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

Resumo

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. En los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo investigador destinado a la mejora 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. La presente tesis parte del estudio inicial de una planta piloto de climatización con energía solar térmica ubicada en la Universidad Miguel Hernández. A partir de los datos recopilados durante su funcionamiento surgen una serie de preguntas a las cuales se 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. Con el modelo validado, se pasa a estudiar el comportamiento de la instalación 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.