Modelado e calibración de sistemas enerxéticos térmicos mediante ferramentas de simulación transitoria e algoritmos de optimización

Abstract

Cada vez máis, a eficiencia enerxética preocupa e afecta a todos os sectores. Esta preocupación está vinculada á redución de emisións contaminantes e á disminución do consumo energético e, consecuentemente, ao aforro económico. Para conseguir que un sistema energético traballe dun xeito eficiente, é necesario realizar un estudo previo. Durante este estudo é preciso analizar o seu comportamento, profundar nas leis que rexen a súa evolución no tempo e investigar a influencia da variación das condicións de contorno. Cando o comportamento do sistema atópese perfectamente definido, sería posible analizar a posta en práctica de posibles medidas ou modificacións que optimicen o seu funcionamento e, deste xeito, conseguir un incremento da eficiencia enerxética. As principais contribucións científicas desta tese céntranse no deseño, implementación e contraste dunha metodoloxía para o desenvolvemento de modelos energéticos que simulen o comportamento térmico transitorio de diferentes sistemas. Para iso a tese apoiouse na utilización de diferentes programas: Un programa de simulación enerxética transitoria combinado cun programa de optimización que facilitaron a confección e a calibración de devanditos modelos. Ademais, o traballo hase focalizado no desenvolvemento de modelos de utilidade en edificaciones dado que este campo de aplicación representa un elevado consumo de enerxía dentro do actual panorama energético e ten un suficiente percorrido. Este documento pódese dividir en tres grandes apartados que deron lugar a catro artigos: Nunha primeira parte da tese descríbese o proceso de confección dun modelo energético dunha edificación xunto co seu sistema de climatización. Neste traballo destácase a importancia da obtención de información experimental coa que contrastar os resultados simulados e deste xeito poder validar os modelos. Esta metodoloxía aplicouse exitosamente no edificio que actualmente dá servizo de biblioteca á facultade de ciencias da Universidade de Vigo. Para a validación de devandito modelo utilizáronse os estándares propostos por ASHRAE e adoptados por EVO. Este primeiro estudo deu lugar ao primeiro artigo presentado nesta tese. Dentro desta primeira parte profundouse nesta liña e recompiláronse novos datos experimentais con menor frecuencia temporal co obxectivo de contrastar e validar o inestable réxime transitorio de determinadas partes do sistema condicionado pola alta capacidade da bomba de calor e a baixa inercia do circuíto de impulsión. Esta nova análise combinouse coa utilización dun novo proceso de calibración por partes onde os diferentes compoñentes do sistema agrupáronse atendendo ao subsistema ao que pertencen e calibráronse durante a época do ano máis acorde. Mediante esta calibración por partes conseguíronse mellores resultados reducindo os erros mensuales e obtendo uns erros horarios da enerxía consumida e da temperatura das distintas zonas térmicas moi por baixo dos estándares de calibración. Na segunda parte do documento e utilizando a mesma metodoloxía de traballo, hase modelado un sistema de cogeneración baseado en tecnoloxía Stirling combinando compoñentes da librería do programa de simulación transitoria TRNSYS e calibrando os parámetros de funcionamento do sistema mediante o software GenOpt ata obter un CV(RMSE) da potencia obtida e das principais temperaturas de operación o suficientemente reducido. O contraste experimental realizouse para distintas temperaturas de funcionamento demostrando a validez do modelo térmico. Unha vez calibrado o modelo, propóñense distintas combinacións que permiten a variación dos ratios de potencia e enerxía térmica atendendo ás necesidades do usuario final. Como terceira parte e parte final do traballo resáltase a utilidade do programa de simulación TRNSYS en combinación cos algoritmos implementados no software de optimización GenOpt como ferramentas de apoio no ensino superior. A utilización conxunta de ambos programas permite a simulación e a realización de estudos paramétricos ou de optimización que permiten profundar na análise do comportamento transitorio de edificaciones así como dos distintos sistemas de climatización ou de microcogeneración que os acondicionan e alimentan. Deste xeito os estudantes poden profundar no estudo do comportamento de diferentes sistemas contrastando as distintas leis estudadas. Mediante o presente documento demóstrase que compaxinando diferentes ferramentas coa metodoloxía de traballo adecuada, combinado co contraste con datos experimentais, permite obter modelos térmicos o suficientemente precisos que nos aseguren o seu validez así como os resultados que deles se poidan derivar. Tamén se demostra como modificacións en devanditos modelos energéticos térmicos poden derivar no aumento da eficiencia enerxética do sistema así como na variación da potencia eléctrica ou térmica de saída.

Cada vez más, la eficiencia energética preocupa y afecta a todos los sectores. Esta preocupación está vinculada a la reducción de emisiones contaminantes y a la disminución del consumo energético y, consecuentemente, al ahorro económico. Para conseguir que un sistema energético trabaje de una manera eficiente, es necesario realizar un estudio previo. Durante este estudio es preciso analizar su comportamiento, profundizar en las leyes que rigen su evolución en el tiempo e investigar la influencia de la variación de las condiciones de contorno. Cuando el comportamiento del sistema se encuentre perfectamente definido, sería posible analizar la puesta en práctica de posibles medidas o modificaciones que optimicen su funcionamiento y, de esta manera, conseguir un incremento de la eficiencia energética. Las principales contribuciones científicas de esta tesis se centran en el diseño, implementación y contraste de una metodología para el desarrollo de modelos energéticos que simulen el comportamiento térmico transitorio de diferentes sistemas. Para ello la tesis se ha apoyado en la utilización de diferentes programas: Un programa de simulación energética transitoria combinado con un programa de optimización que han facilitado la confección y la calibración de dichos modelos. Además, el trabajo se ha focalizado en el desarrollo de modelos de utilidad en edificaciones dado que este campo de aplicación representa un elevado consumo de energía dentro del actual panorama energético y tiene un suficiente recorrido. Este documento se puede dividir en tres grandes apartados que han dado lugar a cuatro artículos: En una primera parte de la tesis se describe el proceso de confección de un modelo energético de una edificación junto con su sistema de climatización. En este trabajo se destaca la importancia de la obtención de información experimental con la que contrastar los resultados simulados y de esta manera poder validar los modelos. Esta metodología se ha aplicado exitosamente en el edificio que actualmente da servicio de biblioteca a la facultad de ciencias de la Universidad de Vigo. Para la validación de dicho modelo se han utilizado los estándares propuestos por ASHRAE y adoptados por EVO. Este primer estudio dio lugar al primer artículo presentado en esta tesis. Dentro de esta primera parte se ha profundizado en esta línea y se han recopilado nuevos datos experimentales con menor frecuencia temporal con el objetivo de contrastar y validar el inestable régimen transitorio de determinadas partes del sistema condicionado por la alta capacidad de la bomba de calor y la baja inercia del circuito de impulsión. Este nuevo análisis se ha combinado con la utilización de un nuevo proceso de calibración por partes donde los diferentes componentes del sistema se han agrupado atendiendo al subsistema al que pertenecen y se han calibrado durante la época del año más acorde. Mediante esta calibración por partes se han conseguido mejores resultados reduciendo los errores mensuales y obteniendo unos errores horarios de la energía consumida y de la temperatura de las distintas zonas térmicas muy por debajo de los estándares de calibración. En la segunda parte del documento y utilizando la misma metodología de trabajo, se ha modelado un sistema de cogeneración basado en tecnología Stirling combinando componentes de la librería del programa de simulación transitoria TRNSYS y calibrando los parámetros de funcionamiento del sistema mediante el software GenOpt hasta obtener un CV(RMSE) de la potencia obtenida y de las principales temperaturas de operación lo suficientemente reducido. El contraste experimental se ha realizado para distintas temperaturas de funcionamiento demostrando la validez del modelo térmico. Una vez calibrado el modelo, se proponen distintas combinaciones que permiten la variación de los ratios de potencia y energía térmica atendiendo a las necesidades del usuario final. Como tercera parte y parte final del trabajo se resalta la utilidad del programa de simulación TRNSYS en combinación con los algoritmos implementados en el software de optimización GenOpt como herramientas de apoyo en la enseñanza superior. La utilización conjunta de ambos programas permite la simulación y la realización de estudios paramétricos o de optimización que permiten profundizar en el análisis del comportamiento transitorio de edificaciones así como de los distintos sistemas de climatización o de microcogeneración que los acondicionan y alimentan. De esta manera los estudiantes pueden profundizar en el estudio del comportamiento de diferentes sistemas contrastando las distintas leyes estudiadas. Mediante el presente documento se demuestra que compaginando diferentes herramientas con la metodología de trabajo adecuada, combinado con el contraste con datos experimentales, permite obtener modelos térmicos lo suficientemente precisos que nos aseguren su validez así como los resultados que de ellos se puedan derivar. También se demuestra cómo modificaciones en dichos modelos energéticos térmicos pueden derivar en el aumento de la eficiencia energética del sistema así como en la variación de la potencia eléctrica o térmica de salida.

Increasingly, energy efficiency concerns and affects all sectors. This concern is linked to the reduction of pollutant emissions and the reduction of energy consumption and, consequently, to economic saving. In order to make an energy system work in an efficient way, a previous study is necessary. During this study it is necessary to analyze its behavior, to deepen in the laws that govern its evolution over time and to investigate the influence of the variation of the boundary conditions. When the behavior of the system is perfectly defined, it would be possible to analyze the implementation of possible measures or modifications that optimize its operation and, thus, achieve an increase in energy efficiency. The main scientific contributions of this thesis are the design, implementation and contrast of a methodology for the development of energy models that simulate the transient thermal behavior of different systems. To this end, the thesis has been supported by the use of different programs: A transient energy simulation program combined with an optimization program that has facilitated the preparation and calibration of these models. In addition, the work has focused on the development of utility models in buildings since this field of application represents a high energy consumption within the current energy scenario and has a sufficient route. This document can be divided into three main sections that have given rise to four articles: In a first part of the thesis describes the process of making an energy model of a building together with its air conditioning system. In this work the importance of obtaining experimental information with which to contrast the simulated results is emphasized, and in this way, to validate the models. This methodology has been successfully applied in the building that currently provides library service to the faculty of science of the University of Vigo. For the validation of this model, the standards proposed by ASHRAE and adopted by EVO have been used. This first study gave rise to the first article presented in this thesis. This first part has been deepened in this line and new experimental data have been collected with less temporal frequency in order to test and validate the unstable transient regime of certain parts of the system conditioned by the high capacity of the heat pump and The low inertia of the drive circuit. This new analysis has been combined with the use of a new part calibration process where the different components of the system have been grouped according to the subsystem to which they belong and have been calibrated during the most appropriate time of year. By means of this part calibration, better results have been achieved by reducing the monthly errors and obtaining time errors of the energy consumed and the temperature of the different thermal zones well below the calibration standards. In the second part of the document and using the same working methodology, a cogeneration system based on Stirling technology has been modeled combining components of the library of the transient simulation program TRNSYS and calibrating the operating parameters of the system using the software GenOpt until Obtain a CV (RMSE) of the power obtained and the main operating temperatures sufficiently reduced. The experimental contrast was performed for different operating temperatures demonstrating the validity of the thermal model. Once the model has been calibrated, different combinations are proposed that allow the variation of the power and thermal energy ratios according to the needs of the end user. The third part and final part of the paper highlights the usefulness of the TRNSYS simulation program in combination with the algorithms implemented in the GenOpt optimization software as support tools in higher education. The joint use of both programs allows the simulation and the accomplishment of parametric or optimization studies that allow to deepen in the analysis of the transient behavior of buildings as well as of the different systems of air conditioning or microcogeneration that condition and feed them. In this way students can deepen the study of the behavior of different systems by contrasting the different laws studied. This paper demonstrates that combining different tools with the appropriate working methodology, combined with the contrast with experimental data, allows to obtain thermal models that are accurate enough to assure their validity as well as the results that can be derived from them. It also demonstrates how modifications in such thermal energy models can lead to an increase in the energy efficiency of the system as well as in the variation of the electrical or thermal output power.