i d
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Detalle de Datos provisionales del edificio de
referencia
El edificio de referencia es unaconstrucción de cuatro paredesdenominadas norte, sur, este y oeste.
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Superficies que dan al n-s, e-o ytecho
Definiciones de la construcción
Grados de rotación
Conductos interiores o exteriores
Número y tipo de ventanas
Ocupantes: nro, días de ocup., iluminación
Margen de calef.-refrig. y ajustes detemp.
Con / sin aprovechamiendo de luz deldía
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Continuación del ensayoDatos provisionales del edificio 1
Aquí se pueden modificar algunas delas características del edificio dereferencia.
A continuación el sistema ya realizó el proceso de AutoBuild creando dosedificios rectangulares. El de la izquierda es el caso de referencia,mientras que el de la derecha es el edificio de bajo consumo energético.
Muestra entonces una planilla con los valores de uno y otro edificio con lasmejoras incluídas, y los valores calculados
Ahora para continuar me solicita guardar el proyecto.
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Paralelo de los dos edificios
Caso de
referencia
Caso debajoconsumo
de energía
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Guardado del proyectoNormalmente antes de laprimera simulación debemos
guardar el proyecto en eldisco duro, creando para ellouna carpeta para nuestroproyecto.
Los primeros esquemas 001 y002 son los creados por elAutobuild.
Subsecuentemente, a medidaque se le hacen cambios a ladescripción del edificio y sequieran guardar lasdescripciones modificadas,seleccionaremos guardar elesquema y el sistema le dará
un nuevo nombre. Losnombres asignados a losesquemas comienzan con el001 y son guardados en eldirectorio del proyecto.
Tenemos dos posibilidadesguardar un nuevo proyecto y
sobreescribir uno existente.
Título del proyecto
Elección de lacarpeta
Elección del driver
Carpeta del nuevoproyecto
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Controles para la simulación
Período en quese realizará la
simulación
Estudio delaprovechamiento de
la luz del día
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Proceso de simulación en marcha
Este proceso puede tardar unos minutos, el motorde simulación aquí evalúa el consumo de energíapara cada uno de los días en el período seleccionadoanteriormente
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Una vez terminada la simulación muestra
un gráfico comparando el consumo
energético de los dos edificios, el rojo, setrata del que estamos evaluando y el
verde el similar con el mejor rendimiento
Continuación del ensayo:
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Continuación del ensayo:
RANKING DE LAS ESTRATEGIAS
El software ofrece doce estrategias que hacenmejorar visiblemente el rendimiento del edificio,son las mismas estrategias aplicadas todas enconjunto al edificio 2
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Presionando el botón a la izquierda de la misma, podemos ver cuál es lamodificación que está implementando, e inclusive se puede modificar
por la posibilidad de no contar con ese material, pero sí unoequivalente.
Inclusive podemos agregarle elcosto que esta modificación implica
P l ki d l
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Para presentar el ranking de lasestrategias
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Con el gráfico anterior se evalúan las
estrategias propuestas, según el ranking y
elegimos cuales puede aplicar en ese
edificio en particular
Lo cual creará otro edificio 2, con solamente estasestrategias aplicadas
Luego vuelve a simular Así presentará el gráfico de comparación energético
de ambos edificios.
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Luego vuelve a simular con estas modificaciones aplicadas (nuestro caso apliqué dos)
Visualización de ambos gráficos
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Visualización de ambos gráficos
Aquí se
puedeapreciarclaramenteque consolamente
aplicar una odosestrategias
ya esposibledisminuir elconsumoenergético
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El software cuenta además con otros
reportes
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am n se pue enl l t
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evaluar los costos
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MISCELÁNEAS Modificar los datos quevienen por defecto
Cambiar el edificio de localidad
Cambiar las tarifas
Pasar los datos a planillas tipo Excel
Ej l d Q t
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Ejemplo de uso con eQuest
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proyecto
eQuest nos ofrece un asistentepara completar todos los datosrequeridos para la simulación
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Cuenta con dos modalidades
Cuando lainformación es más
limitada o pequeñasestructuras
Cuando la informacióndetallada estádisponible o
estructuras máscomplicadas
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Aquí solicitará
Nombre del proyecto
Tipo de edificio (lista)
Ubicación y clima de laregión
Tarifas eléctricas y de
gas
Área del edificio
Nro de pisos por encima y por debajo (subsuelo)
Calefacción yRefrigeración
Año de análisis
Por sí o por no, evaluacióndel aprovechamiento dela luz solar.
Detalles de uso
D t ll t ti F d l b d l difi i
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Detalles constructivos: Forma de la base del edificio
•Forma de la base•Patrón de zona•Orientación del
edificio•Dimensiones dela base
•Profundidad dezona de penetra-
ción•Altura de piso apiso y piso atecho
•Inclinación deltecho
Al
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Algunos conceptos
Forma de la base: Se cuenta con una lista deformas típicas, que luego pueden modificarse puntoa punto. O bien cargar desde un archivo deAutocad
Patrón de zona: Se considera zona, a cualquiersumatoria de superficies donde las condicionestérmicas se puedan considerar semejantes.
Altura de piso a piso y piso a techo: serándiferentes cuando se cuente con techo a dos aguaspor ejemplo (atrio).
Profundidad de zona de penetración: es la zonadonde la influencia del clima exterior se percibecon más notoriedad.
Elementos de construcción de la
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Elementos de construcción de la
envolvente del edificio
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Construcción interna del edificio
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Puertas – Ventanas – Sombras exteriores
A ti id d l di ti t á d l difi i
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Actividades en las distintas áreas del edificio
cuando están ocupadas y desocupadas
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Esquema de horas de uso del edificio
Sistema de HVAC
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Sistema de HVAC(Calefacción Refrigeración Aire acondicionado)
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Ajuste de las temperaturas en el interior
C t í ti d l i
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Características del equipo
Equipamiento para el
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Equipamiento para el
agua caliente doméstica
n ormaci n e e i icioDirección Propietario
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Dirección Propietario
etc.
Una vez cargada toda laPresionamos
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información solicitadaPresionamosFINISH
A partir de ahora trabajaremos con el menú que tenemosa la izquierda del esquema gráfico. Que nos da la posibi-lidad de visualizarlo en dos o tres dimensiones.
Simulación del edificio
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Simulación del edificio
Asistente para cambios y comparaciónde rendimientos
Con estas dos herramientas se podrá simularmodificar, volver a simular, y comparar lasveces que sea necesario
Estas simulaciones generan diversos informesque nos ayudará para la evaluación energéticadel mismo
Lista de reportes y ejemplo de uno de ellos
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Lista de reportes y ejemplo de uno de ellos
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REPORTES
Eli e la cate oría donde aplica la modificación
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Elige la categoría donde aplica la modificación
Puede elegir varias categorías que se verán enesta ventana
Realiza los cambios/ mejoras
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Luego volver a simular
Para poder comparar
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MUCHAS GRACIAS!
Hay una fuerza motriz máspoderosa que el vapor, laelectricidad y la energíaatómica: “LA VOLUNTAD”
Albert Einstein