Miércoles, 26 Junio 2019 13:47

TESSe2b: INNOVACIÓN EN ALMACENAJE DE ENERGÍA TÉRMICA

TESSe2b portada 0El proyecto europeo TESSe2b se propone aumentar la eficiencia energética en los edificios a través de tecnologías renovables y promover soluciones avanzadas de almacenamiento de energía térmica

 

 

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Para ello se ha diseñado, desarrollado y validado una tecnología de almacenamiento térmico modular y de bajo costo, basada en materiales de cambio de fase (PCM), para edificios residenciales. La solución TESSe2b combina colectores solares térmicos y una bomba de calor geotérmica con baterías que almacenan el calor latente para la refrigeración, calefacción y producción de agua caliente sanitaria (ACS) de una vivienda unifamiliar. La solución TESSe2b ha sido testada en tres pruebas piloto en distintos países europeos con diferentes climas: Austria, España y Chipre. El sistema será monitoreado durante un año para evaluar su impacto a nivel energético, económico y ambiental en los diferentes climas.

odulares y un avanzado mecanismo de control con inteligencia artificial para maximizar el rendimiento del sistema. TESSe2b también incorpora otras tecnologías innovadoras, como el desarrollo de parafinas mejoradas con nanopartículas, o de un recubrimiento para proteger la superficie metálica de la corrosión de las sales hidratadas y la integración de los PCM en los pozos geotérmicos para mejorar el rendimiento de la bomba de calor geotérmica.

El sistema TESSe2b permite reducir el consumo de energía del edificio y, en consecuencia, sus emisiones de CO2 asociadas y los costos operativos. Se espera una reducción del consumo de energía primaria del edificio entre el 15% y el 30% y un retorno de la inversión de unos nueve años, dependiendo del clima y las características del edificio. El proyecto TESSe2b está financiado por el H2020 Research Innovation Actions (RIA) de la Comisión Europea, convocatoria EeB – Energy Efficient Buildings (Convenio de Subvención número 680555).

Cómo funciona

El sistema Tesse2b combina los colectores solares y la bomba de calor geotérmica con el innovador sistema de almacenamiento de energía térmica latente y los pozos geotérmicos con PCM. Los componentes principales del sistema son: los colectores solares, la bomba de calor, los pozos geotérmicos, los tanques de almacenamiento de energía térmica caliente, los tanques de almacenamiento de energía térmica fría, el sistema de ACS y los dispositivos de calefacción/refrigeración de la casa. Todo ello se administra mediante un sistema de control avanzado con autoaprendizaje, con el fin de optimizar su rendimiento. La configuración general del sistema TESSe2b se muestra en la Figura 1.

La energía solar térmica producirá ACS y abastecerá la demanda de calefacción de la casa. La bomba de calor geotérmica proporcionará tanto refrigeración para el edificio como el ACS y la calefacción en los días en que la energía solar térmica no sea suficiente para cubrir la demanda de calefacción de la casa. La innovación recae en los tanques de almacenamiento de energía térmica. El almacenamiento de energía optimiza el uso de las tecnologías renovables, corrigiendo el desajuste que a menudo se produce entre en momento en que se produce y la demanda de energía en los edificios residenciales. Otra ventaja del sistema es la capacidad de anticiparse a las fluctuaciones del precio de electricidad, acumulando energía para usarla cuando las tarifas estén más caras. Si lo comparamos con las soluciones comunes de almacenamiento de energía (almacenamiento de calor sensible), vemos que almacenar calor latente presenta dos ventajas: la capacidad de almacenar la energía a una temperatura constante y definida, y una densidad de almacenamiento de energía superior, lo cual implica requerir menos espacio para almacenar la misma cantidad de energía.

 

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Almacenamiento de energía térmica latente

TESSe2b usa tanques de plástico modulares con un serpentín sumergido, que actúa como intercambiador de calor. Cada tanque tiene una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 150 litros. La capacidad total depende del número de tanques modulares y de las propiedades de los PCM. Como se muestra en la Figura 1, el tanque de almacenamiento de calor tiene dos circuitos principales, uno para cargar el tanque de almacenamiento a través de los colectores solares y otro para descargar la energía almacenada proporcionando calor al edificio. Este circuito también se utiliza para cargar los tanques de almacenamiento mediante la bomba de calor geotérmica. Los tanques de almacenamiento de energía para refrigeración son similares pero con un solo circuito principal, que se utiliza para proporcionar refrigeración a la casa, mediante la fusión de los PCM. El mismo circuito se usa para almacenar frío solidificando de nuevo los PCM utilizando la bomba de calor geotérmica cuando funciona en modo de enfriamiento. El tanque diseñado para ACS puede proporcionar unos 200 l/día de agua caliente. El diseño del tanque de ACS es similar al tanque de almacenamiento de calor. Sin embargo, los circuitos de los intercambiadores de calor son más largos para el tanque de ACS, para aumentar el ratio de transferencia de calor instantánea al valor requerido para producir ACS. La Tabla 1 presenta las características generales de las unidades de almacenamiento térmico desarrolladas en el proyecto TESSe2b.

 

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Se utilizó el análisis estructural de elementos finitos para optimizar la estructura y diseño de los tanques de almacenamiento, junto con simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para optimizar los intercambiadores de calor sumergidos. Los resultados del CFD se validaron basándose en los resultados experimentales obtenidos en un prototipo a pequeña escala. Después se desarrolló un estudio paramétrico de CFD para optimizar el diseño de los intercambiadores de calor. Los parámetros clave fueron la separación entre los tubos, el diseño de las aletas, la longitud de los circuitos de las bobinas y el caudal del fluido portador de calor.

El diseño de los intercambiadores incluyó el desarrollo de un innovador recubrimiento basado en nitrato de aluminio para proteger las superficies metálicas de la corrosión de las sales hidratadas. La efectividad del sistema fue probada por experimentos de prueba en pequeñas muestras de Cu y Al. Otra innovación del proyecto TESSe2b es el desarrollo de parafinas con nanopartículas incorporadas para mejorar su conductividad térmica y el rendimiento de carga y descarga de los tanques almacenamiento de energía.

TESSe2b 3Intercambiadores de calor en los pozos geotérmicos

Los intercambiadores de calor en pozos geotérmicos (BHE) son una tecnología establecida y confiable para el uso de energía geotérmica con bombas de calor. Uno de los objetivos del proyecto TESSe2b es desarrollar un BHE que también pueda utilizarse para el almacenamiento de energía térmica y, de este modo, aumentar su rendimiento tanto en modo calefacción como refrigeración. Durante el funcionamiento de la bomba de calor en modo de calefacción, la temperatura del fluido portador de calor dentro del BHE disminuirá. 

Durante el enfriamiento, por el contrario, aumentará (Figura 2). Como la transferencia de calor en el suelo es principalmente conductora y su difusividad térmica es baja, esto conduce a una respuesta térmica en el suelo mucho más lenta de lo que requiere la bomba de calor, lo que resulta en la transmisión de ondas térmicas en el suelo a través de los BHE. Esto causa un menor coeficiente de rendimiento (COP) de la bomba de calor (GSHP), ya que se está modificando la temperatura del suelo. Para mejorar la efectividad de los BHE, añadir PCM en los pozos se considera un medio eficaz para almacenar energía térmica en los BHE. Esto reduce las fluctuaciones de la temperatura del suelo, suavizando la onda térmica generada, y aumentando así el rendimiento estacional del sistema. El impacto esperado en una aplicación de calefacción se ilustra en la Figura 2 (figura inferior).

En resumen, en el caso de calentamiento la temperatura del fluido portador de calor dentro de los BHE disminuirá mientras funciona la bomba de calor, ya que se extrae calor del suelo. En vista de la baja temperatura esperada, el PCM seleccionado debe proporcionar energía en un rango de temperatura entre los valores bajos y las temperaturas del suelo circundante, de modo que el PCM pueda soportar el sistema estabilizando las temperaturas a un nivel más alto durante la operación del calor. Cuando la bomba esta parada, los PCM se recargan por el flujo de calor natural del suelo. En el modo refrigeración, el PCM ayudará a estabilizar la temperatura a un nivel inferior almacenando el calor suministrado por el fluido portador de calor. El PCM descargará esta energía al suelo cuando el sistema esté apagado. La selección de los PCM apropiados para integrarlos en los pozos está estrechamente relacionada con su temperatura de cambio de fase, la temperatura del suelo que no se ve afectado por la instalación y el modo de funcionamiento principal de la bomba de calor (calefacción/refrigeración).

 

Sitemas de control

El sistema de control TESSe2b garantiza el funcionamiento correcto y eficiente de todo el sistema. Esto se hace mediante un sistema inteligente que controla en cada momento la temperatura de entrada y salida de los dispositivos de calefacción y refrigeración del edificio y adapta el flujo y la temperatura del fluido de transferencia de calor para garantizar que la casa se calienta, se enfría o deshumidifica adecuadamente. Uno de los objetivos del sistema de control inteligente es el pronóstico y prevención a corto plazo de los parámetros importantes del sistema. El sistema de control también se asegurará de que siempre haya ACS disponible para los usuarios. También regulará adicionalmente la temperatura dentro de los tanques de PCM, para que los PCM operen de forma segura y para cumplir con otros requisitos de seguridad, como la prevención de Legionella y la operación en condiciones climáticas extremas. El sistema de control de TESSe2b puede operar con una amplia variedad de dispositivos de calefacción y refrigeración, tales como: suelo radiante o tuberías en las paredes, radiadores, fan coils, etc. Cada habitación debe ser controlada por un dispositivo de control descentralizado y un termostato, que no forma parte del sistema TESSe2b.

El sistema TESSe2b se puede instalar no solo en edificios nuevos, sino también en edificios con sistemas de calefacción y refrigeración preexistentes, sin reemplazar las unidades de circuito de calefacción y enfriamiento, lo que hace que el sistema sea más asequible. Además, el sistema TESSe2b también tendrá un sistema de monitoreo integrado para recopilar y almacenar datos de medición para la evaluación del rendimiento en tiempo real del sistema.

Las funciones principales que TESSe2b garantiza son: producción de agua caliente sanitaria, refrigeración y calefacción. Se incluyen otros tres modos de funcionamiento, el estado inactivo: sin transferencias de calor (modo de reposo), modo de vacaciones y modo de servicio. La tabla 2 muestra todos los modos de funcionamiento de TESSe2b.

 

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Pruebas piloto

La demostración y la evaluación de monitoreo del sistema TESSe2b se ha llevado a cabo en tres pruebas piloto distribuidas por Europa, siendo estas en Austria, España y Chipre, con el objetivo de evaluar la integración del sistema en el edificio, el impacto de TESSe2b en diferentes climas y para evidenciar su viabilidad técnica y económica en general.

 

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Para caracterizar la demanda energética de calefacción y refrigeración de los emplazamientos se han realizado simulaciones dinámicas de los edificios. Las simulaciones fueron desarrolladas mediante el software Design Builder [5], validado por el estándar ANSI/ASHRAE 140. Para tener una idea precisa del comportamiento térmico de las casas, se desarrollaron simulaciones del rendimiento térmico para las casas reales y para casas con la misma arquitectura de diseño, pero considerando el envolvente térmico de referencia, definido por el reglamento de los respectivos países. 

 

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Prueba piloto en ESPAÑA

El edificio se encuentra en Calonge de Segarra, Cataluña. Es una masia antigua de 130 m2 distribuidos equitativamente en dos pisos. Las paredes del edificio están hechas de piedra caliza y tienen una capa delgada de poliuretano como aislamiento térmico. La simulación de construcción de energía predijo una potencia de calefacción de 11.3 kW y de 5.04 kW para refrigeración. La demanda energética anual es de 46.38 kWh/(m2•año) para calefacción y 8.93 kWh/(m2•año) para refrigeración. Comparándolo con los resultados obtenidos con el envolvente térmico de referencia, vemos que el edificio real tiene un perfil energético similar, con una demanda ligeramente más alta que la de referencia.

 

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TESSe2b en ESPAÑA

Las características principales de la prueba piloto de TESSe2b en España se presentan en la Tabla 3. El número de tanques de almacenamiento térmico calientes se seleccionó para maximizar que la demanda de calefacción de la casa esté cubierta por la solar térmica. El número de tanques de almacenamiento térmico fríos se seleccionó según un criterio diferente: la capacidad del tanque frío se dimensionó para minimizar el funcionamiento de la bomba de calor geotérmica durante las horas en que la tarifa eléctrica sea más cara.

 

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La Figura 4 presenta la demanda de calefacción y refrigeración prevista para el caso español. Se muestran tres días consecutivos tanto de invierno como verano. La Figura 4 también muestra la radiación incidente hacia los colectores solares y la parte de la demanda de calefacción y refrigeración que cubre directamente la bomba de calor geotérmica y los tanques de almacenamiento de energía térmica. Los resultados presentados en la Figura 4 muestran claramente cómo el sistema de almacenamiento térmico puede optimizar el uso de la energía solar y proporciona flexibilidad al sistema para que el funcionamiento de la bomba de calor sea en los períodos en que el precio de la electricidad sea más bajo.

 

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Conclusiones y beneficios

El objetivo del Proyecto TESSe2b – Thermal Energy Storage Systems for Energy Efficient Buildings es desarrollar una solución integrada para aplicaciones de edificios residenciales que combine las fuentes de energía solar y geotérmica con el almacenamiento de energía térmica utilizando calor latente. Los principales beneficios previstos de TESSe2b en comparación con los sistemas comunes de calefacción, refrigeración y producción de ACS para edificios residenciales son:

Aumentar el uso de los recursos renovables y, en consecuencia, reducir las emisiones de CO2 de los edificios residenciales.

Reducir el coste operativo y equilibrar la curva de demanda de energía de la red eléctrica. El almacenamiento de energía térmica no solo aumenta el uso de las tecnologías renovables, sino que también proporciona flexibilidad al sistema, separando la demanda de energía térmica del momento en que se produce, y así desplazando el uso de los dispositivos de producción de energía térmica en horas de valle de las tarifas eléctricas.

Comparativamente a los sistemas comunes de almacenamiento de energía térmica para edificios residenciales, basados en calor sensible, TESSe2b presenta ventajas, tales como:

Una densidad de almacenamiento de energía superior, lo cual puede aumentar significativamente la capacidad de almacenamiento en volúmenes pequeños. Esta solución es particularmente relevante para los edificios residenciales ya que, en general, disponen de poco espacio libre para los tanques.

Almacenar la energía a una temperatura constante y definida. Un beneficio práctico de esto es reducir la temperatura máxima del almacenamiento de energía térmica para calefacción, y aumentar la temperatura mínima del almacenamiento de energía térmica para refrigeración. Esto comporta un aumento de la eficiencia global del sistema, ya que tiene menos pérdidas, y a su vez reduce los costes de aislamiento térmico, ya que el gradiente entre las temperaturas de los tanques y la temperatura ambiente es menor que en otras tecnologías convencionales.

 

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Publicado en TÉCNICO
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