Diseño y evaluación de un sistema reversible bomba de calor – ciclo Rankine orgánico.

Abstract

A nivel residencial, y en particular en Chile, las tres demandas energéticas más importantes son calefacción, producción de agua caliente sanitaria y electricidad. Una tecnología que puede satisfacer estas tres demandas es el sistema reversible bomba de calor / ciclo de Rankine orgánico. Para evaluar el potencial de esta tecnología, en esta memoria se propone desarrollar un modelo numérico de un sistema combinado de colectores solares y un sistema reversible bomba de calor/ciclo Rankine orgánico para suplir la demanda de electricidad y calefacción de un edificio residencial ubicado en Concepción, Santiago y Temuco. Se considera Concepción, por ser la ciudad donde se encuentra el edificio seleccionado, y Santiago y Temuco por sus concentraciones de MP2.5 y porcentaje de edificios respecto a la totalidad de viviendas. Utilizando TRNSYS se determinan las demandas de calefacción del edificio, las cuales se pueden reducir en un 30% si se mejora la calidad de la envolvente térmica existente usando el estándar PassivHaus. Las demandas de ACS y electricidad se obtienen mediante una medición de dichos consumos y de una encuesta habitacional, obteniendo resultados que se condicen con los de otras investigaciones. En base a las demandas máximas, se diseñan los equipos del sistema. Entre ellos se encuentran colectores solares, intercambiadores de calor de placas, aletas y helicoidales, compresor scroll, entre otros. La aproximación utilizada para el desarrollo del modelo es del tipo modular, donde cada módulo representa un componente con entradas y salidas. Un conjunto de módulos conectados entre sí conforma el modelo del sistema. La modelación del conjunto de equipos fue realizada en Python, teniendo un paso de tiempo de una hora. Se definen 3 modos de funcionamiento, los cuales conmutan según las condiciones de operación requeridas. El equipo dominante en el funcionamiento es la bomba de calor, mientras que los colectores solares dividen su funcionamiento como fuente de calor para el ORC y para el calentamiento del estanque, alcanzando por ello fracciones solares de hasta el 25%. La mayoría de veces, la ciudad de mejores indicadores es Santiago, debido a sus mayores temperaturas ambientes y menores requerimientos térmicos. En todos los casos el NZEBpotential es menor al 3%, debido a la baja superficie disponible para los colectores solares. El sistema alcanza SPFs entre los 12.5 y 5, evitando hasta 37.9 Ton CO y 10.8 Ton MP10 al ser comparado con otras alternativas. Sus emisiones equivalentes van entre 4 y 6 Ton CO2 anuales.

In Chile, the three major energy uses at the residential level are heating, production of domestic hot water and the use of electrical appliances. One of the rising technologies are heat pumps, whose components are similar to those of an organic Rankine cycle. This investigation proposes a numerical model of a combined system of solar collectors and a reversible system of heat pump/organic Rankine cycle for a residential building. In addition to Concepción, the original city of the building, Santiago and Temuco are selected because of their concentrations of PM2.5 and percentage of buildings with respect to all dwellings. The heating loads to achieve thermal comfort were calculated based on the constructive characteristics of the existing building and the climatic conditions in the three cities. Improving the existing thermal envelope by means of the PassivHaus standard, the heating loads were reduced by nearly 30%. The domestic hot water and electricity loads are obtained through an empirical characterization of the behavior of the inhabitants and a housing survey, obtaining results that are consistent with those of other investigations. The system is designed based on the maximum loads. Some of the components are solar collectors, plate, finned tube, and helical heat exchangers with variable heat transfer coefficients based on empirical correlations, a scroll compressor, etc. The simulation of the system is of the modular type, where each module represents a component, which have inputs and outputs. A set of modules connected to each other makes up the system model. The modeling was carried out in Python, having a time step of one hour. Three operating modes are defined, which switch according to the required operating conditions. The heat pump is the dominant component, while the solar collectors divide their operation time as a heat source for the ORC or for the water tank, thus reaching maximum solar fractions of 25%. Most of the time, the city with the best indicators is Santiago, due to its higher ambient temperatures and lower thermal requirements. In all cases, the NZEBpotential is less than 3%, due to the low area available for solar collectors. The system reaches SPFs between 12.5 and 5, avoiding annual emissions of up to 37.9 Ton CO and 10.8 Ton PM10 when compared to other alternatives and having equivalent emissions between 4 and 6 Ton CO2 per year.