V Jornadas Nacionales de Ingeniería Termodinámica Junio 2007, Vigo Actas del Congreso en CD (Editor: J. L. Miguez et al.)

OPTIMIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UN MÓDULO ACUMULADOR JUNTO CON UN SISTEMA CONVENCIONAL EN BASE A LOS COSTES ANUALES Ana Lázaro, Miguel Ángel Lozano, Belén Zalba, Pablo Dolado, José Mª Marín Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón. I3A Grupo de Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos. GITSE Dpto. Ingeniería Mecánica. Área de Máquinas y Motores Térmicos. Universidad de Zaragoza. Campus Politécnico Río Ebro. Edificio ”Agustín de Betancourt”, María de Luna s/n. 50018 Zaragoza Teléfono: 976762567, Fax: 976762616 e-mail: [email protected]

RESUMEN En este trabajo se presenta una metodología propuesta para analizar el funcionamiento de un sistema de almacenamiento térmico basado en materiales de cambio de fase con un sistema convencional de refrigeración. El sistema de acumulación para almacenamiento diario, en el que la carga (solidificación) se realiza con aire exterior en horario nocturno y la descarga (fusión) se realiza con aire del interior del edificio. Se plantea la optimización de la distribución de cargas entre el sistema convencional y el acumulador, así como el proceso de carga del acumulador, en función de la suma de los costes de operación y de la inversión inicial. Se ha realizado un análisis de las zonas climáticas de España en las que este tipo de sistemas tendrían un mayor potencial, basándose en las oscilaciones medias diarias en los meses de verano. Se ha desarrollado un modelo del sistema con el programa LINGO, en el que se han introducido los modelos del acumulador y del sistema convencional (con 4 potencias frigoríficas diferentes) que permite decidir la potencia a instalar del equipo convencional y la distribución horaria de las cargas entre el acumulador y el sistema convencional. 1. Introducción Las aplicaciones de materiales de cambio de fase (PCM) en edificios y su contribución a la eficiencia energética están siendo estudiadas y algunas de ellas comienzan a comercializarse. En este trabajo, se estudia la potencial aplicación de PCM con temperaturas de cambio de fase próximas a la temperatura de confort como sistema de almacenamiento térmico de energía que opera entre la temperatura nocturna del exterior, mediante la cual se carga, y la temperatura diurna del interior del local, mediante la que se descarga como sistema de apoyo al equipo convencional de refrigeración [Zalba, 2004]. Zonas Climáticas. Debido a la necesidad de que existan variaciones de temperatura diarias para la correcta operación de estos sistemas, se ha realizado una revisión de las zonas climáticas en España en las que este tipo de sistemas presenta un mayor potencial. En la figura 1 se muestra como ejemplo la evolución diaria de la temperatura en Madrid en un día representativo del mes de julio.

1

Madrid, julio 34

Temperatura Ambiente [ºC]

32 30 28 26 24

18,27ºC

22 20 18 16 14

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00

Tiempo [hh:mm]

Figura 1. Evolución diaria de temperatura exterior en Madrid en el mes de julio. Debido a que la variable principal que influirá en los sistemas a estudiar es la temperatura exterior, la clasificación en zonas climáticas de las ciudades españolas que se ha escogido y los observatorios representativos de cada zona son los empleados por MoralCarcedo y Vicéns-Otero [Moral-Carcedo y Vicéns-Otero, 2005] para el estudio de la relación entre demanda de energía eléctrica y la temperatura exterior. En este estudio se plantean 7 zonas climáticas en función de los valores medios de temperatura diarios. Estas zonas se muestran en la tabla 1. Zona Z1: Albacete, Ciudad Real, Lleida, Toledo, Granada, Zaragoza y Madrid. Z2: Alicante, Castellón, Valencia, Murcia, Almería. Z3: Ávila, Burgos, León, Palencia, Soria, Álava, Cuenca, Guadalajara, Huesca, Logroño, Navarra, Salamanca, Segovia, Teruel, Valladolid, Zamora. Z4: Badajoz, Jaén, Cáceres, Sevilla, Córdoba.

Z5: Lugo, Coruña, Orense, Pontevedra, Santander, Guipúzcoa, Oviedo, Vizcaya. Z6: Girona, Tarragona, Barcelona.

Z7: Cádiz, Huelva, Málaga.

Observatorio representativo MADRID (BARAJAS), Altitud (m): 582 Latitud: 40 27 15 Longitud: 03 32 39 VALENCIA, Altitud (m): 11 Latitud: 39 28 48 Longitud: 0 22 52 VALLADOLID (VILLANUBLA), Altitud (m): 845 Latitud: 41 42 00 Longitud: 4 51 00 SEVILLA (AEROPUERTO), Altitud (m): 26 Latitud: 37 25 26 Longitud: 5 54 13 BILBAO (AEROPUERTO DE SONDICA), Altitud (m): 34 Latitud: 43 18 10 Longitud: 2 55 31 BARCELONA (AEROPUERTO PRAT DE LLOBREGAT) Altitud (m): 6 Latitud: 41 17 49 Longitud: -2 04 39 MÁLAGA (AEROPUERTO), Altitud (m): 7 Latitud: 36 40 00 Longitud: 4 29 17

Tabla 1: Zonas climáticas en base a las variaciones de temperatura exterior [MoralCarcedo y Vicéns-Otero, 2005] Partiendo de los valores normales de temperatura máxima y mínima mensual dados por el Instituto Nacional de Meteorología para el periodo de observación de 1971-2000 de los observatorios representativos de las 7 zonas se ha calculado la oscilación térmica correspondiente como diferencia entre la máxima y la mínima.

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La figura 2 muestra la comparación entre estos valores para los meses del año en cada uno de los observatorios.

Figura 2: Oscilaciones térmicas calculadas como diferencia entre las medias mensuales de las temperaturas máximas y mínimas. Como se observa en la figura 2, claramente se distinguen dos tendencias: una en la que la oscilación térmica es aproximadamente constante durante todo el año, correspondiendo con las zonas costeras, y otra en la que se observa un pico en los meses de verano con valores mayores de oscilación térmica en zonas del interior. Esta segunda tendencia es la que siguen las zonas Z1 (Madrid), Z3 (Valladolid) y Z4 (Sevilla). Estas zonas presentan oscilaciones térmicas por encima de los 12 ºC durante los meses de mayo, junio, julio, agosto y septiembre. Estas tres zonas representan un peso total de 0.454 atendiendo a la población según el censo de 2001 [Moral-Carcedo y Vicéns-Otero, 2005]. Caso de estudio Como aplicación concreta se plantea un local de oficinas con una superficie de 100 m2. Se han realizado los cálculos de máxima demanda mediante el método simplificado [Pinazo, 1995]. Para la obtención de la demanda horaria se ha empleado TRNSYS. Algunas condiciones tomadas en cuenta en esta simulación han sido: temperatura de confort: 25 ºC y Horario: Lunes a Viernes de 8:00-18:00. La figura 3 muestra la demanda de frío horaria desde mayo hasta septiembre obtenidas mediante la simulación con TRNSYS del local descrito en Madrid. Las líneas rectas representan la potencia frigorífica de diseño calculada para el percentil 1% según las condiciones climáticas dadas en la norma [UNE 100001].

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Figura 3: Demanda de frío obtenida de la simulación con TRNSYS y potencia frigorífica de diseño calculada con el percentil 1% para Madrid. Sistemas disponibles • Sistema Convencional (Conv) Como sistema convencional se ha escogido un sistema de refrigeración aire-aire sólo frío. Dentro de esta gama existen modelos de potencias frigoríficas desde 6 kW a 15.3 kW. El fabricante da valores de potencia frigorífica total y Potencia absorbida por el compresor y los ventiladores en función del caudal, la temperatura exterior, la temperatura interior y la humedad relativa. Estos son lo valores que se han empleado para calcular las capacidades frigoríficas y las potencias absorbidas de los diferentes puntos de operación empleados en este estudio. Los precios son los suministrados por el fabricante. •

Sistema de Free-Cooling con Almacenamiento Térmico de Energía con Materiales de Cambio De Fase (PCM) El sistema de acumulación térmica con materiales de cambio de fase se basa en cargar el acumulador (solidificar el PCM) durante los periodos de bajas temperaturas diarias, generalmente durante la noche, para descargar (fundir el PCM) durante los periodos de altas temperaturas diarias cuando la demanda de frío es mayor. Por ello se plantean las siguientes restricciones: 1. El acumulador debe cargarse completamente por la noche. Esta restricción es debida a que se trata de un almacenamiento térmico diario por lo que el ciclo de carga y descarga se debe completar como máximo en 24 horas. 2. El diseño del acumulador debe ser tal que pueda situarse en el falso techo. Las dimensiones de este falso techo son: 0.35 m de altura, y 100 m2 de superficie. Opcionalmente, se plantea la posibilidad de cargar el acumulador con aire enfriado con el sistema convencional aprovechando las tarifas nocturnas. En función de la aplicación en la que nos encontremos las temperaturas requeridas y la carga térmica a combatir será diferente. En este caso planteamos que se trata de una superficie de oficinas. Configuración de la combinación de sistemas: La combinación de los dos sistemas descritos se puede plantear de diferentes formas. En este trabajo, se plantea su operación en paralelo. Ambos sistemas y su operación son

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independientes el uno del otro. La estrategia de operación de los dos, será la que determine el funcionamiento óptimo de ambos sistemas combinados. La figura 4 muestra un esquema simplificado de la instalación que se plantea. Máquina convencional

Local Temperatura consigna: 25ºC

Q& Ambiente Temperatura exterior (t)

Modo Carga

Modo Descarga

Equipo acumulación PCM

Figura 4: Esquema de la instalación y configuración del sistema de frío convencional y el equipo de almacenamiento con PCM. 2. Modelo Datos de entrada Debido a que este trabajo tiene como objetivo un primer estudio de la aplicación del Free-cooling con PCM y la optimización de su operación, para facilitar las labores de cálculo del modelo, únicamente se emplean días tipo de los meses de mayo, junio, julio, agosto y septiembre. Para escoger estos días tipo, se ha analizado la demanda de frío obtenida con TRNSYS para todos los días de cada mes, se ha calculado la media y se ha seleccionado el día del mes con una demanda más próxima a la media. Esta operación se ha realizado con las siete ciudades. De esta forma, los datos de entrada del modelo para cada ciudad son los valores horarios de demanda de frío y temperatura exterior de los 5 días. Sistemas disponibles • Sistema Convencional (Conv) Como se ha explicado anteriormente para el equipo convencional, se dispone de los datos de 4 máquinas con potencias frigoríficas entre 6 kW a 15.3 kW. En el modelo se han introducido las funciones correspondientes a la variación de la capacidad frigorífica y del coeficiente de operación con la temperatura exterior cuando trabajan a una temperatura interior de 25 ºC (temperatura de consigna en el local empleada para la obtención de la demanda horaria). •

Sistema de Free-Cooling con Almacenamiento Térmico de Energía con Materiales de Cambio De Fase (PCM) Para el cálculo de la potencia cargada y descargada del acumulador, se ha introducido un modelo simple del acumulador, como un intercambiador de calor en el que las resistencias a la transferencia de calor son: ⎯ Convección forzada entre la placa y el aire. El coeficiente de convección forzada se calcula a partir de la geometría del acumulador. ⎯ Conducción de calor a través de la pared del encapsulado del PCM, en este caso de aluminio y de un espesor de 0.1cm.

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⎯

Conducción de calor a través del PCM sólido, cuyo espesor varía en función del grado de carga en el que se encuentre. El área de intercambio es la superficie de las placas en contacto con el aire y la diferencia de temperaturas se calcula como la media logarítmica de la disponible en cada momento (constante para la descarga e igual a 25- temperatura de cambio de fase y variable en la carga e igual a Temperatura exterior – temperatura de cambio de fase) y la mínima diferencia entre el aire a la salida y el PCM que se considera 0.5 ºC. Debido a que el almacenamiento térmico de energía se realiza a una temperatura diferente a la ambiente, se produce una pérdida de esta energía almacenada. Estas pérdidas se definen a partir del coeficiente de perdidas existente en el modelo. La potencia absorbida por el ventilador es la dada por el fabricante y se emplea para calcular el consumo eléctrico asociado al funcionamiento del acumulador tanto en carga como descarga. Restricciones Adicionalmente a las implícitas en los modelos físicos de los sistemas, se han impuesto al modelo las restricciones siguientes: no puede instalarse más de una máquina convencional y el acumulador debe tener el mismo grado de carga al final del día que tenía al comienzo del mismo. Operación Se ha impuesto la condición de que la demanda se debe satisfacer en todos los periodos. De esta forma, la operación se calcula para cada uno de los periodos horarios, estableciéndose un factor de utilización para cada sistema en cada periodo horario. Se permite así, que el funcionamiento no sea constante en todo el periodo y estos factores de utilización indican el porcentaje de tiempo de cada periodo horario en el que un sistema funciona. Función objetivo Como función objetivo se establece el minimizar los costes anuales. Los costes anuales se obtienen como resultado de la suma de los costes fijos y los variables. Costes fijos: Los costes fijos los componen los que se derivan de la inversión inicial de los equipos y el término de potencia del coste de la electricidad. El término de potencia del precio de la electricidad es 1.538801 €/kW mes. [RD 809/2006] Costes variables: El precio de la energía eléctrica en España es: 0.089807 €/kWh energía consumida durante el día y 0.040725 €/kWh energía consumida durante la noche [RD 809/2006]. Este precio es el que se aplica para calcular los costes debidos a la potencia absorbida durante la operación de cada sistema en cada uno de los periodos horarios.

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3. Resultados En el caso de Madrid, la aplicación del modelo descrito tiene como resultados los descritos a continuación y que se resume en la tabla 2. Solución convencional (Costes):

Solución con acumulador (Costes):

TOTAL

633.77 €

TOTAL

764.91 €

FIJO

394.72 €

FIJO

567.95 €

VARIABLE 239.05 €

VARIABLE 196.95 €

Instala máquina: RSJ-55Z (11.8 kW) Instala máquina: RSJ-45Z (9,3kW) Tabla 2: Resumen de los resultados obtenidos para Madrid. Solución convencional:

Solución con acumulador: Coste variable

Convencional

0,42

24

20 0,30

16

0,24

14 12

0,18

10 8

0,12

6 4

Convencional PCMdescarga PCMcarga

0,30

8

0,24

6

0,18

4

0,12

2

0,06

Coste horario [ €]

18

Coste horario [ €]

Q utilizados [kWh]

0,36

Q utilizados [kWh]

10

22

0,36

12

26

0,06

2

0

0 mayo 24:00

junio 24:00

julio 24:00

agosto 24:00

0,00 septiembre 24:00

Figura 5: resultados para operación del sistema convencional.

mayo 24:00

junio 24:00

julio 24:00

0,00 agosto 24:00 septiembre 24:00

Figura 6: resultados para operación del sistema convencional combinado con el equipo de almacenamiento con PCM.

Las figuras 5 y 6 muestran la operación de los sistemas para cubrir la demanda horaria de frío. Se puede comprobar que la potencia de frío convencional requerida es menor en el caso en el que se cuenta también con el equipo acumulador. Las temperaturas nocturnas permiten que la carga se realice en periodos cortos. 0,010 0,009 0,008

Espesor [m]

0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 mayo 24:00

junio 24:00

julio 24:00

agosto 24:00

septiembre 24:00

Figura 7: Evolución horaria del espesor de PCM en fase sólida (Espesor= 0.01, Acumulador 100% cargado).

7

En la figura 7, el espesor del PCM en fase sólida indica el grado de carga del acumulador. Se comprueba que el acumulador no se carga al 100% en ningún momento. La disminución del espesor en horas valle es debido a las pérdidas que se producen entre el acumulador y el ambiente. 4. Conclusiones Se ha realizado un estudio del potencial de aplicación de sistemas de almacenamiento térmico de energía diario para aplicaciones de climatización, especialmente, la refrigeración gratuita con materiales de cambio de fase. De este estudio, se concluye que existen zonas de España en el que están especialmente indicados debido a las oscilaciones térmicas diarias que se producen en los meses de verano y que permiten la carga nocturna de los equipos de almacenamiento térmico de energía con PCM. Se ha desarrollado un modelo en LINGO que permite el estudio de optimización de la operación de un sistema convencional junto con un sistema de almacenamiento térmico de energía con materiales de cambio de fase. Este modelo permite estudiar la influencia de los parámetros más relevantes en el consumo de energía y en los costes del sistema. En su aplicación, se comprueba que atendiendo únicamente al coste, actualmente, no resulta favorable la combinación de ambos sistemas. Los precios empleados para la el cálculo del coste de inversión en el equipo acumulador son los actuales. Debido a que estos materiales se encuentran en su fase inicial de comercialización, sus precios resultan todavía elevados. Es previsible que dado el ritmo de desarrollo de aplicaciones con materiales de cambio de fase, su precio descienda y haga que este tipo de sistemas sea económicamente competitivo. Sin embargo, de los resultados obtenidos se comprueba que técnicamente este tipo de sistemas favorecen otros aspectos tales como la reducción del consumo de energía eléctrica, especialmente en horas pico en verano o la instalación de máquinas de menor potencia. AGRADECIMIENTOS Al proyecto ENE2005-08256-C02-02 (Ministerio de Educación y Ciencia) por financiar parcialmente este trabajo. REFERENCIAS Moral-Carcedo J., Vicéns-Otero J. (2005), Modelling the non-linear response of spanish electricity demand to temperature variations, Energy Economics, 27, 477-494. Norma UNE 100001. Climatización: condiciones climáticas para proyectos. Pinazo J.M. (1995) Manual de Climatización Tomo II: Cargas Térmicas. Servicio de Publicaciones Universidad Politécnica de Valencia, Valencia. REAL DECRETO 809/2006, BOE núm. 156, 1 julio 2006. Zalba B., Marín J.M., Cabeza L.F., Mehling H. (2004), Free-cooling of buildings with phase change materials, International Journal of Refrigeration, 27, 839-849.

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