Energy Analysis of a Dual-Source Heat Pump Coupled with Phase Change Materials

Installation costs of ground heat exchangers (GHEs) make the technology based on ground-coupled heat pumps (GCHPs) less competitive than air source heat pumps for space heating and cooling in mild climates. A smart solution is the dual source heat pump (DSHP) which switches between the air and ground to reduce frosting issues and save the system against extreme temperatures affecting air-mode. This work analyses the coupling of DSHP with a flat-panel (FP) horizontal GHE (HGHE) and a mixture of sand and phase change materials (PCMs). From numerical simulations and considering the energy demand of a real building in Northern Italy, different combinations of heat pumps (HPs) and trench backfill material were compared. The results show that PCMs always improve the performance of the systems, allowing a further reduction of the size of the geothermal facility. Annual average heat flux at FP is four times higher when coupled with the DSHP system, due to the lower exploitation. Furthermore, the enhanced dual systems are able to perform well during extreme weather conditions for which a sole air source heat pump (ASHP) system would be unable either to work or perform efficiently. Thus, the DSHP and HGHE with PCMs are robust and resilient alternatives for air conditioning

Effect of Sky Discretization for Shading Device Calculation on Building Energy Performance Simulations

The calculation of sunlit surfaces in a building has always been a relevant aspect in building energy simulation programs. Due to the high computational cost, some programs use algorithms for shading calculation for certain solar positions after discretization of hemispherical sky. The influence of the level of discretization on the estimation of incident direct radiation on building surfaces, as well as on the required computational times, are studied in this work. The direct solar energy on a window for a year, with simulation time steps of five minutes, has been simulated by using an algorithm based on Projection and Clipping Methods. A total of 6144 simulations have been carried out, varying window sizes, window orientations, typologies of shading devices, latitudes and discretization levels of the hemispherical sky. In terms of annual incident solar energy, the results show that maximum error values are about 5% for a low level of angular discretization. Errors up to 22% in hourly incident solar energy have been estimated for some of the configurations analysed. Furthermore, a great number of configurations show errors of shading factor on a window of up to 30%, which could be most relevant in studies of natural lighting. The study also shows that the improvement achieved by the most accurate discretization level implies an increase in computational cost of about 30 times

Una introducción a los métodos numéricos en conducción de calor

El estudio de métodos que permitan conocer el comportamiento físico de un sólido en conducción de calor, es decir, la evaluación de su distribución de temperaturas así como el flujo de calor que es capaz de intercambiar con el medio exterior, presenta un indudable interés tecnológico. Desde el punto de vista de la Física-Matemáticas, el sólido en conducción plantea problemas de valores de contorno y/o problemas de valores iniciales, pudiéndose aplicar diversas técnicas para encontrar una solución exacta o analítica cuando las combinaciones de hipótesis en cuanto a geometría, propiedades y condiciones de contorno sean relativamente sencillas. Para casos más realistas hay que acudir a métodos aproximados. El origen de estos métodos no es reciente. De hecho los primeros métodos aproximados los podemos considerar también como “clásicos”. Sin embargo, su potencial de cálculo no se desarrolló plenamente por el excesivo número de operaciones que podrían llegar a plantear. Con el desarrollo de las técnicas computacionales y del cálculo numérico, han surgido nuevos métodos (método de elementos finitos, método de elementos, de contornó)que aunque tienen u origen en los métodos clásicos aproximados, incorporan un planteamiento basado en la discretización del continuo. Naturalmente esto genera un volumen de cálculos soportables únicamente por los ordenadores. El desarrollo que están adquiriendo estos métodos es espectacular, siendo piezas claves en la ingeniería asistida por ordenador. Sin embargo, no podemos ni debemos estudiar estos nuevos métodos ignorando los métodos analíticos. En primer lugar, los métodos numéricos deberían aplicarse únicamente en los casos donde no sean viables los métodos analíticos y, en segundo lugar, debemos aprender a valorar la importancia de disponer de un abundante catálogo de casos resueltos por métodos analíticos. Esto último es clave tanto para el estudio como para el desarrollo de los métodos numéricos, donde se utilizan las soluciones analíticas a modo de test. En las materias troncales y obligatorias correspondientes a los estudios de primer ciclo de ingeniería, la Transferencia de Calor se incluye, normalmente, en asignaturas que tienen a su vez encomendada la docencia de la Termodinámica. De esta forma el tiempo disponible no permite impartir la Transferencia de Calor con la extensión y profundidad que requiere, limitándose a exponer los fundamentos de los “mecanismos de transferencia” (conducción, convección y radiación). Las aplicaciones que se consideran son de carácter práctico, y con las simplificaciones necesarias para manejar soluciones analíticas, sin profundizar en la complejidad de las ecuaciones diferenciales que rigen. Para salvar en parte esa laguna se propuso una asignatura optativa de introducción a los métodos numéricos en conducción de calor, y para facilitar la tarea a los alumnos y a los interesados en conocer estos métodos se pensó en la posibilidad de publicar estos apuntes. Los contenidos se presentan a nivel de introducción y se recurre a la bibliografía para que el lector interesado profundice en el abanico de técnicas disponibles. El nivel y el lenguaje matemático se han procurado adaptar a los conocimientos previos de los estudiantes de primer ciclo. A pesar del carácter de introducción de esta publicación, se recomienda que el lector cuente con conocimientos previos de Física, de Fundamentos de Transferencia de Calor y de ecuaciones diferenciales ordinarias

Solar gain mitigation in ventilated tiled roofs by using phase change materials

Several passive cooling design techniques are known for reducing solar heat gain through building envelope in summer season. These include the use of phase change materials (PCM), which has received an increased attention over the last years, and the strategy of increasing the above-sheathing ventilation (ASV) in ventilated roofs. However, few studies combine both technologies to maximise the building resilience in hot season. The effect of including a PCM layer into a ventilated roof is numerically analysed here in two different configurations: firstly, laid on the roof deck (PCM1 case) and, secondly, suspended in the middle of the ASV channel (PCM2 case). A computational fluid dynamics model was implemented to simulate airflow and heat transfer around and through the building envelope, under 3 days of extreme hot conditions in summer with high temperatures and low wind speed. Results showed slight differences in terms of mean temperatures at the different roof layers, although temperature fluctuations at deck in the PCM1 case were smaller than half of those estimated for the benchmark case. However, PCM2 configuration achieved a daily reduction of about 10 Wh/m(2) (18%) in building energy load with respect to the benchmark case, whilst PCM1 got only 4% due to the lower ventilation at night time. Therefore, a suspended PCM layer in the ASV channel would be a better measure in terms of energy performance than laid on the deck surface, although this last option significantly decreases thermal stress of the insulation layer

Ejercicios de física resueltos y propuestos

El libro consta de 20 temas de Física Clásica en los que se presentan ejercicios propuestos y/o resueltos. En cada tema los ejercicios se exponen en orden creciente de dificultad, y en la resolución de los mismos se ha tratado de hacer hincapié en los errores más frecuentes cometidos por los alumnos que llegan a la Escuela. A medida que avanzan los temas, coincidiendo con el progreso del curso, se reduce la proporción de problemas resueltos. Creemos que este texto, con más de 300 ejercicios (entre resueltos y propuestos) puede servir de ayuda, además de a los estudiantes de Física de las Escuelas de Ingenieros, a los de Facultades de Ciencias, puesto que, en definitiva, los objetivos que se persiguen son los mismos: conseguir que los alumnos asimilen y apliquen correctamente las Leyes y Principios Fundamentales de la Física

Experimental adjustment of the turbulent Schmidt number to model the evaporation rate of swimming pools in CFD programmes

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Water evaporation rate is among the most significant parameters to design and select air con- ditioning systems in buildings with indoor swimming pools. Experimental correlations are today widely used to estimate water evaporation rate, although discrepancies of up to 80% among existing correlations have been shown. An alternative to these empirical methods is the calcu- lation of evaporation rate through computer fluid dynamics techniques. One of the most signif- icant parameters to solve the mass transfer at the air-water interface in these models is the value of the turbulent Schmidt number. Although this value depends on air and water conditions (i.e., temperatures, velocities, and vapour pressure, among others), commercial computer fluid dy- namics programmes set a fixed value by default. This study presents a new value through an experimental adjustment. A total of 40 experimental tests have been performed in a wind tunnel under typical conditions in indoor swimming pools. Afterwards, the adjustment was validated with data from 145 experimental tests reported in the scientific literature. The mean relative error in the evaporation rate using the turbulent Schmidt number was 7%, as against 25% using the value by default. The maximum error was reduced from 35% to 15% in forced convection regime

Validación experimental de dos modelos híbridos de simulación de intercambiadores enterrados verticales para bombas de calor geotérmicas

Durante los últimos años se ha impulsado el uso de tecnologías eficientes como las bombas de calor geotérmicas para su uso en climatización de edificios debido a las políticas de ahorro energético y reducción de las emisiones de CO2 [1]. Los programas de simulación energética de edificios que contemplan esta tecnología necesitan un correcto modelado del intercambiador de calor enterrado vertical para acoplar el comportamiento térmico del terreno con la bomba de calor geotérmica. Existen muchos modelos en la literatura que contemplan dicho fenómeno multidimensional transitorio [2]. En este artículo se estudian dos recientes modelos de simulación híbridos de un intercambiador de calor enterrado vertical con tubería simple en U, basados en analogías eléctricas para modelar las transferencias de calor en el interior de la perforación geotérmica, y factores de respuesta térmica (función-g) para estimar el flujo de calor con el terreno adyacente. Un primer modelo híbrido (RC1) consiste en un método unidimensional con transferencia térmica radial y el segundo modelo híbrido (RC2) se basa en una resolución bidimensional, permitiendo la discretización vertical del sistema completo (fluido, tubería, material de relleno y terreno) [3]. El artículo analiza los resultados de la validación experimental de dichos modelos, comparando sus resultados de temperaturas de salida del fluido con los datos adquiridos de la instalación experimental “GeoCool” que se encuentra completamente monitorizada durante un periodo de operación de 5 año

Metodología para el cálculo de la tasa de evaporación en piscinas cubiertas mediante CFD

El consumo de los sistemas de climatización, según la IEA, supone un 36% en el sector de la edificación a nivel mundial. En edificios, como gimnasios o spas, donde la generación de humedad debida a la evaporación de agua de piscinas es importante, el consumo de los equipos de deshumectación cobra una mayor importancia. El diseño eficiente de estos sistemas debe incluir tanto la correcta selección del equipo de deshumectación, como la adecuada distribución de aire en el recinto. Uno de los factores más determinantes en el proceso de selección del equipo de deshumectación es la tasa de evaporación. Actualmente existen tres teorías que describen la física del fenómeno, las conocidas KTG, SRT y NET. Aunque estas teorías pueden describir la evaporación hasta un nivel molecular, en la práctica son complejas de aplicar debido a la incertidumbre existente en la interface líquido-gas. Por ello, algunos autores proponen la aplicación de estas teorías utilizando valores medios de aire y agua, y corregidas con coeficientes experimentales. Otros autores, en cambio, proponen el uso de correlaciones experimentales, que normalmente son función de parámetros medios de las condiciones del agua y del aire del recinto. Aunque los resultados de estas últimas pueden llegar a ser precisos, el ámbito de aplicación se limita a las geometrías y distribuciones de aire en las cuales fueron obtenidas. Por otro lado, el estudio preciso de la influencia de la distribución del aire en el recinto requiere de la resolución de las ecuaciones de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento del fluido así como del modelo turbulento. Este análisis puede llegar a ser complejo, por ello, algunos autores recurren a las metodologías CFD para su resolución. Además, se hace necesario el acoplamiento del modelo CFD con la tasa de evaporación. En los trabajos revisados este acoplamiento se realiza introduciendo un flujo de vapor cuyo valor se obtiene a partir de correlaciones experimentales. En la revisión realizada no se encuentran metodologías para el cálculo directo de la tasa de evaporación acoplada con el movimiento del aire, que permitan calcular de forma precisa la correcta distribución de temperaturas y humedades en el mismo. En el presente trabajo se describe una metodología basada en CFD, utilizando el software ANSYS CFX, para el cálculo de la tasa de evaporación, así como su validación

Improving thermal performance of a ventilated tiled roof by using phase change materials

The adoption of ventilated roofs and facades, as well as the integration of phase change materials (PCMs) in the building envelope, have proved to be effective as passive cooling techniques in reducing the solar heat gain through the building envelope during the summer period and, therefore, reduce the energy requirement for cooling. Even though much research focused on each of these strategies individually, their combination has not been deeply studied yet. Preliminary numerical studies were carried out on the application of PCMs on a pitched ventilated tiled roof and the most effective position turned out to be suspended in the middle of the above sheathing ventilation (ASV) channel. Based on this conclusion and exploiting an existing mock-up facility, two equivalent pitched ventilated roofs with an air gap of 4 cm were built as coverage of two identical rooms, each one equipped with a fan coil, one with a 0.007 m PCM layer suspended in the middle of the ASV and the other one without. They were then tested under real conditions at the TekneHub Laboratory at the University of Ferrara. The behaviour of the two configurations were compared in terms of temperature, velocity of the air in the ASV, heat flux, and energy requirement for cooling, which were monitored through T-type thermocouples, heat flow meter, anemometers and energy meters, respectively. The aim of the research was to validate the numerical results and confirm that the combination of the two strategies allows further improvement of roof performance