Modelización de sistemas de climatización con bomba de calor y depósitos de cambio de fase : validación experimental y optimización energética

Abstract

El constante aumento de la población mundial, así como de las zonas urbanas, que ha tenido lugar en las últimas décadas, ha provocado un aumento progresivo de las emisiones de CO2 acelerando el calentamiento global del planeta. Los sistemas de refrigeración suponen un porcentaje importante del consumo eléctrico en países desarrollados, por lo que contribuyen a la emisión de estos gases de efecto invernadero. La concienciación sobre el cambio climático ha llevado a la mayoría de países a plantearse cuotas de reducción de emisiones de CO2, siendo la eficiencia energética una herramienta indispensable para alcanzar estos objetivos. Los sistemas de almacenamiento térmico han demostrado que pueden contribuir a aumentar la eficiencia de los sistemas de refrigeración mediante distintas estrategias de funcionamiento, basándose, la mayoría de ellas, en un desplazamiento de los consumos a periodos de mayor rendimiento de la instalación. Los materiales de cambio de fase son ampliamente utilizados en estos sistemas de almacenamiento debido a su elevada densidad energética y a su alta capacidad de almacenamiento térmico en un estrecho rango de temperaturas. En la presente tesis se estudiará el uso de un depósito de almacenamiento térmico para mejorar la eficiencia de un sistema de bomba de calor con disipación aerotérmica en su funcionamiento como enfriadora. Este depósito servirá como método de disipación de calor alternativo a la disipación aerotérmica, de modo que pueda optarse, en cada momento, por la opción más eficiente. De este modo, durante los periodos de elevada temperatura exterior, donde la disipación aerotérmica presenta una baja eficiencia disminuyendo el rendimiento de la enfriadora, el depósito de almacenamiento térmico proporcionará un foco de disipación de calor a temperatura constante que permitirá a la enfriadora trabajar con un mayor rendimiento. Este depósito será enfriado de nuevo para el siguiente uso cuando la temperatura exterior descienda. Para analizar el funcionamiento del sistema de climatización descrito se han realizado, en primer lugar, una serie de ensayos experimentales sobre una instalación adaptada para tal fin. A continuación, se han utilizado estos ensayos para diseñar y validar un modelo de cada uno de los componentes que configuran la instalación. Estos modelos han sido acoplados para conformar un modelo global del sistema de climatización propuesto. Utilizando este modelo se han podido realizar simulaciones del comportamiento del sistema bajo distintas condiciones de trabajo lo que ha permitido evaluar su rendimiento y compararlo con el de un sistema de climatización con disipación aerotérmica convencional. Tras la simulación de distintos escenarios se ha obtenido una mejora del COP del 8.01% para funcionamiento a plena carga de la enfriadora con un perfil de demanda constante, valor que asciende hasta un 12.48% si se considera un funcionamiento a carga parcial. Por último, se ha simulado el comportamiento del sistema bajo un perfil real de demanda para una vivienda, obteniéndose una mejora del COP del 7.4%. / The continuous increase in the world population and urban areas in the last decades has caused a progressive increase in the CO2 emissions accelerating global warming. Refrigeration systems stand for an important share of electrical consume in developed countries which contributes to the emission of these greenhouse gases. Concern about climate change has led most countries to consider the reduction of CO2 emissions, where energy efficiency is an important mean to achieve this objective. Thermal storage systems have proved their contribution in increasing the efficiency of refrigeration systems through different operating strategies, based, most of them, in the displacement of consumption to periods with better performance of the plant. Phase change materials are widely used in these storage systems due to its high energy density and its high thermal storage capacity in a narrow temperature range. In this thesis, the use of a thermal storage tank to improve the efficiency of an air condensed heat pump working as a chiller will be studied. This tank will be used as a method to reject the heat alternative to aerothermal dissipation so the most efficient option can be chosen at any moment. Thus, during the periods with high outside temperature, when aerothermal dissipation shows a low efficiency reducing the performance of the chiller, the storage tank will provide a heat sink to reject the heat at a constant temperature, allowing the chiller to work with a higher efficiency. The tank will be cooled again for its next use when the outside temperature falls. To analyze the performance of the described air-conditioning system, a set of experimental tests has been carried out using a lab facility adapted for this purpose. Then, these tests have been used to design and validate a model for each component that makes up the installation. These models have been linked up to form a global model of the proposed air-conditioning system. Using this model, simulations have been carried out to study the performance of the system under different working conditions, evaluating its performance and comparing it with that of a conventional aerothermal dissipation air conditioning system. After simulating different scenarios an improvement of the COP of 8.01% has been obtained for a full load performance of the chiller with a constant demand profile. This improvement rises to 12.48% if a partial load performance is considered. Finally, a simulation has been carried out for a real demand profile for a house, where a 7.4% improvement of the COP has been obtained.