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

Resumen

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 energía 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.