Modelado y calibración de sistemas energéticos térmicos mediante herramientas de simulación transitoria y algoritmos de optimización

Resumen

Cada vez más, la eficiencia energética preocupa y afecta a todos los sectores. Esta preocupación está vinculada a la reducción de emisiones contaminantes y a la disminución del consumo energético y, consecuentemente, al ahorro económico. Para conseguir que un sistema energético trabaje de una manera eficiente, es necesario realizar un estudio previo. Durante este estudio es preciso analizar su comportamiento, profundizar en las leyes que rigen su evolución en el tiempo e investigar la influencia de la variación de las condiciones de contorno. Cuando el comportamiento del sistema se encuentre perfectamente definido, sería posible analizar la puesta en práctica de posibles medidas o modificaciones que optimicen su funcionamiento y, de esta manera, conseguir un incremento de la eficiencia energética. Las principales contribuciones científicas de esta tesis se centran en el diseño, implementación y contraste de una metodología para el desarrollo de modelos energéticos que simulen el comportamiento térmico transitorio de diferentes sistemas. Para ello la tesis se ha apoyado en la utilización de diferentes programas: Un programa de simulación energética transitoria combinado con un programa de optimización que han facilitado la confección y la calibración de dichos modelos. Además, el trabajo se ha focalizado en el desarrollo de modelos de utilidad en edificaciones dado que este campo de aplicación representa un elevado consumo de energía dentro del actual panorama energético y tiene un suficiente recorrido. Este documento se puede dividir en tres grandes apartados que han dado lugar a cuatro artículos: o En una primera parte de la tesis se describe el proceso de confección de un modelo energético de una edificación junto con su sistema de climatización. En este trabajo se destaca la importancia de la obtención de información experimental con la que contrastar los resultados simulados y de esta manera poder validar los modelos. Esta metodología se ha aplicado exitosamente en el edificio que actualmente da servicio de biblioteca a la facultad de ciencias de la Universidad de Vigo. Para la validación de dicho modelo se han utilizado los estándares propuestos por ASHRAE y adoptados por EVO. Este primer estudio dio lugar al primer artículo presentado en esta tesis. o Dentro de esta primera parte se ha profundizado en esta línea y se han recopilado nuevos datos experimentales con menor frecuencia temporal con el objetivo de contrastar y validar el inestable régimen transitorio de determinadas partes del sistema condicionado por la alta capacidad de la bomba de calor y la baja inercia del circuito de impulsión. Este nuevo análisis se ha combinado con la utilización de un nuevo proceso de calibración por partes donde los diferentes componentes del sistema se han agrupado atendiendo al subsistema al que pertenecen y se han calibrado durante la época del año más acorde. Mediante esta calibración por partes se han conseguido mejores resultados reduciendo los errores mensuales y obteniendo unos errores horarios de la energía consumida y de la temperatura de las distintas zonas térmicas muy por debajo de los estándares de calibración. o En la segunda parte del documento y utilizando la misma metodología de trabajo, se ha modelado un sistema de cogeneración basado en tecnología Stirling combinando componentes de la librería del programa de simulación transitoria TRNSYS y calibrando los parámetros de funcionamiento del sistema mediante el software GenOpt hasta obtener un CV(RMSE) de la potencia obtenida y de las principales temperaturas de operación lo suficientemente reducido. El contraste experimental se ha realizado para distintas temperaturas de funcionamiento demostrando la validez del modelo térmico. Una vez calibrado el modelo, se proponen distintas combinaciones que permiten la variación de los ratios de potencia y energía térmica atendiendo a las necesidades del usuario final. o Como tercera parte y parte final del trabajo se resalta la utilidad del programa de simulación TRNSYS en combinación con los algoritmos implementados en el software de optimización GenOpt como herramientas de apoyo en la enseñanza superior. La utilización conjunta de ambos programas permite la simulación y la realización de estudios paramétricos o de optimización que permiten profundizar en el análisis del comportamiento transitorio de edificaciones así como de los distintos sistemas de climatización o de microcogeneración que los acondicionan y alimentan. De esta manera los estudiantes pueden profundizar en el estudio del comportamiento de diferentes sistemas contrastando las distintas leyes estudiadas. Mediante el presente documento se demuestra que compaginando diferentes herramientas con la metodología de trabajo adecuada, combinado con el contraste con datos experimentales, permite obtener modelos térmicos lo suficientemente precisos que nos aseguren su validez así como los resultados que de ellos se puedan derivar. También se demuestra cómo modificaciones en dichos modelos energéticos térmicos pueden derivar en el aumento de la eficiencia energética del sistema así como en la variación de la potencia eléctrica o térmica de salida.