Desarrollo de un modelo numérico y experimental para el análisis térmico y económico de un sistema de climatizacion basado en una bomba de calor geotérmica y suelo radiante

Abstract

[ES]El objetivo fundamental de esta tesis doctoral, es el análisis termoeconómico de un sistema de climatización de un edificio destinado a uso como oficina, mediante un sistema compuesto por un intercambiador geotérmico vertical, una bomba de calor geotérmica y suelo radiante, mediante el desarrollo de un modelo de simulación y su posterior validación a través de la instalación piloto desarrollada, que permitirá analizar la viabilidad de este tipo de instalaciones bajo diferentes premisas de cálculo.

La importancia de esta tesis doctoral, radica en que no existen sistemas de análisis termoeconómicos para esta tipología de instalaciones, que consideren la influencia de todos los parámetros que afectan al rendimiento de la misma, es decir, desde su fase de diseño hasta su fase de explotación, sino que en la mayoría de los casos utilizan la energía geotérmica como elemento climatizador, obteniendo resultados favorables pero sin alcanzar el valor óptimo de eficiencia energética de la instalación.

Adicionalmente, la validación del modelo desarrollado a través de los resultados reales obtenidos en la instalación experimental, permite garantizar que los análisis y conclusiones desarrollados en esta tesis doctoral, gocen del rigor científico necesario.Con esta premisa de partida, podemos garantizar que nuestra instalación cumple con la normativa definida en el Código Técnico de la Edificación, en cuanto a criterios térmicos, lo cual queda plasmado a través de la obtención del certificado de calificación energética.

Esta tesis no sólo analiza las instalaciones de nueva creación bajo estos criterios, sino que además este tipo de tecnología puede ser utilizada en edificios ya construidos, que si bien tendrán menores rendimientos térmicos por las características de la envolvente, permitirán mejorar la eficiencia energética y medioambiental.

De la revisión bibliográfica efectuada se desprende que durante los últimos años, han evolucionado y se han desarrollado nuevas tecnologías en cuanto a los intercambiadores de calor, bombas geotérmicas y sistemas de transporte de energía. De ese modo, el primer objetivo será el estudio de esas tecnologías, los componentes de la misma, así como la realización de los cálculos térmicos de cada componente y el global de la instalación.

Una vez cubierto lo anterior, el siguiente objetivo es el desarrollo del modelo de simulación y su posterior validación, que permitirá analizar el comportamiento termoeconómico de la instalación objeto, para que con los diferentes resultados obtenidos, podamos determinar la viabilidad de la misma. Finalmente, se plasmarán las conclusiones de esta investigación en función de los resultados obtenidos, así como las posibles mejoras a realizar en el futuro y que permitirán alcanzar un grado de eficiencia superior al actual.

[EN[The interest in renewable energy and in particular geothermal energy has increased considerably due to factors related to energy dependence, production costs and the urgent need to search for alternative energies that limit the use of fossil fuels and therefore reduce the emissions to the atmosphere. One of the Building regulations in the European Union about this is the publication of the Directive 2012/21/UE to encourage energy efficiency in buildings, which are responsible for 40% of the energy consumption in Europe. This Directive maintains a procedure and minimum demands that building must achieved, existing and new buildings, and the facilities to get it. That is why geothermal energy becomes one of the strategic mechanisms that can respond partially to the energy problem in Spain, allowing better use of available resources, an environmental awareness and ultimately reduce dependence on foreign energy all supported by the maturity of the technology used, the simplicity of installation and discrete generation costs. The first phase consisted on the construction of the experimental facility under the premise of being a sustainable energy system and environmentally, and monitorable, with the aim of providing actual performance data to validate the simulation model developed. In the second phase, a thorough investigation on the use of geothermal energy as the primary source in air-conditioning systems is performed by analyzing each of the constituent elements from the point of heat, economically and environmental. In addition, a detailed description of the experimental installation is describing each of the systems and equipment that compose it. The third phase corresponds to the simulation system itself, where energy plus is selected as calculation engine. It describes the characterization and behavior of our system by programming model is implemented energy plus. At the same time a new methodology was developed allowing simulating such facilities globally, that is, considering the influence of factors related to the building envelope, the behavior of installed equipment and indoor and outdoor environmental conditions. In this period, developed model validation is performed by taking the data recorded in our facility as reference values a gainst the results of the simulation process and analyzing the accuracy of the model against reality. Finally, the thermoeconomic analysis of premises is performed, from the point of thermal, environmental and economic terms, which will allow us to analyze the overall performance of the system and its positioning in the comparison made with other sources of energy available in the market. In addition, the final conclusions and future work for this type of facilities will be established.