Caracterización térmica y optimización de las estrategias de operación de vigas frías activas en sistemas de climatización de edificios

Abstract

L'aparició de condensació en la bateria d’intercanvi de calor és un dels principals problemes a evitar en una biga freda activa. En climes humits, per les infiltracions d'aire exterior, i en espais d'elevat guany latent, la càrrega latent d’un local pot ser elevada, i les bigues fredes actives poden presentar problemes de condensació. La present tesi doctoral conté totes les fases necessàries per al desenvolupament i validació d'un nou model numèric de biga freda activa, i la seva posterior adaptació com a nou component d'una eina de càlcul per a la simulació tèrmica de la biga freda activa acoblada al sistema de climatització de l'edifici.

Mitjançant simulacions tèrmiques dinàmiques anuals, la present tesis doctoral mostra que el sistema de prevenció de condensació normalment utilitzat pot ser motiu d’un elevat número d’hores de desconfort tèrmic. Per a això, s’implementen models matemàtics pseudo-estacionaris del sistema complet (biga freda activa, climatitzadora i producció tèrmica), adequades per estimar el consum horari per un any tipus complert. Amb aquests models es comparen dissenys alternatius del sistema de control de condensació. Finalment, es compara el consum elèctric de les instal·lacions de bigues fredes actives dins del mercat dels sistemes aire-aigua, i en particular en relació amb els ventiloconvectors. Existeixen alguns estudis al respecte realitzats per fabricants de cadascun dels sistemes, però no tenen objectivitat. En la present tesi doctoral es comparen aquets dos sistemes en diferents aplicacions i climes d'Espanya, a fi de determinar les prestacions de cada tecnologia i identificar nínxols de mercat en què el sistema de biga freda activa pot seguir expandint-se.

La aparición de condensación en la batería de intercambio de calor es uno de los principales problemas a evitar en una viga fría activa. En climas húmedos, por las infiltraciones de aire exterior, y en espacios de elevada ganancia latente, la carga latente del local es elevada, y las vigas frías activas pueden presentar el problema de la condensación. La presente tesis doctoral contiene todas las fases necesarias para el desarrollo y validación de un nuevo modelo numérico de viga fría activa, y su posterior adaptación como nuevo componente de un motor de cálculo para la simulación térmica de la viga fría activa acoplada al edificio, y al resto de componentes del sistema.

Mediante simulaciones térmicas anuales, la presente tesis doctoral demuestra que el sistema de prevención de condensación comúnmente utilizado, puede dar lugar a un elevado número de horas de disconfort térmico. Para ello, se implementan modelos matemáticos pseudo-estacionarios del sistema completo (viga fría activa, climatizadora y producción térmica), adecuados para estimar el consumo horario para un año tipo completo. Con estos modelos se comparan diseños alternativos del sistema de control de condensación. Finalmente, se compara el consumo eléctrico de las instalaciones de vigas frías activas dentro del mercado de los sistemas aire-agua, y en particular en relación con los ventiloconvectores. Existen algunos estudios al respecto realizados por fabricantes de cada uno de los sistemas, pero carecen de objetividad. En la presente tesis doctoral se comparan ambos sistemas en diferentes aplicaciones y climas de España, a fin de determinar las prestaciones de cada tecnología e identificar nichos de mercado en los que el sistema de viga fría activa puede seguir expandiéndose.

The appearance of condensation in the coil is one of the main problems to avoid in an active chilled beam of building air-conditioning systems. In humid climates, by infiltrations of outside air, and in spaces with high latent load, the latent load of the stay is high, and active chilled beams can present the problem of condensation. This doctoral thesis contains all the necessary stages for the development and validation of a new numerical model of active chilled beams, and its adaptation as a new component of a calculation tool for the thermal simulation of the active chilled beam coupled to the building, and the rest of the system components.

Through annual dynamic thermal simulations, this doctoral thesis shows that the commonly used condensation prevention system, can lead to a high number of hours of thermal discomfort. For this, pseudo-stationary mathematical models of the complete system (active chilled beam, air conditioners and thermal production units), which are suitable for estimating the hourly consumption for a complete type year, are implemented. In addition, these models are used in order to compare alternative designs of the condensation control system. Finally, the electrical consumption of active chilled beams installations in the air-water systems market is compared, and in particular in relation to fan-coils. There are some studies in this regard by manufacturers of each of the systems, but they lack objectivity. In this doctoral thesis both systems are compared in different applications and climates in Spain, in order to determine the performance of each technology and identify market niches in which the active chilled beam system can continue to expand.