Diagnóstico termoeconómico de los componentes de las instalaciones de climatización

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INVESTIGACIÓN EN EFICIENCIA ENERGÉTICA Y SOSTENIBILIDAD EN INDUSTRIA, TRANSPORTE, EDIFICACIÓN Y URBANISMO TRABAJO FIN DE MÁSTER DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO DE LOS COMPONENTES DE LAS INTALACIONES DE CLIMATIZACIÓN Estudiante Prol, Godoy, Irati Directora Picallo, Perez, Ana Codirector Sala, Lizarraga, Jose María Departamento Ingeniería Energética Curso académico 2020-2021 Bilbao, 23, junio, 2021 2 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO RESUMEN La preocupación por el ahorro energético debido a causas como el agotamiento de recursos fósiles o el cambio climático, ha incentivado el desarrollo de diferentes técnicas con la finalidad de ahorrar energía. El mantenimiento de las instalaciones térmicas es una de las tareas clave para garantizar el buen funcionamiento de los equipos y sistemas. Para ello, la clave es realizar un diagnóstico que permita detectar y evaluar fallos. El diagnóstico termoeconómico es una herramienta capaz de identificar el aumento de costes debido a una anomalía en el sistema. Para poder aplicar el diagnóstico termoeconómico, a lo largo de los años, se han desarrollado diferentes métodos basados en el Segundo Principio y en la Termoeconomía. Sin embargo, a pesar del notable interés y el gran avance que puede suponer aplicar el diagnóstico termoeconómico en los edificios, está todavía en fase de investigación y existen pocos trabajos realizados en el ámbito de las instalaciones de los edificios. Mediante la simulación de una instalación en el software TRNSYS, junto con la implementación de una anomalía al sistema, se sacarán conclusiones de los efectos de esa anomalía aplicando el diagnóstico. Así se podrá desarrollar una mejor aplicación del diagnóstico termoeconómico en instalaciones térmicas. Palabras clave: Diagnóstico termoeconómico; Análisis exergético; Instalaciones térmicas. ABSTRACT Concern for energy saving due to causes such as the depletion of fossil resources or climate change has prompted the development of different techniques with the aim of saving energy. The maintenance of thermal facilities is one of the key tasks to ensure the proper functioning of equipment and systems. The key to this is to carry out a diagnosis to detect and evaluate faults. The thermoeconomic diagnosis is a tool capable of identifying the cost increase due to an anomaly in the system. In order to apply the thermoeconomic diagnosis, over the years, different methods based on the Second Principle and Thermoeconomics have been developed. However, in spite of the remarkable interest and the great advance that could mean applying the thermoeconomic diagnosis in buildings, it is still in the research phase and there are few works carried out in the field of building installations. By simulating an installation in TRNSYS software, together with the implementation of an anomaly to the system, conclusions will be drawn about the effects of that anomaly by applying the diagnosis. In this way it will be possible to develop a better application of the thermoeconomic diagnosis in thermal installations. Keywords: Thermoeconomic diagnosis; Exergy analysis; Thermal system. LABURPENA Baliabide fosilak agortzen daudelako edo klima-aldaketa dagoelako, energia aurrezteko hainbat teknika sustatu dira. Instalazio termikoen mantentze-lanak funtsezkoak dira ekipoen eta sistemen funtzionamendu egokia bermatzeko. Horretarako, diagnostiko bat egitea da gakoa, akatsak detektatu eta ebaluatu ahal izateko. Termoekonomia-diagnostikoak identifikatzen du sistemaren anomalia batek eragindako kostuen igoera. Termoekonomia-diagnostikoa aplikatu ahal izateko, urteetan zehar, Bigarren Printzipioan eta Termoekonomian oinarritutako hainbat metodo garatu dira. Hala ere, nahiz eta interes handia duen eta eraikinetan Termoekonomia-diagnostikoa aplikatzeak aurrerapen handia ekar dezakeen, ikerketa-fasean dago eta lan gutxi egin dira eraikinen instalazioen arloan. TRNSYS softwarean instalazio bat simulatuz eta sisteman anomalia bat ezarriz, anomalia horrek 3 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO sortutako aldaketen ondorioak aterako dira diagnostikoa aplikatuz. Horrela, Termoekonomiadiagnostikoaren aplikazioa instalazio termikoetan hobeto garatu ahal izateko. Hitz-gakoak: Termoekonomia diagnostikoa; Exergia-analisia; Sistema termikoak. 4 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO ÍNDICE RESUMEN .......................................................................................................................................................................................2 ABSTRACT ......................................................................................................................................................................................2 LABURPENA ..................................................................................................................................................................................2 1 INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................................................................7 1.1 ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DE LAS INSTALACIONES ............................................................................8 1.2 DIAGNÓSTICO DE OPERACIÓN DE LAS INSTALACIONES ............................................................................8 1.2.1 DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO ......................................................................................................8 1.2.2 MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO ........................................................................9 1.3 APLICACIÓN DEL DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO EN INSTALACIONES TÉRMICAS EN EDIFICIOS .................................................................................................................................................................................. 12 2 OBJETIVOS ...................................................................................................................................................................... 14 3 MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................................................................................... 15 3.1 MÉTODOS PARA EL ANÁLISIS TERMOECONÓMICO .................................................................................... 15 3.2 MÉTODOS PARA EL DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO ......................................................................... 16 3.3 INSTALACIÓN EXPERIMENTAL DEL LCCE ....................................................................................................... 17 3.3.1 Configuración de la instalación experimental ................................................................................ 18 3.4 MODELADO DE LA INSTALACIÓN MEDIANTE EL SOFTWARE TRNSYS ............................................ 20 3.4.1 Configuración de la instalación experimental ................................................................................ 20 3.4.2 Simulación de la condición de referencia ......................................................................................... 24 3.5 INTRODUCCIÓN DE UNA ANOMALÍA AL MODELO ...................................................................................... 24 3.5.1 Simulación de la condición anómala ................................................................................................... 24 4 RESULTADOS NUMÉRICOS .................................................................................................................................... 24 4.1 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ....................................................................................................................... 24 4.1.1 Comprobación de la configuración del sistema de control ...................................................... 24 4.1.2 Variables termodinámicas dinámicas ................................................................................................ 26 4.1.3 Variables exergéticas dinámicas ........................................................................................................... 27 4.2 RESULTADOS TERMOECONÓMICOS.................................................................................................................... 28 4.3 RESULTADOS DEL DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO ............................................................................ 29 5 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................................ 30 6 CONSIDERACIONES FINALES................................................................................................................................ 32 6.1 MÉRITOS OBTENIDOS DE ESTE TRABAJO ........................................................................................................ 32 7 REFERENCIAS ............................................................................................................................................................... 33 8 ANEXO I: DESCRIPCIÓN DE LAS TAREAS ........................................................................................................ 34 8.1 DIAGRAMA DE GANTT ................................................................................................................................................ 35 9 ANEXO II: DESCRIPCIÓN DEL PRESUPUESTO .............................................................................................. 35 9.1 HORAS INTERNAS ......................................................................................................................................................... 35 5 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO 9.2 GASTOS ............................................................................................................................................................................... 35 10 ANEXO III: INSTALACIÓN DEL LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD EN EDIFICACIÓN DEL GOBIERNO VASCO ......................................................................................................................................................... 36 ÍNDICE DE IMAGENES Imagen 1. Esquema de la instalación experimental .................................................................................................. 18 Imagen 2. Esquema de la instalación con los flujos y los equipos numerados ............................................. 19 Imagen 3. Interface del Simulation Studio en Trnsys referido a la instalación configurada en el LCCE ............................................................................................................................................................................................................. 20 Imagen 4. Interface del Simulation Studio en Trnsys referido a la instalación configurada en el LCCE simplificada ................................................................................................................................................................................... 21 Imagen 5. Esquema del type 700 ........................................................................................................................................ 21 Imagen 6. Esquema del type 114 ........................................................................................................................................ 21 Imagen 7. Esquema del type 4a ........................................................................................................................................... 21 Imagen 8. Esquema del type 5b ........................................................................................................................................... 21 Imagen 9. Esquema del type 649 ........................................................................................................................................ 22 Imagen 10. Esquema del type 647 ..................................................................................................................................... 22 Imagen 11. Esquema del type 38 ........................................................................................................................................ 22 Imagen 12. Esquema del type utilizado para el motor de cogeneración ......................................................... 22 Imagen 13. Es quema del type 9e ....................................................................................................................................... 23 Imagen 14. Esquema del type 2b ........................................................................................................................................ 23 Imagen 15. Funcionamiento del controlador diferencial ....................................................................................... 23 Imagen 16. Esquema del type 25 ........................................................................................................................................ 24 Imagen 17. Gráfico del control del motor de cogeneración en relación a la temperatura del tanque. ............................................................................................................................................................................................. 25 Imagen 18. Gráfico del control de la bomba 3 en relación a la bomba 2 ......................................................... 25 Imagen 19. Gráfico del control de caldera en relación a la temperatura del tanque. ................................ 26 Imagen 20. Gráfico del control de la producción de ACS en relación a la diferencia de temperaturas entre primario y secundario ................................................................................................................................................. 26 Imagen 21. Gráfico de los valores energéticos del fuel y producto de la caldera ........................................ 27 Imagen 22. Gráfico de los valores energéticos del fuel y producto del motor de cogeneración .......... 27 Imagen 23. Gráfico de valores exergéticos del fuel y producto de la caldera ............................................... 28 Imagen 24. Gráfico de valores exergéticos del fuel y producto del motor de cogeneración ................. 28 Imagen 25. Diagrama de GANTT del Trabajo de Fin de Máster ........................................................................... 35 Imagen 26. Laboratorio de Control de la Calidad en Edificación ........................................................................ 36 Imagen 27. Motor de cogeneración ................................................................................................................................... 37 Imagen 28. Caldera de condensación .............................................................................................................................. 37 Imagen 29. Bomba ..................................................................................................................................................................... 38 6 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 30. Depósito de acumulación ............................................................................................................................... 38 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Estructura productiva de la instalación ........................................................................................................ 19 Tabla 2 Comparativa entre rendimientos energéticos y exergéticos ............................................................... 29 Tabla 3. Resultados globales de cada equipo ................................................................................................................ 29 Tabla 4. Aumento de consumo de combustible en el caso con anomalía respecto al caso de referencia. ...................................................................................................................................................................................... 30 Tabla 5 Comparación de los consumos en el caso de referencia y el caso anómalo .................................. 30 Tabla 6. Costes de las horas internas ................................................................................................................................ 35 Tabla 7. Gastos ............................................................................................................................................................................. 36 7 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO 1 INTRODUCCIÓN La preocupación por el ahorro energético debido a causas como el agotamiento de recursos fósiles o el cambio climático, ha incentivado el desarrollo de diferentes técnicas con la finalidad de ahorrar energía. En su conjunto, los edificios son responsables del 40% del consumo energético de la Unión Europea y del 36% de las emisiones de gases de efecto invernadero, generadas principalmente durante su construcción, utilización, renovación y demolición [1]. Es por ello, por lo que la mejora de eficiencia energética de los edificios y de sus sistemas térmicos es determinante para conseguir objetivos como el ahorro energético o la neutralidad de emisiones de gases de efecto invernadero. El mantenimiento de las instalaciones térmicas es una de las tareas claves para garantizar el buen funcionamiento de los equipos y sistemas. Esta tarea, se debe hacer a lo largo de toda la vida útil de la instalación. Por ello, realizar un diagnóstico FDD (fault detection and diagnosis) [2] es la clave para la detección y evaluación de fallos. Uniendo la Termoeconomía, disciplina que combina el análisis exergético con el económico y que permite asignar costes monetarios a los flujos e irreversibilidades, con el diagnóstico, se obtiene una herramienta capaz de identificar el aumento de costes debido a una anomalía en el sistema. A pesar del notable interés y el gran avance que puede suponer la aplicación del diagnóstico termoeconómico en los edificios, está todavía en fase de investigación y existen pocos trabajos realizados en el ámbito de las instalaciones de los edificios. Así, esta investigación tiene como finalidad contribuir a la aplicación del diagnóstico termoeconómico en el mundo de las instalaciones energéticas de los edificios. Para ello, se van a utilizar los resultados obtenidos en los ensayos de una instalación experimental del Grupo de Investigación consolidado ENEDI de la UPV/EHU, en cuyo seno se va a realizar esta investigación, en el Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco. Se trata de una instalación experimental de carácter flexible, que permite contemplar los diferentes tipos de tecnologías energéticas, para así evaluar la integración entre ellas. El interés mayor de esta instalación es su carácter semi-virtual, es decir, se calculan los perfiles de demanda de calefacción y ACS (agua caliente sanitaria), mediante simulación con el software TRNSYS 17 y mediante el sistema de control, y así se puede disipar la cantidad de calor que reproduzca fielmente ese perfil de demanda de la vivienda. De esta manera, en este trabajo se pretende hacer una exposición de los estudios realizados hasta la fecha tanto en el desarrollo del diagnóstico termoeconómico como en la aplicación de éste a instalaciones térmicas de edificios. Demos una explicación de lo que la Termoeconomía y el diagnóstico termoeconómico conllevan: • La exergia representa la capacidad de la energía en convertirse en trabajo, es decir, en calidad. Algunos tipos de energía pueden convertirse en su totalidad en trabajo, como la energía eléctrica, donde toda la energía es exergia. Pero hay otros tipos de energía, como el calor, de la que solo una parte puede convertirse en trabajo, y así solo una parte del flujo de calor es flujo de exergia. [31] • La termoeconomía, cuantifica los recursos naturales consumidos en un proceso mediante teorías termodinámicas y económicas. Es decir, asigna el coste a un determinado producto en base a los recursos consumidos. Combina el análisis exergético y el análisis energético y asigna costes monetarios a cada flujo. Por lo tanto, proporciona información que no se puede obtener con los análisis energéticos convencionales. [32] • Mediante el diagnóstico termoeconómico se identifican los incrementos de costes 8 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO debidos a las anomalías del sistema. Estas anomalías influyen tanto en la actitud de los equipos como en las interacciones entre ellos y modifican su estado de funcionamiento reduciendo su rendimiento. 1.1 ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DE LAS INSTALACIONES El análisis termoeconómico combina el análisis termodinámico con el económico, así a diferencia del análisis exergético, introduce conceptos de valor económico. Para ello, se llevan a cabo unos pasos que se basan en una estructura física de la instalación (basada en equipos y flujos de masa y energía) y en una estructura productiva del sistema. En la estructura productiva se clasifican los flujos en fuel (recurso) o producto para cada equipo. Además, puede haber flujos que sean subproductos, los que no son el objetivo directo del equipo; flujos pérdidas, los que no tienen valor económico; y flujos residuos, que necesitan un tratamiento antes de ser arrojados al ambiente. La estructura productiva puede variar dependiendo del punto de vista de la analista y de uso o aplicación a que se destine. Para realizar la asignación de costes en el análisis termoeconómico, se utilizan unidades de exergía (costes exergéticos) y unidades monetarias (costes exergoecononómicos). Ambos se basan en la Teoría del Coste Exergético , Valero y col 1986 [5],[6],[7]. 1.2 DIAGNÓSTICO DE OPERACIÓN DE LAS INSTALACIONES El diagnóstico es la disciplina, entre los estudios de sistemas energéticos, que se ocupa de los sistemas en los que el rendimiento esperado difiere del actual. Las malfunciones surgen cuando ocurre una anomalía de la operación en el sistema y generalmente implican una mayor cantidad de los recursos y/ o una degradación de eficiencia global. Los problemas que deben resolverse con la ayuda de procedimientos de diagnóstico son la detección de las anomalías creadas, la identificación de las causas y la cuantificación de los efectos. Todos los procedimientos existentes se basan en la comparación entre las condiciones degradadas (“reales”) y las esperadas (“referencia”). El estado de funcionamiento real se determina utilizando los balances de masa y energía, junto con las relaciones de propiedades termodinámicas. El estado de referencia es un modelo validado de la instalación que representa su estado de referencia para cualquier modo de operación, condiciones ambientales y diferentes características del combustible utilizado. Siguiendo a Lazaretto y Tofollo 2007 [3], las causas de las variaciones de las condiciones de funcionamiento se suelen dividir en:  Externas: debidas a la modificación de una condición externa como variables ambientales o calidad del combustible.  Intrínsecas: debidas a degradación o fallos.  Inducidas: causadas por variaciones de otro sistema, por ejemplo, debido a la interacción de los componentes o a la intervención del sistema de control. 1.2.1 DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO Como explican Lizarraga y Picallo 2019 [4], el diagnóstico termoeconómico tiene su fundamento en la función productiva de cada equipo dentro del conjunto de la instalación y en la exergía de los flujos. Este diagnóstico tiene como objetivo descubrir e interpretar el funcionamiento anormal de los equipos y cuantificar su efecto en términos de aumento de consumo de recursos, es decir, localiza y evalúa el incremento en el consumo de recursos debido a las anomalías de los equipos de la instalación. 9 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO 1.2.2 MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO Para poder aplicar el diagnostico termoeconómico, a lo largo de los años, se han desarrollado diferentes métodos basados en el Segundo Principio y en la Termoeconomía. Por una parte, la Teoría del Coste Exergético, Valero y col 1986 [5],[6],[7], interrelaciona las irreversibilidades de los equipos de un sistema. Asimismo, la Teoría de las Perturbaciones, Valero y col 1990 [8], separa las malfunciones creadas en un equipo de las causadas por la influencia de otros equipos. Por otra parte, la Fórmula del Impacto en Fuel, Lozano y col 1994 [9], aporta los valores de recurso adicional causados por las ineficiencias de los equipos. Sin embargo, las anteriores metodologías no resuelven el problema de cuáles son las causas de las irreversibilidades. Para ello se desarrollaron: la Teoría de Malfunciones y Disfunciones, Torres y col 1999 [11], y la estrategia de Zooming, Verda y col 2002 [12],[13]. Además, Lazaretto y Tofollo 2007 [15], formulan una metodología totalmente diferente a las anteriores para localizar las causas de las malfunciones, llamada Funciones Características. Por último, Tsatsaronis y Morosuk 2012 [16] desarrollan un procedimiento formal del análisis de exergía que se llama metodología de la Exergía Avanzada. A continuación, se detallan las bases de estas metodologías, así como sus aportaciones y limitaciones en relación con el diagnóstico termoeconómico y su relación entre ellas, como se puede apreciar en las comparaciones de las metodologías de diagnóstico termoeconómico realizadas por Pacheco-Ibarra 2011 [17] , Usón y Valero 2011 [18] y Remiro 2015 [19]. 1.2.2.1 Teoría del Coste Exergético Mientras que los procedimientos clásicos de diagnóstico se basan en la realización de balances de materia, energía y exergía de la planta global analizada y de sus equipos individuales, Lozano 1987 [20], incorpora en su Tesis el balance del Coste Exergético. La teoría del Coste Exergético, desarrollada por Valero y col 1986 [5],[6],[7], determina la cantidad de exergía que ha sido necesaria para constituir cualquiera de los flujos internos y productos finales de cualquier planta. Además, interrelaciona las irreversibilidades de los equipos de un sistema, es decir, refleja el hecho de que una disminución en la irreversibilidad local en un equipo, tiene un efecto en el consumo global de exergía de la planta. En definitiva, la optimización energética consiste en minimizar el coste exergético unitario de los productos finales de la planta. Sin embargo, Lozano 1987 [20] no consigue desarrollar una teoría científicamente fundamentada del control y contabilidad analítica de los procesos energéticos con la incorporación del Coste Exergético. 1.2.2.2 Teoría de las Perturbaciones La Teoría de las Perturbaciones, sucesora de la Teoría del Coste Exergético, es un segundo paso en el análisis exergético. Como ya se ha mencionado anteriormente, la principal ventaja del análisis exergético es localizar y cuantificar las irreversibilidades, pero esto no implica causalidad. Con esta teoría se discierne en qué parte de las irreversibilidades son causadas por las propias malfunciones de un equipo y qué parte son debidas a la influencia de otros subsistemas. Dicho de otra manera, cuando un equipo sufre una perturbación en la eficiencia, llamada malfunción, provoca disfunciones en el resto de los componentes, y con esta teoría se puede diferenciar si esas irreversibilidades son malfunciones o disfunciones. 1.2.2.3 Fórmula del Impacto en Fuel La Fórmula del Impacto en Fuel fue presentada por Lozano y col 1994 [9] y desarrollada también por Reini y col 1995 [10] y Torres y col 1999 [11], entre otros. Esta fórmula une el impacto del consumo de fuel con el diagnóstico termoeconómico, mediante el consumo de exergía unitaria de cada componente de la planta. La variación del consumo 16 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Y, por último, el coste económico unitario del fuel en cada componente relacionado con el consumo unitario externo se expresa mediante: 𝐜𝐅𝛋𝟎 = 𝐜𝐅 𝐭·𝛋𝟎𝐃 9) 3.2 MÉTODOS PARA EL DIAGNÓSTICO TERMOECONÓMICO Impacto en fuel En la literatura se han utilizado diferentes indicadores exergéticos para evaluar los efectos del mal funcionamiento de los componentes y la detección de las anomalías que generan el mal funcionamiento. La evaluación de la contribución del componente defectuoso a la variación del consumo total de combustible de la planta viene dada por la fórmula del impacto del fuel, sugerida por primera vez por Lozano y col 1994 [9]. El impacto del combustible es la diferencia entre el consumo de recursos de la planta en condiciones reales de funcionamiento, 𝐹𝑇, y el consumo de recursos en condiciones de referencia, 𝐹𝑇 0: ∆𝐹𝑇= 𝐹𝑇−𝐹𝑇 0 10) Teniendo en cuenta la ecuación (3), el impacto del combustible se puede expresar de dos maneras diferentes que se describirán detalladamente. Considerando el primer miembro del lado derecho de la ecuación (3), el impacto en fuel se representa sumando el aumento de las irreversibilidades que han surgido de las anomalías inesperadas y el aumento del producto final generado por el aumento del consumo de recursos de la planta. Así, el impacto del combustible puede expresarse de la siguiente manera ① 𝛥𝐹𝑇= 𝐮 𝐭·[(𝐈+𝐏𝐬)−(𝐈𝟎+𝐏𝐬 𝟎)] = 𝐮 𝐭·[𝚫𝐈+𝚫𝐏𝐒] 11) La variación del producto es la diferencia entre la condición de funcionamiento y la de referencia: ∆𝐏 = 𝐏−𝐏𝟎 12) Si el análisis se centra en el crecimiento de las irreversibilidades, utilizando la ecuación (2) y la ecuación (12), ΔI puede expresarse como: 𝚫𝐈 =((𝚱𝐃−𝐔𝐃)·𝐏)−((𝚱𝐃 𝟎−𝐔𝐃)·𝐏𝟎) = 𝚫𝚱𝐃· 𝐏𝟎+(𝚱𝐃−𝐔𝐃)·𝚫𝐏 13) A partir de aquí, el aumento de irreversibilidades se descompone en dos componentes; el primero se debe al aumento del consumo exergético unitario en los propios componentes y el segundo representa el ajuste en el producto que debe sufrir cada componente para adaptarse a las nuevas condiciones de funcionamiento. El primer componente se denomina mal funcionamiento MF: 𝐌𝐅 =𝚫𝚱𝐃·𝐏𝟎 14) La segunda componente se denomina disfunción DF que se induce en cada componente a causa de las disfunciones de los otros componentes. Consiste en el incremento de la irreversibilidad del componente debido a la variación de su producción local causada por el mal funcionamiento de otros componentes: 𝐃𝐅 =(𝚱𝐃−𝐔𝐃)·𝚫𝐏 15) 17 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO En consecuencia, volviendo a la ecuación (11), el impacto del combustible puede expresarse como sigue: ① 𝛥𝐹𝑇= 𝐮 𝐭·[𝐌𝐅+𝐃𝐅+𝚫𝐏𝐒] 16) Como resumen final esta es la perspectiva para evaluar el impacto del fuel: la variación de la irreversibilidad en cada componente es la suma del mal funcionamiento y las disfunciones generadas en el componente debido a las anomalías en los otros componentes. Por lo tanto, el impacto total del fuel de la planta es igual a la suma de las variaciones de irreversibilidad de los componentes más la variación del producto total de la planta. 3.3 INSTALACIÓN EXPERIMENTAL DEL LCCE El lugar donde se llevarán a cabo los ensayos, será el Laboratorio de Control de Calidad en Edificación del Gobierno Vasco (LCCE). 2 El carácter flexible de la instalación experimental permite configurar las instalaciones seleccionadas para el análisis, y, debido a la numerosa sensórica se monitorizan las variables necesarias para su modelado energético. La instalación consta de más de 120 señales para controlar y monitorizar las variables deseadas, y para, de este modo, poder obtener información precisa, así como para garantizar su correcto funcionamiento. De este modo, se han instalado 46 sondas de temperatura de alta precisión Pt 100 clase 1/10, 40 en tubería y 6 en depósitos, 11 caudalímetros electromagnéticos Siemens SITRANS F M (sensores MAG 3100 y 5100 W y transmisores MAG 6000), con incertidumbre inferior al 0,1%, 2 presostatos (uno en el circuito general y otro en el solar), así como sensores de temperatura ambiente, humedad y presión en el interior y de temperatura y humedad en el exterior; contadores de gas tanto para la caldera como para los equipos de micro-cogeneración y contadores de electricidad para contabilizar la generación de la cogeneración y el consumo de la bomba de calor. Todo el control de la instalación se gestiona mediante un autómata programable Siemens IM 151-8 PN/DP CPU para ET200S y un módulo de expansión, además de las correspondientes tarjetas de entrada y salida para las señales, conectado vía Ethernet a un PC en el que se dispone de la interfaz a través de la cual se opera y donde se recogen los datos. Se dispone pues de un banco de ensayos, dotado de un sistema de simulación de carga de térmica y eléctrica, con sistemas de control, visualización y registro automatizado de las diferentes variables. Mediante este banco de pruebas se va a poder caracterizar y aplicar el diagnóstico termoeconómicoa la instalación diseñada. Los equipos con los que cuenta actualmente la instalación experimental del LCCE se dividen en cinco módulos: (1) generación de alta temperatura, (2) generación de baja temperatura, (3) acumulación, (4) producción de agua caliente sanitaria, (5) consumo de calefacción y (6) colectores solares. Ver Imagen 1. • Para la generación de alta temperatura se dispone de un motor de cogeneración de combustión interna (produce 5,5 kW eléctricos y 12,5 kW térmicos), un motor Stirling (1 kW eléctrico y 5 kW térmicos) y una caldera de condensación (28 kW térmicos de ACS y 20 kW térmicos calefacción, con un rendimiento del 97%). • Para la generación de baja temperatura también sirve la caldera de condensación. Por otra parte, hay una bomba de calor aire-agua (17,9 kW térmicos con COP de 2,5) 2 Como se ha dicho, debido a problemas técnicos no se ha podido poner en marcha la instalación. Sin embargo se ha realizado todo el proceso de análisis y configuración de la instalación en estudio 18 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO • Para el almacenamiento térmico hay dos tanques de 1000 litros para el ACS. • El módulo de producción de ACS dispone de otro tanque de 1000 litros. • El módulo de disipación de calor está formado por un aerotermo (fan coil en inglés) con una potencia térmica nominal máxima de 24,9 kW. • El módulo de colectores solares produce calor en los tanques UBS de almacenamiento térmico. Imagen 1. Esquema de la instalación experimental 3.3.1 Configuración de la instalación experimental La instalación diseñada para este trabajo suministra el agua caliente sanitaria (ACS) de un bloque de viviendas de 20 habitantes por medio de una caldera de condensación de 28 kW térmicos de ACS y 20 kW térmicos de calefacción y un equipo de cogeneración de 5,5 kW eléctricos y 12,5 kW térmicos, ver Imagen 1. Los equipos más característicos son los siguientes: • Generación: Caldera de condensación y motor de cogeneración. • Distribución: compensador hidráulico, válvulas de tres vías, intercambiador de calor. • Almacenaje: depósito de 1000 [l] de acumulación. • Suministro: grifos para ACS Asimismo, la instalación cuenta con las necesarias bombas hidráulicas que presurizan la instalación y mueven el caudal; también cuenta con un sistema de control. 3.3.1.1 Aplicación de la termoeconomía Para poder aplicar la termoeconomía se han identificado todos los equipos y todos los flujos. En total se han identificado 13 equipos y 27 flujos. Ver Imagen 2. 19 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 2. Esquema de la instalación con los flujos y los equipos numerados Así mismo, se ha analizado la estructura productiva de la instalación, es decir, se ha decidido qué flujos forman parte del fuel y qué flujos forman parte del producto de cada equipo, tal y como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1. Estructura productiva de la instalación Nº EQUIPO NOMBRE FUEL PRODUCTO 1 CAL CALDERA 21 1-2 2 COG MOTOR DE COGENERACIÓN 22 23+(4-5) 3 CI1 COLECTOR DE IMPULSO 1 1+4 7 4 CI2 COLECTOR DE IMPULSO 2 8 3+6 5 CH COMPENSADOR HIDRÁULICO 7-8 9-10 6 V1 VÁLVULA 1 11 12+13 7 V2 VÁLVULA 2 13+14 10 8 INT INTERCAMBIADOR DE CALOR 12-14 15-16 9 DACS DEPÓSITO ACS (15-17) +20 18-19 10 B1 BOMBA 1 24 2-3 11 B2 BOMBA 2 25 5-6 12 B3 BOMBA 3 26 11-9 13 B4 BOMBA 4 27 16-17 3.3.1.2 Configuración del control El control que domotiza la instalación es clave para un suministro eficiente de la demanda de ACS. A continuación, se explican los comandos y los set-points principales para el uso adecuado de la instalación: • Cuando el agua del tanque de almacenamiento sea TDACS < 62⁰C, se encienden la bomba 3 y el motor de cogeneración. Está programado para que la bomba 3 no se active si no existe caudal. • Cuando la diferencia de temperaturas entre la entrada al intercambiador desde el 20 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO circuito primario y la entrada al intercambiador desde el circuito secundario es TprimarioTsecundario > 5⁰C se activa la producción de ACS. • Además, mientras estén el motor de cogeneración activo, la bomba 3 activa y la producción de ACS activa, si la temperatura del tanque es TDACS < 58⁰C, se activa el equipo auxiliar, en este caso la caldera. • Para que la producción de ACS cese, la diferencia de temperaturas entre el sistema primario y el secundario debe disminuir los 2⁰C, es decir Tprimario-Tsecundario < 2⁰C. • Para que el motor de cogeneración se desactive la temperatura del tanque tiene que superar los 67⁰C, TDACS>67⁰C. 3.4 MODELADO DE LA INSTALACIÓN MEDIANTE EL SOFTWARE TRNSYS TRSNSYS es un entorno de software extremadamente flexible basado en gráficos que se utiliza para simular el comportamiento de sistemas transitorios. TRNSYS se compone de dos partes. [33] La primera es un motor (llamado núcleo) que lee y procesa el archivo de entrada, resuelve iterativamente el sistema, determina la convergencia y traza las variables del sistema. El núcleo también proporciona utilidades que (entre otras cosas) determinan las propiedades termofísicas, invierten matrices, realizan regresiones lineales e interpolan archivos de datos externos. La segunda parte de TRNSYS es una amplia biblioteca de componentes, cada uno de los cuales modela el rendimiento de una parte del sistema. La biblioteca estándar incluye aproximadamente 150 modelos que van desde las bombas hasta los edificios multizona, desde los aerogeneradores hasta los electrolizadores, desde los procesadores de datos meteorológicos hasta las rutinas de economía, y desde los equipos básicos de HVAC hasta las tecnologías emergentes más avanzadas. Los modelos están construidos de tal manera que los usuarios pueden modificar los componentes existentes o escribir los suyos propios, ampliando las capacidades del entorno. 3.4.1 Configuración de la instalación experimental Imagen 3. Interface del Simulation Studio en Trnsys referido a la instalación configurada en el LCCE 21 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 4. Interface del Simulation Studio en Trnsys referido a la instalación configurada en el LCCE simplificada Gracias a la versatilidad de este software, la instalación diseñada en el LCCE se ha modelado en la interfaz del Simulation Studio de TRNSYS, estos son los “types” o componentes principales usados: • Para la caldera: type 700 (Imagen 5). Cuyos parámetros han sido: o Potencia nominal: 100800 [kJ/h] Imagen 5. Esquema del type 700 • Para las bombas: type 114 (Imagen 6). Cuyos parámetros han sido: o Caudal máximo: 1000 [kg/h] o Potencia nominal: 2684 [kJ/hr] Imagen 6. Esquema del type 114 • Para el tanque: type 4a (Imagen 7). Cuyos parámetros han sido: o Volumen: 1 [m3] o Coeficiente de pérdida del tanque: 3 [kJ/h m2K] Imagen 7. Esquema del type 4a • Para el intercambiador: type 5b (Imagen 8). Cuyos parámetros han sido: o Coeficiente global de transferencia de calor: 514 [kJ/hK] Imagen 8. Esquema del type 5b 22 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO • Para el colector de impulso 1: type 649 (Imagen 9). Imagen 9. Esquema del type 649 • Para el colector de impulso 2: type 647 (Imagen 10). Imagen 10. Esquema del type 647 • Para el compensador hidráulico: type 38 (Imagen 11). Cuyos parámetros han sido: o Volumen: 0,35[m3] o Coeficiente global de pérdidas: 5 [kJ/hK] Imagen 11. Esquema del type 38 • Para el motor de cogeneración se ha utilizado un elemento de la biblioteca creado por el usuario (Imagen 12). Cuyos parámetros han sido: o Potencia nominal: 19800 [kJ/h] Imagen 12. Esquema del type utilizado para el motor de cogeneración Para todos los equipos se ha considerado que el fluido es el agua por lo que para todos los equipos: • Capacidad calorífica del fluido: 4,19 [kJ/kg K] • Densidad del fluido: 1000 [kg/m3] • Punto de ebullición: 100 [⁰C] 3.4.1.1 Comandos de control Una de las cosas más importantes para una simulación dinámica es la configuración de los comandos de control. Esto es, el “time-step” de cada iteración y el periodo de estudio. En este caso concreto, se ha escogido un time-step de 0,125 horas, es decir 7,5 minutos, y se ha simulado a lo largo de 168 horas, es decir 7 días. 3.4.1.1 Implementación de la demanda de ACS Para generar el perfil de la demanda de ACS se ha utilizado la herramienta DHW-calc [34]. Los perfiles generados con esta herramienta son archivos de texto que contienen una lista de valores de caudal para cada paso de tiempo. El programa distribuye la demanda de ACS a lo 23 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO largo del año con medios estadísticos, según una función de probabilidad. Para implementar la demanda de ACS en TRNSYS se utiliza el lector de datos type 9e (Imagen 13) en el que se puede insertar el documento de texto obtenido del perfil de la demanda. Imagen 13. Es quema del type 9e 3.4.1.2 Configuración del control Para modelar el control antes mencionado, se hace uso del “controlador diferencial” del TRNSYS (type 2b), ver Imagen 14. Imagen 14. Esquema del type 2b Imagen 15. Funcionamiento del controlador diferencial El regulador diferencial de encendido/apagado genera una función de control que puede tener un valor de 1 o 0. El valor de la señal de control se elige en función de la diferencia entre las temperaturas superior e inferior Th y Tl, comparada con dos diferencias de temperatura de banda muerta ∆TH y ∆TL. El nuevo valor de la función de control depende del valor de la función de control de entrada en el time-step anterior. Por razones de seguridad, este controlador incluye un límite superior de desconexión. Independientemente de las condiciones de banda muerta, la función de control se pondrá a cero si se supera la condición de límite superior. Este controlador no está restringido a la detección de temperaturas, aunque se utilice la notación de temperatura. Ver Imagen 15. Este controlador se ha incluido varias veces, tal y como se ha explicado previamente, para controlar la marcha/paro de la caldera y del motor de cogeneración en base a la temperatura del depósito de ACS. También se han utilizado para controlar la producción de ACS en función de las temperaturas del circuito primario y el circuito secundario. 3.4.1.3 Extracción de datos Además, se han incluido unos “printers” (type 25) que se encargan de descargar a un archivo 24 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO de Excel las variables termodinámicas necesarias para su posterior análisis. Ver Imagen 16. Imagen 16. Esquema del type 25 Concretamente cada time-step descargan los valores de: • temperaturas de cada flujo y temperaturas acumuladas • caudales de cada flujo • consumo de combustible • generación de electricidad 3.4.2 Simulación de la condición de referencia Este modelo reproducido en TRNSYS de la instalación configurada del LCCE se considera el “modelo de referencia” en el cual se aplicará el estudio de reparto de costes termoeconómicos. 3.5 INTRODUCCIÓN DE UNA ANOMALÍA AL MODELO Para poder aplicar el diagnóstico termeoconómico, se aplicará deliberadamente una anomalía a uno de los componentes de la instalación: al compensador hidráulico (type38). Uno de los parámetros a definir de este equipo corresponde al coeficiente global de pérdidas. Por lo tanto, este parámetro se aumentará desde 5 [kJ/hK] al 15 [kJ/hK] para poder reproducir ”pérdidas en el aislamiento” en el equipo. 3.5.1 Simulación de la condición anómala El siguiente paso consiste en simular la misma instalación con esta anomalía incluida. Se obtendrán las mismas variables termoeconómicas que en la situación de referencia para poder aplicar el método de diagnóstico del “impacto en fuel”. 4 RESULTADOS NUMÉRICOS Este apartado agrupa los resultados numéricos obtenidos de la simulación, el análisis termoeconómico y el diagnóstico basado en la fórmula del impacto en fuel. 4.1 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Los siguientes apartados tratan de justificar el modelado correcto en TRNSYS. 4.1.1 Comprobación de la configuración del sistema de control La intervención del sistema de control en la simulación (basada en controladores diferenciales) se comprueba en los siguientes gráficos: 25 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 17. Gráfico del control del motor de cogeneración en relación a la temperatura del tanque. En la Imagen 17 se demuestra el control en relación a la temperatura del tanque y el marcha/paro del motor de cogeneración: • Se demuestra como cuando la temperatura del tanque aumenta los 67⁰C, el motor de cogeneración deja de funcionar • Por otra parte cuando la temperatura del tanque es menor que 62⁰C el motor se pone en marcha hasta conseguir que la temperatura de tanque por encima de los 62⁰C. • Que el motor de cogeneración arranque demuestra que la bomba del motor (B2) se activa. Imagen 18. Gráfico del control de la bomba 3 en relación a la bomba 2 Por otra parte, se ve como al arrancar el motor y la bomba 2 (B2), se activa la bomba 3 (B3) tal y como se ha configurado, ver Imagen 18. 32 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO este sistema se puede considerar un sistema secuencial y para mantener la misma cantidad de ACS solo necesitan la misma cantidad de recursos. • El equipo anómalo (CH) tiene un aumento en el consumo exergético unitario. Esto era de esperar ya que la anomalía (la pérdida de aislamiento) hace que deba de consumir más para conseguir el mismo producto respecto a la situación de referencia, • Los equipos que se distinguen en la forma de trabajar son los que están por delante del equipo anómalo (CAL,COG). A esto equipos les suceden dos cosas diversas: o El consumo exergético unitario de la caldera (CAL) disminuye respecto a la referencia. Esto es, sucede una “buenafunción” o El consumo exergético unitario del motor de cogeneración (COG) aumenta respecto a la referencia. Esto es, sucede una “malfunción” • Para poder entender el significado de las “malfunciones” y “buenasfunciones” es necesario comprender que existen una serie de acciones inducidas por la anomalía que hacen que los equipos aguas arriba tengan que adaptarse a las nuevas condiciones. Esto puede hacer que se muevan a lo largo de su curva de funcionamiento (la cual no es lineal) y lleguen a un punto de mejor funcionamiento (o peor). El hecho de que el consumo unitario varíe no significa que tengan una anomalía, sino que tengan efectos inducidos. La clave del diagnóstico termoeconómico se basa en discriminar entre estos efectos inducidos por las anomalías de otros equipos y los efectos producidos por los fallos en los propios equipos. Si no se hace eso, equipos como la caldera (CAL) o el motor de cogeneración (COG) pueden considerarse erróneamente como equipos anómalos (aunque no se les haya introducido ninguna anomalía). Por ello, en este trabajo se ha demostrado la necesidad de ir más allá en el diagnóstico termoeconómico y no basarse exclusivamente en el aumento del consumo de combustible. 6 CONSIDERACIONES FINALES Hay que señalar que debido a problemas en la implementación de la demanda en la instalación del LCCE no se han podido obtener los datos de la simulación de la instalación deseada. Sin embargo, al haber podido simular esa misma instalación en el software TRNSYS, se ha podido desarrollar la aplicación del diagnóstico termoeconómico en instalaciones térmicas, aunque de una manera puramente virtual. Es por ello, por lo que el trabajo realizado sí que ha sido útil para el objetivo deseado, pero se seguirá trabajando en la investigación de este campo para poder llevar su aplicación a instalaciones reales. 6.1 MÉRITOS OBTENIDOS DE ESTE TRABAJO Cabe resaltar, que este trabajo has ido acepatado y financiado mediante una beca IkasIker del Gobierno Vasco. Asimismo, que este trabajo se ha presentado en un congreso internacional con revisión a pares: • Título: Instalazio termikoen Termoekonomia-diagnostikoa • Autores: Prol-Godoy I., Picallo-Perez A., Sala-Lizarraga J.M • Congreso: IkerGazte 2021 Nazioarteko ikerketa euskaraz (Gasteiz, Spain) Estos hechos le dan validez y difusión al trabajo realizado hasta la fecha. 33 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO 7 REFERENCIAS 1. Comisión EuropeaDepartamento de Energía, La eficiencia energética de los edificios, Bruselas, 2020. 2. R.K. Mehra, J. Peschon, An innovations approach to fault detection and diagnosis in dynamic systems, Automatica, Volume 7, Issue 5, 1971. 3. A. Toffolo, A. Lazzaretto, A New Thermoeconomic Method for the Location of Causes of Malfunctions in Energy Systems, Journal of Energy Resources Technology 129 ,2007, 1-9. 4. Sala-Lizarraga, J. M., & Picallo-Perez, A. Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings: Design and Analysis for Sustainable Energy Systems. Butterworth-Heinemann, 2019. 5. A. Valero, M.A. Lozano, M. Muñoz, A general theory of exergy saving. Part I: On the exergetic cost. AES Vol 2-3, ASME Book 100236, 193-198, 1986. 6. A. Valero, M.A. Lozano, M. Muñoz, A general theory of exergy saving. Part II: On the thermoeconomic cost. AES Vol 2-3, ASME Book 100236, 193-198, 1986 7. A. Valero, M.A. Lozano, M. Muñoz, A general theory of exergy saving. Part III: Energy saving and thermoeconomics, Computer-Aided engineering and energy system. AES Vol 2-3, ASME Book 100236, 193-198, 1986 8. A. Valero, M.A. Lozano, C. Torres, On Causality in Organized Energy Systems III Theory of Perturbations, A Future for Energy, Proceedings of the International Symposium Flowers’90, S.S. Stecco y M.J. Moran (eds.), Pergamon Press, Nueva York ,1990. 9. Lozano MA, Bartolomé JJ, Valero A, Reini M. Thermoeconomic diagnosis of energy systems. In: Flowers 94, Florence World Energy Research Symposium, Florence, Italy, 1994. p. 149– 56. 10. M. Reini, A. Lazzaretto, A. Macor, Average Structural and Marginal Costs as Result of a Unified Formulation of Thermoeconomic Problem, Proceedings of Second Law Analysis of Energy Systems: Towards the 21st Century, E Sciubba y J.J. Moran (eds.), Roma ,1995, 307323. 11. C. Torres, A. Valero, L. Serra, J. Royo, Structural Theory of Thermoeconomic Diagnosis. Part I-On Malfunction and Dysfunction Analysis, Proceedings of ECOS 1999, M. Ishida, G. Tsatsaronis, M.J. Moran y H.Kataoka, (eds.) Tokyo, junio 8-10 ,1999, 368-373. 12. V. Verda, L. Serra, A. Valero, Thermoeconomic Diagnosis Zooming Strategy Applied to Highly Complex Energy Systems Part IDetection and Localization of Anomalies, ASME Paper IMECE 2002-33183, 2002. 13. V. Verda, L. Serra, A. Valero, Thermoeconomic Diagnosis Zooming Strategy Applied to Highly Complex Energy Systems Part IIOn the Choice of the Productive Structure, ASME Paper IMECE 2002-33185, 2002. 14. Valero, A., Torres, C., and Lerch, F., Structural Theory and Thermoeconomic Diagnosis. Part III: Intrinsic and Induced Malfunctions, ECOS 99, June 8–10, Tokyo, Japan, 1999. 15. A. Lazzaretto, A. Toffolo, A New Thermoeconomic Method for the Location of Causes of Malfunctions in Energy Systems, Journal of Energy Resources Technology 129, 2007, 1-9. 16. G. Tsatsaronis, T. Morosuk, Advanced thermodynamic (exergetic) analysis, 6ªth European Thermal Sciences Conference, Journal of Physics: Conference Series 395, 2012. 17. J.J. Pacheco-Ibarra, Metodologías de diagnóstico termoeconómico de sistemas energéticos V 7. 1st ed. Saarbrücken, Alemania: Editorial Académica Española, 2011 18. S. Usón, A. Valero, Thermoeconomic diagnosis for improving the operation of energy intensive systems: Comparison of methods, Applied Energy 88 ,2011, 699-711. 19. J.A. Remiro, Integración de Metodologías de Diagnóstico de la Operación de Centrales Eléctricas, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza,2005. 20. M.A. Lozano, Metodología para el Análisis Exergético de Calderas de Vapor en Centrales Termoeléctricas, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, 1987. 34 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO 21. A. Lazzaretto, A. Toffolo, A Critical Review of the Thermoeconomic Diagnosis Methodologies for the Location of causes of malfunctions in Energy Systems, Journal of Energy Resources Technology 123 ,2006, 335-342. 22. G. Tsatsaronis, Strenghts and limitations of exergy analysis en A. Bejan y E. Mamut, (eds.), Thermodynimc optimization of complex energy systems, Kluwer Academic Press, Dondrecht, 1999. 23. G. Tsatsaronis, G., M.H. Park, On avoidable and unavoidable exergy destructions and investment costs in thermal systems. Energy Conversion and Management 43, 2002, 1259–1270. 24. C. Torres, A. Valero, Thermoeconomic Analysis. Universidad de Zaragoza, 2015 25. A. Piacentino, Innovative thermoeconomic diagnosis of multiple faults in air conditioning units: methodological improvements and increased reliability of results, International Journal of Refrigeration, 2013. 26. A. Piacentino, P. Catrini, Assessing the Robustness of Thermoeconomic Diagnosis of Fouled Evaporators: Sensitivity Analysis of the Exergetic performance of Direct Expansion Coils, Entropy marzo, 2016. 27. Ommen, T., Sigthorsson, O., & Elmegaard, B. Two Thermoeconomic Diagnosis Methods Applied to Representative Operating Data of a Commercial Transcritical Refrigeration Plant. Entropy, 19(2), 69, 2017. 28. A. Picallo, J.M. Sala, E. Iribar, M. Odriozola, L Portillo, Application of the malfunction thermoeconomic diagnosis to a dynamic heating and DHW facility for fault detection, Energy and Buildings 135, 2016, 385-397. 29. A. Picallo, J M Sala, G Tsatsaronis, S. Sayadi, Dynamic Advanced Exergy Analysis in Building Heating Systems Part 1 Dynamic modeling and avoidable and unavoidable assessment. Entropy, 22-32, 2019. 30. A. Picallo, A. Lazzaretto, J.M. Sala, Overview and implementation of dynamic thermoeconomic & diagnosis analyses in HVAC&R systems, Energy and Buildings, 2020. 31. A.Picallo, J.M.Sala ,E.Iribar, Exergia: herramienta para promover la eficiencia energética en los edificios, Elhuyar, 2020. 32. A. Valero, C. Torres, Thermoeconomicanalysis, Center of Research for Energy Resources and Consumption, Centro Politecnico Superior, Universidad de Zaragoza, Spain, 2006. 33. TRNSYS. Transient System Simulation Tool. What is TRNSYS? Recuperado el 21 de junio de http://www.TRNSYS.com/ 34. UNIVERSITAT KASSEL. DHW-calc. Recuperado el 21 de junio de https://www.unikassel.de/uni/ 8 ANEXO I: DESCRIPCIÓN DE LAS TAREAS Para poder conseguir los objetivos de la investigación se han desarrollado las siguientes tareas: • Tarea 0 Coordinar y gestionar el trabajo • Tarea 1 Analizar las metodologías de diagnóstico de las instalaciones térmicas, realizando una lectura bibliográfica lo más amplia posible (sobre todo acerca de las instalaciones de calefacción y ACS de edificios terciarios y residencias). • Tarea 2 Conocer los inicios del diagnóstico termoeconómico y analizar el procedimiento para su aplicación. • Tarea 3 Analizar el funcionamiento de la instalación experimental del LCCE, aprender la metodología y diseñar e implementar los ensayos que se van a realizar. • Tarea 4 Aplicar el diagnóstico al ensayo para el cual se deberá obtener el modelo térmico de cada equipo en forma de funcionamiento sin anomalías. 35 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO • Tarea 5 Introducir una anomalía en el equipo seleccionado. Volver a realizar el ensayo experimental con anomalías y aplicar y evaluar el diagnóstico termoeconómico para analizar y cuantificar los efectos derivados de la anomalía. • Tarea 6 Definir las principales conclusiones y debates para el desarrollo del procedimiento del diagnóstico termoeconómico. • Tarea 7 Redactar del documento de memoria del TFM. • Tarea 8 Obtener y redactar las conclusiones. • Tarea 9 Realizar y preparar la presentación oral del TFM. 8.1 DIAGRAMA DE GANTT Se muestra en la Imagen 25 el diagrama de Gantt considerando el desglose de las tareas previamente descritas. Cada tarea se vincula a un periodo de horas requerido para llevar a cabo el trabajo. Se han dedicado un total de 412 horas. Imagen 25. Diagrama de GANTT del Trabajo de Fin de Máster 9 ANEXO II: DESCRIPCIÓN DEL PRESUPUESTO En este apartado se recogen todos los desembolsos derivados del desarrollo de este trabajo, que se dividen en dos grupos: horas internas y gastos. 9.1 HORAS INTERNAS La Tabla 6 muestra una estimación de las horas trabajadas por las personas implicadas en este trabajo. Tabla 6. Costes de las horas internas Nº de horas Coste por h [€/h] Coste [€] Directora 65 40 2.600 Codirector 10 40 400 Alumna 412 15 6.180 TOTAL 9.180 € 9.2 GASTOS Debido a la situación del COVID-19 en el presente curso académico, algunas de las reuniones se 36 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO han realizado online, por lo que no han supuesto ningún gasto en cuanto a movilidad. Sin embargo, algunas de las reuniones, así como gran parte del desarrollo del proyecto se han realizado en el Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco. En la Tabla 7 se muestran los gastos que esto ha supuesto. Tabla 7. Gastos Nº de viajes Coste por viaje [km/viaje] Coste por distancia [€/km] Coste [€] Directora 5 124,8 0,6 374,4 Codirector 2 124,8 0,6 149,76 Alumna 25 5,6 0,6 84 TOTAL 608,16 € 10 ANEXO III: INSTALACIÓN DEL LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD EN EDIFICACIÓN DEL GOBIERNO VASCO A continuación, se muestran unas imágenes de la instalación del laboratorio del LCCE (Imagen 26) y de los equipos utilizados para el diseño de la instalación: • Motor de cogeneración (Imagen 27) • Caldera de condensación (Imagen 28) • Bomba (Imagen 29) • Depósito de acumulación (Imagen 30) Imagen 26. Laboratorio de Control de la Calidad en Edificación 37 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 27. Motor de cogeneración Imagen 28. Caldera de condensación 38 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELADE INGENIERÍA DE BILBAO Imagen 29. Bomba Imagen 30. Depósito de acumulación