Comparación de tecnologías para edificios de energía neta cero: Sistema reversible de bomba de calor/ciclo Rankine orgánico acoplado a colectores solares y sistema convencional de bomba de calor acoplada a paneles fotovoltaicos.

Abstract

Los edificios representan cerca del 30% del consumo de energía final mundial, la cual es utilizada principalmente para calefacción o acondicionamiento de espacios, producción de agua caliente sanitaria, y en electrodomésticos. Las fuentes energéticas más utilizadas para ello son el petróleo, el gas natural y la biomasa, los cuales emiten contaminantes como el CO2 o el material particulado. Para reducir el consecuente impacto ambiental, es necesario implementar nuevas tecnologías que puedan utilizar la energía más eficientemente y reducir la demanda de energía final. Esta tesis estudia los efectos en la demanda energética de un edificio, al implementar mejoras en la envolvente térmica basadas en el estándar Passivhaus, y además propone dos tecnologías para suplir la demanda térmica y aportar producción eléctrica. El primer sistema propuesto es una bomba de calor reversible a ciclo Rankine orgánico acoplada a colectores solares térmicos (HP/ORC-COL), mientras que el segundo esquema contempla la combinación de la bomba de calor con paneles fotovoltaicos (HP-PV). Los sistemas propuestos son evaluados utilizando modelos numéricos a lo largo de un año meteorológico típico utilizando las condiciones climáticas de Santiago, Concepción, y Temuco, obtenidas a partir de la base de datos Meteonorm. Entre los componentes de los sistemas hay intercambiadores de calor, colectores solares térmicos, un compresor scroll reversible, un estanque de almacenamiento de calor, bombas y paneles fotovoltaicos. Cada componente se modela modularmente mediante programas basados en Python, utilizando las bibliotecas CoolProp y SciPy para el cálculo de propiedades termodinámicas y para la resolución de sistemas de ecuaciones respectivamente. Los resultados indican que anualmente el sistema HP-PV es superior al sistema HP/ORC-COL en producción eléctrica y en SPF, llegando a un potencial de edificio de energía neta cero de 76,26% en Santiago, 66,64% en Concepción y 60,42% en Temuco. Además, se determina que los costos de operación emisiones de CO2 de ambos sistemas propuestos, son menores a los de calderas de petróleo, gas natural y pellets de madera.