Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente

Tesis por compendio[ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento.[CA] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament.[EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application. The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined.Esta tesis se enmarca dentro del proyecto “APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE” a través de una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad.Hervás Blasco, E. (2020). Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137776TESISCompendi

Closing the residential energy loop: Grey-water heat recovery system for domestic hot water production based on heat pumps

[EN] Passive houses linked to more efficient heating and cooling technologies have been one of the focus in last years. However, to close the loop of the building sector, there is still one open source: wasted heat from grey water. This paper addresses the potentiality of the wasted heat from grey water as a heat source to produce domestic hot water (DHW) based on a heat pump system (HP). A heat pump optimized for these applications, a heat recovery heat exchanger and two variable volume storage tanks compose the system. The main objective of this work is to determine the potential recovery of the wasted heat in order to minimize the building energy consumption. Design guidelines of the components and the analysis of an optimum operation algorithm of the system have been performed in order to minimize CO2 emissions. In addition, an evaluation of the potential heat recovery of the wasted heat is included. As an example, that methodology has been applied to 20 dwellings. Based on that case, the obtained results demonstrate that by recovering 80% of the available recovery heat, the total demand of DHW is satisfied with high levels of comfort and efficiency.Part of the work presented was carried out by Estefania Hervas Blasco with the financial support of a PhD scholarship from the Spanish government SFPI1500 x074478XV0. The authors would like also to acknowledge the Spanish `Ministerio de Economia Y Competitividad', through the project "Maximizacion de la Eficiencia Y Minimizacion del Impacto Ambiental de Bombas de Calor Para la Descarbonizacion de la Calefaccion/ACS EN Los Edificios de Consumo Casi Nulo" with the reference ENE2017-83665-C2-1-P for the given support.Hervás-Blasco, E.; Navarro-Peris, E.; Corberán, JM. (2020). Closing the residential energy loop: Grey-water heat recovery system for domestic hot water production based on heat pumps. Energy and Buildings. 216:1-15. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109962S115216García-Álvarez, M. 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Exergy analysis on a heat pump working between a heat sink and a heat source of finite heat capacity rate

[EN] The optimum performance of a pure subcritical refrigeration cycle depends significantly on the temperature lift of the heat source and sink. Therefore, the maximization of the system efficiency has to be linked to them. This paper shows an exergy analysis of each heat pump component (condenser, evaporator, expansion valve and compressor) considering that the heat source and sink are not at constant temperature. The performed study shows the components with more possibilities for improvement. Based on this analysis, the optimization of cycle parameters like subcooling and superheat as a function of the external conditions have been done. In addition, this work has demonstrated that the components having a higher influence in the system irreversibility's depends significantly on the temperature lift of the secondary fluids. Finally, the obtained results show potentials improvements of the efficiency up to 23% if the system is able to operate in the optimal subcooling and superheat.Part of the results of this study were developed in the mainframe of the FP7 European project 'Next Generation of Heat Pumps workingwith natural fluids' (NxtHPG). Part of the work presented was carried by Miquel Pitarch with the financial support of a PhD scholarship from the Universitat Politecnica de Valencia. Part of the work presented was carried by Estefania Hervas-Blasco with the financial support of a Ph.D. scholarship from the Spanish government SFPI1500X074478XV. The authors would like also to acknowledge the Spanish 'MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD', through the Project ENE2017-83665-C2-1-P, "Maximizacion de la Eficiencia y Minimizacion del Impacto Ambiental de Bombas de Calor para la descarbonizacion de la calefaccion/ACS en los proximos edificios de consumo energetico casi nulo" for the given support.Pitarch, M.; Hervás-Blasco, E.; Navarro-Peris, E.; Corberán, JM. (2019). Exergy analysis on a heat pump working between a heat sink and a heat source of finite heat capacity rate. International Journal of Refrigeration. 99:337-350. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.11.044S3373509

Diseño de un sistema de recuperación del calor residual de un bucle de condensación para la producción de agua caliente sanitaria

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet)El objetivo principal del presente proyecto es el de analizar el diseño de una instalación para la producción de agua caliente sanitaria recuperando el calor residual de un foco térmico a temperatura cercana al ambiente mediante una bomba de calor agua-agua desde un punto de vista termo-económico. Tomando como caso práctico de aplicación directa del estudio, Mercavalencia. Concretamente, a un matadero cárnico porcino. Esta necesidad surge, por una parte, debido a que la tecnología de bomba de calor, gracias a su alta eficiencia, versatilidad y robustez, se presenta como la mejor alternativa a los métodos convencionales para producción de calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración pudiendo dotar, además, de una flexibilidad clave en la gestión de la demanda energética requerida en las no muy lejanas, redes inteligentes. Por otro parte, a que es la tecnología capaz de, a partir de flujos de calor a baja temperatura (cercana al ambiente), elevar el nivel térmico hasta valores donde existe una demanda abundante de calor. En la actualidad existen multitud de este tipo de focos (bucles de condensación de sistemas de refrigeración, aguas residuales, etc) que se pierden diariamente en el ambiente. Dado que la mayoría de estudios realizados con bombas de calor han centrado la atención en la mejora de la eficiencia de la máquina, su integración en un sistema es todavía un tema con gran potencial de mejora. Para la consecución del objetivo principal se ha realizado el modelado de un sistema compuesto por una bomba de calor de alta eficiencia agua-agua trabajando con propano, un intercambiador recuperador de calor y una caldera de gas utilizada como tecnología convencional para realizar la comparación. El modelo incluye una parte térmica y otra económica y permite, entre otras cosas, obtener la configuración y el diseño de los elementos del sistema que resultan en una rentabilidad anual mayor frente a la misma producción de agua caliente sanitaria realizada mediante caldera de gas. Se trata de un estudio complejo en el que deben considerarse muchas variables. La dependencia de los resultados de factores externos se ha tenido en cuenta mediante un análisis de sensibilidad. El principal resultado extraído del estudio es una clara rentabilidad del sistema propuesto mediante bomba de calor frente a la producción con caldera de gas, así como la necesidad de realizar un diseño adecuado de la misma, dada su influencia en los resultados.Hervás Blasco, E. (2017). Diseño de un sistema de recuperación del calor residual de un bucle de condensación para la producción de agua caliente sanitaria. http://hdl.handle.net/10251/88525.Archivo delegad

Análisis de viabilidad técnico económica del autoconsumo en instalaciones fotovoltaicas. Aplicación al proyecto de una instalación en el edificio 5N

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet)[ES] El objeto del presente proyecto es el estudio de la viabilidad tanto técnica como económica de una instalación de autoconsumo considerando tres supuestos de funcionamiento: modalidad balance neto, modalidad consumo instantáneo y modalidad de almacenamiento en baterías. Para ello, se va a diseñar una instalación de fotovoltaica. La instalación fotovoltaica se ubicará en la cubierta del edificio 5N de la Universidad Politécnica de Valencia por lo que la potencia de la misma estará limitada por el espacio en la cubierta, admitiendo un total de 320 paneles fotovoltaicos de 290Wp de potencia unitaria. Por tanto, la potencia de la instalación será de 92.8 kWp. En el estudio de la modalidad de Balance Neto se considerará la opción de producir energía siempre que se pueda y se estudiará la viabilidad económica suponiendo unos costes de peaje todavía por determinar así como el umbral de los mismos que se necesitaría para que fuera un caso viable. En el estudio de la modalidad de consumo instantáneo se estudia la viabilidad considerando la posibilidad de producir energía sin excedentes para no tener que verterse nada a red así como la desconexión de la instalación en el momento en el que no se requiera energía eléctrica. Finalmente, el estudio de la modalidad de almacenamiento mediante baterías se estudia la viabilidad de la instalación para el caso en el que se produce el máximo de energía eléctrica almacenándose la excedente en baterías para su consumo en periodos deficitarios. En consecuencia, la redacción del presente proyecto tiene como finalidad el estudio de la viabilidad técnica-económica de una instalación de autoconsumo bajo los supuestos considerados anteriormente de forma que sirva como ayuda en la toma de decisiones a la hora de pensar en acogerse a la modalidad de Balance Neto en instalaciones de autoconsumo.Hervás Blasco, E. (2013). Análisis de viabilidad técnico económica del autoconsumo en instalaciones fotovoltaicas. Aplicación al proyecto de una instalación en el edificio 5N. http://hdl.handle.net/10251/31574.Archivo delegad

Conception d une pompe à chaleur eau-eau optimisée pour la récupération de chaleur perdue à basse température basée sur la régulation du sous-refroidissement

[EN] Traditional heat pumps designs have been optimized for heating applications based on small secondary temperature lifts (around 5K); however, in applications with other characteristic temperature lifts, different design criteria could be required. For instance, transcritical cycles have demonstrated to have a high efficiency for domestic hot water production with high water temperature lifts. This work presents the experimental results of a new water-to-water heat pump composed by the basic heat pump components (condenser, compressor, evaporator, expansion valve and liquid reliever) able to adapt its performance depending on the required water temperature lift. Domestic hot water production from grey water waste heat recovery has been chosen as experimental application to test this heat pump. Results show COP values up to 5.5 at the design condition (20-15 degrees C at the inlet-outlet of the evaporator and 10-60 degrees C at the inlet-outlet of the condenser) and an optimal degree of subcooling of 47 K. (C) 2019 Elsevier Ltd and IIR. All rights reserved.Part of the results of this study were developed in the mainframe of the FP7 European project 'Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids' (NxtHPG). Part of the work presented was carried out by Estefania Hervas Blasco with the financial support of a PhD scholarship from the Spanish government SFPI1500 x 074478XV0. The authors would like also to acknowledge the Spanish 'MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD', through the project "MAXIMIZACION DE LA EFICIENCIA Y MINIMIZACION DEL IMPACTO AMBIENTAL DE BOMBAS DE CALOR PARA LA DESCARBONIZACION DE LA CALEFACCION/ACS EN LOS EDIFICIOS DE CONSUMO CASI NULO"with the reference ENE2017-83665-C2-1-P for the given support.Hervas-Blasco, E.; Navarro-Peris, E.; Barceló Ruescas, F.; Corberán, JM. (2019). Improved water to water heat pump design for low-temperature waste heat recovery based on subcooling control. International Journal of Refrigeration. 106:374-383. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.06.030S37438310