automatiza analisis de datos

¿Necesita automatizar su análisis de datos? Así es cómo.

En este tutorial paso a paso, le mostraré cómo automatizar su análisis de datos utilizando un problema del mundo real.

Muchas personas que aprenden Python solicitan ejemplos prácticos para que puedan aprender a programar resolviendo problemas del mundo real. En este tutorial paso a paso, le enseñaré programación en Python, conceptos clave de ciencia de datos como la regresión múltiple y cómo automatizar su análisis resolviendo un problema de ingeniería común.

Veremos varios conceptos importantes, tales como: cómo escribir código Python para  dividir archivos de datos , automatizar su análisis , revisar esos resultados en busca de errores , y validar y documentar un modelo de simulación simple

A lo largo de este tutorial, veremos cómo crear un mapa de rendimiento que prediga el rendimiento de los calentadores de agua con bomba de calor en función de las condiciones ambientales. Si los términos técnicos de esa oración no significan nada para usted, no se preocupe. Tomaremos todo este proceso paso a paso.

Pasos para automatizar su análisis de datos

  • Divide tus conjuntos de datos
  • Escribir un programa para analizar los resultados de las pruebas.
  • Comprobar los resultados en busca de errores
  • Valida tus resultados
  • Genere regresiones en los resultados de sus análisis automatizados

Lo primero es lo primero: asegurémonos de definir nuestros términos.

Siga aprendiendo de nuestros expertos: 5 formas de escribir más código pitónico

¿Qué es una bomba de calor?

Una bomba de calor es un dispositivo que transfiere calor entre una fuente de energía y lo que se conoce como disipador de calor. Un ejemplo de bomba de calor es el acondicionador de aire residencial común en las casas estadounidenses. Estos dispositivos transfieren calor desde la fuente de calor (el interior del edificio) al disipador de calor (el exterior del edificio). 

Pero, ¿cómo hace eso una bomba de calor? ¿Cómo transfiere el calor de un espacio frío a uno caliente? ¡Todo sucede a través de la magia de la termodinámica, por supuesto! Aquí hay un esquema que muestra la función general de una bomba de calor.

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Un refrigerante pasa a través de todos los dispositivos enumerados anteriormente en la dirección de las flechas. Los refrigerantes son fluidos de transferencia de calor que aumentan y disminuyen de temperatura bajo condiciones específicas; son extremadamente útiles en bombas de calor.

Los cuatro dispositivos encima de cada uno ponen el refrigerante a través de diferentes procesos impulsando así la bomba de calor. A medida que el refrigerante pasa por el sistema, experimenta lo siguiente:

  • Compresor : El compresor es básicamente una bomba. El refrigerante ingresa al compresor como un gas donde se bombea a una presión más alta. Mientras eso sucede, el refrigerante se calienta, lo que lleva a que un gas a muy alta temperatura pase al condensador.

  • Condensador : El condensador es un intercambiador de calor que conecta el refrigerante al disipador de calor. Dado que el refrigerante tiene una temperatura muy alta en este punto, pierde calor hacia el disipador de calor y se enfría. En el caso de nuestro ejemplo de aire acondicionado, el disipador de calor es el aire exterior (sí, ¡el refrigerante está más caliente que el aire caliente!). El refrigerante se condensa a medida que pasa a través del condensador, dando lugar a un líquido de alta presión y temperatura moderada.

  • Válvula de expansión : La válvula de expansión dirige el refrigerante a un ambiente y condición de menor presión en el otro lado, lo que permite que el refrigerante se expanda. A medida que el refrigerante se expande, se enfría aún más. Esto produce un fluido a baja temperatura a medida que pasa al evaporador

  • Evaporador : El evaporador es otro intercambiador de calor pero está conectado a la fuente de calor. En el caso del ejemplo del acondicionador de aire, esta es la condición de baja temperatura dentro de la casa. Dado que el fluido está tan frío, extrae calor de la casa, lo que aumenta la temperatura del refrigerante. A medida que se calienta, el refrigerante se expande y genera un gas frío en el compresor.

Y entonces el ciclo comienza de nuevo.

Así que en realidad estamos hablando de tres tipos diferentes de transferencia de energía. La bomba consume electricidad para garantizar que el refrigerante pase por el ciclo. El calor se transfiere del refrigerante al disipador de calor en el condensador y el calor se transfiere de la fuente de calor al refrigerante en el evaporador. La cantidad de calor transferido por el dispositivo depende de las tasas de transferencia de calor en el condensador y el evaporador. Como saben aquellos que han estudiado la transferencia de calor, la tasa de transferencia de calor en esos puntos está determinada por la temperatura del fluido que rodea el condensador y el evaporador.

Esto nos lleva al coeficiente de rendimiento (COP). El COP establece la cantidad de calor transferido desde la fuente de calor al disipador de calor en relación con la energía consumida por la bomba; normalmente es más de uno. Dicho esto, el COP es muy sensible a las temperaturas de la fuente de calor y del disipador de calor. A medida que esas temperaturas se acerquen a la temperatura del refrigerante, se transferirá menos calor, lo que reducirá el rendimiento de la bomba de calor sin cambiar la energía de bombeo requerida.

¿Qué es un calentador de agua con bomba de calor?

Las HPWH son un tipo de bomba de calor que se utiliza para calentar agua. Emplean un tanque de almacenamiento grande, típicamente de 55 a 80 galones, que contiene agua caliente lista para usar cuando sea necesario. Una bomba de calor transfiere el calor del aire circundante (fuente de calor) al agua almacenada en el tanque (disipador de calor). Aquí hay un esquema de HPWH:

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Observe que las cuatro partes de la bomba de calor son las mismas con las que ya estamos familiarizados. La única diferencia real aquí es que el condensador está ubicado dentro de un tanque de almacenamiento de agua caliente. El refrigerante caliente transfiere calor al agua en el tanque. Mientras tanto, el evaporador extrae calor del espacio circundante hacia el refrigerante, por lo que el HPWH transfiere el calor del aire del espacio al agua.

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¿Qué es un mapa de rendimiento?

Ya hemos hablado sobre la dependencia del COP de las temperaturas que rodean el condensador y el evaporador. Esto significa que el coeficiente de rendimiento cambiará a medida que cambien las temperaturas ambientales (y créanme, ¡esas temperaturas cambiarán!) La temperatura exterior no es constante a lo largo del día y la temperatura interior cambia a medida que funciona el aire acondicionado.

Podemos imaginar un gráfico o función que indique el coeficiente de rendimiento a medida que cambian las dos temperaturas.

Eso es exactamente lo que es un mapa de rendimiento. Un mapa de rendimiento es una forma de identificar el rendimiento de un dispositivo a medida que cambian las condiciones que lo afectan. Es una ecuación de múltiples variables que expresa el rendimiento del dispositivo en función de esas condiciones.

La creación de un mapa de rendimiento es un ejercicio común en los campos de la ciencia y la ingeniería. Por ejemplo, hacemos esto cuando creamos una simulación energética de un edificio. La predicción del consumo de energía de los nuevos edificios y el diseño de nuevas formas de reducir el consumo de energía de los edificios es un campo en crecimiento en los Estados Unidos. 

Los ingenieros utilizan modelos de simulación para predecir el rendimiento del edificio. Esos modelos de simulación necesitan predecir la energía consumida por los equipos instalados en el edificio. Dado que las bombas de calor se utilizan en edificios, los modelos de simulación deben predecir el rendimiento de esas bombas de calor. ¿Cómo predecimos el rendimiento de esas bombas de calor? Lo has adivinado: mapas de rendimiento. 

¿Que viene después?

El resto de este tutorial le enseñará los pasos para tomar un conjunto de datos de pruebas de laboratorio que describan el rendimiento de un HPWH en condiciones variables y generar un mapa de rendimiento. También le mostraré cómo escribir el código de Python para hacerlo automáticamente, lo que le dará la oportunidad de aprender estas habilidades usando un ejemplo del mundo real.

Si desea seguir y practicar junto con este tutorial de varias partes, he creado un conjunto de datos complementario que puede descargar. Este conjunto de datos contiene resultados fabricados, emulando lo que podría recibir de un laboratorio. Contiene casi datos de tres experimentos, que demuestran el rendimiento del calentador de agua con bomba de calor con cambios en las temperaturas del espacio y del agua.

El siguiente paso es dividir el conjunto de datos en archivos independientes para que cada archivo proporcione el resultado de una sola prueba. 

Sumérgete en la segunda parteCómo dividir conjuntos de datos no manejables

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Este tutorial de varias partes le enseñará todas las habilidades que necesita para automatizar su análisis de datos de laboratorio y desarrollar un mapa de rendimiento de los calentadores de agua con bomba de calor. Puedes encontrar el resto de la serie aquí:

Cómo dividir conjuntos de datos no manejables

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Este tutorial se publicó originalmente en Towards Data Science .