Repositorio Institucional de Documentos

C ENTRE T ECHNIQUE DES I NDUSTRIES A ÉRAULIQUES ET T HERMIQUES Domaine Scientifique de la Doua - 25, avenue des Arts - BP 52042 - 69603 Villeurbanne Cedex - France Tél. +33 (0)4 72 44 49 00 - Fax. +33 (0)4 72 44 49 49 - www.cetiat.fr - Email : commer[email protected] Livraisons : Domaine Scientifique de la Doua - 54, avenue Niels Bohr - 69100 Villeurbanne Siret 775 686 967 00024 - Ape 7219 Z Proyecto Fin de Carrera Desarrollo de herramientas de simulación de sistemas híbridos de generación de energía para una casa unifamiliar Autor: Pedro Jorquera Ferrat Director: Julien Heintz Chef de projets, CETIAT Ponente: Jesús Guallar Paracuellos Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Zaragoza Escuela de Ingeniería y Arquitectura INGENIERÍA QUÍMICA Zaragoza, diciembre 2013 I R E S U M E N Resumen Desarrollo de herramientas de simulación de sistemas híbridos de generación de energía para una casa unifamiliar En un contexto en el cual la energía es cada vez más cara, los sistemas que permiten la calefacción, la producción de agua caliente sanitaria y la ventilación cuyo objetivo es reducir el consumo, toman más y más importancia. Es en esta situación que numerosos industriales buscan soluciones que mejoren el rendimiento de sus productos. Este proyecto fin de carrera ha sido llevado a cabo en colaboración con CETIAT, centro técnico de estudios termodinámicos situado en Lyon, Francia. El objetivo principal es el de desarrollar tres herramientas independientes de simulación de tres sistemas de generación de energía: calderas híbridas, bombas de calor con colectores solares y aparatos multifunción. Para esto, una unidad de control ha sido creada utilizando técnicas de programación orientada a objetos, lo cual ha permitido generalizar los sistemas a controlar y así utilizar las mismas rutinas para cada uno de los aparatos simulados. En este documento se presentan los diferentes sistemas objetivo, detallando su principio de funcionamiento y mencionando productos que se encuentran en el mercado francés. Posteriormente, se describen los conceptos aplicados para crear las herramientas de simulación en BOOST, el cual es utilizado por los clientes de CETIAT con propósitos de R&D. Finalmente, se lleva a cabo un estudio comparativo de diferentes soluciones utilizando las herramientas desarrolladas en este proyecto. Este estudio demuestra que la integración de diferentes fuentes de energía, en particular la energía solar, junto con un sistema de control inteligente, es la clave para reducir el consumo de energía sin sacrificar el confort. II A G R A D E C I M I E N T O S Agradecimientos En primer lugar, agradezco al centro técnico CETIAT por haberme dado la oportunidad de desarrollarme como profesional en el ámbito de las energías y de la simulación. Mencionar especialmente a Julien Heintz por su confianza y apoyo constante antes, durante y después del proyecto. A mi director, Jesús Guallar, por su interés y ser un guía en todo momento. En especial a mi familia y a mis amigos que gracias a su insistencia y persistencia he logrado llegar donde estoy hoy en día. A todos vosotros. Muchas gracias. III TABLA DE CONTENIDOS Resumen ................................................................................................................................. I Agradecimientos .................................................................................................................... II Índice de Figuras ................................................................................................................... V Índice de Tablas ................................................................................................................. VII 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 1.1. Contexto del proyecto ................................................................................................. 1 1.2. Objetivos ..................................................................................................................... 2 1.2.1. Objetivos generales ......................................................................................... 2 1.2.2. Objetivos particulares ..................................................................................... 3 1.3. Alcance del proyecto .................................................................................................. 4 1.4. Contenido de la memoria ............................................................................................ 4 2. LOS SISTEMAS HÍBRIDOS ......................................................................................... 7 2.1. Caldera híbrida ........................................................................................................... 7 2.1.1. Estudio de mercado......................................................................................... 8 2.1.2. Principio de funcionamiento ........................................................................... 9 2.2. Aparato Multifunción ............................................................................................... 12 2.2.1. Estudio de mercado....................................................................................... 13 2.2.2. Principio de funcionamiento ......................................................................... 14 2.3. Acoplamiento bomba de calor-colector solar ........................................................... 15 2.3.1. Estudio de mercado....................................................................................... 16 2.3.2. Principio de funcionamiento ......................................................................... 17 3. PROGRAMACIÓN ...................................................................................................... 19 3.1. BOOST ..................................................................................................................... 19 3.1.1. Módulos y Metamódulos .............................................................................. 19 3.1.2. Las alternativas a BOOST ............................................................................ 22 3.1.3. La programación ........................................................................................... 22 3.2. Bases del modelo desarrollado ................................................................................. 23 3.2.1. Definición de conceptos ............................................................................... 23 3.2.2. Hipótesis ....................................................................................................... 24 3.3. Abstracción del sistema ............................................................................................ 25 3.4. Descripción en detalle de las variables del vector de estado .................................... 27 3.5. Descripción de la estructura interna del módulo de control genérico ...................... 27 3.6. La configuración del sistema .................................................................................... 28 IV 4. LOS METAMÓDULOS ............................................................................................... 31 4.1. Caldera Híbrida – CHYBMS .................................................................................... 32 4.1.1. Conexión de módulos ................................................................................... 32 4.1.2. Datos de entrada ........................................................................................... 32 4.1.3. Datos de salida .............................................................................................. 34 4.2. Aparato Multifunción – MULTIF ............................................................................ 34 4.2.1. Conexión de módulos ................................................................................... 34 4.2.2. Datos de entrada ........................................................................................... 35 4.2.3. Datos de salida .............................................................................................. 36 4.3. Acoplamiento solar térmico-bomba de calor - SOLPAC ......................................... 37 4.3.1. Conexión de módulos ................................................................................... 37 4.3.2. Datos de entrada ........................................................................................... 38 4.3.3. Datos de salida .............................................................................................. 39 5. CASOS DE ESTUDIO - RESULTADOS .................................................................... 41 5.1. Caldera híbrida ......................................................................................................... 41 5.2. Aparato Multifunción ............................................................................................... 43 5.3. Acoplamiento bomba de calor y colector solar ........................................................ 45 5.4. Comparación de diferentes generadores – cálculo anual ......................................... 47 6. SÍNTESIS Y CONCLUSIONES .................................................................................. 49 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 51 ANEXO 1 - Árboles lógicos de control de Caldera Híbrida............................................. 53 ANEXO 2 - Descripción en detalle de las funciones de RGN13...................................... 57 ANEXO 3 - Datos de entrada para los casos de estudio ................................................... 61 ANEXO 4 - Datos de entrada para las simulaciones anuales ........................................... 65 ANEXO 5 - Ficha de evaluación de las prácticas ............................................................. 71 V Índice de Figuras Figura 1 – fachada de CETIAT Figura 2 – esquema de una caldera híbrida acoplada a un tanque de agua caliente sanitaria (AFS: agua fría sanitaria). Figura 3 – calderas híbridas disponibles en el mercado. Fuentes: ELM LEBLANC a la izquierda y ATLANTIC a la derecha. Figura 4 – esquema de bivalencia según temperatura exterior Figura 5 – cálculo de la ley de agua Figura 6 – esquema de un Aparato multifunción [5] Figura 7 – aparato multifunción disponible en el mercado. a) Recuperador de calor, b) controlador, c) bomba de calor, d) aparato completo. Fuente: Aldes. Figura 8 – esquema de un aparato híbrido de bomba de calor y colector solar Figura 9 – componentes principales de un acoplamiento bomba de calor – colecto solar (colector solar, bomba de calor, tanque de agua). Fuente: Sonnenkraft. Producto: Sol+ Figura 10 – captura de pantalla de la interfaz gráfica de un metamódulo en BOOST Figura 11 – conexión entre el tanque de agua caliente y el módulo de control. Figura 12 – representación del proceso de abstracción de un aparato Figura 13 – representación esquemática de un sistema Figura 14 – metamódulo de Caldera Híbrida Figura 15 – parámetros de entrada de caracterización del control Figura 16 – características de la bivalencia Figura 17 – características de la producción de ACS Figura 18 – principales variables de salida del módulo de control genérico Figura 19 – metamódulo de Aparato Multifunción Figura 20 – parámetros de entrada de caracterización del control Figura 21 – datos para el control de la bomba de calor Figura 22 – características en modo calefacción Figura 23 – principales variables de salida del módulo de control genérico en un aparato multifunción VI Figura 24 – metamódulo de Bomba de Calor Solar Híbrida Figura 25 – metamódulo de colector solar con tanque de ACS Figura 26 – parámetros de elección de generador Figura 27 – características del modo ACS Figura 28 – características en modo calefacción Figura 29 – simulación de un día en modo doble servicio Figura 30 – leyenda de las curvas de la Figura 29 Figura 31 – simulación de aparato multifunción en modo doble servicio Figura 32 – leyenda de las curvas de la Figura 31 Figura 34 – simulación de un día de una bomba de calor solar híbrida Figura 35 – leyenda de las curvas de la Figura 34 Figura 36 – metamódulos desarrollados en este PFC VII Índice de Tablas Tabla 1 – módulos unitarios desarrollados en BOOST Tabla 2 – componentes del vector de estado de un sistema Tabla 3 – componentes del vector de estado de una línea Tabla 4 – traducción de los intitulados de los módulos Tabla 5 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor Tabla 6 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor en modo calefacción y ACS Tabla 7 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor en modo calefacción y ACS Tabla 8 – resultados de simulaciones anuales de diferentes configuraciones 7/83 2. LOS SISTEMAS HÍBRIDOS En esta sección se describe en líneas generales el funcionamiento de cada uno de los sistemas objetivo. Esta información es complementada con la presentación de dos ejemplos de sistemas que se encuentran en el mercado francés. Finalmente, se presentan los aspectos que permiten controlar estos sistemas en cada uno de los modos de funcionamiento. 2.1. Caldera híbrida Según[1], se define una Caldera Híbrida como aquel sistema de calefacción y de producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) compuesto de: • Una caldera a condensación a combustibles líquidos o gaseosos, • Una bomba de calor (BC) eléctrica aire exterior/agua, que tenga una potencia nominal útil inferior a 5 kW, • Un sistema de regulación que permita la comunicación entre ambos generadores en función del rendimiento en energía primaria. Es decir, una caldera híbrida es un sistema que combina una caldera (normalmente de gran potencia) con una bomba de calor (ver Figura 2) de pequeña potencia, siendo el conjunto controlado por un sistema de regulación en función del rendimiento en energía primaria. Este último punto hace referencia al rendimiento de la bomba de calor, también denominado COP. El COP se calcula normalmente en energía final. La energía final es aquella que es utilizada por el consumidor final luego de transformaciones a partir de la energía primaria, mientras que la energía primaria es la energía en su forma bruta tal y como se encuentra en la naturaleza [2]. Es decir, la energía final hace referencia a la electricidad mientras que la energía primaria hace referencia al gas. Figura 2 – esquema de una caldera híbrida acoplada a un tanque de agua caliente sanitaria (AFS: agua fría sanitaria). 8/83 El sistema de regulación, para determinar el generador que ha de funcionar, debe comparar el rendimiento de cada uno de los generadores, los cuales han de estar expresados en la misma base: COP en energía primaria. La transformación de COP en energía final en energía primaria se realiza mediante el coeficiente de energía primaria. Este coeficiente de conversión tiene en cuenta el hecho que una fuente de energía primaria tendría que atravesar muchas transformaciones y ser transportada para poder ser consumida como energía final por el consumidor. En Francia, el coeficiente de conversión de energía final (electricidad) en energía primaria (gas) es de 2.58 [3]. Por otra parte, la bomba de calor es un componente fundamental en la mayoría de los aparatos híbridos. Su importancia recae en el hecho que permite generar más energía de la que consume: si, por ejemplo, una bomba de calor tiene un COP de 3, por cada kWh de electricidad que consuma, se obtendrán 3kWh de efecto útil 1 . 2.1.1. Estudio de mercado Un estudio de mercado de calderas híbridas ha sido llevado a cabo por los ingenieros de CETIAT. Este apartado busca resumir los datos más comunes de las calderas híbridas que se pueden encontrar en el mercado. Las características técnicas de las calderas híbridas son: • Funciones aseguradas: calefacción, ACS y ventilación (ciertos productos), • Potencia térmica de la bomba de calor: 2 a 10 kW (con algunos productos hasta 16 kW) 2 , • COP a 7/35°C comprendido entre 3.4 y 4, • Tecnología del compresor de la bomba de calor: Todo o Nada (0 o 100% de la potencia del compresor) o Inverter (Modulación de la potencia del compresor es posible), • Caldera gas a condensación, • Funcionamiento Alternado o en Simultáneo (en serie) de la caldera y la bomba de calor, • Producción de agua caliente sanitaria: en Instantáneo por medio de la caldera o en Acumulación con precalentamiento por la bomba de calor, 1 Este ejemplo es válido cuando la PAC trabaja en las condiciones nominales de temperatura de fuente fría y fuente caliente. 2 Según la normativa francesa [1], sólo los aparatos cuyas bombas de calor tienen una potencia nominal de menos de 5 kW pueden ser denominados como “calderas híbridas”. 9/83 • Regulación según criterios de confort (temperatura interior de la vivienda, temperatura de salida del agua), criterios energéticos (COP de la bomba de calor, temperatura exterior por debajo de la cual se degrada el COP, consumo de energía primaria), criterios económicos (coste medio de energías, coste de la electricidad en tarifa normal o nocturna). • Rango de precios: a partir de 4000€ La Figura 3 muestra dos calderas híbridas del mercado francés. Figura 3 – calderas híbridas disponibles en el mercado. Fuentes: ELM LEBLANC a la izquierda y ATLANTIC a la derecha. 2.1.2. Principio de funcionamiento El funcionamiento de una caldera híbrida depende principalmente del modo de producción de energía: calefacción, producción de ACS o doble servicio (calefacción y ACS). Otro factor influyente es la arquitectura del sistema de producción de ACS: acumulación (mediante tanque) o en instantáneo (intercambiador). Finalmente, un parámetro influyente es el principio de regulación. En la definición de caldera híbrida[1], se tiene en cuenta únicamente el COP de la bomba de calor. Sin embargo, los principios de control de los productos que se encuentran en el mercado y que se implementarán en el módulo de regulación son: • Coste de la energía: si el cociente entre el COP de la bomba de calor y el rendimiento de la caldera expresado en PCS es superior al cociente entre el coste del kWh eléctrico y el kWh de gas, entonces la bomba de calor puede funcionar. • COP en energía primaria: si el COP de la bomba de calor transformado en energía primaria (COP/2.58) es superior a la unidad, entonces la bomba de calor puede funcionar. • Bivalencia clásica: se definen dos umbrales de temperatura exterior que delimitan las zonas de funcionamiento de la BC, BC+caldera o caldera. Como se puede ver en la Figura 4, si la temperatura exterior es superior a la temperatura de bivalencia, la BC 10/83 puede proporcionar toda la energía. Si la temperatura se encuentra entre la temperatura de bivalencia y la temperatura mínima de la BC, las necesidades de energía serán cubiertas por la BC y la caldera en serie o alternadas. Finalmente, si la temperatura es menor que la temperatura mínima, las necesidades de energía son cubiertas por la caldera. Figura 4 – esquema de bivalencia según temperatura exterior Ver el ANEXO 1 - para conocer más en detalle el procedimiento de control de una caldera híbrida. 2.1.2.1.Modo calefacción En modo calefacción, el módulo de regulación comprueba que la temperatura de la vivienda se encuentre sobre la consigna. Para asegurar esto, la caldera híbrida puede arrancar la bomba de calor (BC) y/o la caldera, siendo la bomba de calor el generador de mayor prioridad. La condición de arranque depende del principio de control. El caudal de la caldera híbrida que alimenta al sistema de calefacción queda determinado en función del estado de la BC y de la caldera. Además, la temperatura de consigna a la salida de la caldera viene determinada por la Ley de Agua (ver Figura 1), la cual es una ecuación lineal que permite calcular la temperatura de consigna del flujo a la entrada del emisor de la vivienda. Esta ecuación tiene en cuenta la temperatura exterior, la cual es corregida mediante la máxima y la mínima temperatura de entrada a los emisores y la mínima temperatura exterior. 11/83 Figura 5 – cálculo de la ley de agua 2.1.2.2.Modo producción de ACS Dos formas de producción de agua caliente sanitaria han sido estudiadas en este proyecto: producción instantánea y acumulación. En una caldera híbrida, la producción instantánea de ACS se lleva a cabo normalmente por medio de la caldera y un intercambiador de calor externo. El intercambiador de calor externo es necesario ya que no se debe mezclar el agua del circuito primario (calefacción) con la producción de ACS. En algunas configuraciones, la bomba de calor puede precalentar el caudal que entra en la caldera. Sin embargo, esta solución es, normalmente, poco eficiente. La producción de ACS por acumulación se realiza mediante un tanque de unos 100-300 litros de volumen. La bomba de calor puede intentar cubrir las necesidades de ACS, pero normalmente su potencia no es suficiente, con lo cual la caldera proporciona las calorías restantes. 2.1.2.3.Modo doble servicio En modo doble servicio, la caldera híbrida intentará cubrir tanto las necesidades de calefacción como de ACS cuando éstas se produzcan. Sin embargo, la producción de ACS es prioritaria, es decir, si una demanda simultánea de ACS y calefacción se produce, el sistema intentará proporcionar las calorías necesarias para calentar el agua sanitaria, dejando en un segundo plano las necesidades de calefacción. 12/83 No obstante a lo anterior, existen productos que permiten ambos servicios en paralelo. En este caso, la bomba de calor funciona en modo calefacción mientras que la caldera se encarga del ACS. 2.2. Aparato Multifunción Un Aparato Multifunción es aquel sistema que permite cubrir, además de calefacción y producción de ACS, la ventilación y la refrigeración. Un Aparato Multifunción está compuesto por, al menos, una bomba de calor, la cual está acompañada, normalmente, de resistencias eléctricas de apoyo, tanto para la producción de ACS por acumulación (tanque) como de calefacción (ver Figura 6). Figura 6 – esquema de un Aparato multifunción [5] Estos sistemas han sido concebidos en vista de la evolución actual del consumo energético de las casas y edificios. De hecho, las construcciones nuevas hacen cada vez más hincapié en la disminución del consumo energético por medio de la disminución de las pérdidas de energía así como el favoritismo hacia los aportes gratuitos de energía (utilización de electrodomésticos, aportes solares). Esto conlleva no sólo la reducción de las necesidades de energía, sino que incluso hace necesario a veces el enfriamiento de la casa. En Francia, se pueden utilizar tres etiquetas para caracterizar estos inmuebles de alta eficacia energética [6]: • Casas de Bajo Consumo energético (BBC por sus siglas en francés, Bâtiment de Basse Consommation): consumo energético total de 50 kWhep/m2 de SHON y año (kWhep: kWh de energía primaria como definido en la RT2012 [4]; SHON: superficie habitable) y ventilación de doble flujo de 80% de rendimiento, • Casas Effinergie: consumo energético total de 35 kWhep/m2 de SHON·año y ventilación por doble flujo de rendimiento 90%, 13/83 • Casas pasivas: consumo energético total de 15 kWhep/m2 de SHON·año y ventilación por doble flujo de 90% de rendimiento acoplado a un pozo canadiense 3 . 2.2.1. Estudio de mercado Un estudio de mercado de Aparatos Multifunción ha sido llevado a cabo por los ingenieros de CETIAT en 2011. Este apartado busca resumir las características principales, los rendimientos y las estrategias de regulación de las funciones de calefacción y de producción de ACS de los productos que se pueden encontrar en el mercado. • Funciones aseguradas: producción de ACS, calefacción, ventilación y refrigeración, • Potencia térmica de la bomba de calor: 1 a 1.8 kW en calefacción, 1.5k a 2.1kW en ACS, • Bomba de calor sobre el aire extraído con condensador en serie o en paralelo 4 : aire/aire para calefacción y aire/agua para ACS, • COP comprendido entre 3.4 y 5, • Tecnología del compresor de la bomba de calor: Todo o Nada (0 o 100% de la potencia del compresor) o Inverter (Modulación de la potencia del compresor es posible), • Recuperador de calor: intercambiador de calor aire/aire que permite recuperar las calorías del aire extraído por ventilación para aportarlas al flujo de aire exterior que será insuflado en la vivienda. Rendimiento de 78 a 93%, • Tanque de acumulación de 200 a 300 litros de volumen, calentado por la bomba de calor y una resistencia eléctrica sumergida en el tanque de 2kW, • Calefacción por vector aire: bomba de calor aire/aire complementada con una resistencia eléctrica en el conducto de aire caliente, • Caudal de ventilación de 50 a 300m3/h, • Potencia absorbida por los ventiladores: 100W, • Posibilidad de conectar un pozo canadiense para precalentar el aire caliente o un colector solar para alimentar el tanque de acumulación 5 , • Rango de precios: 12000€, • Peso del aparato: 140 a 260kg. La Figura 7 muestra un aparato multifunción disponible en del mercado francés. 3 Un pozo canadiense [7] consiste en una red de canalizaciones situada horizontalmente en el suelo antes que entre en un edificio para precalentarlo en invierno. El efecto inverso se obtiene en verano y se denomina pozo provenzal. 4 En este PFC sólo se ha tenido en cuenta el condensador en serie y alternado 5 En la simulación de Aparatos Multifunción no se han tenido en cuenta estos dispositivos 14/83 Figura 7 – aparato multifunción disponible en el mercado. a) Recuperador de calor, b) controlador, c) bomba de calor, d) aparato completo. Fuente: Aldes. 2.2.2. Principio de funcionamiento Un aparato multifunción se encarga de la calefacción, la producción de ACS, la ventilación y, eventualmente, la refrigeración de la vivienda 6 . El control de los diferentes generadores depende del modo de funcionamiento del aparato. El sistema intentará arrancar la bomba de calor en prioridad cuando las condiciones exteriores y de funcionamiento sean favorables. 2.2.2.1.Ventilación Las normas estipulan que la ventilación ha de ser contante durante todo el día, incluso si la unidad se encuentra produciendo ACS: la renovación del aire debe ser suficiente del punto de vista de la higiene, pero tiene que ser la mínima para limitar las pérdidas térmicas [9]. De esta forma, para reducir al máximo las pérdidas de energía, un aparato multifunción está normalmente dotado de un recuperador de energía del aire extraído. El aire que se extrae de la casa es llevado a un intercambiador de calor donde cede sus calorías al flujo de aire frío exterior que, posteriormente, es inyectado en la vivienda. 2.2.2.2.Calefacción Si la temperatura del aire de la casa es inferior a la consigna (19°C según la RT2012 [8]) entonces la bomba de calor funciona para calentar el aire de ventilación. Si al cabo de un tiempo la temperatura del edificio sigue estando por debajo de la consigna entonces se activa un modo de funcionamiento especial llamado modo Boost: el caudal de ventilación es aumentado y parte del aire extraído del edificio es reciclado al interior del mismo pasando 6 Para el desarrollo actual de este proyecto, la opción de refrigeración no ha sido tomada en cuenta. 15/83 antes por la bomba de calor. Este aumento de caudal permite aumentar la potencia proporcionada por la bomba de calor y así la temperatura de ventilación. Si al cabo de un determinado tiempo las necesidades de calefacción aún no son cubiertas, entonces la resistencia eléctrica es arrancada. 2.2.2.3.ACS Debido a la baja potencia de los generadores de energía, el sistema que se utiliza para generar el agua caliente sanitaria es un tanque de acumulación. Dos sondas permiten controlar los dos generadores: la sonda de la resistencia eléctrica, situada a pocos centímetros de la resistencia, y la sonda del intercambiador de calor, cuya posición puede variar en función del tipo de intercambiador. Cada sonda tiene asociada una temperatura de consigna y una histéresis. Si la temperatura leída por la sonda es inferior a la consigna menos la histéresis entonces el generador correspondiente a la sonda se pone en marcha. El o los generadores se detendrán una vez que la sonda de agua caliente sanitaria alcance la temperatura de consigna del agua caliente sanitaria. 2.2.2.4.Doble servicio El sistema puede generar calor paralelamente tanto para la generación de ACS como para calefacción. Sin embargo, la bomba de calor funcionará con prioridad en modo calefacción, debido a que los tiempos de calefacción por vector aire son considerablemente más cortos que en calefacción mediante vector agua. De esta forma, un confort mínimo de ACS es asegurado por la resistencia eléctrica mientras que la bomba de calor funciona en calefacción. 2.3. Acoplamiento bomba de calor-colector solar Este tipo de sistema híbrido se sirve de una bomba de calor que es utilizada como un generador de apoyo a un colector solar térmico para calentar el agua de un depósito de agua que suministra las necesidades de agua caliente sanitaria de la casa. La Figura 8 muestra un esquema de estos aparatos. 16/83 Figura 8 – esquema de un aparato híbrido de bomba de calor y colector solar El colector solar transfiere las calorías recibidas del sol a un volumen de agua, elevando su temperatura. Si la temperatura de este volumen es superior a la temperatura del depósito de agua caliente entonces la bomba de recirculación se activa permitiendo el intercambio de energía entre el agua calentada por el colector y el agua almacenada en el tanque. Si la energía aportada por el sol no es suficiente para alcanzar el mínimo de confort entonces la bomba de calor se pone en marcha para proporcionar las calorías necesarias para el buen funcionamiento del sistema. 2.3.1. Estudio de mercado Este apartado busca resumir las características principales de los sistemas presentes en el mercado que acoplan bombas de calor y colectores solares térmicos. • Funciones aseguradas: producción de ACS y calefacción, • Potencia térmica de la bomba de calor: 4.5 a 12kW, • Bomba de calor sobre el aire extraído, • COP comprendido entre 3.5 y 5, • Tecnología del compresor de la bomba de calor: Todo o Nada (0 o 100% de la potencia del compresor) o Inverter (Modulación de la potencia del compresor es posible), • Paneles solares térmicos de rendimiento 80-85%, • Superficie por panel: 2 a 3m², • Peso por panel: 30 a 40kg, • Volumen de agua de un colector: 1 a 2 litros, • Caudal nominal: 20 a 50 litros por hora y metro cuadrado de panel, • Tanque de acumulación de 300 a 1000 litros de volumen, calentado por los paneles solares, la bomba de calor y una resistencia eléctrica sumergida en el tanque de 26kW, 23/83 En C, se han de definir variables mediante palabras clave que permiten determinar el tipo de información al que pertenecen (entero, real, carácter,…). Estas variables pueden ser evaluadas para obtener unos resultados. Los cálculos son realizados linealmente, es decir, cada línea escrita es evaluada una a una desde el inicio hasta el fin del programa principal. Una evaluación completa del programa constituye una iteración. La simulación dinámica realizada en las herramientas desarrolladas implica que estas iteraciones representan una fracción del tiempo total. Una vez terminada una iteración, cada módulo recupera la información de entrada para comenzar la iteración siguiente. Para el desarrollo del módulo de control genérico ha sido necesario aplicar conceptos de programación orientada a objetos. Este tipo de programación consiste en la creación de clases o estructuras que sirven como guía o molde para crear objetos, los cuales utilizan estas guías para guardar una cierta información. De esta forma, se tienen objetos sobre los cuales pueden crearse operaciones. Esto permite un tratamiento genérico de datos ya que lo importante es el objeto en sí y no los valores que caracterizan cada instancia de una estructura. Entre las ventajas de la programación orientada a objetos puede nombrarse [11]: • Facilitar el mantenimiento del código, • Reutilizar el código escrito, • Hacer el código más fiable, • Simplificar problemas con un gran número de intercambios de información. 3.2. Bases del modelo desarrollado El modelo desarrollado para el módulo de regulación genérica se basa en conceptos específicos y una serie de hipótesis sobre los sistemas a controlar que permiten discretizar los sistemas objetivo. 3.2.1. Definición de conceptos Para poder comprender el resto de este documento, es necesario presentar algunas definiciones de los conceptos utilizados. • Sistema: un Sistema es una entidad que intercambia energía y/o materia con su entorno. Un ejemplo de un Sistema es una bomba de calor, una vivienda o un recuperador de calor. La meteorología y la extracción de ACS también son sistemas ya que dependen del tiempo transcurrido. Sin embargo, en los metamódulos desarrollados hasta el presente, únicamente aquellas unidades cuyas conexiones pueden ser controladas por el módulo de regulación son considerados como un sistema. 24/83 • Aparato: un Aparato es un conjunto de Sistemas, • Línea: una Línea es la conexión entre dos Sistemas en un Aparato, • Device: el Device representa el tipo de conexión entre una Línea y un Sistema. Se distinguen dos tipos de Device: conexión estándar y conexión no estándar. La conexión estándar es el tipo de conexión normalmente utilizado entre una línea y un sistema. La conexión no estándar es el tipo de conexión que representa un caso particular en la arquitectura de un aparato. Ejemplo: un tanque puede tener simultáneamente conexiones de Device Estándar (conexión entre línea e intercambiador de tanque) y Device No Estándar (conexión directa entre línea y el agua del tanque), • Disponible: indica si el sistema puede arrancar. Es una variable intrínseca a cada sistema e indica su estado actual cuando está detenido. Por ejemplo, si una bomba de calor se detiene, hay un período de algunos minutos llamado de anti-ciclo que permite la protección del compresor. Durante este período, la bomba de calor no puede arrancar, luego no está Disponible, • Servicio: un sistema está en servicio si está conectado al resto de sistemas. Si un sistema no está en servicio (desconectado), entonces no es tomado en cuenta en los cálculos. 3.2.2. Hipótesis Para poder terminar de definir el funcionamiento de los sistemas a controlar, una serie de hipótesis han sido tomadas: • Un Sistema puede tener como máximo una conexión de Device Estándar: o El caso de una bomba de calor con doble condensador en serie para una doble salida de energía no es considerado, o Si un tanque posee varios intercambiadores y alimentación/extracción de agua sanitaria entonces una de estas conexiones es definida como Device Estándar mientras que el resto será definida como No Estándar, • Una línea tiene que estar conectada a dos sistemas (aguas arriba y aguas abajo), • Un sistema puede proporcionar energía en calefacción o en agua caliente sanitaria si está en este modo (doble servicio para proporcionar los dos), • Un sistema puede funcionar únicamente si está Disponible y En Servicio, • Un sistema tiene que estar En Servicio para estar conectado a una línea, • Una resistencia sumergida en un tanque de ACS tiene que ser tratada como un sistema independiente que el módulo de regulación puede controlar a voluntad. De esta forma, un tanque y su resistencia eléctrica son dos sistemas. 25/83 3.3. Abstracción del sistema Cada aparato está compuesto de sistemas y de líneas de conexión. Las líneas de conexión de sistemas son objetos que, por tanto, deben ser caracterizados por un conjunto de datos. En la Figura 12 se representa un ejemplo de abstracción de sistema. A la izquierda se puede ver que un sistema es esquematizado por 3 sistemas y 4 líneas de conexión mientras que a la derecha se muestran las configuraciones posibles de funcionamiento de este aparato. Figura 12 – representación del proceso de abstracción de un aparato De esta forma, un aparato puede ser caracterizado por un conjunto de sistemas, líneas y de configuraciones de funcionamiento. Se puede observar que un aparato con 3 sistemas que permite el funcionamiento en serie de dos de sus sistemas será caracterizado por 3 sistemas, 5 líneas y 3 configuraciones de funcionamiento. En cada instante, el funcionamiento de un sistema puede ser caracterizado por un flujo de entrada, un flujo de salida y una potencia intercambiada, como muestra la Figura 13. Figura 13 – representación esquemática de un sistema Es decir, cada sistema puede ser reducido a un problema de intercambiador de calor. De esta forma, se pueden encontrar parámetros comunes a todos los sistemas, los cuales pueden ser organizados en un vector que llamaremos Vector de Estado. Este vector está compuesto por las variables presentadas en la Tabla 2. Tabla 2 – componentes del vector de estado de un sistema Nombre Tipo Descripción nType int Identificación del tipo de sistema: caldera, bomba de calor, casa. nGenMode int Tipo de energía que el sistema puede proporcionar pDnLine struct Línea a la cual el sistema está conectado aguas abajo bAvlabltyChnge bool Indica si la Disponibilidad del sistema puede ser modificada bCurntAvlablty bool Disponibilidad del sistema a ser arrancado bService bool Indica si el sistema está conectado o no bEtat bool Estado actual de funcionamiento del sistema: funcionando o detenido bSysECS bool Indica si el sistema tiene que arrancar en modo calefacción 26/83 bSysCHFc bool Variable para determinar si el sistema tiene que arrancar en modo calefacción dTsystem double Temperatura interior del sistema dTout double Temperatura de salida del sistema dTin double Temperatura de entrada del sistema en conexión estándar dQ double Caudal que atraviesa el sistema en Device estándar dTc double Temperatura de consigna del Device estándar dHysA double Histéresis de detención del sistema con respecto a la temperatura de salida dHysD double Histéresis de arranque del sistema con relación a la temperatura de salida dtFonc double Tiempo de funcionamiento en modo calefacción dtECS double Tiempo de funcionamiento en modo ACS dTimeInStop double Tiempo que el sistema ha pasado en detención mientras era demandado Análogamente, las líneas de conexión pueden estar representadas por un vector de estado, cuyas componentes se muestran en la Tabla 3. Tabla 3 – componentes del vector de estado de una línea Nombre Tipo Descripción bEnService bool Línea En Servicio o Fuera de Servicio. bEtat Bool Estado de la línea: En funcionamiento o En detención. La línea estará en funcionamiento solamente si los dos sistemas conectados a ella están en funcionamiento pDnSystem struct Sistema aguas abajo de la línea pUpSystem struct Sistema aguas arriba de la línea nLineMode Int Modo de la línea: calefacción o ACS nDeviceSys int Parámetro que indica el tipo de conexión entre el UpSystem y el DnSystem dTemperature double Temperatura del fluido que atraviesa la línea dQ double Caudal volumétrico del fluido que atraviesa la línea dHysArret double Histéresis de detención del UpSystem con respecto a la temperatura de consigna del DnSystem dHysMarche double Histéresis de arranque del UpSystem con respecto a la temperatura de consigna del DnSystem dtVerif double Tiempo que hay que esperar antes de verificar si el UpSystem tiene la potencia necesaria para cubrir las necesidades energéticas del DnSystem Con esta generalización, cada objeto dentro de nuestro sistema queda representado por una unidad equivalente dentro del código fuente, lo que permite un tratamiento genérico de su información. Es decir, las rutinas implementadas podrán leer los datos almacenados dentro de estos vectores, procesar la información de una forma genérica y así determinar el funcionamiento del sistema global en función de los parámetros de regulación introducidos por el utilizador en cada simulación. 27/83 3.4. Descripción en detalle de las variables del vector de estado La mayor parte de las variables del vector de estado son fáciles de comprender. Sin embargo, esto no resulta evidente en todos los casos. En esta sección se realiza una descripción más en detalle de algunas de las variables del vector de estado, cuya importancia radica en el hecho de constituir los pilares del funcionamiento del módulo de regulación. • bEtat, bCurntAvlablty y bService: estas tres variables tienen una relación interna: o bService: esta variable indica si el sistema está conectado o no al resto del aparato. o bCurntAvlablty: indica si el sistema está disponible y listo a arrancar, es decir, el sistema va a arrancar si recibe la orden de hacerlo. Sin embargo, si el sistema no está conectado, no está disponible. • bEtat: indica si el sistema está funcionando o no. Si le sistema no está conectado o no está disponible, entonces no puede funcionar. • bSysECS y bSysCHF: estas dos variables indican si el sistema tiene que funcionar en modo ACS (bSysECS) o en modo calefacción (bSysCHF). Estas variables pueden ser modificadas dentro del programa numerosas veces. Su objetivo final es permitir determinar la configuración del aparato y, por tanto, el estado de funcionamiento de cada sistema. • nDeviceSys: este parámetro indica el tipo de conexión entre los sistemas aguas arriba y aguas debajo de una línea. Su propósito es el de distinguir las conexiones de un sistema cuando éste está conectado simultáneamente a más de dos sistemas. Éste es el caso de un tanque de agua: la bomba de calor puede estar conectada a un intercambiador dentro del tanque, una extracción de agua puede ser realizada para producir agua caliente sanitaria y otra para alimentar los radiadores de una casa, unos colectores solares pueden alimentar un segundo intercambiador,… 3.5. Descripción de la estructura interna del módulo de control genérico En este apartado, la estructura interna del módulo de regulación genérica es descrita de una forma general para permitir al lector entender en líneas generales el proceso de control. Para una descripción más precisa de los procedimientos y argumentos de cada función, ver el ANEXO 2 -. Una descripción sencilla del módulo puede ser la división de su código en tres partes. La primera parte realiza los cálculos y acciones preliminares. La segunda parte es la determinación de las necesidades de energía y de los sistemas que deberán cubrirlas. La tercera parte está compuesta por los cálculos finales y la salida de datos. 28/83 Dentro de cada una de estas partes se pueden identificar una serie de rutinas y acciones que es necesario llevar a cabo: 1. Cálculos y acciones preliminares: inicializar los sistemas y líneas a. Los Vectores de Estado de los sistemas son inicializados en principio de simulación y mediante los parámetros y conexiones de entrada. b. En función de los parámetros de entrada, la disponibilidad de cada sistema es actualizada c. Las líneas que unen los sistemas son creadas. d. Los Vectores de Estado son actualizados: los datos de entrada que provienen del resto de sistemas son guardados en sus vectores correspondientes. 2. Determinación de necesidades de energía y sistemas necesarios a. Determinación de las necesidades de energía (bECS y bCHF) en modo ACS y calefacción en función de las características del aparato. b. Gestionar los sistemas (bSysECS y bSysCHF) en función de las necesidades energéticas y las elecciones de control realizadas por el utilizador. Una vez determinados bSysECS y bSysCHF para cada sistema, se puede determinar la configuración del sistema. 3. Cálculos finales y la salida de datos: a. Hacer conexiones. En función de la configuración del sistema, se ponen en marcha los sistemas y las líneas de conexión. Para cada línea, se determina el caudal y se realizan las equivalencias de datos entre el UpSystem y el DnSystem. El Device de cada línea se tiene en cuenta en este paso. b. Calcular el tiempo transcurrido desde el arranque de casa sistema. c. Obtener los datos de salida: las variables de salida son extraídas de los vectores de estado para ser enviadas a los sistemas correspondientes. 3.6. La configuración del sistema Como ha sido presentado en la sección 3.3, el funcionamiento de un aparato queda caracterizado por un conjunto de sistemas, de líneas y de configuraciones de funcionamiento. Las configuraciones de funcionamiento son combinaciones de conexiones entre los diferentes sistemas que componen el sistema por medio de líneas que existen entre ellos. Una configuración representa entonces la actividad del flujo de energía entre los sistemas en un momento dado. Existen diferentes parámetros para determinar las posibilidades de funcionamiento de un sistema o configuraciones. De esta forma, una configuración del sistema engloba un conjunto de parámetros elegidos por el utilizador en el momento de lanzar la simulación. En consecuencia, existen configuraciones exclusivas (dos configuraciones que no pueden suceder 29/83 durante la misma simulación). Este es un aspecto clave para la verificación interna del funcionamiento del módulo. Para determinar una configuración es necesario conocer si los sistemas son demandados en ACS, calefacción o ambos. En función del aparato, los sistemas demandados serán distintos (bomba de calor, caldera, resistencia eléctrica, tanque). 31/83 4. LOS METAMÓDULOS En este capítulo se explican rápidamente las herramientas de simulación desarrolladas. Para cada una de ellas, se presenta el esquema de conexión de los módulos que componen el sistema. A continuación, se explican ciertos parámetros de entrada del módulo de regulación característicos del sistema en cuestión. Finalmente, se exhiben algunos de los parámetros de salida más importantes del módulo de control que permiten pilotar el resto de sistemas. En primer lugar, para una mejor comprensión de los esquemas de conexión de cada metamódulo, en la Tabla 4 se presenta la traducción de los diferentes intitulados da cada módulo o sistema. Tabla 4 – traducción de los intitulados de los módulos Intitulado en francés Traducción español Pompe à chaleur – PAC Bomba de calor Chaudière Gaz - Caldera a gas Ballon Tanque de agua caliente Régulation Sistema de control genérico Bâtiment Casa/edificio Performances Calculador de rendimientos Puisage Extracción de agua Echangeur Intercambiador externo Météo Meteorología Capteur Solaire Colector solar Circulateur Solaire Bomba del circuito solar Volume nstallation Volumen de la instalación Canalisation aller Tuberías de ida Canalisation retour Tuberías de retorno Eau+Glycol Agua con glicol En segundo lugar, cabe destacar que los datos de entrada presentados en las siguientes secciones son aquellos que conciernen únicamente el módulo de control genérico. Los datos de entrada (potencia nominal, rendimiento, volumen, dimensiones) relativos al resto de sistemas (bomba de calor, caldera, tanque,…) se pueden introducir dentro de cada módulo de una forma análoga a la presentada en esta sección. Sin embargo, estos datos no son presentados en este documento ya que no son parte del objetivo de este PFC. En tercer lugar, es necesario mencionar que dentro de cada uno de los metamódulos existe un módulo de cálculo, creado durante este PFC, con el objetivo de obtener rápidamente los distintos indicadores, como el consumo de la instalación, las facturas energéticas, el COP de la instalación, entre otros. 32/83 4.1. Caldera Híbrida – CHYBMS 4.1.1. Conexión de módulos En la Figura 14 se presentan los diferentes módulos utilizados para la creación del metamódulo de caldera híbrida. Como se puede observar, un gran número de sistemas interviene en el funcionamiento global del aparato. Es principalmente la existencia de dos generadores de energía (caldera y bomba de calor) lo que ha hecho necesario el desarrollo de un módulo de regulación genérica. Como se comprobará en esta sección y en las siguientes, los diferentes sistemas comparten el hecho de que el módulo de control genérico RGN13 es el punto neurálgico del aparato, desde donde salen y hasta donde llegan la gran mayoría de conexiones. Figura 14 – metamódulo de Caldera Híbrida El funcionamiento del metamódulo de caldera híbrida es el siguiente: el módulo de control RGN13 recupera los datos de los distintos sistemas (temperatura interior, temperatura de salida, temperatura de sondas, temperatura exterior, caudal de extracción de agua,…) para determinar si los generadores, bomba de calor y caldera a gas, tienen que funcionar o no. En función del estado de estos generadores, el módulo RGN13 envía los datos de retorno correspondientes a cada sistema (caudal, temperatura de entrada,…). 4.1.2. Datos de entrada En las siguientes figuras se presentan distintos parámetros de entrada del módulo de regulación que caracterizan el funcionamiento del aparato. En la Figura 15 se muestran los parámetros que permiten elegir el test de funcionamiento de la bomba de calor (COP en EP, bivalencia clásica,…), el tipo de energía a producir (ACS, calefacción o doble servicio) y, en caso de doble servicio, si el aparato es capaz de producir ACS y calefacción al mismo tiempo. 39/83 Figura 27 – características del modo ACS La Figura 28 muestra los diferentes parámetros que permiten caracterizar el funcionamiento del sistema en modo calefacción: bomba de calor y resistencia en serie o no, temperatura de consigna del edificio en período normal y de reducción, tiempo de verificación de la potencia de la bomba de calor, modo Boost, tiempo de verificación en modo Boost, entre otros. Figura 28 – características en modo calefacción Para más información de los parámetros de entrada del módulo de control genérico aplicado a un aparato multifunción, consultar el documento [13]. 4.3.3. Datos de salida Los datos de salida del módulo RGN13 en el metamódulo SOLPAC son esencialmente los mismos que en el resto de aparatos. Éstos permiten el control de los 5 generadores que constituyen el aparato: • bPACON: estado de la bomba de calor en calefacción. En marcha o detenida, • bAPPchfON: estado de la resistencia en calefacción. En marcha o detenida, • bAPPecsON: estado de la resistencia en ACS. En marcha o detenida, • bSolON: estado de la bomba del colector solar. En marcha o detenida, • bCHF: modo calefacción encendido, • bECS: modo ACS encendido. Otras variables de salida son las temperaturas de retorno y de caudal de cada sistema. 41/83 5. CASOS DE ESTUDIO - RESULTADOS En este apartado se realizan casos de estudio de un día de simulación y anuales para cada uno de los sistemas objetivo. Con estos casos de estudio se busca principalmente validar el funcionamiento de cada sistema. Para cada uno de los aparatos se presentará un caso de estudio en modo doble servicio en el cual se analizará la evolución de las curvas de temperatura y potencia proporcionada. Las características de los sistemas simulados se pueden encontrar en el ANEXO 3 -. Los cálculos anuales presentados al final de este capítulo permiten hacer una comparación de diferentes soluciones de producción de energía en las mismas circunstancias de zonas climáticas y necesidades energéticas. 5.1. Caldera híbrida En la Figura 29 se muestran los resultados de simulación durante un día de una caldera híbrida con regulación de COP en energía primaria y utilizando un tanque de acumulación para la producción de ACS. La Figura 30 muestra la leyenda correspondiente a las curvas de Figura 29. En modo doble servicio, al comenzar la simulación, una doble demanda de ACS y de calefacción se produce: el agua del tanque de ACS está fría y la temperatura del aire del edificio está por debajo de la consigna. Como el sistema de regulación da prioridad al ACS, entonces la bomba de calor y la caldera arrancan. Esto se puede comprobar al observar el pico de potencia y temperatura de la caldera y la bomba de calor (1 y 2). Al transcurrir unos minutos, las necesidades de ACS quedan cubiertas, con lo cual los generadores cambian a modo calefacción (3). Como la temperatura de ley de agua es mucho menor que la temperatura de consigna en ACS, se observa que los generadores disminuyen su potencia para aproximar la temperatura de salida a la temperatura de consigna (4). Una vez cubiertas las necesidades de energía, el sistema entra en estado de espera, hasta que alrededor de las 7 de la mañana, la temperatura del aire del edificio cae por debajo de la consigna. La bomba de calor arranca en modo calefacción (5), pero luego del período de verificación y al no haber cubierto las necesidades energéticas, la caldera es arrancada para terminar de cubrir las necesidades (6). El proceso se repite un par de horas más tarde (7). Finalmente, entre las 1 y las 2 de la tarde, debido a las extracciones de agua y a la pérdida de energía del tanque, la bomba de calor debe arrancar en modo ACS. Aunque la bomba de calor parece tener la potencia suficiente para cubrir las necesidades de ACS (8), tarda demasiado en 42/83 alcanzar las condiciones de consigna, entonces la caldera ha de arrancar (9). Este proceso se repite a las 8 de la noche (10) Figura 29 – simulación de un día en modo doble servicio Figura 30 – leyenda de las curvas de la Figura 29 La Tabla 5 muestra el balance de energía de la instalación. Se comprueba que la energía proporcionada entre la entrada y la salida del generador híbrido es igual a la energía aportada entre la entrada y salida de los radiadores de la casa y del intercambiador del tanque. Se observa que esta diferencia es del 5%, lo cual es debido al incremento de tiempo de la simulación (delta t). Tabla 5 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor Parámetro Valor Unidad 2 3 4 5 6 7 9 1 7 10 43/83 Energía producida bomba de calor+caldera 17.2 kWh Energía consumida tanque+casa 16.28 kWh Balance de energía (producida) 5.35 % COP real de la bomba de calor 2.89 - 5.2. Aparato Multifunción La Figura 31 muestra la simulación del funcionamiento de un aparato multifunción durante un día en modo doble servicio. La Figura 32 muestra la leyenda de las curvas de la Figura 31. Como se puede observar, hay dos ciclos de calefacción (enmarcados por elipses de trazo discontinuo de color negro) y tres ciclos de producción de ACS (enmarcados por elipses de trazo discontinuo de color rojo). Figura 31 – simulación de aparato multifunción en modo doble servicio 44/83 Figura 32 – leyenda de las curvas de la Figura 31 La Figura 33 muestra en detalle las primeras horas de simulación. Como se puede observar, hay simultáneamente una demanda de calefacción y producción de ACS. Como las necesidades de calefacción son prioritarias con respecto a la producción de ACS, entonces el sistema arranca la bomba de calor alcanzando una temperatura en el aire de ventilación de 30°C (1). Sin embargo, se observa que el agua del tanque está demasiado fría (2), con lo cual la resistencia de apoyo es arrancada para cumplir un confort mínimo. La resistencia se detiene cuando la temperatura del agua leída por su sonda alcanza la temperatura de confort mínimo (3). Transcurrido el tiempo de verificación de la bomba de calor, como las necesidades de calefacción no han sido cubiertas, el modo Boost se pone en marcha. De esta forma, la bomba de calor aumenta su caudal y la temperatura de ventilación (4). Transcurrido un segundo período de verificación, se comprueba que aún existen las necesidades de calefacción, entonces la resistencia eléctrica en el conducto de aire arranca, observando un gran aumento en la temperatura de ventilación, la cual se corresponde ahora a la salida de la resistencia (5). Una vez cubiertas las necesidades de calefacción, la bomba de calor cambia a modo ACS ya que aunque la temperatura de la parte alta del tanque es suficiente (6), la parte más baja, correspondiente al intercambiador de la bomba de calor, sigue fría (7). 45/83 Figura 33 – primeras horas de simulación del caso presentado en la Figura 32 La Tabla 6 muestra distintos parámetros que permiten verificar el buen funcionamiento del sistema híbrido. Con un incremento de tiempo de 20 segundos, el balance de energía es aceptable (5% de diferencia entre energía producida, consumida y perdida). Tabla 6 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor en modo calefacción y ACS Parámetro Valor Unidad Energía producida bomba de calor+resistencia 23.57 kWh Energía consumida tanque+edificio 19.51 kWh Pérdidas por ventilación 2.75 kWh Balance de energía (producida) 5 % COP real de la bomba de calor en ACS 2.35 - COP real de la bomba de calor en calefacción 1.14 - 5.3. Acoplamiento bomba de calor y colector solar La Figura 34 muestra la simulación de un día de un acoplamiento de bomba de calor y colector solar. El aparato funciona en doble servicio con calefacción por tanque. Durante las 10 primeras horas de simulación se puede observar un gran número de ciclos de la bomba de calor (ver elipse de trazo intermitente de color negro). En esta configuración, la bomba de calor se encarga de mantener a temperatura la parte media del tanque, de donde se hace la extracción de agua para alimentar los radiadores de la casa. De esta forma, la bomba 2 1 3 4 5 6 7 46/83 de calor se encarga de que la temperatura de este flujo sea siempre superior a la temperatura de ley de agua de los radiadores cuando haya una necesidad de calefacción. Por otra parte, la resistencia eléctrica sumergida en el tanque mantiene un nivel de confort necesario para producir el agua caliente sanitaria (ver elipse de trazado intermitente de color violeta). Una vez que la temperatura del colector solar es superior a la temperatura leída por la sonda del intercambiador de calor del tanque (1), entonces la bomba se pone en marcha para hacer circular el agua con glicol del circuito solar, calentando hasta una elevada temperatura el agua del tanque (2). Figura 34 – simulación de un día de una bomba de calor solar híbrida Figura 35 – leyenda de las curvas de la Figura 34 La Tabla 7 muestra distintos parámetros que permiten verificar el buen funcionamiento del sistema híbrido. Con un incremento de tiempo de 20 segundos, el balance de energía es aceptable (5% de diferencia entre energía producida, consumida y perdida). 2 1 47/83 Tabla 7 – balance de energía del sistema y COP de la bomba de calor en modo calefacción y ACS Parámetro Valor Unidad Energía producida bomba de calor+colector solar+resistencia+energía extraída del tanque 56.3 kWh Energía aportada por los intercambiadores del tanque y de la casa 50.9 kWh Pérdidas de la instalación 2.1 kWh Balance de energía (producida) 5 % COP real de la bomba de calor 3.03 - 5.4. Comparación de diferentes generadores – cálculo anual En esta sección, se presenta una serie de resultados de simulaciones anuales llevadas a cabo con un incremento de tiempo de 20 segundos. Los datos de entrada utilizados para realizar las simulaciones son presentados en el ANEXO 4 -. El objetivo es mostrar la capacidad de cálculo de las herramientas utilizadas. Se han utilizado las mismas características de edificios, zona climática y ciclos de extracción de agua para las diferentes configuraciones. Lo que varía en cada caso son los tipos de generadores, sus potencias nominales, máximas y mínimas y los caudales. Se busca comparar los siguientes resultados: consumo total por los generadores, factura eléctrica y COP del aparato El rendimiento del sistema es calculado mediante el cociente entre la energía aportada por los generadores (resistencia, bomba de calor y colector solar) y la energía eléctrica consumida por estos. El confort en calefacción será determinado haciendo el cociente entre el tiempo en que la temperatura del aire es superior a la consigna y el tiempo total de simulación. Análogamente, el confort en ACS será determinado haciendo el cociente entre el tiempo que la temperatura del ACS es superior a la consigna y el tiempo total de simulación. Los resultados presentados en la Tabla 8 permiten extraer una serie de observaciones: • El acoplamiento de una bomba de calor y colectores solares consumen la menor cantidad de energía para mantener las consignas de ACS y calefacción. El aprovechamiento de la energía solar sería una de las mejores soluciones en la zona climática simulada (Trappes, Francia). Una bomba de calor de gran potencia (10kW) o un aparato multifunción serian igualmente buenas soluciones. • Los aparatos que utilizan colectores solares permiten obtener los mejores rendimientos gracias al aporte de energía gratuita del sol. Nuevamente, la bomba de calor se sitúa como el segundo sistema de mayor rendimiento. 48/83 • En cuanto al confort, son los aparatos que combinan una caldera a gas los que obtienen un mejor resultado. La ganancia en confort se obtiene gracias a un mayor gasto de energía, con lo cual una factura más elevada. • La caldera y las resistencias eléctricas son los sistemas que necesitan un mayor consumo de energía para cubrir las necesidades energéticas y, por ende, tienen un menor rendimiento. Tabla 8 – resultados de simulaciones anuales de diferentes configuraciones Aparato Factura anual (€) Energía consumida (kWh) 8 Rendimiento del sistema Confort calefacción (%) Confort ACS (%) BC solar híbrida 141.55 1373.97 3.31 98.91 46.78 Bomba de calor 184.66 1775.58 2.93 98.31 55.46 Resistencias eléctricas 552.54 5326.79 0.96 94.58 21.59 Captador solar 9 338.76 2904.23 3.25 74.94 33.94 Caldera Híbrida 575.21 1112.27/6555 10 2.45 95.1 93 Caldera 575.38 8078.3 2.35 98.94 95.23 Aparato Multifunción 204.11 2053.8 2.43 99.88 58.39 8 Debido a un problema en el modelo de edificio, los resultados de Factura anual y Energía consumida podrían no ser representativos. 9 Para esta configuración, una resistencia eléctrica en el tanque ha sido necesaria para los meses de temperaturas mas bajas. Esta resistencia se encarga de mantener el agua del tanque a una temperatura mayor a 30°C 10 Energía eléctrica consumida por la BC/energía gas consumida por la caldera 55/83 C. Modo calefacción Demande de chauffage ? OUI T ext >= T bivalent? NON OUI PAC ON CH OFF Bivalent alterné ? Regulation bivalence classique ? OUI NON Puissance PAC suffisante ? PAC ON CH ON PAC ON CH OFF NON OUI Puissance PAC suffisante ? PAC OFF CH ON COP sur EP>1 ou COP > ratio coût? PAC ON CH OFF Puissance PAC suffisante ? PAC ON CH ON PAC OFF CH ON Puissance trop importante? OUI NON NON Système à l'arrêt NON PAC ON CH ON OUI NON PAC ON CH OFF T ext >=T ext min OUI PAC OFF CH ON PAC ON CH OFF PAC ON CH OFF PAC ON CH ON PAC ON CH OFF OUI OUINON OUI NON NON Délai Délai Délai Température départ CHA > T° consigne ? OUI NON CHA OFF Nouvau délai PAC PAC peut fonctionner ? NON PAC OFF CHA ON Régulation selon température extérieure ? OUI NON T° ext > T° ext min ? OUI NON PAC OFF CH ON Choix utilisateur Tests de régulation Code de couleurs 57/83 ANEXO 2 - Descripción en detalle de las funciones de RGN13 El módulo de control posee un conjunto de procedimientos que ejecuta en cada iteración para controlar el sistema. Estos procedimientos permiten adaptar el módulo a cualquier sistema. Por el momento, los aparatos en los cuales el módulo ha sido implementado son: Caldera Híbrida, Acoplamiento de bomba de calor con captor solar y Aparatos Multifunción. En este anexo, los procedimientos implementados en el módulo genérico son descritos en detalle, presentando su nombre y los datos de entrada y salida. • Initialisation des systèmes et lignes o RGN_InitSysteme : La fonction va initialiser toutes les variables du système à t=0. Les arguments sont :  Système à démarrer,  Type de système (chaudière, PAC,…),  type d’énergie fournie (CHF, ECS ou les deux),  bivalence en chauffage (permission de fonctionner en série ou alterné) o RGN_SetSysServiceDispoEtat : La fonction va déterminer si le système est En Service et Disponible. Les arguments sont :  Système à démarrer,  Etat de connexion du système  Disponibilité du système (bonnes conditions de fonctionnement o RGN_SetLineState : La fonction permet de mettre au point les lignes qui caractérisent l’appareil. Les arguments sont :  Ligne à mettre au point,  Hystérésis de démarrage de l’Up système par rapport au Dn Système.  Type de service à couvrir par la ligne (ECS ou chauffage),  Type de connexion entre les systèmes (Standard si connexion normal),  Système en amont de la ligne,  Système en aval de la ligne o RGN_SetDataInput : Cette fonction permet de garder les données d’entrée du module dans le vecteur d’état de chaque système. Les arguments sont :  Système à rentrer données  Température de départ du système  Hystérésis d’arrêt du système par rapport à sa température de départ  Hystérésis de démarrage du système par rapport à sa température de départ (valeur haut pour ne pas court-circuiter le système). 58/83  Température de consigne du système par rapport à sa température de départ. • Détermination des besoins d’énergie et besoins de système o En fonction de bCHF et bECS gérer les systèmes :  RGN_SetNeededSystem : Fonction qui détermine si le système doit démarrer en ECS ou en Chauffage. Les arguments son : • Système à déterminer le besoin • Condition qui doit s’accomplir pour demander le système. Au cas contraire, si cette condition ne s’accomplie pas, alors il doit être arrêté. • Mode pour lequel le système est demandé. o CFG_GetSystemConfig : Déterminer la configuration du système en fonction des systèmes demandés et du type d’énergie demandé pour chaque système. Les arguments son :  Vecteur avec tous les systèmes  Mode de production d’ECS (Accumulation-instantané)  Sortie : configuration du système • Faire connections o RGN_ResetAllLines : La fonction va effacer l’état antérieur des lignes. o CFG_SetLinesToWork : En fonction de la configuration du système, la fonction va mettre en marche les lignes qui conforment la configuration. o CFG_SetSysFlowRate : En fonction de la configuration du système, le débit qui travers les lignes sera déterminé. Les arguments sont :  Vecteur avec tous les systèmes  Débit en chauffage de l’appoint ou de la boucle d’appoint  Débit en ECS de l’appoint ou de la boucle d’appoint  Débit du générateur de chaleur en chauffage  Débit du générateur de chaleur en ECS o RGN_MakeLinesConnections : La fonction va parcourir les lignes de l’appareil et si une ligne est En Marche (démarrée en SetLinesToWork) et si la ligne est une ligne de Device Standard, alors les paramètres d’entrée du système en aval de la ligne prendra la valeur des paramètres en amont de la ligne. o RGN_MakeNonStandardConnection : S’il existe de lignes qui sont connectées en Device non Standard (exemple, un piquage supplémentaire du ballon pour alimenter la boucle de chauffage) alors cette fonction se charge d’établir les liens correspondants entre le système en aval et en amont de la ligne. Les arguments sont : 59/83  Lignes non standard d’aller et retour de connexion  Température d’entrée du système en aval de connexion  Débit du système en aval de la connexion  Température de retour du système (en amont de la ligne) en connexion non standard  Débit du système en connexion non standard en amont de la ligne  Température de retour du système en aval  Température de départ du système en connexion non Standard en amont de la ligne  Débit de la boucle entre le système en amont de la ligne et le système en aval. o RGN_CountWorkingTime : La fonction va compter le temps de fonctionnement du système • Sortir données : o RGN_SetDataOutput : La fonction va récupérer la valeur correspondant au vecteur d’état du système. Les arguments de la fonction sont :  Système à récupérer données  Besoin de démarrer le système  Débit du système  Température de retour du système  Température de consigne du système  Temps de fonctionnement du système 61/83 ANEXO 3 - Datos de entrada para los casos de estudio A. Caldera híbrida Módulo Dato Valor Unidad Bomba de calor COP nominal 4 - Tipo compresor BC Inverter - Potencia nominal 4 kW Caudal nominal (calefacción) 11.48 l/min Caudal nominal (ACS) 17.77 l/min Edificio Nivel de inercia Fuerte - Coeficiente G 0.6 W/m3.°C Temperatura inicial 19 °C Temperatura consigna edificio (normal) 19 °C Escenario de reducción RT2012 16 °C Tipo emisor Suelo radiante - Numero emisores 5 u Potencia P50 por emisor 3 kW Volumen de agua por emisor 7 l Caldera gas Potencia mínima 6 kW Potencia máxima en calefacción 28 kW Potencia máxima en ACS 35 kW Caudal nominal en calefacción 10 l/min Caudal nominal en ACS 21.5 l/min Modo de funcionamiento Calefacción+ACS - Meteo. Zona RT2012 : Trappes - Extracción Ciclo de extracción de agua Ciclo n°2 (EN13203) Tanque Volumen real del tanque 120 l Masa del tanque vacío 0 kg Control Tipo de regulación COP en EP - Tiempo verificación potencia BC 30 min Temperatura exterior mínima (ley de agua) -9 °C Temperatura exterior máxima (ley de agua) 15 °C T° de entrada de emisores a T° exterior min. 25 °C T° de entrada de emisores a T° exterior max. 35 °C T° de salida máxima BC en calefacción 48 °C T° de salida máxima BC en ACS 48 °C Temperatura de consigna ACS 52,5 °C Histéresis arranque caldera en ACS 10 °C Histéresis arranque BC en ACS 6 °C Tiempo max. de funcionamiento BC en ACS 90 Min Tipo de extracción de agua Energía - B. Aparato Multifunción 62/83 Módulo Dato Valor Unidad BC calefacción Potencia nominal 2 kW COP nominal 3 - Rho*Cp del fluido 1.214 KJ/m 3 .kg Caudal nominal 120 m3/h Tipo compresor Inverter - BC ACS Potencia nominal 3 kW COP nominal 4 - Rho*Cp del fluido 4185 kJ/m 3 .kg Caudal nominal 16.8 l/min Tipo compresor Inverter - Resistencia calefacción Potencia nominal 1.5 kW Rho*Cp del fluido 1.214 KJ/m 3 .kg Caudal nominal 120 m 3 /h Casa Nivel de inercia Fuerte - Coeficiente G 0.4 W/m 3 .°C Temperatura inicial 19 °C Temperatura de consigna 19 °C Escenario de reducción RT2012 16 °C Ventilación ON On/Off Calefacción por emisores OFF On/Off Meteo. Zona (RT2012) Trappes - Dia 25 - Extracción Ciclo de extracción Ciclo n°3 - Tanque Volumen del tanque 150 L Masa del tanque vacío 80 kg Diámetro interior del tanque 0.45 M Constante de enfriamiento 0.2 Wh/24h.l.K Posición intercambiador 0.45 0-1 Posición resistencia 0.65 0->1 Potencia resistencia 6000 W Control Temperatura consigna BC en calefacción 42 °C Temperatura consigna BC en ACS 60 °C BC y resistencia en serie Si S/N Tiempo máximo de funcionamiento BC en calefacción 30 min Temperatura máxima de aire caliente 48 °C Permitir modo Boost Si O/N Tiempo para encender modo Boost 20 min Histéresis de producción de ACS 2 K Temperatura de consigna ACS 50 °C Histéresis de arranque resistencia ACS 6 K Histéresis de arranque BC en ACS 2 °C Tipo de ciclo de extracción Energía Menú Tiempo máximo de funcionamiento BC en ACS 60 min Tipo de control de resistencia Tarifa horaria Menú Reducción de consigna en ACS 5 K 63/83 Sonda de control de ACS Sonda de resistencia - C. Bomba de calor solar híbrida Módulo Dato Valor Unidad Circuito solar Superficie del colector 6 m² Rendimiento óptico 0.8 - Coeficiente de pérdidas de 1er orden 3.5 W/m².K Bomba de calor Potencia nominal 3 kW COP nominal 4 - Fuente de aire Exterior - Res. calefacción Potencia nominal 4 kW Casa Nivel de inercia Fuerte - Coeficiente G 0.6 W/m 3 .°C Temperatura inicial 19 °C Temperatura consigna 19 °C Escenario de reducción RT2012 16 °C Tipo de emisor Suelo radiante - Extracción Ciclo de extracción de agua Ciclo n°4 (EN13203) - Meteo. Zona RT2012 : Trappes - Tanque Volumen del tanque 500 l Posición del intercambiador solar 0.05 [0-1] Altura del intercambiador solar 0.25 [0-1] Posición de la sonda solar 0.15 [0-1] Posición del intercambiador BC 0.31 [0-1] Altura intercambiador BC 0.35 [0-1] Posición sonda BC 0.6 [0-1] Potencia resistencia eléctrica 5 kW Posición de la resistencia 0.75 [0-1] Posición de la sonda de la resistencia 0.8 [0-1] 71/83 ANEXO 5 - Ficha de evaluación de las prácticas 72/83 73/83 74/83