Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Autor: Adelaida Molina Salvador Tutor: Servando Álvarez Domínguez Co-Tutor: José Sánchez Ramos Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Proyecto Fin de Grado Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Autor: Adelaida Molina Salvador Tutor: Servando Álvarez Domíguez Catedrático de Universidad Co-Tutor: José Sánchez Ramos Profesor Ayudante Doctor Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 A mi familia A mis maestros Resumen El presente proyecto tiene por objeto alcanzar confort en zonas exteriores y espacios abiertos en la época estival de climas cálidos. Se prente conseguir mediante enfriamiento de aire y sistemas radiantes, gracias a un intercambio aire-agua, a través de ténicas de acondicionamiento pasivo. A su vez, se pretende fomentar el uso de la calle como dinamizador social así como el empleo de arquitecturas bioclimáticas, disminuyendo los impactos ambientales y reduciendo los consumos de energía. Gracias a esto, se evita el uso de sistemas convencionales de acondicionamiento, los cuales requieren de energías no renovables, consumiendo más y expulsando al ambiente mayor cantidad de C02. En primer lugar, se hará una contextualización sobre la influencia que tienen las ciudades sobre el cambio climático y la problemática de la creación de la isla de carlor urbano. También se comentará las diferentes técnicas de acondicionamiento pasivo existentes en la actualidad, comentando algunos de los sistemas que se implantarán en el proyecto. Seguidamente, se hará una descripción general del proyecto Life Watercool desarrollado en la Av. Cruz Roja, en Sevilla y las tecnologías a integrar en cada una de las zonas de interés. En el tercer capítulo, se comentarán los objetivos y condiciones de diseño óptimos para posteriormente, describir cada una de las zonas que conforman el proyecto, junto con el modelo de simulación que permitedeterminar la influencia y el impacto de cada una de ellas sobre el agua como fluido caloportado. Finalmente, se harán una serie de simulaciones que nos permitirán alcanzar los objetivos impuestos previamente, llegando a una solución que nos permita reducir el consumo de energía y la pérdida de agua por evaporación. Índice Resumen vii Índice ix Índice de Tablas xi Índice de Figuras xiii 1 Introducción 1 1.1. Contexto 1 1.2. Actualidad 2 1.2.1. Arquitectura bioclimática 2 1.2.2. Técnicas de acondicionamiento pasivo 2 2 Proyecto Life Watercool 4 3.3. Tecnologías a integrar en el marco del proyecto 5 2.1.1. Sistema evaporativo 5 2.1.2. Sistema de película descendente (Falling Film) 6 2.1.3. Sistema convective-radiante (Marquesina) 6 3 Metodología 9 3.1. Objetivos 9 3.2. Condiciones de diseño 9 3.4. Datos climáticos 10 4 Zonas WaterGrid 13 3.1. Parque 13 3.1.1. Acondicionamiento y confinamiento del espacio 15 3.1.2. Sistema de control parque 16 3.1. Plaza 17 3.1.1. Acondicionamiento y confinamiento del espacio 17 3.1.2. Sistema de control plaza 18 3.2. Marquesina 19 3.2.1. Sistema de control de la marquesina 19 3.3. Colegio 20 3.3.1. Sistema de control del colegio 21 3.4. Modelo de simulación 21 3.4.1. Aljibes 21 3.4.2. Unidad de tratamiento de aire 22 3.4.3. Sistema evaporativo 23 3.4.4. Falling film 25 3.4.5. Sistema convectivo-radiante (Thermatop) 26 5 Resultados 11 4.1. Justificación enfriamiento Falling Film 11 4.1.1. Conexiones WaterGrid 18 4.2. Justificación del volume de los aljibes 19 4.3. Justificación dimensionado de los paneles Falling Film 27 6 Conclusión 33 Referencias 36 Índice de Figuras 16 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1. Contexto as ciudades son las principales emisoras de dióxido de carbono antropogénico, de gases de efecto invernadero en general, de ozono troposférico y clorofluorocarbonos, que contribuyen a alrededor del 85% de las emisiones globales y además consumen alrededor del 75% de los recursos naturales del mundo (Despini et al., 2021). Se espera que el cambio climático global y local, en combinación con el aumento de población proyectado y el desarrollo económico, aumente enormemente la demanda futura de energía de refrigeración de los edificios y la convierta en el componente energético dominante. Por ello, se han hecho numerosos estudios (Mat Santamouris, 2016) sobre el consumo energético global tanto actual como futuro sujeto a factores económicos, ambientales, tecnológicos y sociales para concienciar e informar de este hecho tan importante. Por ello, y tomando responsabilidad la política energética europea, se ha aprobado el (Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030, n.d.) con el fin de acelerar la lucha contra el cambio climático y cuyos objetivos son la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, implantación de energías renovables y un aumento de la eficiencia energética. Uno de los de los hechos que se han visto reflejados a raíz de esta problemática, es la creación de la isla de calor urbano, en cuyo fenómeno se puede observar una diferencia significativa de temperatura dentro de una ciudad o entre una ciudad y sus suburbios y / o las áreas rurales circundantes, disminuyendo así el confort térmico y aumentando la temperatura en los espacios interiores y exteriores (figura 1). Figura 1. Efecto isla de calor urbano (Aislamiento y Sostenibilidad, n.d.) Los estudios han utilizado diferentes herramientas y técnicas, incluida la medición y el seguimiento in situ (Borbora & Das, 2014; Busato et al., 2014) , la simulación CFD en combinación con la medición in situ L Introducción 2 (Dimoudi et al., 2014; Georgakis et al., 2014) y una red neuronal artificial ya sea en combinación o independientemente de la lógica difusa, para ayudar a medir, evaluar y predecir la magnitud y los efectos de la isla de calor. Uno de los efectos de este fenómeno es el aumento en el nivel de incomodidad en espacios públicos al aire libre, obligando a los ocupantes a permanecer en los espacios interiores. Una investigación de campo sobre el espacio público y la vía pública en Australia, refleja esta influencia en referencia a un umbral térmico de entre 28 y 32 ºC (Soltani & Sharifi, 2017). También se ha hecho una evaluación de las condiciones de confort térmico y las resupuestas de salud durante un verano extremadamente caluroso en Atenas (Pantavou et al., 2011) 1.2. Actualidad 1.2.1. Arquitectura bioclimática Para mitigar el efecto de la isla de calor, además de la rehabilitación de edificios, se propone la utilización de una arquitectura bioclimática que aproveche las condiciones medioambientales con el objetivo de conseguir el máximo confort térmico con el mínimo consumo energético. El aprovechamiento de la vegetación es uno de los métodos más efectivos contribuyendo en la absorción de la radiación solar (F. Kong, H. Yin, P. James, L.R. Hutyra, n.d.; Kleerekoper et al., 2012) (figura 2), junto con el control de la orientación, aislamiento térmico y la integración de energías renovables. Figura 2 .Intercambios de energía durante el día entre un árbol y un edificio (Gunawardena et al., 2017) 1.2.2. Técnicas de acondicionamiento pasivo Paralelamente, las técnicas de acondicionamiento pasivo se utilizan ampliamente en espacios al aire libre para mejorar el microclima local y combatir la isla de calor urbano (Mattheos Santamouris & Kolokotsa, 2013) El aire como fluido disipador se puede utilizar como refrigeración por convección, o ventilación. La mayoría de los estudios concluyen que el uso de ventilación nocturna en edificios flotantes puede disminuir la temperatura interior máxima del día siguiente hasta 3 K (Blondeau et al., 1997; V Geros, M Santamouris, Tsangrasoulis, n.d.). Por otro lado, resulta muy interesante su utilización como refrigeración por convección, ya que aprovecha la energía solar de forma pasiva para regular la temperatura de la vivienda mediante la 3 3 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL creación de una corriente de aire ascendente en la zona donde está el colector solar al calentarse el fluido. (Chimeneasonline, n.d.) Figura 3. Diagrama de flujo de ventilación de una habitación con chimenea solar (Abdeen et al., 2019) El suelo como disipador de calor, se utiliza en los (intercambiadores de calor de tierra-aire. Consisten en un sistema de conductos enterrados cuyo funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la inercia térmica del terreno y la temperatura estable que se alcanza a poca profundidad. Para este tipo de sistemas, se han realizado cientos de estudios para desarrollar modelos capaces de predecir la eficiencia de los intercambiadores de calor tierra-aire (Mihalakakou et al., 1994) Por último, el agua como fluido disipador presenta numerosas ventajas. Gracias al alto calor específico que posee, puede transportar grandes cantidades de calor a un caudal razonablemente bajo. Tras y como se verá en el apartado 3 de este capítulo, el agua se puede utilizar en sistemas donde el calor se libera a través de elementos convencionales como fan coil o en sistemas evaporativos. Figura 4. Pozo canadiense Proyecto Life Watercool 4 2 PROYECTO LIFE WATERCOOL L proyecto Life Watercool tiene como objetivo desarrollar y probar soluciones innovadoras para hacer frente a las altas temperaturas, tanto en exteriores como en interiores, y con escorrentía temporal de agua y situaciones de sequía en un entorno urbano sujeto al cambio climático. En el proyecto Watercool, la red de agua urbana actuará como la estructura básica para el desarrollo de soluciones verdes urbanas y medidas de enfriamiento para adaptarse a los efectos del cambio climático, maximizando la sostenibilidad de la ciudad y el bienestar de los ciudadanos (Life Watercool, n.d.). Con objeto de realizar una adaptación óptima al calor, (combinando depósitos de enfriamiento y pavimentos fotocatalíticos y drenantes) y para mejorar la eficiencia en el uso del agua, ésta se utilizará como vehículo en la reurbanización de la Avenida de la Cruz Roja y la confluencia con las calles Doctor Jiménez Díaz y Manuel Villalobos, en el distrito de la Macarena de Sevilla, coordinado por la Empresa Metropolitana de Abastecimiento y Saneamiento de Aguas de Sevilla, S.A. (Emasesa), confinanciado por la Unión Europea. Además, el proyecto contribuirá a la implementación de una gama de políticas y legislación, incluida la estrategia de adaptación de la Unión Europea, la hoja de ruta hacia una Europa eficiente en el uso de los recursos, la estrategia de biodiversidad de la Unión Europea 2020 y el Pacto de Alcaldes por el Clima y la Energía. El entorno de la avenida de la Cruz Roja, en Sevilla, dispondrá de cuatro zonas climatizadas y con sombra, que emplea un proceso de enfriamiento y almacenamiento de agua para rebajar la temperatura y la adaptación al cambio climático., las cuales se tratarán como zonas de corta, media y larga estancia. La plaza y el parque se tomarán como espacios de larga estancia, el patio del colegio de media estancia y la marquesina de la parada de autobús como corta estancia. E Figura 5. Av Cruz Roja, antes Figura 6. Av Cruz Roja, simulación. 5 5 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 7. Simulación zonas proyecto Life Watercool El proyecto Life Watercool junto con el proyecto Cartuja Qanat (Qanat, n.d.), el cual se desarrolla en la avenida Thomas Alva Edison situada en la ciudad de Sevilla cuyo objetivo es la rehabilitación y acondicionamiento del anfiteatro ya existente y la creación del Zoco, son la continuación natural de los trabajos de control climático iniciados por motivos de la EXPO’92 de Sevilla. 3.3. Tecnologías a integrar en el marco del proyecto 2.1.1. Sistema evaporativo Gracias a este equipo, se puede conseguir un enfriamiento según un proceso natural donde se utiliza la evaporación del agua como medio para enfriar el aire (Idae, n.d.). Entre los sistemas evaporativos, se pueden encontrar dos posibilidades de uso; directo e indirecto. En el proyecto, se incorporará el enfriamiento evaporativo directo dentro de las unidades de tratamiento de aire (UTA), permitiendo obtener temperaturas de impulsión más bajas y por tanto una eficiencia mayor del sistema. En el caso del enfriamiento evaporativo directo, tal y como se ve en la figura 8, el aire de impulsión entra en contacto con el agua y se enfría y humidifica. Figura 8. Enfriamiento evaporativo directo Sin embargo, el enfriamiento indirecto se produce cuando el agua pasa por un sistema secundario de aire, Proyecto Life Watercool 6 enfriando el aire de impulsión sin humidificarlo. Se han realizado numerosos experimentos y estudios (Chu & Huang, 2021; El-Dessouky et al., 2000; Tewari et al., n.d.; Wichakan Ketwong, Thoranis Deethayat, n.d.; Y.M.Xuan & X.F.Niu, X.Huang, n.d.) para estimar el rendimiento térmico a la hora de incorporar los sistemas de refrigeración por evaporación y las aplicaciones que estos tienen en diferentes climas y zonas del mundo. Con ello, también se ha llegado a la conclusión de que este tipo de sistemas son más eficientes en climas secos, ya que si la humedad del aire de admisión es demasiado alta, la reducción de temperatura del aire por humidificación es insignificante (Al-Badri & Al- Waaly, 2017). Para poder solventar el problema de las zonas húmedas e incluso aumentar el rendimiento de estos sistemas, se ha propuesto la incorporación de deshumidificadores (Idae, n.d.). Por otro lado, también se ha estudiado las numerosas ventajas que conlleva la incorporación de recuperadores en las unidades de tratamiento de aire como tecnología complementaría o independiente a los sistemas evaporativos. 2.1.2. Sistema de película descendente (Falling Film) El sistema de película descendente, es una de las tecnologías más innovadoras y de gran importancia implantadas en el proyecto. Este sistema fotovoltaico-térmico, se utiliza para producir electricidad y como sistema de refrigeración por radiación nocturna, cuyo objetivo es enfriar el agua utilizada durante el día procedente de los aljibes, haciéndola circular a través de una superficie radiante plana. Para este tipo de sistemas se pueden utilizar dos configuraciones: sistema radiativo y película descendente. En este proyecto, se empleará la película descendente como se puede ver en la figura 9, donde el agua circula por la superficie plana en contacto directo con el aire. Esto hace que el agua se enfríe por convección con el aire, radiación con el cielo y evaporación por contacto directo entre aire y agua. Figura 9. Sistema de película descendente Sin embargo, la mayoría de los estudios realizados (Farmahini-Farahani & Heidarinejad, 2012; Guerrero Delgado et al., 2020)con respecto a esta forma de disipación, se basan en los sistemas radiativos, donde el agua no entra en contacto directo con el ambiente exterior. Al ver que el sistema de película descendente presenta un aumento significativo del potencial de enfriamiento dado los diferentes fenómenos de transmisión (n.d.), se han hecho varios estudios y comparativas entre ambas configuraciones para incentivar su utilización (Guerrero Delgado et al., 2020; Miriel et al., 2002) 2.1.3. Sistema convective-radiante (Marquesina) Por último, el sistema convectivo-radiante irá instalado tanto en la superficie frontal como en la cubierta de una marquesina. Su funcionamiento consiste en hacer circular agua fría por sus circuitos para enfriar la superficie. De esta forma las paredes se refrigeran a una temperatura inferior a la temperatura ambiente del espacio a climatizar y emana frío gracias a dos fenómenos diferentes que se dan al mismo tiempo: la 7 7 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL convección del aire del recinto y el intercambio radiante de onda larga con otras superficies (Andrés-Chicote et al., 2012). Figura 10. Sistema convectivo-radiante (Thermatop) Con respecto a este sistema, Miriel et al. (Miriel et al., 2002) determinó experimentalmente que el componente radiante implica alrededor del 66% de la transferencia de calor total para el modo de refrigeración y el 80% para el modo de calefacción. El predominio del mecanismo de transferencia de calor radiante demostró ser aún mayor en el trabajo experimental realizado por Rahimi et al.(Mostafa Rahimi, n.d.) sobre un sistema de calefacción de techo. A pesar de que el uso de los sistemas convectivo-radiante predomina mayormente en Europa Central y del Norte, se han hecho estudios experimentales para conocer el rendimiento energético de dichos dispositivos en Europa del Sur, demostrando su validez para estas condiciones climáticas 9 3 METODOLOGÍA 3.1. Objetivos A continuación, se enumerará los diferentes objetivos de dicho trabajo: - Informar y concienciar de la creación de espacios verdes y la instalación de elementos urbanísticos que permitan el ahorro y reutilización del agua, además de ayudar a moderar la sensación térmica - Modelado físico de las distintas tecnologías propuestas y volúmenes de acumulación. Se definen las ecuaciones que rigen el comportamiento de todos los elementos de la instalación que permiten la climatización de las diferentes zonas a studio. - Funcionamiento enfriamiento nocturno y modo de operación de la instalación. Búsqueda del horario de funcionamiento óptimo para el Falling Film que asegure un enfriamiento nocturne lo más eficiente possible y estudio de la conexión más optima entre las tecnologías de enfriamiento y los volúmenes de acumulación. - Simulación de la instalación. Se pretende encontrar la solución más óptima a través de simulaciones gracias a parámetros variables y sujetos a las condiciones de diseño impuestas. 3.2. Condiciones de diseño Para garantizar unas condiciones de confort térmico es necesario partir de unos parámetros de diseño que se quieren alcanzar que aseguren que esto es así. Para ello, se ha acudido a la “Guía básica para el acondicionamiento climático de espacios abiertos” publicado por el grupo de termotecnia de la universidad de Sevilla en el marco de la Expo 92. En ella, se puntualiza que para obtener unos niveles de confort aceptables en dichos espacios es necesario garantizar una sudoración inferior a los 90 g/h. Cabe señalar, que, en un espacio de estas características en la época estival en la ciudad de Sevilla, se alcanzan niveles cercanos a los 300g/h de sudoración si el recinto no está climatizado. En el confort térmico interfieren numerosos parámetros por lo que es necesario acondicionar el espacio para el caso más desfavorable posible, el cual, siguiendo dicha guía y con el objetivo de obtener un alto grado de confort que evite una elevada sudoración y ausencia de calor, se decide el siguiente parámetro de diseño: 𝑟 𝑛𝑡𝑜 28 𝑜𝑛𝑠 𝑛 28 Este parámetro se tomará como condición prioritaria a la hora de optimizar los diferentes elementos de la instalación, cuyo valor se intentará alcanzar mediante diferentes tecnologías como se verá en el próximo capítulo. Zonas WaterGrid 16 Figura 16. ACH de la parque Donde: 𝑚 𝑥𝑡 =2,44·10−5+3500·𝑣𝑣 𝑛𝑡𝑜+1000·𝑣𝑣 𝑛𝑡𝑜2 *𝑚3 𝑕+ 3.1.2. Sistema de control parque Para asegurar los objetivos y las condiciones de diseño establecidas se ponen una serie de controles que determinaran el funcionamiento de las diferentes tecnologías. Tanto para la UTA1 como para la UTA2 se pondrá: - Control por temperatura máxima en la parque ( 𝑝 𝑟𝑞𝑢 > 𝑚 𝑥𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒), para asegurar confort térmico en la zona a acondicionar. En el caso en el que se cumpla esta condición se encenderán las UTAs . - Control funcionamiento si la temperatura de agua a la entrada es superior que la temperatura exterior (𝑻𝒆𝒙𝒕 <𝑻𝒂𝒈𝒖𝒂𝒆𝒏𝒕 ). Si se cumple esta condición se apagarían ya que no sería coherente que el agua con la que vamos a enfrían el aire exterior esté más caliente que este. - Control por horario de funcionamiento. Se establecerá un horario de funcionamiento dependiendo del uso que se va a hacer de la zona. - Control de conexión para saber si está conectado al aljibe 1 o al aljibe 2. Importante a la hora de tener en cuenta la potencia cedida de cada una de ellas al aljibe al que esté conectada. Para asegurar el funcionamiento de las UTAs se tienen que cumplir las tres primeras condiciones de control, siendo la tercera de ellas la más predominante Por otro lado, al calcular la temperatura del parque, se ha calculado la temperatura de esta con y sin evaporativo para ver la influencia que tiene este sobre la temperatura final. Gracias a los controles impuestos, podemos asegurar la condición 𝑝 𝑟𝑞𝑢 < 𝑚 𝑥𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒, reforzando así la función de las UTAs. Por tanto, se pondrán para el sistema evaporativo: - Control por temperatura máxima en el parque ( 𝑝 𝑟𝑞𝑢 > 𝑚 𝑥𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒). - Control funcionamiento UTAs. Funcionará siempre que estén conectadas las unidades de tratamiento de aire. Al igual que en el caso de las UTAs, para asegurar su funcionamiento, se tienen que cumplir las dos condiciones de control. 17 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL 3.1. Plaza La plaza situada en la calle Dr. Jiménez Díaz, estará provista únicamente de una UTA , las cuales impulsarán un caudal de 15.000 m3/h con rejillas, a una velocidad de salida de 3 ó 4 m/s Figura 17. Situación actual de la plaza Al igual que en el parque, la UTA podrá conectarse mediante conexión 2T constituida por una tubería de impulsión y otra de retorno al aljibe. 3.1.1. Acondicionamiento y confinamiento del espacio El parque presenta un volumen de acondicionamiento de aproximadamente 300 m3. Los cálculos de las renovaciones por hora (ACH) en dicha zona, se han obtenido por simulación CFD. Para cada velocidad de viento estudiada, se obtiene una renovación por hora (ACH) equivalente en función del grado de confinamiento que se aplique: VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s) ACH (ren/h) 0 0 1 15 4 100 Tabla 4. ACH en la plaza Gracias a estos datos podemos calcular el caudal de aire procedente del exterior que entra en el espacio acondicionado en función de la velocidad del viento, obteniendo una ecuación lineal representada en la siguiente figura: Zonas WaterGrid 18 Figura 18. ACH de la plaza 𝑚 𝑥𝑡 =−3,55·10−15+2963,7·𝑣𝑣 𝑛𝑡𝑜 +65,9·𝑣𝑣 𝑛𝑡𝑜2 *𝑚3 𝑕+ 3.1.2. Sistema de control plaza Para asegurar los objetivos y las condiciones de diseño establecidas se ponen una serie de controles que determinaran el funcionamiento de las diferentes tecnologías. Para el funcionamiento de la UTA se colocará: - Control por temperatura máxima en la plaza ( 𝑝𝑙 𝑧 > 𝑚 𝑥𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎), para asegurar confort térmico en la zona a acondicionar. En el caso en el que se cumpla esta condición se encenderá la UTA. - Control funcionamiento si la temperatura de agua a la entrada es superior que la temperatura exterior (𝑻𝒆𝒙𝒕 <𝑻𝒂𝒈𝒖𝒂𝒆𝒏𝒕 ). Si se cumple esta condición se apagaría ya que no sería coherente que el agua con la que vamos a enfrían el aire exterior esté más caliente que este. - Control por horario de funcionamiento. Se establecerá un horario de funcionamiento dependiendo del uso que se va a hacer de la zona. - Control de conexión para saber si está conectado al aljibe 1 o al aljibe 2. Importante a la hora de tener en cuenta la potencia cedida al aljibe al que esté conectada. Para asegurar el funcionamiento de la UTA se tienen que cumplir las tres primeras condiciones de control, siendo la tercera de ellas la más predominante Por otro lado, al calcular la temperatura de la plaza, se ha calculado la temperatura de esta con y sin el posenfriamiento evaporativo para ver la influencia que tiene este sobre la temperatura final. Gracias a los controles puestos, podemos asegurar la condición 𝑝𝑙 𝑧 < 𝑚 𝑥𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎, reforzando así la función de la UTA. Por tanto, para el sistema evaporativo se pondrán: - Control por temperatura máxima en el plaza ( 𝑝𝑙 𝑧 > 𝑚 𝑥𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎). - Control funcionamiento UTA. Funcionará siempre que esté conectada la unidad de tratamiento de aire. Al igual que en el caso de la UTA, para asegurar su funcionamiento, se tienen que cumplir las dos condiciones de control 19 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL 3.2. Marquesina La marquesina se encuentra en la calle Manuel Villalobos (figura) y tendrá incorporada un sistema convectivo-radiante tanto en la pared frontal como en el techo. Figura 19. Marquesina desde calle Manuel Villalobos dirección Fray Isidoro de Sevilla Figura 20. Marquesina 3.2.1. Sistema de control de la marquesina Para asegurar los objetivos y las condiciones de diseño establecidas se ponen una serie de controles que Zonas WaterGrid 20 determinaran el funcionamiento de las diferentes tecnologías. Para el funcionamiento de la marquesina se colocará: - Control por temperatura radiante media máxima ( 𝑟𝑚 > 𝑚 𝑥𝑟𝑚), para asegurar confort térmico en la zona a acondicionar. En el caso en el que se cumpla esta condición se encenderá la marquesina. - Control funcionamiento si la temperatura de agua a la entrada es superior que la temperatura exterior (𝑻𝒆𝒙𝒕 <𝑻𝒂𝒈𝒖𝒂𝒆𝒏𝒕 ). Si se cumple esta condición se apagaría ya que no tiene sentido que el agua con la que vamos a enfrían el aire exterior esté más caliente que este. - Control por horario de funcionamiento. Se establecerá un horario de funcionamiento dependiendo del uso que se va a hacer de la zona. - Control de conexión para saber si está conectado al aljibe 1 o al aljibe 2. Importante a la hora de tener en cuenta la potencia cedida al aljibe al que esté conectada. Para asegurar el funcionamiento de la marquesina se tienen que cumplir las tres primeras condiciones de control, siendo la tercera de ellas la más predominante 3.3. Colegio En la cubierta del colegio de Educación Infantil y Primaria Arias Montano, se instalará el sistema de película descendete cuya distribución será una de las variables de diseño del proyecto. Figura 21. Mapa de la cubierta del colegio 21 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 22. Patio del colegio. Recreación Revit El falling-film es una tecnología que juega un papel muy importante en el proyecto, ya que se encarga de enfriar durante la noche, el agua de los aljibes que se han calentado durante el funcionamiento de los sistemas de las diferentes zonas. 3.3.1. Sistema de control del colegio Para asegurar los objetivos y las condiciones de diseño establecidas se ponen una serie de controles que determinaran el funcionamiento de las diferentes tecnologías. Para asegurar un funcionamiento eficaz en el falling film se dispondrá de: - Control de funcionamiento. Inicialmente los dos aljibes tendrán distintas temperaturas debido a las diferentes tecnologías que van conectadas a cada una de ellas. Por ello, para que el enfriamiento de ambos aljibe durante la noche sea lo más equilibrado posible, se enfriará el aljibe con mayor temperatura hasta que alcance una diferencia de temperatura con respecto al otro de 0,04. Una vez se alcance esa diferencia, comenzarán a enfriarse a la misma vez. - Control de conexión para saber si está conectado al aljibe 1 o al aljibe 2. Importante a la hora de tener en cuenta la potencia absorbida del aljibe al que esté conectada. Cabe destacar la ausencia de controles de temperaturas del agua ya que queremos que el agua final quede lo más fría posible y así mejorar el rendimiento global del proyecto. 3.4. Modelo de simulación 3.4.1. Aljibes Como se ha comentado anteriormente, habrá dos aljibes independiente cuyos volumenes de acumulación serán objeto de estudio a la hora de optimizar el proceso. Se estudiará de forma independiente la influencia que tienen las diferentes tecnologías que irán conectadas a Zonas WaterGrid 22 cada una de ellas para calcular la temperatura final del agua en el aljibe para intervalos de tiempos de 10 min. Este parámetro será muy importante a la hora de hacer las simulaciones, ya que es un indicador de las magnitudes globales del sistema con el que podremos ver si el proyecto funciona adecuadamente o cumple las condiciones de diseño. Calculo de la temperatura final en cada uno de los aljibes: 𝑓 𝑛 𝑙𝑎𝑙𝑗𝑖𝑏𝑒 𝑖 = 𝑓 𝑛 𝑙𝑎𝑙𝑗𝑖𝑏𝑒 𝑖−1 +𝑄𝑇𝑂𝑇 ·600 𝑉 𝑙𝑗 𝑏 · 𝜌 𝑢 · 𝑐𝑝 𝑢 [ ] Donde: - 𝑄𝑇𝑂𝑇 [𝑊] : sumatorio de las potencias aportadas por todas las tecnologías que están conectadas a cada aljibe. - 𝑓 𝑛 𝑙𝑎𝑙𝑗𝑖𝑏𝑒 𝑖−1: temperatura final del aljibe en el periodo anterior. - 𝑉 𝑙𝑗 𝑏 : volumen total de cada uno de los aljibes. - 𝜌 𝑢 = 998 *𝐾 𝑚3+: densidad del agua. 3.4.2. Unidad de tratamiento de aire Tal y como hemos visto anteriormente en la zona de la plaza y el parque, se incorporarán dos unidades de tratamiento de aire colocadas a una distancia determinada con caudales de aire y agua fijados. Se ha elegido una UTA de la marca TROX (TROX, n.d.) para suministrar un caudal de aire de impulsión determinado, cuya especificación dentro del catálogo del fabricante se corresponde con el modelo TKM 50 HE 124x074. Además, la hoja de características técnicas facilita tanto la eficiencia de la UTA como el caudal de agua necesario entre ellas. A continuación, se comentará de forma detallada el cálculo del flujo asociando al agua de aporte a la batería y las temperaturas del agua y el aire a la salida de esta. Figura 23. Esquema UTAs Flujo de calor asociado al agua de aporte de cada una de las baterías: 𝑄𝑈𝑇𝐴 =𝜀· 𝑚 𝑛·( 𝑟 𝑒𝑛𝑡 − 𝑢 𝑒𝑛𝑡) [𝑊] Donde: 23 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL - 𝑚 𝑛 es el valor mínimo entre 𝑟 =𝑚󰇗 𝑟 ·𝑐𝑝 𝑟 y 𝑢 =𝑚󰇗 𝑢 ·𝑐𝑝 𝑢 *𝑊 𝐾+ - 𝜀: eficiencia de las baterías. - 𝑟 𝑒𝑛𝑡 = 𝑥𝑡 [ ] - 𝑢 𝑒𝑛𝑡 [ ]: temperatura del agua proveniente del aljibe al que estén conectadas. Por otro lado, para el cálculo de las temperaturas a la salida de la batería, tanto del agua como de aire se hace uso de las siguientes expresiones: 𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑟 𝑒𝑛𝑡 +𝑄𝑈𝑇𝐴 𝑐𝑝 𝑟 · 𝑚󰇗 𝑟 [ ] Donde: - 𝑝 𝑟 =1007 *𝐽 𝐾 ·𝐾+ se considera constante independientemente de la temperatura. - 𝑚󰇗 𝑟 *𝑚3 ℎ+ : caudal de aire introducido. 𝑢 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑢 𝑒𝑛𝑡 +𝑄𝑈𝑇𝐴 𝑐𝑝 𝑢 · 𝑚󰇗 𝑢 [ ] Donde: - 𝑚󰇗 𝑢 = *𝐿 ℎ+ : el caudal de agua introducido. - 𝑝 𝑢 =4180 *𝐽 𝐾 ·𝐾+ se considera constante independientemente de la temperatura Una vez se han hecho los cálculos de las temperaturas que resultarían tras pasar por las unidades de tratamiento de aire, se calculan las temperaturas finales en el volumen de ocupación, los cuales serán parámetros de interés para el buen acondicionamiento y cumplimiento de los objetivos principales del proyecto, asegurando así el confort térmico en los recintos: 𝑟 𝑛𝑡𝑜 =𝑚󰇗 𝑥𝑡 · 𝑥𝑡+𝑚󰇗 𝑟 · 𝑟 𝑠𝑎𝑙 𝑚󰇗 𝑥𝑡+𝑚󰇗 𝑟 [ ] 3.4.3. Sistema evaporativo Para el caso del sistema evaporativo se calculará la temperatura de aire de salida, para posteriormente calcular la temperatura de mezcla en el volumen de ocupación y poder ver el efecto que tiene. También se calculará la cantidad de agua que se va a evaporar por el efecto evaporativo para observar la cantidad de agua que se pierde. Zonas WaterGrid 24 Figura 24. Esquema fuente de la parque A continuación, se muestra el cálculo de la temperatura de aire de salida del sistema evaporativo: 𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑟 𝑒𝑛𝑡 −𝜀 𝑣 𝑝( 𝑟 𝑒𝑛𝑡 − 𝑏ℎ) [ ] Donde: - 𝜀 𝑣 𝑝: eficiencia del sistema evaporativo. Aunque el sistema evaporativo sea independiente de los aljibes, es necesario calcular la potencia transferida para así poder calcular posteriormente la cantidad de agua que se evapora: 𝑄 𝑣 𝑝 =𝑚′ 󰇗 𝑥𝑡·𝑐𝑝 𝑟 ·( 𝑟 𝑒𝑛𝑡 − 𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) [𝑊] Donde: - 𝑚󰇗′ 𝑥𝑡 *𝐾 𝑠+ : caudal aire exterior que ingresa dentro del espacio a acondicionar, calculado por CFD. La masa de agua evaporada se obtiene a partir de la siguiente fórmula: 𝑚 𝑢 𝑒𝑣𝑎𝑝 =𝑄 𝑣 𝑝 ·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑕𝑓 𝑠 [𝑘𝑔] Donde: - 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜=600 𝑠 : intervalo de tiempo que se ha considerado para conocer la evolución del sistema. - 𝑕𝑓 𝑠 =2257 *𝐾𝐽 𝐾 + : entalpía de cambio de fase. Por otro lado, se ha tenido en cuenta la humedad del recinto, calculando previamente la humedad de impulsión una vez que el aire exterior haya pasado por el sistema evaporativo: 𝑤 𝑚𝑝 =𝑤 𝑥𝑡 +𝑚 𝑢 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑚 𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 [𝐾𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑠𝑒𝑐𝑜] Donde: - 𝑤 𝑥𝑡 =0,012 *𝐾 𝑢 𝐾 𝑟 𝑠 𝑜+: toma un valor constante debido a errores en la toma de datos con respecto a este parámetro, siempre teniendo en cuenta que se trata de un valor desfavorable. - 𝑚 𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 [𝐾𝑔] calculado a través de la siguiente fórmula: 𝑚 𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 =𝑤 𝑥𝑡 +𝑚 𝑟 (1+𝑤 𝑥𝑡 ) [𝐾𝑔] Donde: 𝑚 𝑟 =𝑚󰇗 𝑟 ·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 [𝐾𝑔] 25 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Una vez se han hecho los cálculos de las temperaturas y humedades que resultarían tras pasar tanto por las unidades de tratamiento de aire como por el sistema evaporativo, se calculan las temperaturas y humedades finales en el volumen de ocupación, los cuales serán parámetros de interés para el buen acondicionamiento y cumplimiento de los objetivos principales del proyecto, asegurando así el confort térmico en la zona de la plaza: 𝑟 𝑛𝑡𝑜 =𝑚󰇗 𝑥𝑡 · 𝑥𝑡 +𝑚′ 󰇗 𝑥𝑡· 𝑥𝑡+𝑚󰇗 𝑟 · 𝑟 𝑠𝑎𝑙1 𝑚󰇗 𝑥𝑡+𝑚′ 󰇗 𝑥𝑡+𝑚󰇗 𝑟 [ ] 𝑤𝑟 𝑛𝑡𝑜 =𝑚󰇗 𝑥𝑡 ·𝑤 𝑥𝑡 +𝑚′ 󰇗 𝑥𝑡·𝑤 𝑚𝑝 𝑚󰇗 𝑥𝑡 +𝑚′ 󰇗 𝑥𝑡 [𝐾𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑠𝑒𝑐𝑜] 3.4.4. Falling film Para instalar el falling film se hará uso de paneles solares de alta eficiencia sin marco de 1 m de ancho y 2 m de largo cada uno. Los paneles se dispondrán con una inclinación de 10-15º en la dirección de circulación del agua, cuyo ángulo ha sido estudiado para que el sistema sea los más eficiente posible. Por otro lado, la película descendente de agua sobre los paneles se creará gracias a la impulsión mediante boquillas de aspersión abanico de una apertura de 160º , colocando 1 por metro, cuyo objetivo es garantizar un caudal mínimo por boquilla con una presión de 1,5 bar en el punto de conexión, sabiendo, según el fabricante, que posee un caudal nominal de 1000 L/h con una presión de 3 bar. Figura 25. Falling film El cálculo de la potencia disipada y la cantidad de agua evaporada por el sistema está sujeto a la condición, 𝑢 𝑒𝑛𝑡 > 𝑏ℎ+1, ya que si esto se cumple, el efecto evaporativo es mayor y por tanto: 𝑄𝑟 𝑑 𝑛𝑡 =(33,11·( 𝑑 𝑝ó𝑠 𝑡𝑜− 𝑏ℎ)+5·( 𝑑 𝑝ó𝑠 𝑡𝑜− 𝑙𝑜))· 𝐴𝑑 𝑠 𝑝 ó𝑛 · 𝐹 [𝑊] 𝑚 𝑢 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑟𝑎𝑑 =𝑄𝑟 𝑑 𝑛𝑡 · 33.11·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (33.11+5)·𝑕𝑓 𝑠 ·1000 [𝐾𝑔] Resultados 12 12 Figura 32. Enfriamiento del agua procedente de los aljibes mediante la mezcla de ambos. A continuación, se estudiarán tres casos de conexiones en los diferentes depósitos con el objetivo de comparar la temperatura al final del horario de funcionamiento de la película descendente en el caso en el que haya poca y mucha diferencia de temperatura entre ambos aljibes durante seis días de simulación. Para ello, se enumeran los distintos parámetros de diseño y variables, los cuales serán de interés en los apartados siguientes a la hora de buscar la solución más óptima en función de las condiciones impuestas. Parámetros fijos: - Parque:  Eficiencia de las baterías (0,72)  Caudal de agua de las dos baterías (5000 L/h)  Caudal de aire de las dos baterías (5000 m3/h)  Volumen de ocupación (300 m3)  Horario de funcionamiento (16:00h-20:00h ininterrumpidamente) - Plaza:  Eficiencia de la batería (0,72)  Caudal de agua de la batería (5000 L/h)  Caudal de aire de la batería (15000 m3/h)  Volumen de ocupación (273,72 m3)  Horario de funcionamiento (16:00h-20:00h ininterrumpidamente) - Marquesina:  Eficiencia (0,8)  Caudal de agua (8 L/min)  Área total (13, 02 m2)  Horario de funcionamiento (13:00h-15:00h ininterrumpidamente y de 17:00-19:00 en intervalos de 20 minutos) Parámetros variables:  Grado de confinamiento tanto en la plaza como en el parque. Representa el porcentaje total de aire que pasa por el sistema evaporativo.  Volumen de los aljibes  Dimensionamiento de los paneles del sistema Falling Film  Eficiencia sistema evaporativo  Primer caso 13 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL En el primer caso estudiado, se conectarán al aljibe 1 una de las unidades de tratamiento de aire de la parque y la correspondiente a la plaza. Por otro lado, en el aljibe 2 se conectará la segunda UTA instalada en la parque y la marquesina. Seguidamente, se representa la evolución de la temperatura en ambos aljibe para los dos modos de enfriamiento propuestos de forma independiente. Figura 33. CASO 1 (ALJ1: 1UTAS parque + UTA plaza; ALJ2: 1UTAS parque + marquesina). Diferencia de T Tal y como se puede ver en la gráfica, la temperatura en los aljibes inicialmente es de 20 ºC, cuyo valor se ha tenido que suponer para poder comenzar la simulación. Este valor está sujeto a uno de los objetivos del proyecto, ya que las condiciones de diseño establecidas previamente señalan la necesidad de una temperatura del agua de los aljibes de entre 20 ºC y 25 ºC. Transcurridos seis días de simulación y teniendo en cuenta que los datos climáticos y condiciones diarias se mantienen constantes, se puede observar la estacionalidad adquirida finalmente. Centrándonos en el último día de simulación, se puede ver como al comienzo de la mañana ambos aljibes están a la misma temperatura. A partir de las 13.00 h, la temperatura correspondiente al aljibe 2 aumenta levemente debido al inicio del funcionamiento de la marquesina, que como se ha visto anteriormente tiene un horario de funcionamiento de 13.00 h a 15.00 h. A partir de las 15.00 h, se mantiene constante la temperatura hasta que comienza a aumentar nuevamente a partir de las 16.00 h debido a la arranque de la UTA del parque. A su vez, la temperatura del aljibe 1 aumenta en el mismo instante que el aljibe 2 pero de forma más acelerada, ya que en ese momento funciona tanto una de las UTAs del parque como la UTA de la plaza, teniendo que aportar mayor potencia. Una vez cesa el funcionamiento de todas las tecnologías encargadas de climatizar los distintos recintos, a partir de las 23.00h comienza a funcionar el Falling film, dejando un intervalo suficiente para que la temperatura exterior y del cielo bajen y aumente el rendimiento del enfrimiento radiante. Como se puede observar y correspondiendo al primer modo de enfriamiento comentado, inicialmente se enfría el agua perteneciente al aljibe 1 al estar más caliente que la del aljibe 2. A partir de las 00.00h, en el momento en el que la diferencia de temperatura entre ambos aljibe es de 0,04, se mezclan y comienzan a enfriarse a la misma vez. Resultados 14 14 Seguidamente, se ha representado nuevamente la evolución de la temperatura en los dos aljibes para las mismas conexiones pero con el segundo modo de enfriamiento. Figura 34. CASO 1 (ALJ1: 1UTAS parque + UTA plaza; ALJ2: 1UTAS parque + marquesina). Mezcla En este caso, la evolución de la temperatura del agua durante el horario de funcionamiento de las tecnologías encargadas de refrigerar las diferentes zonas, es muy similar a la gráfica comentada anteriormente. Sin embargo, una vez comienza a funcionar la película descendente, los volúmenes de agua de ambos aljibes se mezclan hasta adoptar una temperatura media en la que el aljibe 1, que en este caso es el más caliente, se enfría y el aljibe 2 se calienta. A partir del ese instante, se enfriar simultáneamente hasta las 8.00h, momento en que cesa el funcionamiento del Falling film.  Segundo caso. En el segundo caso estudiado, se conectarán al aljibe 1 la unidad de tratamiento de aire correspondiente la plazay en el aljibe 2 se conectarán las dos UTAs instaladas en el parque y la marquesina. Seguidamente, se representa la evolución de la temperatura en ambos aljibe para los dos modos de enfriamiento propuestos de forma independiente. 15 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 35. CASO 2 (ALJ1: UTA plaza; ALJ2: 2UTAS parque + marquesina). Diferencia de T Centrándonos en el último día de simulación, se puede ver como al comienzo de la mañana ambos aljibes están a la misma temperatura. A partir de las 13.00 h, la temperatura correspondiente al aljibe 2 aumenta levemente debido al inicio del funcionamiento de la marquesina hasta las 15.00h. A partir de las 16.00 h, la temperatura del agua en ambos aljibes va aumentando de forma muy similar debido al funcionamiento de todas las UTAs, tanto del parque como de la plaza, hasta un punto en el que la temperatura en el aljibe 1 aumenta más rápido con respecto a la del aljibe 2 ya que como se ha comentado, la UTA de la plaza necesita mayor potencia. En comparación con el otro caso expuesto anteriormente y uno de los puntos importante a la hora de elegir el modo de enfriamiento, se puede observar al final del día una diferencia de temperatura menor. Por consiguiente, el aljibe con mayor temperatura necesitará un intervalo menor de tiempo hasta alcanzar una temperatura cercana al otro aljibe. Seguidamente, se ha representado nuevamente la evolución de la temperatura en los dos aljibes para las mismas conexiones pero con el segundo modo de enfriamiento. Resultados 16 16 Figura 36. CASO 2 (ALJ1: UTA plaza; ALJ2: 2UTAS parque + marquesina). Mezcla  Tercer caso. En el tercer caso estudiado, se conectarán al aljibe 1 todas las unidades de tratamiento de aire y en el aljibe 2 se conectarán la marquesina. Seguidamente, se representa la evolución de la temperatura en ambos aljibe para los dos modos de enfriamiento propuestos de forma independiente. Figura 37. CASO 3 (ALJ1: Todas las UTAS; ALJ2: marquesina). Diferencia de T Como se puede observar en la gráfica37, hay un aumento de temperatura en el aljibe 2 debido al horario de funcionamiento de la marquesina. En este caso, podemos visualizar los intervalos de 20 minutos de 17 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL funcionamiento impuestos, viendo los aumentos cuando está en funcionamiento y las zonas llanas cuando está parada. En el momento en el que comienzan a funcionar todas las UTAS, la temperatura del aljibe 1 se dispara con respecto a la del aljibe 2 debido a que requiere de mayor potencia. Por ello, en el momento en el que se enciende el Falling film para comenzar a enfriar el agua de los aljibes calentada durante el día, comenzará a enfría primero el aljibe 1 hasta que adopta una cierta diferencia de temperatura con respecto al otro aljibe gracias al control de funcionamiento. Seguidamente, se ha representado nuevamente la evolución de la temperatura en los dos aljibes para las mismas conexiones pero con el segundo modo de enfriamiento. Figura 38. CASO 3 (ALJ1: Todas las UTAS; ALJ2: marquesina). Mezcla En este caso, se puede ver notoriamente como actúa el modo de enfriamiento sobre el agua acumulada en los aljibes tras el calentamiento de este durante el día, ya que la diferencia de temperatura entre ambos depósitos es muy grande. El aljibe con menor temperatura, es decir, el aljibe 2 al mezclarse con el aljibe 1 sufre un incremento de temperatura hasta poder alcanzar la temperatura media entre ambos. Por último, una vez se han representado los tres casos de conexiones posibles para los dos modos de enfriamiento propuesto, se recogen en la siguiente tabla las temperaturas en los aljibes una vez termina el horario de funcionamiento del Falling Film, siendo esta la temperatura mínima dada durante el día estudiado. Se comparan los dos casos más críticos en el que la diferencia de temperatura entre ambos es mínima o máxima. Resultados 18 18 CASO 2 (- diferencia) CASO 3 (+ diferencia) ALJIBE 1 ALJIBE 2 ALJIBE 1 ALJIBE 2 Tmin (ºC) Aumento por cada tramo (%) Tmin (ºC) Aumento por cada tramo (%) Tmin (ºC) Aumento por cada tramo (%) Tmin (ºC) Aumento por cada tramo (%) Diferencia de temperatura 19,02 18,99 18,74 18,7 4 Mezcla 19,07 0,26 19,07 0,42 18,92 0,96 18,9 2 0,96 Tabla 5. Comparación de los diferentes modos de enfriamieto según las conexiones en los aljibes Para el caso 2, donde la temperatura entre ambos aljibe es mínima, se presencia una diferencia del 0,26 % entre un modo y otro de enfriamiento, siendo el modo de mezcla levemente superior. Sin embargo, para el caso 3, donde la diferencia de temperatura entre ambos aljibes es significativa, hay una diferencia de casi 1% entre ambos modos. Aunque no hay una diferencia excesivamente grande entre un modo y otro, se empleará el primero de ellos. El aljibe con mayor temperatura se enfriará primero hasta alcanzar una diferencia de temperatura de 0,04. 4.1.1. Conexiones WaterGrid Una vez elegido el modo de enfriamiento, antes de comenzar con el estudio y búsqueda de la solución más óptima, se elegirá uno de los casos de conexión expuesto anteriormente. Para ello, se ha calculado las temperaturas máximas, tanto de la plaza como del parque, para elegir aquel caso en que esta sea menor, ya que el principal objetivo del proyecto es garantizar una temperatura de consigna que asegure confort térmico en los recintos. PLAZA PARQUE TMAX (ºC) TMAX (ºC) CASO 1 28,44 27,23 CASO 2 27,78 27,13 CASO 3 29,29 29,08 Tabla 6. Temperaturas máximas de los recintos según los diferentes casos Tras ver la tabla, se puede concluir que el caso más equilibrado, eficiente y que por tanto se adoptará a la hora de hacer las simulaciones, es el caso dos (Figura 39). 19 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 39. Conexiones en los aljibes. 4.2. Justificación del volume de los aljibes Para determinar el volumen se toma la temperatura del depósito, una vez ha finalizado el horario de funcionamiento de todas las tecnologías, para una variedad de volúmenes que oscila desde los 10 𝑚 3 a los 60 𝑚 3. La determinación de los datos se da bajo las siguientes condiciones: - Modo de funcionamiento 2 (Alj1: UTA plaza; Alj2: 2UTA parque + marquesina). - Temperatura inicial del depósito de 20ºC. - Se simulas 6 días. - Las condiciones climatológicas de simulación son las mismas todos los días. - La temperatura del depósito adquirida corresponde a las 20.00h del octavo día de simulación, siendo esta la temperatura máxima de los aljibes. - Los caudales de aire y agua para las UTAs del parque son 5000 m3/h y 5000 L/h respectivamente. - Los caudales de aire y agua para la UTA del plaza son 15000 m3/h y 5000 L/h respectivamente. - El caudal de agua que circula por la marquesina es de 480 L/h. En la tabla 7, se recoge la temperatura de los dos aljibes al final del horario de funcionamiento de todas las tecnologías, es decir, a las 20.00h para cada uno de los volúmenes a estudiar. Ambos aljibes se analizarán por separado ya que, como se ha visto en el apartado anterior, aportarán intercambios de calor diferente debido a las conexiones. Asimismo, se calcula de forma porcentual la variación de temperatura con respecto al caso que le precede para ver la influencia que tiene un aumento de volumen de acumulación en el sistema. Resultados 20 20 Figura 40. Temperatura del agua de los aljibes a las 20:00 h en función del volumen de acumulación Los datos de temperatura del agua se obtienen bajo una situación muy desfavorable ya que se simulan 8 días de funcionamiento a pleno rendimiento con condiciones climatológicas correspondientes al día más caluroso del verano. Aunque esto sea así, gracias a los valores obtenidos es posible determinar que rango de volúmenes es el más adecuado. De la tabla obtenida, se deduce que al aumentar el volumen del aljibe, el decremento de la temperatura disminuye hasta niveles en los que incrementar el volumen no proporciona un descenso de la temperatura mayor al 1%. A partir de los 40 𝑚 3, aumentar el volumen del aljibe sólo propicia decrementos de temperatura inferior al 1%, por lo que se decide seleccionar el rango comprendido entre los 15 𝑚 3 y los 40 𝑚 3 para ser evaluados como posibles soluciones. Para ello, se realiza una evolución temporal de la temperatura del agua para cada uno de los volúmenes, es decir, para 15 𝑚 3, 20 𝑚 3, 25 𝑚 3, 30 𝑚 3, 35 𝑚 3 y 40 𝑚 3 como se detalla a continuación. Volumen (m3) T_aljibe 1 (ºC) Decremento por cada tramo (%) T_aljibe 2 (ºC) Decremento por cada tramo (%) 10 29,83 28,7 15 27,71 7,12 26,6 7,24 20 26,33 4,98 25,4 4,69 25 25,41 3,49 24,5 3,29 30 24,82 2,33 24,1 1,87 35 24,37 1,79 23,7 1,60 40 24,07 1,25 23,5 0,87 45 23,84 0,96 23,3 0,77 50 23,64 0,84 23,1 0,83 55 23,49 0,62 23,0 0,36 60 23,367 0,52 22,9 0,42 Tabla 7. Variación de las temperaturas de los aljibes en función de los volúmenes 21 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 41. Evolución de la temperatura del agua del aljibe 1 para 6 volúmenes dados. Figura 42. Evolución de la temperatura del agua del aljibe 2 para 6 volúmenes dados En las gráficas 42 y 43, se representa la evolución temporal de la temperatura del agua, tanto del aljibe 1 como del 2, para los distintos volúmenes de acumulación. Se puede observar en el octavo día de simulación como a menor volumen, mayor capacidad de enfriamiento por parte del Falling Film, por lo que los aljibes con 15 m3 consiguen un temperatura menor al principio de la mañana en comparación al resto de volúmenes. De igual manera, al tener menos capacidad de acumulación, el incremento de temperatura al final del día con respecto al principio será mayor, ya que durante el día el agua se calentará para poder garantizar el enfriamiento del aire de los recintos y asegurar el confort térmico (tabla 8). Por tanto, se puede deducir que Resultados 28 28 En la tabla 12, se recoge la temperatura de los aljibes a las 7.50 h y la cantidad de agua evaporada durante el funcionamiento del Falling film dependiendo del número de paneles en serie. Esto nos permitirá aumentar la longitud de lanzamiento del agua que es impulsada por cada boquilla, aumentando así el área de disipación. Para poder realizar los cálculos, se han tomado 50 boquillas con el objetivo de no superar el área de disipación disponible impuesta por la restricción de espacio de la cubierta. Nº de paneles en serie T_aljibe 1 (ºC) Decremento por cada tramo (%) T_aljibe 2 (ºC) Decremento por cada tramo (%) Agua_evap (Kg) Decremento por cada tramo (%) 1 (100 m2) 22,99 22,96 333,20 2 (200 m2) 20,22 12,05 20,19 12,05 414,40 24,37 3 (300 m2) 19,25 4,82 19,23 4,75 439,79 6,13 4 (400 m2) 18,73 2,70 18,7 2,76 450,30 2,39 Tabla 12. Estudio del número de paneles en serie. Figura 47. Dimensiones paneles . Figura 48. Dimensiones cubierta colegio. 29 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Figura 49. Evolución de la temperatura de los aljibes en función del número de paneles en serie. Los datos de la temperatura del agua se obtienen bajo una situación muy desfavorable ya que se simulan 6 días de funcionamiento a pleno rendimiento con condiciones climatológicas correspondientes al día más caluroso del verano. Aunque esto sea así, gracias a los valores obtenidos es posible determinar el número de paneles en serie más adecuado para el sistema. De la tabla obtenida, se deduce que al aumentar el número de paneles en serie, el decremento de la temperatura disminuye hasta un punto en el que el descenso es muy pequeño. Es decir, a medida que aumenta la longitud de lanzamiento, disminuye la eficiencia a la hora de enfriar el agua perteneciente a los aljibes. Tal y como se ve en la figura 49, a partir de los 2 paneles en serie, aumentar esta longitud, sólo proporciona decrementos de temperatura inferior al 5%. Por otro parte, y como es evidente, al aumentar el número de paneles en serie y por tanto el tiempo en el que está en contacto el agua con el cielo, aumenta la cantidad de agua evaporada. Para 2 paneles en serie, sufre un aumento de 24,37% con respecto al caso anterior y a partir de los 3 paneles en serie, se reduce este porcentaje de agua evaporada debido a la disminución de la eficiencia del sistema comentada anteriormente. Sujeto a las conclusiones anteriores, se procede a estudiar las temperaturas máximas delos recintos para 1,2 y 3 paneles en serie con el objetivo de garantizar confor térmico y no superar la temperatura de consigna establecida. Parque Plaza Nº DE PANEL ES EN SERIE Tmax plaza (ºC) Tiempo en el que T plaza >Tmax (%) Tmax parque (ºC) Tiempo en el que T parque >Tmax (%) 1 28,55 75 28,09 20,83 2 27,87 0 27,77 0 3 27,67 0 27,69 0 Tabla 13. Estudio del número de paneles en serie. Resultados 30 30 Tras haber simulado las tres configuraciones, se puede ver como al aumentar el número de paneles en serie y por tanto la longitud de lanzamiento, disminuye la temperatura máxima de los recintos. A partir de los 2 paneles en serie, se puede garantizar una temperatura en los dos recintos inferior a la temperatura de consigna. Por tanto, se elegirá esta opción como la más óptima para nuestro sistema. Una vez hallada la configuración más óptima, se continúa el estudio con la búsqueda del número total de boquillas instaladas fijando el caudal de cada una de ellas en 600 L/hm. Nº BOQUILLAS T_aljibe 1 (ºC) Disminución por cada tramo (%) T_aljibe 2 (ºC) Disminución por cada tramo (%) Agua_evap (Kg) Decremento por cada tramo (%) 50 (200 m2) (30000 L/h) 20,22 20,19 414,40 75 (300 m2) (45000 L/h) 19,02 5,95 18,99 5,95 445,50 7,50 90 (360 m2) (54000 L/h) 18,50 2,71 18,52 2,46 448,07 0,58 Tabla 14. Estudio del número de boquillas En la tabla 14, se recoge la temperatura de los aljibes a las 7.50 h y la cantidad de agua evaporada durante el funcionamiento del Falling film dependiendo del número total de boquillas. Esto nos permitirá aumentar la cantidad de agua total impulsada y por tanto el área de disipación. De la tabla obtenida, se deduce que al aumentar el número total de boquillas y por tanto la cantidad de agua total impulsada, se obtienen temperaturas en los aljibes cada vez menores, pudiendo obtener para 90 boquillas temperaturas de hasta 18,5 ºC. Sin embargo, debido a las limitaciones de espacio en la cubierta y observando que esta opción tiene una disminución menor con respecto al tramo anterior, tanto para la temperatura como el agua total impulsada, se opta por instalar 75 boquillas para cada uno de los paneles. Una vez fijada la configuración de paneles y el número total de boquillas, se finalizará el estudio con la búsqueda del caudal por boquilla más óptimo. 31 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Caudal (L/hm) T_aljibe 1 (ºC) Decremento por cada tramo (%) T_aljibe 2 (ºC) Decremento por cada tramo (%) Agua_evap (Kg) Decremento por cada tramo (%) 400 (30000 L/h) 19,25 19,232 439,8 600 (45000 L/h) 19,02 1,19 18,99 1,26 445,50 1,30 800 (60000 L/h) 18,86 0,82 18,90 0,46 448,60 0,70 1000 (75000) 18,81 0,30 18,79 0,62 451,40 0,62 Tabla 15. Estudio de la cantidad de caudal por boquilla En la tabla 15, se recoge la temperatura de los aljibes a las 7.50 h y la cantidad de agua evaporada durante el funcionamiento del Falling film dependiendo del caudal de impulsión por boquilla. Esto nos permitirá aumentar la cantidad de agua total impulsada. De la tabla obtenida, se deduce que al aumentar el caudal de impulsión por boquilla y por tanto la cantidad de agua total impulsada, se obtienen temperaturas en los aljibes cada vez menores, hasta niveles en los que incrementar el caudal no proporciona un descenso de la temperatura mayor al 1%. Al igual que da con el aumento de la cantidad de agua evaporada. Por tanto, teniendo en cuenta estas consideraciones, se tomará los 600 L/hm como caudal óptimo de impulsión por boquilla. En resumen, se llevará a cabo la instalación de un sistema de enfriamiento nocturno con 2 paneles en serie, 75 boquillas en total y un caudal de 600 L/hm por cada boquilla (imagen 50), impulsando un caudal total de 45000 L/h para un área de disipación de 300 m2. El estudio realizado bajo condiciones límites durante seis días consecutivos, satisface las condiciones de funcionamiento básicas y respeta las limitaciones de espacio. Resultados 32 32 Figura 50. Distribución general para dos paneles en serie Finalmente, se representa la evolución de la temperatura de ambos aljibes durante todos los días de simulación tras la optimización del proceso. Figura 51.Evolución de la temperatura del agua de los aljibes. Resultado final. El último día de simulación se puede ver como la temperatura oscila entre 19 ºC y 26,3 ºC, superando 1 ºC la condición de diseño establecida previamente. Sin embargo, al garantizar la condición de diseño asociada a la temperatura en los recintos, esta pasa a un segundo plano y se pueden dar por válidos todos los parámetros obtenidos de la optimización. 33 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL 6 CONCLUSIÓN . lo largo de este proyecto, hemos identificado la necesidad de analizar y conocer las diferentes técnicas de acondicionamiento pasivo, así como la implantación de una arquitectura bioclimática que aproveche los recursos disponibles para disminuir los impactos ambientales y reducir los consumos de energía. Gracias a esto, se evita el uso de sistemas convencionales de acondicionamiento, los cuales requieren de energías no renovables, consumiendo más y expulsando al ambiente mayor cantidad de C02. Una vez modelado las diferentes zonas que conforman el proyecto Life Watercool y las diferentes tecnologías que irán conectadas a la red de agua, se han hecho diferentes simulaciones durante seis días pertenecientes a la época estival en Sevilla bajo las mismas condiciones climatológicas todos los días. Esto nos ha permitido llegar a la solución más óptima limitado por las condiciones de diseño y espacio, cuyo principal objetivo es conseguir una temperatura en los recintos de 28 ºC y una temperatura del agua de los aljibes que oscile entre 20ºC y 25ºC. Tras obtener los resultados de dichas simulaciones, se puede llegar a las siguientes conclusiones: - El enfriamiento del agua proveniente de los aljibes a través del Falling Film es más efectivo si inicialmente se enfría aquel volumen de acumulación que esté más caliente hasta una diferencia de temperatura mínima, ya que como se ha visto, para casos extremos en los que difiere considerablemente la temperatura de ambos depósitos, la temperatura media resultante necesita más tiempo para alcanzar al final del horario de funcionamiento la temperatura óptima. - A la hora de hallar la conexión más equilibrada para el sistema, es decir, requiera de una potencia total de absorción semenjante para ambos aljibes, se han simulados 3 casos. Tras haberlos comparado mediante la evolución de la temperatura en los aljibes, se ha elejido aquel caso en el que la UTA de la plaza irá conectada al aljibe 1 y las UTAs del parque y marquesina en el aljibe 2, consiguiendo así una diferencia de temperatura mínima al final del horario de funcionamiento de todas las tecnologías. - Por otro lado, a través de la justificación del volumen de acumulación, se ha observado que a partir de los 40 m3 , aumentar el volumen del aljibe sólo ocasiona decrementos de temperatura inferior al 1%, por lo que se decide seleccionar el rango comprendido entre los 15 𝑚 3 y los 40 𝑚 3 para ser evaluados como posibles soluciones. - Con el fin de alcanzar temperaturas en los recintos inferiores o iguales a la temperatura máxima establecida, se decide incorporar sistemas evaporativos tanto en el parque como en la plaza de eficiencia 0,9. Tras ver diferentes confinamientos, se puede ver como al pasar el 80% y 70 % del aire exterior a través del sistema evaporativo en el parque y plaza respectivamente, se consiguen para 20 𝑚 3 temperaturas inferiores a la de consigna. - Una vez elegido el volumen óptimo, con el objetivo de reducir la eficiencia de los sistemas evaporativos al máximo y evitar perder agua por evaporación, se ha llegado a la conclusión que para una eficiencia del 75% en la plaza y 65% en el parque, se siguen respetando las condiciones de diseño impuestas. - Por otro lado, a la hora de analizar el dimensionado de los paneles del Falling Film, se puede ver como al aumentar el número de paneles en serie, el decremento de la temperatura disminuye hasta 2 A Conclusión 34 34 paneles en serie, a partir del cual el descenso es muy pequeño. Es decir, a medida que aumenta la longitud de lanzamiento, disminuye la eficiencia a la hora de enfriar el agua perteneciente a los aljibes. A su vez, al aumentar tanto el tiempo en el que está en contacto el agua con el cielo, aumenta la cantidad de agua evaporada. - Se deduce que al aumentar el número total de boquillas y por tanto la cantidad de agua total impulsada, se obtienen temperaturas en los aljibes cada vez menores. Sin embargo debido a limitaciones de espacio en la cubierta se opta por instalar 75 boquillas. - A su vez, al aumentar el caudal de impulsión por boquilla y por tanto la cantidad de agua total impulsada, se obtienen temperaturas en los aljibes cada vez menores, hasta 600 L/hm, a partir del cual el incremento del caudal no proporciona un descenso de la temperatura mayor al 1%. - Finalmente, tras hallar todos aquellos parámetros que optimizan el proceso, reduciendo gastos de energía y pérdida de agua evaporada, se pueden alcanzar los objetivos impuestos por las condiciones de diseño a pesar de que la temperatura en los aljibe es levemente más elevada a la esperada. 35 Modelado y evaluación del sistema de climatización LIFEWATERCOOL Referencias 36 36 REFERENCIAS Abdeen, A., Serageldin, A. A., Ibrahim, M. G. E., El-Zafarany, A., Ookawara, S., & Murata, R. (2019). Solar chimney optimization for enhancing thermal comfort in Egypt: An experimental and numerical study. 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