tesis doctoral análisis y caracterización de una instalación de calefacción y refrigeración solar

206 Pages·2016·5.81 MB·Spanish

by  Andrés Macía

ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA Y
FLUIDOMECÁNICA

TESIS DOCTORAL

ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DE UNA
INSTALACIÓN DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN
SOLAR
USANDO UNA BOMBA DE CALOR DE ABSORCIÓN
LiBr/H O CONDENSADA/EVAPORADA MEDIANTE UN
2
INTERCAMBIADOR GEOTÉRMICO CERRADO

Presentada por D. Andrés Felipe Macía Gómez para optar al grado de doctor
por la Universidad de Valladolid

Dirigida por:
Dr. César R. Chamorro Camazón
Dr. Luis Ángel Bujedo Nieto
Dra. M. Teresa Magraner Benedicto

Valladolid, julio de 2016
Dedicatoria

Dedicado a mi esposa
Sandra y mi hija Olivia, mis
padres, mis hermanas.
Gracias por esta ahí.
.

ii
iii
Cita

Nunca te rindas,
nunca te rindas y
siempre sigue
adelante.

iv
Agradecimientos

Alcanzar el objetivo de finalizar un trabajo de estas características, que implica
una dedicación y unos sacrificios importantes durante un largo tiempo, no es
v
posible sin la ayuda y el apoyo de la gente que está a tu alrededor. Por este
motivo en este apartado quiero agradecer a una lista de personas y entidades
que sin ellos no hubiera sido posible, de antemano pido disculpas si se me ha
olvidado algún nombre.
Quiero agradecer primero a mi esposa Sandra, por tantos sacrificios como ha
sido el vivir en países separadas durante varios años, tener la paciencia de
aguantar mis días de mal humor, por sus largas charlas motivacionales para
que yo no desfalleciera en alcanzar este objetivo, y por haber sido mi principal
compañera de viaje durante todo este tiempo. Te amo mi niña. Agradecer a mi
primer hija Olivia que nacerá en septiembre, y desde el momento que supe la
noticia me cargo de motivación, energía positiva y necesaria para terminar este
trabajo de investigación. Olivia te estamos esperando con una gran ilusión.
Agradecer a mis padres y mis hermanas, que desde el inicio me apoyaron y
siempre confiaron en mis capacidades y conocimientos para que yo decidiera
empezar este trabajo. A pesar de la distancia que nos separa siempre han
estado ahí motivándome, y sin ellos, yo no estaría aquí, ni hubiera podido
alcanzar las metas propuestas. Gracias también a la familia de mi esposa por
todo su apoyo y estar pendiente todo el tiempo de mi trabajo.
Agradezco a mis directores de tesis, César Chamorro por sus consejos, su
tiempo y sus importantes aportes para alcanzar el objetivo, a Luis Ángel Bujedo
por su fuente inagotable de conocimiento en las instalaciones de frio solar, él
ha sido uno de mis grandes apoyos y ayudas para terminar la tesis, muchas
gracias por todo tu tiempo y dedicación sin ti no hubiese llegado nunca al final.
A Teresa Magraner por su tiempo y su conocimiento en los sistemas
geotérmicos. A los tres muchas gracias.
Agradecimiento muy especial para todos mis compañeros de la de división de
Energías de la Fundación CARTIF, que desde el primer día que llegue me sentí
entre amigos y como si no fuera extranjero, más que compañeros son amigos
que siempre llevaré en mi corazón. Álvaro Corredera, Roberto Sanz, Cristina
de Torre y Susana Gutiérrez, muchas gracias por su ayuda y soporte en
sistemas de simulación en TRNSYS, en sistemas de monitorización, control de
la instalación y bases de datos. Gracias a Sergio Sanz que desde el primer día
me dio la libertad para trabajar en la tesis.
Agradecer a mis dos grandes amigos Fredy Vélez y Ana Quijano que han sido
como mis hermanos aquí en España, muchas gracias por todos los momentos
que hemos vivido y seguiremos viviendo, sin esos momentos de risas, de
preguntarnos por nuestro futuro, de cuestionarnos sobre nuestras vidas y todos
los anécdotas que tenemos, yo a lo mejor ni estaría aquí, se les quiere mucho y
un golpe de pecho.
vi
Agradecer a mi maestro Farid Chejne de la Universidad Nacional de Colombia
sede Medellín, por todo su conocimiento, apoyo y grandes consejos que me ha
dado durante todos estos años. Gracias Farid.
Finalmente y no menos importante agradezco a dos importantes entidades
como son la Fundación CARTIF y el Programa Iberoamericano de Ciencia y
Tecnología para el Desarrollo CYTED, con su programa de becas para
desarrollar estudios de doctorado nunca hubiera llegado hasta aquí.
Muchas gracias de nuevo a todas las personas que han pasado por mi vida
durante estos años y que no he nombrado. Un fuerte abrazo para todos.

Resumen

En la presente tesis doctoral se hace el análisis, modelado y simulación del
funcionamiento de una instalación de climatización (calefacción y refrigeración)
singular situada en un edificio de uso terciario. La instalación consiste en una
bomba de calor de absorción LiBr/H O, accionada por una instalación solar
2
térmica, y condensada/evaporada con un intercambiador geotérmico cerrado.
La instalación dispone de la instrumentación adecuada para estimar y registrar
de modo continuo las variables implicadas en el funcionamiento de cada uno
de sus elementos.

La memoria comienza con una revisión del estado actual de la tecnología;
luego se hace una descripción detallada de la instalación que será estudiada;
se define el modelo de simulación en TRNSYS de la instalación; después se
hace un análisis experimental y teórico de la instalación funcionando en modo
verano y en modo invierno, con el objetivo de identificar su comportamiento
bajo diferentes condiciones de operación; por último se hace una evaluación
estacional de la instalación bajo simulación de diferentes escenarios de diseño
y finalmente se presentan las conclusiones de la tesis doctoral.
vii
Índice

ÍNDICE ....................................................................................................................................... VIII
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. XIII
LISTA DE TABLAS ................................................................................................................ XVIII
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1
1.1 OBJETIVOS .................................................................................................................... 3
1.2 ESTRUCTURA DE LA TESIS ............................................................................................... 4
CAPITULO 2. REVISIÓN ACTUAL DE LA TÉCNOLOGÍA. ............................................. 7
2.1 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN SOLAR. ............................................................................. 8
2.1.1 Refrigeración solar por absorción. ........................................................................... 9
2.2 INSTALACIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR ALREDEDOR DEL MUNDO Y ANÁLISIS DEL
MERCADO.................................................................................................................................. 18
2.2.1 Barreras del mercado para las instalaciones de frío solar. ................................... 20
2.3 BOMBAS DE CALOR ACOPLADAS AL TERRENO. ................................................................ 21
2.3.1 Intercambiador de terreno vertical. ........................................................................ 23
CAPITULO 3. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN. ............
31
3.1 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO. .......................................................................................... 31
3.1.1 Distribución interna del edificio y sistema de climatización convencional ............. 33
3.2 SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN RENOVABLE........................................................................ 35
3.2.1 Bomba de calor por absorción. .............................................................................. 36
3.2.2 Campo Solar: ......................................................................................................... 37
3.2.3 Sistema de Acumulación ....................................................................................... 39
3.2.4 Caldera. ................................................................................................................. 40
3.2.5 Campo Geotérmico................................................................................................ 41
3.2.6 Test de respuesta térmica del terreno (TRT). ....................................................... 43
3.2.7 Suelo Radiante. ..................................................................................................... 45
viii
3.3 INSTRUMENTACIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS DE LA INSTALACIÓN. .................................. 46
3.3.1 Bomba de calor por absorción. .............................................................................. 49
3.3.2 Campo solar. ......................................................................................................... 50
3.3.3 Acumulación .......................................................................................................... 51
3.3.4 Caldera. ................................................................................................................. 53
3.3.5 Campo Geotérmico................................................................................................ 54
3.3.6 Suelo Radiante ...................................................................................................... 55
3.4 CONTROL DE LA INSTALACIÓN ....................................................................................... 56
3.4.1 Bomba de calor por Absorción .............................................................................. 57
3.4.2 Campo solar. ......................................................................................................... 58
3.4.3 Acumulación .......................................................................................................... 60
3.4.4 Caldera. ................................................................................................................. 60
3.4.5 Campo Geotérmico................................................................................................ 62
3.4.6 Suelo Radiante ...................................................................................................... 63
CAPITULO 4. MODELADO DE LA INSTALACIÓN MEDIANTE TRNSYS........................
.................................................................................................................. 65
4.1 MODELO DE LA BOMBA DE CALOR ....................................................................... 67
4.2 MODELO DE GENERACIÓN SOLAR. ................................................................................ 70
4.2.1 Condiciones climáticas .................................................................................. 70
4.2.2 Captador solar ................................................................................................ 71
4.2.3 Intercambiador de calor .................................................................................. 76
4.3 CALDERA DE APOYO ............................................................................................... 77
4.4 CAMPO GEOTÉRMICO .............................................................................................. 79
4.5 . MODELO DEL EDIFICIO ........................................................................................... 82
4.5.1 Morfología del edificio ............................................................................................ 83
4.5.2 Distribución zonas ................................................................................................. 85
4.5.3 Cargas del edificio ................................................................................................. 87
4.5.4 Suelo radiante ........................................................................................................ 88
ix
4.6 COMPONENTES PERIFÉRICOS DEL MODELO Y ELEMENTOS COMUNES EN DIFERENTES
CIRCUITOS. ............................................................................................................................... 89
4.6.1 Depósitos de acumulación .............................................................................. 89
4.6.2 Bombas de circulación ................................................................................... 93
4.6.3 Válvulas de tres vías ....................................................................................... 95
4.6.4 Sistemas de control ............................................................................................... 95
4.6.5 Horario. .................................................................................................................. 95
CAPITULO 5. ANÁLISIS DE LA INSTALACIÓN EN MODO VERANO......................... 97
5.1 INDICADORES ENERGÉTICOS DE DESEMPEÑO DE LA INSTALACIÓN EN MODO VERANO. ...........
................................................................................................................................... 97
5.1.1 Potencia y energía intercambiada ......................................................................... 98
5.1.2 Coeficiente de operación de la bomba de calor en modo verano (COP) ............ 101
5.1.3 Eficiencia global de la instalación en modo verano ............................................. 101
5.2 FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN EN MODO VERANO ............................................. 101
5.2.1 Ensayos realizados.............................................................................................. 102
5.2.2 Potencia y energía captada por el campo solar .................................................. 103
5.2.3 Potencia y energía intercambiada en el generador, condensador y evaporador de
la bomba de calor ............................................................................................................. 105
5.2.4 Potencia y energía intercambiada por el suelo refrescante ................................ 107
5.2.5 Potencia y energía intercambiada en el campo geotérmico ............................... 108
5.2.6 Coeficiente de operación (COP) y eficiencia global de la instalación ................. 110
5.3 SIMULACIÓN DE LA INSTALACIÓN EN MODO VERANO ...................................................... 111
5.3.1 Validación del modelo con datos experimentales ............................................... 113
5.3.2 Resultados de la simulación ................................................................................ 114
CAPITULO 6. ANÁLISIS DE LA INSTALACIÓN EN MODO INVIERNO..........................
................................................................................................................ 119
6.1 INDICADORES ENERGÉTICOS DE DESEMPEÑO DE LA INSTALACIÓN EN MODO INVIERNO
…………………………………………………………………………………………………
……………………………………….119
6.1.1 Potencia y energía intercambiada ....................................................................... 120
6.1.2 Coeficiente de operación de la bomba de calor (COP) en modo invierno .......... 122
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