optimización del funcionamiento de un módulo acumulador junto

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.
2
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].
3
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
4
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.
5
⎯
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.
6
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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