Modelización termodinámica de una bomba de calor para ACS

Abstract

Este trabajo se enmarca en el proyecto de investigación ekimProVe (ver capítulo 2, p. 17) sobre eficiencia energética en edificación. El proyecto ekim-ProVe propone una solución energética innovadora para edificios con fachadas ventiladas fotovoltaicas, integrando la fachada, una bomba de calor para ACS, un sistema de gestión del movimiento de aire y un sistema de almacenamiento térmico latente en el mismo sistema del edificio (ver figura 2.1, p. 19). La bomba de calor producirá parte del ACS y la calefacción demandada por el edificio. La electricidad generada por los paneles fotovoltaicos cubrirá una parte significativa del consumo eléctrico de la bomba de calor. El aire, calentado a su paso por la cámara ventilada, pasará por el evaporador de la bomba de calor, de manera que actuar´a como foco frío. La bomba suministrará calor a temperatura elevada que podrá ser empleado directamente para ACS (ver figura 3.6, p. 24). La bomba de calor funcionará por tanto con un foco frío a temperatura superior a las usuales, lo que le permitirá alcanzar una mejor eficiencia. Una de las tareas del proyecto ekimProVe consiste en estimar el consumo eléctrico anual de la bomba de calor del edificio. Sin embargo, el hecho de que la bomba opere en unas condiciones tan diferentes a las usuales hace que no existan datos sobre su eficiencia, ya que los parámetros usuales (SCOP) aparte de ser en realidad valores promediados con un ciclo temporal, están calculados para las condiciones de operación usuales. Este trabajo fin de grado pretende obtener unos valores de eficiencia en el rango de operación del proyecto. Para ello, se basa en una bomba de calor de ACS situada en el Laboratorio de Termodinámica (ver figura 3.2, p. 23). Se trata de una bomba comercial dimensionada para una vivienda media, por lo que los datos de eficiencia son extrapolables a los equipos que existirían en un edificio. Está parcialmente instrumentada (ver sección 3.3, p. 26). Como se verá, el no disponer de todos los sensores necesarios dificultaría el problema. Las tareas del proyecto han sido de cuatro naturalezas fundamentalmente: Práctica: Realización de pruebas, ajuste de la plataforma de ensayos (bomba + sistema de instrumentación), caracterización y emplazamiento de sensores (ver secciones 3.2 y 3.3, pp. 25-33). Experimental: Preparación del laboratorio para los ensayos, concepción y fabricación de útiles de ensayo, estudio de las condiciones de ensayo, elaboración de procedimiento de ensayo y ejecución de las series (ver secciones 3.4 y 3.5, pp. 33-39). Análisis e interpretación de datos: Análisis de series de datos, descarte de ensayos, caracterización (ver capítulo 4, p. 41). Modelización: Diseño de hipótesis, procesamiento de datos, construcción del modelo y validación (ver capítulo 5, p. 51). Los resultados principales de este proyecto son: 1. Matriz de eficiencia como función de las temperaturas de los focos frío y caliente (ver tabla 8.6, p. 73). 2. Matriz de potencia eléctrica consumida como función de las temperaturas de los focos frío y caliente (ver tabla 8.5, p. 73). 3. Procedimiento de cálculo basado en parámetros propios y las matrices anteriores que permite la simulación del tiempo de duración y el consumo energético de un proceso de calentamiento (ver sección 5.2.1, pp. 53-54). Como resultados secundarios están los procedimientos de ensayo (ver sección 3.5, pp. 35-39) y la base de datos de ensayo. De los resultados anteriores, solamente la matriz de eficiencia (ver tabla 8.6, p. 73) de la máquina es de interés directo para el proyecto ekimProVe. El resto son parte de una investigación en profundidad sobre este tipo de equipos que se está llevando a cabo en el Grupo de Investigación en Termodinámica Aplicada a la Ingeniería Industrial. Como se ha mencionado, la bomba de calor empleada en este trabajo no consta de todos los sensores necesarios para la modelización del ciclo. En concreto, no se dispone de los sensores de presión (ver sección 3.3, p. 25). Esto impide conocer con exactitud dos parámetros fundamentales: el subenfriamiento a la salida del condensador y el rendimiento isentrópico del compresor.1 Si bien se esperaba que la empresa instaladora pudiese instalarlos en el transcurso de este trabajo, no ha podido ser debido a dificultades técnicas. Mediante una reubicación de un sensor de intensidad (ver sección 3.3.1, p. 28) originalmente situado en la alimentación del compresor, sí ha sido posible medir el consumo de potencia eléctrica total de la bomba. Con este dato y las mediciones de los otros sensores de la plataforma ha sido posible estimar la eficiencia de la bomba (ver sección 5.2.2, ecuación 5.5, p. 55). Finalmente se ha logrado modelizar tanto la potencia consumida como la eficiencia de la bomba funcionando con temperaturas de foco frío de entorno a 25ºC, y estimar en términos de duración y consumo total un proceso completo de calentamiento del agua del depósito de ACS de 45ºC a 55ºC (ver sección 5.3, p. 58). En cuanto al desarrollo del proyecto, es de destacar que dada su naturaleza experimental ha sido necesario invertir una parte significativa de la dedicación total en las tareas más prácticas como la identificación de fenómenos, diseño de soluciones, ajuste de sensores, etc. La naturaleza del proyecto y la espera a la posible instalación de los sensores de presión del ciclo han condicionado en varios puntos los procesos de toma de decisión.