Caracterización térmica y optimización de las estrategias de operación de vigas frías activas en sistemas de climatización de edificios
- Autores: José Luis González Espín
- Directores de la Tesis: Alberto Coronas Salcedo (dir. tes.), José Manuel Cejudo López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Pinazo Ojer (presid.), Juan Prieto González (secret.), Fernando Domínguez Muñoz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Termodinámica de Fluidos por la Universidad de Burgos; la Universidad de Santiago de Compostela; la Universidad de Valladolid y la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Las nuevas políticas de ahorro energético en edificios han promovido la construcción de edificios cada vez más sostenibles debido, en gran medida, a la reducción de sus necesidades energéticas. Dentro de este nuevo escenario, la tecnología de Vigas Frías Activas (VFA) debería ocupar una mayor cuota de mercado, puesto que suponen una buena alternativa a los sistemas de climatización todo-aire y los ventiloconvectores (FC). En comparación con estas tecnologías de climatización, las instalaciones de VFA ofrecen importantes beneficios en términos de eficiencia energética y niveles de confort. Sin embargo, este crecimiento en el nivel de ventas no se ha llegado a producir debido en gran parte, a la dificultad que presenta la selección de un control de condensación eficaz.
El objetivo principal de esta tesis doctoral es profundizar en el conocimiento de las prestaciones, modelado y control de las instalaciones de VFA, con el fin de mejorar la competitividad de esta tecnología. De esta forma, se abarcan dos aspectos críticos para el futuro de los sistemas de VFA: (1) Optimización del control de condensación del sistema de climatización en el cual se integra la VFA; y (2) Comparación de sus prestaciones con tecnologías alternativas.
La presente tesis doctoral contiene todas las fases necesarias para el desarrollo, y validación de un nuevo modelo numérico del comportamiento térmico de las unidades de VFA, así como su posterior adaptación como nuevo componente de un programa de simulación térmica de sistemas de climatización de edificios. En primer lugar, se presenta el estado del arte de la tecnología de VFA desde tres puntos de vista diferentes: (1) Revisión de los modelos de transferencia de calor y cálculo de aire inducido en VFA; (2) Análisis de los estudios de prevención de condensación en instalaciones de VFA; y (3) Comparación de las prestaciones de las instalaciones de VFA y FC. De este estudio se concluye que los modelos numéricos encontrados en la literatura utilizan correlaciones válidas en rangos de números de Reynolds que no se dan en las vigas frías ensayadas. En este sentido, ha sido necesario validar experimentalmente una correlación del coeficiente de transferencia de calor por convección del lado aire. Para ello, se han utilizado tres de los tipos de VFA más comúnmente utilizados, de 1, 2 y 4 vías de impulsión de aire. En los tres casos, las correlaciones del coeficiente de transferencia de calor por convección del lado aire se han obtenido con un coeficiente de correlación comprendido entre 0.92 y 0.99. Además, una vez obtenidas las correlaciones para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección del lado aire, se ha comprobado que el modelo numérico propuesto calcula con gran exactitud las potencias térmicas de la VFA bajo un amplio rango de condiciones de operación.
A diferencia de los actuales componentes de VFA utilizados en los programas de simulación térmica de sistemas de climatización, el modelo propuesto en la presente tesis doctoral es capaz de analizar el riesgo de condensación, y aplicar las medidas correctoras necesarias en función de la estrategia de condensación definida por el usuario. En concreto, se han definido tres estrategias de condensación en el modelo, cuyas peculiaridades de control se analizan ampliamente. De estas estrategias, la utilización de sensores de condensación para anular el circuito de agua, y el control centralizado de la temperatura de impulsión de aire primario, son comúnmente utilizadas en las instalaciones. En cambio, el control distribuido de la temperatura de entrada de agua en la batería de la VFA es menos conocido. A diferencia del resto de sistemas, este sistema utiliza una válvula de 3 vías, y un grupo de bombeo por sala. Así, aprovechando la mayor temperatura del agua de retorno de las VFA, se consigue aumentar la temperatura de entrada de agua en las VFA, hasta una temperatura que evite el riesgo de condensación.
Mediante simulaciones dinámicas anuales, la presente tesis doctoral muestra que el sistema de prevención de condensación comúnmente utilizado, puede dar lugar a un elevado número de horas de disconfort térmico. Para ello, se implementan modelos matemáticos pseudo-estacionarios del sistema completo (VFA, climatizadora y producción térmica), adecuados para estimar el consumo horario para un año tipo completo. Con estos modelos se comparan diseños alternativos del sistema de control de condensación en VFA. Finalmente, se compara el consumo eléctrico de instalaciones de VFA con otras de ventiloconvectores. Aunque existen algunos estudios previos en este sentido, sus resultados no han sido contrastados. Este estudio se ha llevado a cabo en diferentes aplicaciones y climas de España, con el fin de determinar las prestaciones de cada tecnología, e identificar nichos de mercado en los que el sistema de VFA puede seguir expandiéndose.
