Estudio experimental y simulación de sistemas de climatización solar mediante ciclos de absorción

Abstract

El cambio climático observado durante los últimos 50 años se atribuye en gran parte a la actividad humana, y así se ha establecido en los principales foros internacionales. Las emisiones de gases como el CO2, derivadas principalmente del uso de combustibles fósiles, es una de las mayores causantes del efecto invernadero que está provocando el calentamiento global. Es por ello, que se están realizando numerosos esfuerzos para frenar el uso de estos combustibles. Este objetivo se pretende alcanzar, bien aumentando la eficiencia de nuestros sistemas y procesos, así como introduciendo fuentes de energía más limpias y ambientalmente sostenibles. Según datos del IDAE, en 2015 un 31% de la energía final consumida en España se dedicó al sector residencial y servicios, de la cual, alrededor del 50% se destinó al acondicionamiento del aire de los espacios (calefacción y refrigeración). Además, el incremento de olas de calor derivado del cambio climático, tanto en número como en intensidad, el aumento de los estándares de confort, tanto en países desarrollados como en vía de desarrollo, o del cambio de estilos arquitectónicos, en los que priman la abertura de huecos frente a los muros opacos en las fachadas, hacen prever un aumento en el número y potencia instalada de los equipos de aire acondicionado. de la eficiencia y el uso de energías alternativas en los sistemas de aire acondicionado. Una de estas vías de investigación ha sido el uso de sistemas de refrigeración alimentados mediante energía térmica como son los ciclos de absorción. El atractivo de estos sistemas radica en la posibilidad de emplear energía térmica residual de procesos industriales, en trigeneraciones o el uso de energías renovables como la solar o la geotermia para el accionamiento de dichos ciclos El caso concreto de sistemas de refrigeración mediante energía solar térmica es especialmente atractivo debido a que, a priori, se produce una coincidencia cronológica entre la mayor cantidad de energía disponible y un mayor requerimiento de refrigeración dentro de los espacios acondicionados. Sin embargo, la complejidad en el diseño, instalación y funcionamiento de estos sistemas, puede ser mayor que en sistemas de refrigeración convencionales por compresión de vapor. Por ello, se hace recomendable un estudio pormenorizado a la hora de diseñar y analizar el funcionamiento de instalaciones de este tipo. Una opción interesante es el desarrollo de herramientas de simulación que permitan la caracterización térmica de estas instalaciones. solar térmica ubicada en la Universidad Miguel Hernández. A partir de los datos pretende responder mediante la elaboración de un modelo de simulación de la instalación. A partir de este punto, el trabajo se divide en dos bloques. En primer lugar, se busca obtener un modelo de simulación de la enfriadora de absorción presente en la instalación, una Yazaki WFC-SC 5 de LiBr-Agua de simple efecto con una capacidad nominal de 17,6 kW. Para llevarlo a cabo, se tienen en cuenta los coeficientes de transferencia de calor y áreas de cada uno de los intercambiadores que la componen, así como las propiedades de los fluidos de trabajo. El modelo se realiza en el software EES ya que este posee librerías con propiedades termodinámicas de dichos fluidos. Una vez concluido y validado el modelo, se pasa a TRNSYS donde se elabora en esta ocasión un modelo de simulación de toda la planta de climatización. Se selecciona este software porque incluye una serie de módulos o types preinstalados de los principales componentes de la instalación. El modelo se valida empleando datos experimentales obtenidos de la propia instalación experimental de la UMH funcionando bajo diversos modos de control. Se observa que el modelo es capaz de simular fielmente el comportamiento real de la planta piloto. funcionando con condiciones climatológicas distintas. Se seleccionan cuatro ubicaciones (Madrid, Barcelona, Sevilla y Bilbao) de las cuales disponemos de datos climatológicos. Por último, se estudia la influencia de la coincidencia entre la radiación solar disponible y la carga de refrigeración existente en el funcionamiento del sistema. Para ello, se modifica la orientación de edificio de referencia para que la superficie acristalada de las estancias acondicionadas pase de orientación este a sur.

has been established in the main international forums. Emissions of gases such as CO2, derived mainly from the use of fossil fuels, are one of the principal causes of the greenhouse effect, cause of the global warming. For this reason, every effort is made to stop the use of these energy sources. This objective is intended to be achieved, either by increasing the efficiency of our systems and processes, as well as introducing cleaner and environmentally sustainable energy sources. According to IDAE information, in 2015, 31% of the final energy consumed in Spain was dedicated to the residential sector and services, and around 50% of this energy was destined to air conditioning (heating and cooling). In addition, it is expected that future heat waves will become more intense, more frequent, and longer lasting. This, together with an increase in comfort standards, both in developed and developing countries, or changes in characteristics and architectural trends, such as an increasing ratio of transparent-to-opaque areas in the building envelope, suggests an increase in number and installed power of the air conditioning equipment. In recent years, the use of alternative energies in air conditioning systems has been widely investigated. One of these researches is focused in the use of cooling systems powered by thermal energy as for example absorption cycles. The possibility of using waste energy from industrial processes, combined cooling, heating, and power systems, or renewable energies such as biomass or solar thermal energy makes the absorption cycles environmentally sustainable alternatives to mechanical compression cycles. The case of solar cooling is an attractive idea because of the chronological coincidence between cooling load and available solar radiation. However, the use of these systems requires auxiliary facilities that can increase the complexity beyond that of conventional mechanical compression cycle facilities. Therefore, simulations to help design and analyze the operation of these systems as a whole should be developed. This thesis starts from an initial study of a low-capacity solar cooling system located at the Miguel Hernández University. Based on the data collected during its operation, a series of questions arise. A simulation model of the facility is created in order to answer that questions. From this point, the work is divided into two parts. First, we aim at obtaining a simulation model of the absorption chiller present in the facility, a LiBr-Water single-effect Yazaki WFC-SC 5 with a nominal capacity of 17,6 kW. To carry it out, the heat transfer coefficients and areas of each of the exchangers, are considered, as well as the working included libraries with thermodynamic properties of those fluids. Once the model has been completed and validated, it is implemented in TRNSYS where a simulation model of the air conditioning plant as a whole is developed. This software is selected because it includes a series of pre-installed modules or “types” of the main components of the facility. The model is validated using experimental data obtained from the experimental plant of the UMH operating under various control modes. It is observed that the model is capable of faithfully simulating the real behavior of the system. With the validated model, the behavior of the facility operating with different weather conditions is studied. Four locations with known climatological data are selected (Madrid, Barcelona, Seville and Bilbao). Finally, the influence of the coincidence between the available solar radiation and the cooling load is studied. To do this, the orientation of the reference building is modified so that the glazed surface orientation of the conditioned rooms changes from east to south.