Análisis del funcionamiento de equipos de expansión directa con aporte fotovoltaico para climatización y producción de agua caliente sanitaria

Abstract

El 36% de las emisiones de CO2 de la Unión Europea tiene su origen en la actividad humana asociada al uso de los edificios. En este sentido, la Directiva de Eficiencia Energética en Edificios del año 2010 estableció que, a partir del 31 de diciembre de 2020 todos los edificios de nueva construcción deberán ser de consumo de energía casi nulo. Asimismo, se definió el concepto de “edificio de consumo casi nulo” como aquel que tiene un nivel de eficiencia muy alto y en el que el poco consumo energético se cubre en gran medida con energías renovables. La actualización del año 2018 de esta misma directiva plantea estrategias a corto (2030), medio (2040) y largo plazo (2050), con el objetivo final de lograr un parque inmobiliario descarbonizado y altamente eficiente en el año 2050. Se pretende así reducir en un 80-95% las emisiones de CO2 en comparación con las del año 1990. Para la consecución de los objetivos marcados, en el diseño de los edificios se deberá incluir instalaciones altamente eficientes y contar con fuentes de energía renovables capaces de sustituir con garantías a los combustibles fósiles. En este sentido, en la presente tesis se ha estudiado la viabilidad técnica y económica de la producción de energía térmica en edificios utilizando equipos de expansión directa con aporte fotovoltaico. En concreto, se han analizado dos sistemas, en los que se ha tenido en cuenta tanto la climatización, como la producción de agua caliente sanitaria. Por un lado, se ha realizado un estudio experimental de un equipo de aire acondicionado tipo “inverter” de 3,5 kW de potencia nominal, en refrigeración, y de 3,8 kW, en modo calefacción, accionado mediante una instalación solar fotovoltaica de 705 Wp y la red eléctrica convencional. El estudio se ha llevado a cabo a lo largo de un año completo de medidas, mientras se climatizaba una oficina de 35 m2 en Elche (Alicante). De los resultados obtenidos, se concluye que, el sistema propuesto de aire acondicionado con aporte fotovoltaico tiene una eficiencia promedio de 14,5 en refrigeración y de 6,9 en calefacción. La contribución solar del sistema es del 54%, con un factor de aprovechamiento de la energía fotovoltaica del 70%. Por último, el estudio termo-económico realizado muestra que este sistema es más económico, tiene menos emisiones de CO2 y menos consumo de energía primaria no renovable que soluciones convencionales sin fotovoltaica. Por otro lado, se ha llevado a cabo un estudio experimental de una bomba de calor compacta de ACS alimentada simultáneamente por energía solar fotovoltaica y la red eléctrica. La capacidad nominal del equipo estudiado es de 1500 W, el volumen de acumulación es de 190 litros y la potencia eléctrica del compresor de 470 W. La instalación fotovoltaica se compone de 2 paneles de 235 Wp/panel conectados en paralelo, sin baterías y sin inyección a red. El estudio se ha realizado simulando el perfil de consumo de ACS típico de una familia de 4 miembros en España, con un consumo diario de unos 130 litros de ACS al día a 55ºC (6÷7 kWh/día). El sistema de producción de ACS propuesto se ha analizado durante todo un año, alcanzando una eficiencia media cercana a 9, con una contribución solar del 56% y un factor de aprovechamiento de la instalación fotovoltaica del 66%. El estudio termo-económico asociado ha demostrado que el sistema propuesto es más económico, tiene menos emisiones de CO2 y menor consumo de energía primaria no renovable que el sistema convencional compuesto por una instalación solar térmica con el 60% de contribución solar y una caldera de gas natural con rendimiento del 92%. Los resultados obtenidos se han empleado para desarrollar un modelo computacional de la bomba de calor de ACS con apoyo fotovoltaico. Una vez validado el modelo con ayuda de los datos experimentales, este ha sido utilizado para simular el comportamiento del sistema propuesto bajo diferentes condiciones de funcionamiento. Las conclusiones extraídas a partir de los trabajos llevados a cabo en la presente tesis se tomarán como punto de partida en las futuras líneas de trabajo con el objetivo de optimizar el diseño y el funcionamiento de los sistemas de producción de energía térmica con equipos de expansión directa y apoyo fotovoltaico.

Buildings are the origin of approximately 36% of all CO2 emissions in the European Union. In this sense, the Energy Efficiency Building Directive EPBD 2010 established that by 31 December 2020, all new buildings should be nearly zero-energy buildings. Also, a nearly zero-energy building is defined as a building that has a very high energy performance and the nearly zero or very low amount of energy required is covered to a very significant extent by energy from renewable sources. The 2018 update of this same directive proposes short-term (2030), mid-term (2040) and long-term strategies (2050) in order to achieve a decarbonized and highly efficient building stock by 2050. The final goal is focused on reducing greenhouse gas emissions in the Union by 80-95 % compared with 1990. To reach the established objectives buildings has to be designed taking into account highly energy efficient facilities, also renewable energy sources capable of replacing fossil fuels have to be used. In this sense, in this doctoral work, the technical and economic viability of using direct expansion equipments supported by photovoltaic energy to produce thermal energy in buildings has been studied. Specifically, both air-conditioning and domestic hot water production systems have been taken into account. On the one hand, an experimental work about an air conditioning unit with a nominal cooling capacity of 3.5 kW and a nominal heating capacity of 3.8 kW, supported by a 705 Wp photovoltaic facility and the grid has been carried out. The study includes results of a whole year while the unit was working in an office with 35 m2 in Elche (Alicante). The experimental results conclude that the energy efficiency of the system is 14.5 in cooling mode and 6.9 in heating mode. The solar contribution of the system is 54%, while the performance factor of the photovoltaic facility is 70%. Finally, the thermo-economic analysis has shown that this system is more is more economical, has less CO2 emissions and less non-renewable energy consumption that conventional solutions without solar energy. On the other hand, an experimental work about a domestic hot water (DHW) heat pump supported by photovoltaic energy and the grid has been carried out. The heat pump analyzed is an ON/OFF equipment with a nominal heating capacity of 1500 W, a water tank of 190 liters and an electrical compressor consumption of 470 W. Two photovoltaic panels with a total peak power of 470 Wp are connected to a micro-converter, which is connected to the equipment without batteries and no energy injection into the electricity grid has been considered. This system has been tested for typical DHW consumption of a family of 4 residences in Spain (130 liters at 55°C, 6÷7 kWh a day). included in this work. It has shown that the proposed system is more economical, has less CO2 emissions and less non-renewable energy consumption that the conventional solution (a Natural Gas boiler with a seasonal efficiency of 92% and a solar thermal installation with a solar contribution of 60%). The obtained results have been used in order to develop a numerical model of the DHW heat pump with photovoltaic energy. Once the model has been validated by using the experimental results, it has been used to simulate the behavior of the system under different working conditions. The main conclusions of this PhD work will be taken as a starting point in future research works in order to optimize the design and the performance of the equipments supported by photovoltaic energy to produce thermal energy in buildings.